浅析收发器的功率管理

　　WCDMA 是英文Wideband Code Division Multiple Access（宽带码分多址）的英文简称，是一种第三代无线通讯技术。W-CDMAWideband CDMA 是一种由3GPP具体制定的，基于GSM MAP网，UTRAN（UMTS陆地无线接入网）为无线接口的第三代移动通信系统。目前WCDMA有Release 99、Release 4、Release 5、Release 6等版本。目前中国联通采用的此种3G通讯标准。

　　W-CDMA（宽带码分多址）是一个ITU（国际电信联盟）标准，它是从码分多址（CDMA）演变来的，从看被认为是IMT-2000的直接扩展，与现在市场上通常提供的技术相比，它能够为移动和手提无线设备提供更高的数据速率。WCDMA采用直接序列扩频码分多址（DS-CDMA）、频分双工（FDD）方式，码片速率为3.84Mcps，载波带宽为5MHz.基于Release 99/ Release 4版本，可在5MHz的带宽内，提供384kbps的用户数据传输速率。W-CDMA能够支持移动/手提设备之间的语音、图象、数据以及视频通信，速率可达2Mb/s（对于局域网而言）或者384Kb/s（对于宽带网而言）。输入信号先被数字化，然后在一个较宽的频谱范围内以编码的扩频模式进行传输。窄带CDMA使用的是200KHz宽度的载频，而W-CDMA使用的则是一个5MHz宽度的载频。

　　随着手机的用途越来越广泛，对应用时间的要求不断增加，因此对电池能量的需求也相应上升，而且还不得影响通话的时间。为争取更多的用户，3G网络基础设施在2008年已加速部署，其中在美国和欧洲的发展尤其快速。好几家运营商都推出了比较价廉的无限数据计划，虽然这些计划对在连接能力上有一定的限制，但却增加了对网络应用软件的支持，比如视频会议、互联网语音 （VoIP）、简易邮箱 （easy email） 和互联网浏览等，从而吸引用户使用。

　　在硬件方面，针对低功率模式工作和城区通话服务，手机设计人员已设法对射频收发器的功耗进行优化，特别是射频功放的功耗。运营商提供的统计数据显示，在这种情况下，手机的传送功率小于1mW。目前使用的RFPA中，大多数都具有低功率模式，当射频功率低于1mW时，其耗电量为10mA或更小。此外，它们还经过优化，可在500mW左右时获得功率附加效率 （约为33%）。这时的问题在于，RFPA功耗约为1W，会产生过多的热能，影响周围组件的性能。图1所示为PAE及功耗的典型变化与射频工作功率级的关系。

 图1：双模W-CDMA RFPA的附加功率效率 (PAE) 的图示

　　据3G网络运营商提供的功率分布统计数据，在城市地区，以语音功能为主手机有90%到 95%的时间都在1mW以下的功耗工作，这应该使得这些条件下的通话时间达到5小时。不过，当连接的数据容量较大，或者用户位于郊外或低覆盖区域时，3G手机必须把发射功率提高到50mW以上，才能获得良好的信噪比。在这类情形下，一个没有经过重新优化的RFPA会在2.5小时或更短时间之内就消耗掉电池的全部能量。

　　的解决方案是采用一个由电压控制的DC-DC转换器来动态调节RFPA电源电压，以便在每一个射频功率级下都获得尽可能高的功率效率。这项技术被称为动态电压调节 （Dynamic Voltage Scaling, DVS） 技术 （图2）。

　　动态电压调节技术（DVS）是这样一种技术：在保证系统任务完成的情况下，使处理器运行在尽可能低的电压上。它的基本思想是，当系统需要完成大量计算任务时，提高处理器的电压以增加其处理速度；而当系统任务较少或处于空闲状态时，降低处理器的电压，这样既可以保证系统任务的按时完成，同时又可降低处理器的能量消耗。

图2：利用DC-DC转换器实现3G 射频功放动态供电的图示

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

　　（中）： VBAT或电池电压 – VCC 或RFPA 来自DCDC的电压

　　（下）：已传送的射频功率级

　　图3显示了较之直接由电池供电的RFPA （黑色曲线），采用了DVS 功率管理方案的RFPA （蓝色曲线） 在功率附加效率上的改进。图中可见，在16 到 24dBm的功率范围，后者节省了100mA电池电流；而在0 到 16dBm的功率范围，则可节省10mA电池电流。换言之，采用DVS解决方案的以数据功能为主的3G手机可节省高达20% 的电池能量，从而相应地延长了数据连接时间。

图3：双模W-CDMA RFPA (黑色曲线) 与采用动态电压调节技术的

单模RFPA (蓝色曲线) 的功率附加效率比较

　　图中文字（左）：采用DVS的DCDC

　　采用DVS技术的另一大优势是，当电池充电至4.2V时，可把RFPA电压钳位在3.4V （注1），从而使高电池电平下的发热量再降低20%。这样就可以减小散热器的尺寸，并/或缩短PCB上集成组件的间距。

　　此外，利用DVS功率管理解决方案，射频工程师还能够以单功率模式功放取代复杂的多功率模式RFPA，提高功率效率，减少产热，并降低材料清单的成本。

　　DC-DC 电源器件生产商所面对的要求是要提供适合于安装在射频前端模块内部，并尽量不影响基带或射频频谱的紧凑式解决方案。而真正的挑战是如何以亚微亨 （sub micro-Henry） 的电感 （3.2 mm2） 取代体积相对较大的电感 （小于大约10mm2），使开关频率和开关噪声超过基带频率 （> 5MHz）。