改善2.5G和3G手机发送效率的新型方案

改善2.5G和3G手机发送效率的新型方案

立凯通信技术有限公司 鲁维德

引言

随着第三代移动通信(3G)时代的临近，手机设计人员正忙于开发新的方案，以解决高速数据传输所带来的一系列新问题。其中，主要的问题集中在软件、屏幕技术、数据处理带宽及电池寿命等方面。

这些问题在在第二代（2G）只有话音和低速数据功能的手机中，还不是如此严峻，并且允许采用一些简单和廉价的方案进行折衷或弥补。一个典型的例子就是功放，典型的2G手机中用于发送信号的功率放大器(PA)是由电池直接驱动的，效率虽不是，但非常简单。

而在3G手机中，关键的是，高速数据传送要求具有更高的带宽和发送功率。因此，为保持足够长的电池工作时间，就必须要采用更先进和效率更高的方案。 因此采用一种高度专门化设计的降压型DC-DC开关调节器MAX1820来驱动PA，成为当今越来越广泛受到蜂窝电话制造商们青睐的一种方案。

设计方案

由MAX1820组成的改善手机2.5G和3G发送效率配置方案见图1所示。

从图1中可看出，实际上是在电池与WCDMA功率放大器(PA)中嵌入MAX1820降压型开关调节器，同时它也组成了1MHz脉宽调制降压转换器( PWM STEP-DOWN CONVERTER)，其PWM开关频率为1MHz。

基本原理

从图1中可以清楚地看出，利用MAX1820这样的高效率开关调节器能动态地调整WCDMA功率放大器(PA)的供电电压，并使其跟随功放(PA)的发送功率而变化，同时它刚好能满足射频信号的幅度要求，从而既可以提高电源的利用率，又减少功率浪费。采用开关调节器高效率地实现这种调节，在峰值发送功率以外的任何工作条件下，都可大幅度地节省电池功率，如图2所示。峰值功率只有在手机远离基站或数据传送时需要。从总体来讲，这种方案的省电效果是非常显著的。如果功放(PA)的供电电压能够在一个足够宽的范围内高效率地动态调节，那么，就有可能采用固定增益的线性功放，省掉目前广泛应用于2G电话的偏置控制。

MAX1820的功能特征

引脚

SYNC同步外部时钟端；REF模拟控制端；BATT输入电压电池端；Vout动态调整输出端；Lx电感匹配端。

功能

动态调节输出电压范围可从0.4V到3.4V；
可编程输出电压从1.25V到5.5V；
可外接同步13MHz时钟或19.8MHz；

内含1MHz振荡器

低静态电流:停机状态为0.1 A，强制PWM模式为180 A；
能保证600mA输出；
PWM能在0%到100%占空比运行；
在负载电流为600mA时输出电压下跌0.15V；

电源供电电压

Vin电压为2.6V；
Vmax电压为5.5V；
电源消耗电流Icc为3.3mA；
额定输出电流Iout可达1.2A。

采用MAX1820优化配置的论证

该问题的重点是从系统性能的角度，对特殊用途的MAX1820开关调节器有些什么样的特殊性能作一分析，从而优化配置的论证也显而易见了。

1、为便于理解，首先应该研究一下作为负载的功放(PA)及其特性，见图3。它由一个主要蜂窝电话商制造提供，表示一个双极工艺的固定增益WCDMA功率放大器(PA)的负载曲线。在峰值发送功率时，功率需要3.4V的供电电压，并消耗掉300mA到600mA的电流。在发送功率时，也就是当靠近基站并且只发送话音时，功放仅吸取30mA的电流和0.4V到1V的电源电压。对应的功放消耗功率分别为2040mW（值）和12mW（值）。

针对具有此类负载特性的功放(PA)，要对开关调节器进行优化并非易事，而MAX1820 WCDMA蜂窝电话降压型调节器能满足这种要求。

2、下面列出特殊用途的MAX1820区别于其它类型的开关调节器的特殊性能：
（1）在很宽负载范围内具有高效率

没有高效率采用开关调节器就失去意义，因此，高效率和省电是MAX1820的主导设计思想，见图4。传送数据时（约500mW至2040mW），MAX1820内部的低导通电阻（0.15 ）PFET(P极型场效应开关管)可以提供高达97%的效率。传送话音时（约12mW至500mW），MAX1820内部的0.2 NFET(N极型场效应开关管)同步整流器和3.3mA的低工作电流（强制PWM模式）使转换效率达97%。97%效率听起来不算高，但对于一个工作在1MHz恒定开关频率和很轻负载的转换器来讲并非易事，正如图4所示，转换器具有极低的功率损耗。这种工艺并在给定的FET导通电阻下获得更低的栅极电容。

（2）输出电压的动态调整

输出电压需要在3.4V到0.4V间调整，为此，采用一个数模转换器（DAC）驱动MAX1820的模拟控制引脚（REF），见图1所示。由于DAC的输出电压范围达不到3.4V，故MAX1820从REF到OUT具有1.76倍的电压增益。
（3） 输出电压的快速转变和建立（30 s）

在WCDMA系统架构中，发送功率需要根据基站的要求，每666 s向上或向下调节1dB，以跟随WCDMA功放(PA)的发射功率电平。此外，每隔10ms，手机会发生大幅度的发送功率跳变，见图5所示。各种情况下，发送功率水平的变化需要在50 s内完成，然而，考虑到基站、DAC及各种系统延迟，留给开关调节器来改变功放(PA)电源的时间还要减少。由于这个原因，MAX1820被专门设计为能够在30 s内改变并建立输出电压，甚至对于满幅度的电压和电流变化都没有问题。由于要求输出能够快速改变，MAX1820的输出电容C被限制在仅仅4.7 F，见图1所示，这给工作的稳定性带来了桃战。4.7 F电容所带来的额外好处是允许采用低ESR(等效串联电阻)的陶瓷电容，这将使输出纹波降低至5 mVp-p。降压调节器面临的另外一个问题出现在需要迅速降低发送功率的时候，例如退出数据模式时。在此情况下，MAX1820能够反转电感L中的电流，Vout迅速拉低以便保证30 s的建立时间。否则，功放的线性会随着电源电压的缓慢下降而改变。另外，这种技术还将输出电容中的剩余电能回送到MAX1820输入端的电池，进一步节省了电能。

（4）稳定工作于9.5%至100%PWM占空比和低压差

假设手机由单节锂离子（Li+）电池(4.2V---2.7V)供电，那么输入开关调节器的电压范围大约4.2V至2.7V，为了获得可预知的噪声频谱和低输出纹波，应该尽量采用恒定的开关频率，MAX1820的强制PWM工作模式在电池完全充电至4.2V且要求功放(PA)电源电压为0.4V时，可稳定工作于至9.5%的占空比。就其本身来讲这并不困难，但还应考虑到相反的极端情况，当经过一定程度放电的电池工作在大功率数据发送模式时，要求占空比能够完全达到100%，并具有低压差。为了获得非常低的压差，MAX1820内部的PFET被稍稍超额设计为非常低的0.15 导通电阻。假设电感具有0.1 的串联电阻，那么在600mA的负载下总的压降只有150mV。根据蜂窝电话制造商的要求，当电池被放电至3.4V以下时，数据传送距离有一定程度的降低是可以接受的。突破这种局限需要采用价格稍贵、效率稍低一点的升/降压调节器。

(5)1MHz开关频率及同步

MAX1820内部具有一个1MHz振荡器来控制PWM开关频率。提高开关频率是减小外部元件尺寸的一个办法，但效率有可能降低到无法接受的水平。前面己提到，采用固定频率PWM方式可以获得已知的噪声频谱和较低的输出纹沆。MAX1820的1MHz内部时钟具有较高的，可保证 20%的容差，此外，为了更地同步至系统时钟，MAX1820还包含了一个13分频（或18分频）时钟合成器，可馈入一个13MHz（或19.8MHz）的低幅度正弦波。

结束语

上述是采用开关型降压调节器MAX1820在WCDMA功放(PA)驱动中的应用，该设计方案所具的发送效率改善和节电效果正在或将进一步得到验证，当然这种方案同样也可用于其它的3G标准和更多不同的终端设备，使小型化、个性化的数据手机及无线移动运算的理想成为现实。