电源对移动电话开关频谱的影响

摘 要：本文针对电源在研发和量产测试中对移动电话开关频谱的影响，给出了在电路设计和测试设备设置上所需要注意的事项和应该采取的措施。
关键词：电源；移动电话；开关频谱

随着移动电话市场的发展，移动电话已经成为目前国内电子制造业的热点。移动电话是一个包含数字信号和模拟信号的复杂系统，在移动电话的设计调试和批量生产中，会碰到各种各样技术问题。其中常见的问题之一是移动电话的开关频谱不能满足ETSI标准的要求。在实际工作中，发现移动电话使用的电源直接影响开关频谱的好坏。本文将简要介绍一下移动电话电源对开关频谱的影响并给出具体的解决办法。

基本概念
GSM移动电话仅在八个时隙中的一个时隙发射信号，因此需要不断切换功率放大器工作状态。在发射信号时， GSM移动电话需要打开功率放大器，发射结束后将功率放大器关闭，从而减少手机功耗，延长通话时间。为了减小功率放大器频繁切换工作状态而导致的对相邻信道的干扰，ETSI标准中明确规定了对功率放大器的功率时间谱和开关频谱的要求。图1是ETSI规范对功率时间谱的要求， 移动电话在每一个时隙的输出功率必须落在规定范围(Time Mask)内。
表1是ETSI规范对开关频谱的要求。在发射功率为31dBm的时候，距载波400kHz处开关频谱不得超过 -21dBm，距载波600kHz处开关频谱不得超过-23dBm，距载波1200kHz处开关频谱不得超过-23dBm，距载波1800kHz处开关频谱不得超过-26dBm。
目前完整的手机解决方案的芯片部分主要包括基带、电源控制、收发器和功率放大器。在这些器件中，基带、电源控制和收发器的工作电流都比较小，约为几十mA，而功率放大器的工作电流较大，峰值电流约为1~2A。并且功率放大器的工作模式为非连续方式，因此功率放大器所需电流为幅度较大的脉冲电流，图2是功率放大器Vcc引脚电流波形。
功率放大器所需要的脉冲大电流对电源提出了较高的要求。如果电源不能够提供功率放大器所需要的瞬时大电流，那么功率放大器就会异常工作，从而导致移动电话的各项指标恶化，表现之一就是开关频谱异常。

设计调试中的注意事项
图3是移动电话功率放大器的外围电路图，其中功率放大器的第4引脚接电源。为了保证功率放大器在工作状态时获得足够的电流，通常在靠近功率放大器的第4引脚处并联一个电容，电容的大小约为3.3mF或者 4.7mF。具体设计可以根据实际需要适当增加电容值，但过大的电容不仅会增加成本，占用较大的印刷电路板面积。而且在增大到一定容值后，进一步增加电容值将不再会显著改善电源性能。此外，这个电容和功放的第4引脚在电路板上应该尽量靠近，而且要用铜箔块连接，以减少电容放电途径的阻抗。在电容类型的选取上，应该选择等效串连电阻和等效串连电感较小的电容。因为等效串连电阻决定了电容器的放电电流，等效串连电阻和等效串连电感决定了放电速度(即脉冲电流的前沿上升时间)。如果使用这两个数值大的电容是根本无效的，只有使用高频电解电容、无感薄膜电容、独石电容等才行。除了在功率放大器电源脚放置电容外，在印刷电路板布线的时候，还应该注意尽量缩短电源线的长度，过长的电源线不仅增加了电压损耗，而且会导致供电电压的波动。此外，功率放大器的电源线的宽度不应该低于9mil，过于狭窄的电源线呈现出较大的阻抗，也会进一步恶化电源的性能。
在印刷电路板布线时，如果不注意上述问题，会导致功率放大器电源供电不足，从而引发开关频谱的恶化。在移动电话调试过程中，如果开关频谱不能满足ETSI要求，设计人员可以进一步观察移动电话的功率时间谱。例如在功率等级的功率时间谱上，功率放大器稳定输出功率出现明显下降的情况，那么有可能是功率放大器电源供电电流不能满足功率放大器要求。设计人员可以从上述三个方面考虑改进功率放大器电源电路的设计。

量产测试中的注意事项
在量产测试中，通常生产厂家不会采用真正的电池而是采用“假电池”。
由于移动电话工作时，功率放大器所需电流为大幅度脉冲电流，在这种情况下，连接电源线的电感不可忽略。由于受到大幅度脉冲电流和电源线等效电感的影响，功率放大器Vcc管脚的实际电压可以由下式表示：

其中，Vd是电源通路上的电压降数值，R是电源通路的电阻值，I是电流，L是电源线的电感值，t是时间。
如果用示波器实际测试加在移动电话上的电压，会发现大量的毛刺， 如图4所示。在实际生产中，严重的毛刺会导致功率放大器失效或被击穿，而更多的情况下，这种电源的波动会导致移动电话的开关频谱恶化，从而使得被测试移动电话不能通过生产测试。
针对上述问题，可以从三个方面来改善测试生产线上移动电话的供电电源的性能。首先要尽量缩短稳压电源和待测移动电话之间的电源线长度，通过减小电源线长度来减小电源线的等效电感，从而减小毛刺的幅度。其次，可以在电源线靠近待测移动电话的一端并联一个大电容(钽电容或电解电容)，电容值通常不小于3000mF，从而保证为功率放大器提供瞬时大电流。，在选择移动电话生产测试线上使用的稳压电源时，应该充分考虑所选的型号是否能够满足测试时对供电电流的要求。
在量产测试中，如果较大比例的被测移动电话不能通过开关频谱的测试，那么可以考虑检测移动电话电源波形或者直接换用真电池进行测试。在使用真电池的情况下，如果待测移动电话能够通过测试，就需要检查测试电源的设置，确保测试电源设置能够满足移动电话功率放大器对大幅度脉冲电流的需要。■
参考文献
1 Power Star Voltage Protection Application Note, RFMD, Jan, 2002
2 Minimizing Power Supply Transient Voltage at a Digital Wireless Telecommunications Products?Test Fixture, Jim Gallo, Ed Brorein, Agilent Tech, Inc.