如何優(yōu)化RF電路設(shè)計(jì) - 智能手機(jī)省電秘訣：看如何從設(shè)計(jì)源頭來降低功耗

　　在用于智能手機(jī)通信的無線電路（RF電路）中，旨在降低耗電量的技術(shù)開發(fā)也十分活躍。這是因?yàn)?，就峰值功率而言，僅RF電路就會(huì)消耗2W左右的電力，所以還存在著很大的削減空間。

　　RF電路中消耗電力最大的是發(fā)送部用來放大信號(hào)的功率放大器（PA）。在終端和基站處于遠(yuǎn)距離等情況下時(shí)，信號(hào)峰值會(huì)在瞬間消耗1.5W左右的電力（圖18）。因此在RF電路中，如何削減PA的耗電量成了關(guān)注的焦點(diǎn)。

　　圖18：RF電路的對(duì)策

　　智能手機(jī)的RF電路中，耗電量最大的是功率放大器（PA）。例如LTE在以23dBm輸出時(shí)，僅功率放大器就會(huì)瞬間消耗1.5W左右的電力（a）。因此，要想降低RF電路的耗電量，提高PA的效率以及通過周邊技術(shù)降低損耗至關(guān)重要（b）。（圖18：（a）由本刊根據(jù)澳大利亞新南維爾士大學(xué)和英國(guó)Nujira公司的資料制作）

　　削減耗電量的關(guān)鍵在于提高PA的功率附加效率*和降低周邊技術(shù)的電力損耗（圖18（b））。

　　*功率附加效率（PAE：power added efficiency）＝表示PA的實(shí)際輸出信號(hào)電力（從輸出信號(hào)電力中減去輸入信號(hào)電力的值）與電源加載的直流電力的比率。

　　PA的功率附加效率因采用的通信方式而異。比如，用于GSM方式通信電路的PA有望達(dá)到50％以上的效率，而用于W-CDMA方式的PA最大為40％左右，至于LTE由于尚未進(jìn)行充分優(yōu)化等，最大效率只有35％左右。也就是說，LTE終端中用于PA的輸入功率有65％以上被浪費(fèi)了（化為熱量等）。

　　多頻阻礙效率提高

　　今后將成為主流的LTE方式智能手機(jī)的PA要想提高功率附加效率無比困難。理由在于多頻化的推進(jìn)。

　　LTE方式的智能手機(jī)為了能在世界各地使用，標(biāo)配了國(guó)際漫游功能。因此，RF電路必須支持多個(gè)頻率（多頻化）。如果PA和濾波器等RF電路的個(gè)別部件根據(jù)支持頻率的數(shù)量來安裝，部件個(gè)數(shù)就會(huì)增加，導(dǎo)致安裝面積增大，成本也會(huì)增加。為了避免這種情況，LTE終端的主流是利用可在一個(gè)封裝中支持多個(gè)頻率的多頻產(chǎn)品（圖19）。“很多終端廠商打算在RF電路中以多模和多頻部件的使用為主”（村田制作所執(zhí)行董事、模塊事業(yè)本部副本部長(zhǎng)中島規(guī)巨）。

　　圖19：通過多頻產(chǎn)品削減安裝面積

　　采用多頻型功率放大器（PA）的話，即使支持的頻帶數(shù)增加，安裝面積也不會(huì)增加。（本站根據(jù)三菱電機(jī)的資料制作）

　　村田制作所的多頻型PA與單一頻帶（單頻）產(chǎn)品相比，不容易提高效率。所支持的放大頻帶數(shù)量越多，功率附加效率越難以提高，二者屬于此消彼長(zhǎng)（Trade-off）的關(guān)系 注1）。

　　注1） 多頻型PA一般采用廣帶型放大電路，與特定頻帶具備放大特性的單頻型相比，效率值容易下降。

　　包絡(luò)跟蹤技術(shù)亮相

　　作為提高LTE終端多頻型PA效率的技術(shù)，備受關(guān)注的是對(duì)輸入PA的電源電壓進(jìn)行細(xì)微控制的“Envelope Tracking（包絡(luò)跟蹤）”。

　　包絡(luò)跟蹤是對(duì)PA的電源電壓進(jìn)行極其細(xì)微的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的技術(shù)。此前一直利用以發(fā)送信號(hào)的1個(gè)時(shí)隙為單位切換PA電源電壓的方法“Average Power Tracking”。而包絡(luò)跟蹤則追蹤信號(hào)振幅（信號(hào)電力），以更小的時(shí)隙切換電源電壓，由此在輸出時(shí)會(huì)選擇效率最高的電源電壓進(jìn)行發(fā)送（圖20）。

　　圖20：追蹤信號(hào)波形，細(xì)微控制電壓

　　無電壓控制、Average Power Tracking以及Envelope Tracking時(shí)的時(shí)間軸信號(hào)波形示意圖。粉線表示電壓值水平，粉色區(qū)域表示發(fā)熱（多余的電力消耗）。（圖由本刊根據(jù)Nujira公司的資料制作）

　　PA的功率附加效率對(duì)電源電壓和發(fā)送電力有依賴性，因此如果能根據(jù)發(fā)送電力切換電源電壓，在理想狀態(tài)下能一直選擇最大效率點(diǎn)，可以減少多余的電力消耗。通過組合使用該技術(shù)，彌補(bǔ)了多頻型PA效率降低的缺點(diǎn)。

　　包絡(luò)跟蹤有多種實(shí)現(xiàn)方法，最常用的是從輸入信號(hào)波形中提取振幅的形狀，然后將所需的偏置信號(hào)輸入PA的方法（圖21）。此時(shí)采用的旨在加載最佳偏壓的控制IC由歐美風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)開發(fā)。

　　圖21：包絡(luò)跟蹤的控制電路

　　從輸入信號(hào)波形生成偏置信號(hào)波形，利用偏置信號(hào)波形對(duì)輸入功率放大器（PA）的電源電壓進(jìn)行微細(xì)控制。根據(jù)PA的輸出改變電源電壓，由此能以最高效率的電壓驅(qū)動(dòng)。（圖由本刊根據(jù)三菱電機(jī)的資料制作）

　　大幅削減耗電量

　　例如，如果使用英國(guó)Nujira公司供貨的包絡(luò)跟蹤用控制IC，耗電量可較未使用時(shí)削減40％～55％（圖22）?！芭cW-CDMA等相比，動(dòng)態(tài)范圍較大的LTE能進(jìn)一步降低耗電量”（Nujira公司現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)理Tamas Vlasits）。

　　圖22：包絡(luò)跟蹤的效果

　　Nujira公司的包絡(luò)跟蹤控制IC“NCT-L1100”封裝在4mm見方的BGA等中（a）。W-CDMA、HSUPA及LTE在23dBm輸出時(shí)的RF電路耗電量。導(dǎo)入包絡(luò)跟蹤技術(shù)，大幅降低了PA的耗電量。LTE的話可削減55％的耗電量（b）。（圖由本刊根據(jù)Nujira公司的資料制作）

　　包絡(luò)跟蹤用控制IC插入PA和RF收發(fā)器IC（或基帶處理LSI）之間使用。控制IC通過符合MIPI（Mobile Industry Processor Interface）標(biāo)準(zhǔn)的芯片間接口等控制 注2）。

　　注2） MIPI Alliance于2011年11約成立了旨在制定包絡(luò)跟蹤專用接口標(biāo)準(zhǔn)的工作組。預(yù)定制定從RF收發(fā)器IC或基帶處理LSI收發(fā)包絡(luò)信號(hào)的信號(hào)線標(biāo)準(zhǔn)。

　　在包絡(luò)跟蹤用控制IC領(lǐng)域另一家較受關(guān)注的公司是美國(guó)Quantance。該公司將自主開發(fā)的技術(shù)命名為“qBoost”，計(jì)劃與PA廠商合作擴(kuò)大技術(shù)的應(yīng)用范圍。該公司稱，利用該技術(shù)可將功率附加效率提高至50％左右。

　　Quantance已經(jīng)與三菱電機(jī)展開了合作。三菱電機(jī)前不久發(fā)布了尺寸僅3mm見方、可放大6頻帶的PA，設(shè)想與包絡(luò)跟蹤技術(shù)組合使用。組合使用后可確保最大40％的效率（圖23）。

　　圖23：支持6個(gè)頻帶，可確保40％的效率

　　三菱電機(jī)開發(fā)的GaAs制PA尺寸只有3mm×3mm×1mm（a）。功率附加效率在1.7G～2GHz的6個(gè)頻帶中最大可確保40％（b）。（圖由本刊根據(jù)三菱電機(jī)的資料制作）

　　將來計(jì)劃配備于RF IC

　　包絡(luò)跟蹤技術(shù)不僅可以利用上述專用控制IC來支持，在不久的將來還計(jì)劃嵌入RF收發(fā)器IC等使用。富士通半導(dǎo)體預(yù)定2012年5月上旬開始樣品供貨配備包絡(luò)跟蹤控制功能的多模及多頻型RF收發(fā)器IC“MB86L11A”。這是業(yè)界首款配備包絡(luò)跟蹤控制功能的RF收發(fā)器IC。此外，美國(guó)高通公司等從事智能手機(jī)芯片組業(yè)務(wù)的大企業(yè)好像也都在考慮標(biāo)配該技術(shù)。

　　不過，包絡(luò)跟蹤也存在課題。由于電源電壓高速切換，信號(hào)的失真特性會(huì)劣化，相鄰?fù)ǖ赖穆╇姽目赡軙?huì)增大。作為解決對(duì)策，瑞薩電子通過提前使發(fā)送信號(hào)失真（預(yù)失真）減輕了劣化，瑞薩電子認(rèn)為“需要探討類似的補(bǔ)償技術(shù)”。

　　提高元件自身的效率

　　還有廠商打算通過提高PA元件自身的特性來提高效率，以降低耗電量。例如美國(guó)威訊聯(lián)合半導(dǎo)體（RF Micro Devices）于2012年2月底發(fā)布了可將LTE發(fā)送時(shí)的功率附加效率提高至42～44％左右的PA“ultra-high efficiency PA” 注3）。

　　注3）可用于放大W-CDMA的頻帶1、2、3、4、5、8，以及LTE的頻帶4、7、11、13、17、18、20、21。

　　另外，富士通半導(dǎo)體2011年底開始供貨多頻型PA，通過在PA元件中利用與富士通研究所共同開發(fā)的高耐壓晶體管“EBV-Transistor”提高了效率。這是一款利用CMOS技術(shù)設(shè)計(jì)的PA，能夠通過一個(gè)封裝支持W-CDMA和HSPA利用的3個(gè)頻帶的放大（圖24）。據(jù)富士通半導(dǎo)體介紹，使用頻率較高的中低輸出時(shí)的效率非常高。

　　圖24：富士通的CMOS制PA支持3個(gè)頻帶

　　富士通半導(dǎo)體開發(fā)的CMOS制PA利用一枚芯片實(shí)現(xiàn)了W-CDMA/HSPA的頻帶Ⅰ（2.1GHz頻帶）、頻帶Ⅴ（850MHz頻帶）、頻帶Ⅸ（1.7GHz頻帶）的放大。尺寸為4mm×3.5mm×0.7mm。

　　減少反射波降低耗電量

　　另外還有不在PA上下工夫，而是通過導(dǎo)入RF電路的周邊技術(shù)來降低電力損耗的案例，比如插入隔離器來減少反射波。

　　隔離器是僅通過單向信號(hào)的部件，如果在PA和天線之間插入隔離器，可以阻止從天線側(cè)逆流進(jìn)入的信號(hào)。

　　最近的智能手機(jī)天線一般設(shè)置在機(jī)身側(cè)面等，天線阻抗會(huì)隨著用戶握持方法的不同而大幅變動(dòng)。因此，RF發(fā)送部會(huì)產(chǎn)生阻抗不匹配現(xiàn)象，從而導(dǎo)致PA的輸出信號(hào)作為反射波返回，這會(huì)使S/N惡化。

　　反射越多，PA的發(fā)送電力越大，所以會(huì)導(dǎo)致耗電量的增加。插入隔離器可以去除反射波，從而降低耗電量。

　　使用隔離器會(huì)導(dǎo)致部件數(shù)量增加。因此，海外的終端廠商大都不愿意采用。不過開發(fā)商期待，隨著對(duì)降低RF電路耗電量的關(guān)注度越來越高，采用的海外終端廠商也會(huì)增加。比如，隔離器開發(fā)企業(yè)之一村田制作所開發(fā)出了將PA、濾波器以及隔離器（穩(wěn)定器）收納在一個(gè)封裝內(nèi)的PA模塊，并且已開始供貨（圖25）。該公司通過集成化縮小了產(chǎn)品尺寸，并以此為優(yōu)勢(shì)向日本國(guó)內(nèi)外的終端廠商積極促銷。

　　圖25：將隔離器內(nèi)置于PA模塊

　　村田制作所從2011年下半年開始量產(chǎn)將PA、SAW濾波器及隔離器（穩(wěn)定器）收納在一個(gè)封裝內(nèi)的模塊（a）。支持多頻帶信號(hào)放大。外形尺寸為6.6mm×3.8mm×1.0mm（b）。