面向2G至3.5G蜂窩移動(dòng)設(shè)備的高效RF功率管理解決方案[圖]

大家是否注意到人們對(duì)移動(dòng)設(shè)備，尤其是對(duì)智能手機(jī)的著迷程度到了何種地步？人們?cè)谟弥悄苁謾C(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)沖浪、查收和編寫電子郵件、玩網(wǎng)絡(luò)游戲或者更新社交網(wǎng)絡(luò)等活動(dòng)。所有這些活動(dòng)，外加撥打語(yǔ)音電話，都要消耗電池的能量，從功率放大器(PA)到顯示器和內(nèi)核芯片組，它們要消耗大量的能量。最終，鋰離子電池的體積也只能適當(dāng)增加，以保證智能手機(jī)不至于過于笨重。

但是卻有幾種方式可以讓用戶感到滿意，避免經(jīng)常為智能手機(jī)充電，或者在不適當(dāng)時(shí)間電池電能耗盡的現(xiàn)象出現(xiàn)。智能手機(jī)中功率放大器消耗的功率大約占總體30%，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況較差的區(qū)域，這個(gè)比率會(huì)高達(dá)70%。一般要求智能手機(jī)和手機(jī)具有兼容前幾代蜂窩網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的能力，現(xiàn)今大多數(shù)手機(jī)均具有所謂的HEDGE-enabled功能，這意味著它們能夠支持HSUPA、HSDPA、WCDMA、EDGE、GPRS和GSM。換言之，3.5G(HSUPA和HSDPA)手機(jī)支持3G(WCDMA)和2G(EDGE、GPRS和GSM)技術(shù)。目前市場(chǎng)上還有支持CDMA2000 1x EV-DO和TD-SCDMA等3G蜂窩技術(shù)的其它手機(jī)，它們也消耗大量功率。

不論是3G還是2G，功率放大器都會(huì)消耗大量功率，所以需要一種有效的方法來獲得更長(zhǎng)的通話/工作時(shí)間。不論是在進(jìn)行語(yǔ)音通話，還是將數(shù)據(jù)從手機(jī)發(fā)送到基站，功率放大器均要消耗功率。在接收效果較差的區(qū)域，則需要更高的輸出功率水平，這就意味著更高的功率消耗。對(duì)于3G功率放大器和GSM/EDGE功率放大器模塊(PAM)的EDGE部分而言，不僅需要特定水平的輸出功率，還要求具有足夠的線性度，以確保向基站發(fā)送信號(hào)的保真度。

對(duì)于功率放大器外圍的技術(shù)，已經(jīng)開發(fā)出兩種有效方法：DC-DC轉(zhuǎn)換器和包絡(luò)跟蹤。第一種方式是更為流行的解決方案，飛兆半導(dǎo)體公司用于2G/3G功率放大器的6W、3MHz/6MHz降壓轉(zhuǎn)換器FAN5904就針對(duì)這種應(yīng)用。該產(chǎn)品是為了支持GSM/EDGE PAM和3G/3.5G PA而專門設(shè)計(jì)，因?yàn)樵谑謾C(jī)中線路板空間十分珍貴，設(shè)計(jì)人員無需再使用兩個(gè)獨(dú)立的降壓轉(zhuǎn)換器。FAN5904支持從WCDMA到HSUPA+，以及世界流行的CDMA200 1x EV-DO等3G無線標(biāo)準(zhǔn)。此外，該器件還支持中國(guó)的3G標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA，以及用于更高數(shù)據(jù)傳輸率的TD-SCDMA信號(hào)調(diào)制下的HSUPA。隨著兼容GSM/EDGE、支持TD-SCDMA的“TEDGE”手機(jī)的出現(xiàn)，F(xiàn)AN5904將是一種理想的解決方案。

FAN5904與基帶處理器和功率放大器配合工作，以達(dá)到降低功耗的目的。基帶芯片組將會(huì)根據(jù)從基站接收到的信息來設(shè)定輸出功率水平，然后將其轉(zhuǎn)換成電源電壓，以便FAN5904可以為功率放大器供電。圖1的系統(tǒng)應(yīng)用示意圖顯示了FAN5904與基帶芯片組、射頻收發(fā)器和功率放大器之間的接口情況。為了生成正確的、相應(yīng)于輸出功率的電源電壓，要求基帶芯片組的固件能夠包含Tx AGC/POUT查找表(LUT)中的另一列內(nèi)容。

圖1. FAN5904與基帶處理器、射頻收發(fā)器和3G功率放大器以及GSM/EDGE功率放大器模塊的系統(tǒng)應(yīng)用示意圖。

表1所示為針對(duì)某個(gè)HEDGE手機(jī)的WCDMA和HEDGE端口，如何配置查找表(LUT)的例子。該表格針對(duì)Avago的3G功率放大器，分為高、中和低功率模式三個(gè)主要部分。其它功率放大器因結(jié)構(gòu)不同而具有不同的設(shè)置。高、中和低功率模式分區(qū)下各列內(nèi)容為該模式下的輸出功率及其相應(yīng)的VCON電壓，這些電壓是基帶處理器生成的電壓，通知FAN5904為功率放大器提供正確的輸出電壓，獲得特定的輸出功率。GSM和EDGE則需要不同的查找表。

表1: 針對(duì)某個(gè)HEDGE手機(jī)的WCDMA和HEDGE端口，如何配置查找表(LUT)的例子

基帶處理器能夠針對(duì)輸出功率水平，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功率放大器的電源電壓，從而降低功率放大器消耗的電流。這樣便得到兩種重要結(jié)果：一是降低了電源電壓和電流，使得散熱減少；二是延長(zhǎng)了智能手機(jī)的通話時(shí)間和數(shù)據(jù)使用時(shí)間。在高輸出功率或者大電流負(fù)載情況下，F(xiàn)AN5904會(huì)以6MHz的PWM模式工作，但在要求“中”或“低”輸出功率時(shí)，它會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換至脈沖頻率調(diào)制(PFM)模式。在PFM模式下，轉(zhuǎn)換器以更低的開關(guān)頻率工作，以保持更高的效率。圖2和圖3針對(duì)WCDMA (語(yǔ)音和數(shù)據(jù))信號(hào)調(diào)制的DG90功率分布函數(shù)，顯示使用與未使用FAN5904的3G功率放大器的性能。對(duì)于語(yǔ)音通話，F(xiàn)AN5904在大部分時(shí)間工作于PFM模式，因?yàn)楦鶕?jù)DG09曲線，PFM模式占用的時(shí)間少于輸出功率高于18dBm時(shí)間的10%。恰恰相反的是，為了保證接收器的信噪比，在數(shù)據(jù)傳送模式下則要求保證更高的“每bit能量”，所以在數(shù)據(jù)傳送模式下，輸出功率為16dBm或者以上的時(shí)間占據(jù)33%。

圖 2. WCDMA信號(hào)調(diào)制和1000mAh鋰離子電池條件下，使用和未使用FAN5904的3G功率放大器的通話時(shí)間分析。

圖 3. WCDMA信號(hào)調(diào)制和1000mAh鋰離子電池條件下，使用和不使用 FAN5904的3G功率放大器的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間分析。

圖2和圖3顯示了在不同輸出功率條件下一個(gè)3G PA分別在語(yǔ)音和數(shù)據(jù)傳輸模式下有、無FAN5904時(shí)所使用的工作時(shí)間的分析。在PA電源電壓設(shè)定在鄰近信道功率比（ACPR）為-39dBc時(shí)的值時(shí)， WCDMA的ACPR可以改善到-43dBc，但是電流消耗將會(huì)增加，導(dǎo)致效率降低。

表2: 在WCDMA信號(hào)調(diào)制下使用 FAN5904時(shí)，通話時(shí)間和數(shù)據(jù)使用時(shí)間方面的改善。