《電子技術(shù)應(yīng)用》
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W-CDMA收發(fā)器的功率管理解決方案
S. Ajram
飛兆半導(dǎo)體公司
摘要: 3G的普及使手機(jī)功能日益增多,對手機(jī)電池能量的要求也不斷提升。本文在此背景下提出了針對W—CDMA收發(fā)器的功率管理方案,即采用由電壓控制的DC/DC轉(zhuǎn)換器來動態(tài)調(diào)節(jié)射頻功放的電源電壓,從而獲得更高的功率附加效率。
Abstract:
Key words :

    目前已推出市場的幾款3G手機(jī)的使用時間都只有2小時到3.5小時,無法真正吸引終端用戶。真正的通話或連接時間實際上取決于手機(jī)與基站的連接質(zhì)量,以及連接期間數(shù)據(jù)內(nèi)容的密集程度。

    為爭取更多的用戶,全球3G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施在2008年已加速部署,其中在美國和歐洲的發(fā)展尤其快速。好幾家運(yùn)營商都推出了比較價廉的無限數(shù)據(jù)計劃,雖然這些計劃對在連接能力上有一定的限制,但卻增加了對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件的支持,比如視頻會議、互聯(lián)網(wǎng)語音 (VoIP)、簡易郵箱 (easy email) 和互聯(lián)網(wǎng)瀏覽等,從而吸引用戶使用。

    在硬件方面,針對低功率模式工作和城區(qū)通話服務(wù),手機(jī)設(shè)計人員已設(shè)法對射頻收發(fā)器的功耗進(jìn)行優(yōu)化,特別是射頻功放 (RF Power Amplifier, RFPA) 的功耗。運(yùn)營商提供的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,在這種情況下,手機(jī)的傳送功率小于1mW。目前使用的RFPA中,大多數(shù)都具有低功率模式,當(dāng)射頻功率低于1mW時,其耗電量為10mA或更小。此外,它們還經(jīng)過優(yōu)化,可在500mW左右時 (最大射頻工作功率級) 獲得最佳功率附加效率 (Power Added Efficiency, PAE) (約為33%)。這時的問題在于,RFPA功耗約為1W,會產(chǎn)生過多的熱能,影響周圍組件的性能。圖1所示為PAE及功耗的典型變化與射頻工作功率級的關(guān)系。

 圖1:雙模W-CDMA RFPA的附加功率效率 (PAE) 的圖示

    據(jù)3G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供的功率分布統(tǒng)計數(shù)據(jù),在城市地區(qū),以語音功能為主手機(jī)有90%到 95%的時間都在1mW以下的功耗工作,這應(yīng)該使得這些條件下的通話時間達(dá)到5小時。

    不過,當(dāng)連接的數(shù)據(jù)容量較大,或者用戶位于郊外或低覆蓋區(qū)域時,3G手機(jī)必須把發(fā)射功率提高到50mW以上,才能獲得良好的信噪比。在這類情形下,一個沒有經(jīng)過重新優(yōu)化的RFPA會在2.5小時或更短時間之內(nèi)就消耗掉電池的全部能量。

    最佳的解決方案是采用一個由電壓控制的DC-DC轉(zhuǎn)換器來動態(tài)調(diào)節(jié)RFPA電源電壓,以便在每一個射頻功率級下都獲得盡可能高的功率效率。這項技術(shù)被稱為動態(tài)電壓調(diào)節(jié) (Dynamic Voltage Scaling, DVS) 技術(shù) (圖2)。

圖2:利用DC-DC轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)3G 射頻功放動態(tài)供電的圖示

圖中文字(上): VBAT – DVS DCDC – VCC – WCDMA RFPA

(中): VBAT或電池電壓 – VCC 或RFPA 來自DCDC的電壓

(下):已傳送的射頻功率級

    圖3顯示了較之直接由電池供電的RFPA (黑色曲線),采用了DVS 功率管理方案的RFPA (藍(lán)色曲線) 在功率附加效率上的改進(jìn)。圖中可見,在16 到 24dBm的功率范圍,后者節(jié)省了100mA電池電流;而在0 到 16dBm的功率范圍,則可節(jié)省10mA電池電流。換言之,采用DVS解決方案的以數(shù)據(jù)功能為主的3G手機(jī)可節(jié)省高達(dá)20% 的電池能量,從而相應(yīng)地延長了數(shù)據(jù)連接時間。

圖3:雙模W-CDMA RFPA (黑色曲線) 與采用動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)的

單模RFPA (藍(lán)色曲線) 的功率附加效率比較

圖中文字(左):采用DVS的DCDC

     采用DVS技術(shù)的另一大優(yōu)勢是,當(dāng)電池充電至4.2V時,可把RFPA電壓鉗位在3.4V (注1),從而使高電池電平下的發(fā)熱量再降低20%。這樣就可以減小散熱器的尺寸,并/或縮短PCB上集成組件的間距。

    此外,利用DVS功率管理解決方案,射頻工程師還能夠以單功率模式功放取代復(fù)雜的多功率模式RFPA,提高功率效率,減少產(chǎn)熱,并降低材料清單的成本。

    DC-DC 電源器件生產(chǎn)商所面對的要求是要提供適合于安裝在射頻前端模塊內(nèi)部,并盡量不影響基帶或射頻頻譜的緊湊式解決方案。而真正的挑戰(zhàn)是如何以亞微亨 (sub micro-Henry) 的電感 (3.2 mm2) 取代體積相對較大的電感 (小于大約10mm2),使開關(guān)頻率和開關(guān)噪聲超過基帶頻率 (> 5MHz)。    

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