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引言
隨著第三代移動通信(3G)時代的臨近，手機設計人員正忙于開發(fā)新的方案，以解決高速數(shù)據(jù)傳輸所帶來的一系列新問題。其中，最主要的問題集中在軟件、屏幕技術、數(shù)據(jù)處理帶寬以及電池壽命等方面。
這些問題在在第二代(2G)只有話音和低速數(shù)據(jù)功能的手機中，還不是如此嚴峻，并且允許采用一些簡單和廉價的方案進行折衷或彌補。一個典型的例子就是功放，典型的2G手機中用于發(fā)送信號的功率放大器(PA)是由電池直接驅動的，效率雖不是最佳,但非常簡單。
而在3G手機中，最關鍵的是高速數(shù)據(jù)傳送要求具有更高的帶寬和發(fā)送功率。因此，為保持足夠長的電池工作時間，就必須要采用更先進和效率更高的方案。
一種解決方法那就是采用一種高度專門化設計的DC-DC降壓變換器MAX1820來驅動PA。這是當今越來越廣泛受到蜂窩電話制造商們青睞的一種方案。
改善發(fā)送效率的設計方案
由MAX1820組成的改善手機2.5G和3G發(fā)送效率配置方案圖示于圖1。
從圖1可看出，實際上是在電池與WCDMA功率放大器(PA)中嵌入MAX1820降壓型開關調節(jié)器，它也是組成了1MHz脈寬調制降壓轉換器, 其PWM開關頻率為1MHz。
從圖1中可以清楚地看出，利用MAX1820這樣的高效率開關調節(jié)器能動態(tài)地調整WCDMA功率放大器(PA)的供電電壓，并使其跟隨功放(PA)的發(fā)送功率而變化，又其剛好能滿足射頻信號的幅度要求，從而既可以提高電源的利用率，又減少功率浪費。采用開關調節(jié)器高效率地實現(xiàn)這種調節(jié)，在峰值發(fā)送功率以外的任何工作條件下，都可大幅度地節(jié)省電池功率(圖2)。
因為峰值功率只有在手機遠離基站/或數(shù)據(jù)傳送時需要。從總體來講，這種方案的省電效果是非常顯著的。如果功放的供電電壓能夠在一個足夠寬的范圍內高效率地動態(tài)調節(jié)，那么，就有可能采用固定增益的線性功放，省掉目前廣泛應用于2G電話的偏置控制。
那末MAX1820降壓變換器用的是什么技術能實現(xiàn)省電并提高手機發(fā)送效率?也就是說該設計方案的技術可行性是什么?
為便于理解，首先研究一下作為負載的功放及其特性(見圖3)。
它表示一個雙極工藝的固定增益WCDMA功率放大器的負載曲線。在峰值發(fā)送功率時，功率需要3.4V的供電電壓，并消耗掉300mA到600mA的電流。在最低發(fā)送功率時，也就是當靠近基站并且只發(fā)送話音時，功放僅吸取30mA的電流和0.4V到1V的電源電壓。對應的功放消耗功率分別為2040mW(最大值)和12mW(最小值)。
針對具有此類負載特性的功放,要對降壓變換器進行優(yōu)化并非易事，而MAX1820 WCDMA蜂窩電話降壓型變換器能滿足這種要求。
MAX1820特殊性能：
在很寬負載范圍內具有高效率(見圖4)。
傳送數(shù)據(jù)時(約500mW至2040mW)，MAX1820內部的低導通電阻(0.15Ω)PFET可以提供高達97%的效率。傳送話音時(約12mW至500mW)，MAX1820內部的0.2ΩNFET同步整流器和3.3mA的低工作電流使轉換效率達97%。
輸出電壓的動態(tài)調整輸出電壓需要在3.4V到0.4V間調整。為此，采用一個數(shù)模轉換器驅動MAX1820的模擬控制引腳(REF)，見圖1所示。由于DAC的輸出電壓范圍達不到3.4V，故MAX1820從REF到OUT具有1.76倍的電壓增益。
輸出電壓的快速轉變和建立(30mS)。在WCDMA系統(tǒng)架構中，發(fā)送功率需要根據(jù)基站的要求，每666mS向上或向下調節(jié)1dB, 以跟隨WCDMA功放的發(fā)射功率電平。此外，每10mS隔，手機會發(fā)生大幅度的發(fā)送功率跳變(圖5)。
各種情況下，發(fā)送功率水平的變化需要在50mS內完成，然而，考慮到基站、DAC及各種系統(tǒng)延遲，留給降壓變換器來改變功放電源的時間還要減少。由于這個原因，MAX1820專門設計為能夠在30mS內改變并建立輸出電壓,甚至對于滿幅度的電壓和電流變化都沒有問題。由于要求輸出能夠快速改變，MAX1820的輸出電容C被限制在僅僅4.7mF(圖1)。這給工作的穩(wěn)定性帶來了桃戰(zhàn)。4.7mF電容所帶來的額外好處是，允許采用低ESR的陶瓷電容，這將使輸出紋波降低至5mVp-p。降壓變換器面臨的另外一個問題出現(xiàn)在需要迅速降低發(fā)送功率的時候，例如退出數(shù)據(jù)模式時。在此情況下，MAX1820能夠反轉電感L中的電流，將輸出Vout迅速拉低以便保證30mS的建立時間。否則，功放的線性會隨著電源電壓的緩慢下降而改變。另外，這種技術還將輸出電容中的剩余電能回送到MAX1820輸入端的電池，進一步節(jié)省了電能。
穩(wěn)定工作于9.5%至100%PWM占空比和低壓差。假設手機由單節(jié)鋰離子(Li+)電池(4.2V~2.7V)供電，那么輸入降壓變換器的電壓范圍大約4.2V至2.7V，為了獲得可預知的噪聲頻譜和低輸出紋波，應該盡量采用恒定的開關頻率，MAX1820的強制PWM工作模式在電池完全充電至4.2V且要求功放電源電壓為0.4V時，可穩(wěn)定工作于最低至9.5%的占空比。就其本身來講這并不困難，但還應考慮到相反的極端情況，當經(jīng)過一定程度放電的電池工作在大功率數(shù)。
