W-CDMA電源顯著提高傳輸效率

MAX1820開(kāi)關(guān)模式電源經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可提高WCDMA手機(jī)的傳輸效率。通過(guò)動(dòng)態(tài)降低Vcc裕量 在功率放大器（PA）中，電池電流在低于最大發(fā)射功率的所有功率水平下都會(huì)顯著降低。MAX1820的設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)針對(duì)該應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。

隨著第三代（3G）蜂窩電話計(jì)劃推出的臨近，手機(jī)設(shè)計(jì)人員一直在忙于開(kāi)發(fā)新的解決方案，以滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。其中最大的需求是軟件、屏幕技術(shù)、數(shù)據(jù)處理帶寬和保持合理的電池壽命。在第二代（3G）純語(yǔ)音低數(shù)據(jù)速率手機(jī)中，需求沒(méi)有那么大，因此可以進(jìn)行許多簡(jiǎn)化并節(jié)省成本。例如，典型2G手機(jī)的發(fā)射功率放大器（PA）直接由電池供電，但效率不理想。在2G手機(jī)中，高速數(shù)據(jù)的傳輸需要增加帶寬和天線功率;因此，需要更有效的解決方案來(lái)保持較長(zhǎng)的電池壽命。目前，一種在手機(jī)制造商中廣受青睞的架構(gòu)需要使用高度專(zhuān)業(yè)化的降壓型DC-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器為PA供電。

使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的原理是，PA的電源電壓裕量可以動(dòng)態(tài)調(diào)整，以勉強(qiáng)適應(yīng)PA中的RF信號(hào)幅度（見(jiàn)圖1）。通過(guò)使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器有效地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，當(dāng)工作在低于峰值發(fā)射功率時(shí)，可以最大程度地節(jié)省功耗。由于只有當(dāng)手機(jī)離基站和傳輸數(shù)據(jù)非常遠(yuǎn)時(shí)才需要峰值功率，因此總體功耗節(jié)省是巨大的。如果PA電源電壓可以在足夠?qū)挼膭?dòng)態(tài)范圍內(nèi)有效變化，則可以使用固定增益線性PA，從而無(wú)需單獨(dú)的偏置控制信號(hào)（如目前用于2G手機(jī)）。當(dāng)然，偏置控制信號(hào)仍可用于增加控制程度，一些手機(jī)制造商正在積極追求這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);然而，W-CDMA技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者之一堅(jiān)持認(rèn)為偏差控制是不必要的。

圖1.開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器（MAX1820）動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)W-CDMA功率放大器（PA）的電源。通過(guò)有效地調(diào)整PA的電源裕量以匹配PA的發(fā)射功率，大大減少了能源浪費(fèi)，并延長(zhǎng)了手機(jī)的電池壽命。

系統(tǒng)性能的另一個(gè)主要考慮因素是降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器所需的特殊特性。要了解這些要求，必須首先根據(jù)PA的負(fù)載曲線進(jìn)行研究。一家大型手機(jī)制造商提供了圖2，這是雙極性、固定增益、W-CDMA功率放大器的負(fù)載曲線。在峰值發(fā)射功率下，PA需要3.4V電源軌，消耗300mA至600mA電流。在最低發(fā)射功率下，靠近基站且僅傳輸語(yǔ)音，PA在電源電壓為30.0V至4V時(shí)僅消耗1mA電流。這相當(dāng)于PA功耗最大為2040mW，最小功耗為12mW。

圖2.固定增益、雙極性、W-CDMA功率放大器的典型負(fù)載曲線具有重要的阻性成分。電源電壓和電流從 0mA （4mW） 時(shí)的 30.12V 到 3mA （4mW） 時(shí)的 600.2040V 不等，典型的語(yǔ)音傳輸在 1mA （5mW） 時(shí)約為 150.225V，典型的高速數(shù)據(jù)傳輸在 2.5V/400mA （1000mW）。

對(duì)于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)說(shuō)，將這種類(lèi)型的PA作為負(fù)載進(jìn)行優(yōu)化并非易事。Maxim開(kāi)發(fā)了MAX1820、W-CDMA、蜂窩電話、降壓穩(wěn)壓器以滿足這些要求。以下是MAX1820區(qū)別于其他開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的具體特性：

寬負(fù)載下的高效率如果沒(méi)有高效率，使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的費(fèi)用就不再合理;因此，高效率和省電是MAX1820設(shè)計(jì)的主要因素（見(jiàn)圖3）。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中（約500mW至2040mW），MAX0的PFET電源開(kāi)關(guān)的15.1820Ω低導(dǎo)通電阻可提供高達(dá)93%的效率。在語(yǔ)音傳輸（約12mW至500mW）中，MAX1820的內(nèi)部0.2Ω NFET同步整流器和3.3mA （強(qiáng)制PWM模式下）低電源電流可提供約85%的效率。雖然85%的效率可能看起來(lái)不是很高，但在恒定1MHz開(kāi)關(guān)時(shí)，對(duì)于輕負(fù)載效率來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)出色的性能，如圖3所示的低轉(zhuǎn)換器功率損耗所示。這種性能可歸因于精心設(shè)計(jì)和使用亞微米幾何形狀制造，以實(shí)現(xiàn)給定FET導(dǎo)通電阻下的低柵極電容。

動(dòng)態(tài)輸出電壓調(diào)整輸出電壓需要在3.4V至0.4V之間調(diào)節(jié)。為此，MAX1820上的模擬控制引腳REF由數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）驅(qū)動(dòng)。由于DAC的輸出電壓范圍不會(huì)擴(kuò)展到3.4V，因此轉(zhuǎn)換器從REF到OUT的電壓增益為1.76V。

快速 30μs 輸出壓擺率和建立在W-CDMA系統(tǒng)架構(gòu)中，發(fā)射功率根據(jù)基站的要求每1微秒向上或向下調(diào)整666dB。此外，手機(jī)可以每10毫秒進(jìn)入或退出數(shù)據(jù)傳輸模式，對(duì)應(yīng)于大規(guī)模的發(fā)射功率變化。所有發(fā)射功率電平變化需要在50μsec內(nèi)完成;但是，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器改變PA電源功率所需的時(shí)間小于此時(shí)間，以適應(yīng)基帶和DAC中的任何系統(tǒng)延遲。因此，MAX1820專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于在不到30μsec的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換和建立輸出電壓，即使電壓和電流滿量程變化也是如此。由于輸出必須快速擺動(dòng)，MAX1820的輸出電容限制為4.7μF，使得穩(wěn)定開(kāi)關(guān)更具挑戰(zhàn)性。4.7μF 電容器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，低 ESR 陶瓷型可提供約 5mVpp 的低輸出紋波。降壓型穩(wěn)壓器的另一個(gè)問(wèn)題出現(xiàn)在需要快速降低發(fā)射功率時(shí)，例如退出數(shù)據(jù)模式時(shí)。在這種情況下，MAX1820反轉(zhuǎn)電感電流并降低輸出電壓，以保持30μsec的建立時(shí)間。如果不這樣做，PA的線性度將隨著其電源電壓自行緩慢衰減而變化。此外，該技術(shù)通過(guò)將輸出電容上先前存儲(chǔ)的能量傳輸回MAX1820輸入端的電池來(lái)節(jié)省功耗。

穩(wěn)定的 9.5% 至 100% PWM 占空比和低壓差假設(shè)手機(jī)由單個(gè)鋰離子電池供電，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的預(yù)期輸入電壓范圍為4.2V至2.7V。由于需要恒定的固定頻率開(kāi)關(guān)以獲得可預(yù)測(cè)的噪聲頻譜和低輸出紋波，因此當(dāng)電池充滿電在1820.9V和所需的PA電源電壓為5.4V時(shí)，MAX2的強(qiáng)制PWM工作在低至0.4%占空比時(shí)保持穩(wěn)定。就其本身而言，這并不難;但結(jié)合相反的極端，即放電電池和大功率數(shù)據(jù)傳輸，占空比也必須完全擴(kuò)展到100%和低壓差操作。為了獲得極低的壓差，MAX1820的PFET尺寸略大，導(dǎo)通電阻非常低，為0.15Ω。假設(shè)電感中的串聯(lián)電阻為0.1Ω，則在150mA負(fù)載下，組合壓差僅為600mV，在較輕負(fù)載下則成比例地更低。根據(jù)手機(jī)制造商的說(shuō)法，當(dāng)電池放電到3.4V以下時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸范圍會(huì)有所縮小是可以接受的。消除這一限制需要昂貴、效率較低的降壓-升壓穩(wěn)壓器，這可能是另一篇文章的主題。

1MHz 開(kāi)關(guān)和同步MAX1820具有內(nèi)部1MHz振蕩器，用于控制PWM開(kāi)關(guān)頻率。在MAX1820的定義階段，以較快的頻率運(yùn)行被認(rèn)為是減小外部元件尺寸的一種手段，但效率會(huì)降低到不可接受的水平。如前所述，利用固定頻率PWM可提供可預(yù)測(cè)的噪聲頻譜和低輸出紋波。MAX1820的1MHz內(nèi)部時(shí)鐘也相對(duì)精確，容差僅為±20%;但是，為了與手機(jī)中的系統(tǒng)時(shí)鐘精確同步，MAX1820包括一個(gè)13分頻時(shí)鐘頻率合成器，可以饋送10MHz至16MHz的低幅度正弦波。

圖3.MAX1820降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器經(jīng)過(guò)優(yōu)化，在電池消耗最高的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中實(shí)現(xiàn)最高效率。1MHz 的恒定固定頻率開(kāi)關(guān)可提供低輸出紋波和噪聲，同時(shí)在語(yǔ)音傳輸過(guò)程中仍保持相對(duì)較高的效率和低功率損耗。

由于MAX1820的獨(dú)特性能，目前3G手機(jī)設(shè)計(jì)活動(dòng)廣泛采用這種系統(tǒng)架構(gòu)。隨著使用降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器為W-CDMA PA供電的效率優(yōu)勢(shì)得到證實(shí)，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能會(huì)被更多的3G標(biāo)準(zhǔn)和各種終端設(shè)備采用，有助于實(shí)現(xiàn)小型、功能豐富的數(shù)據(jù)手機(jī)和無(wú)線移動(dòng)計(jì)算的承諾。

審核編輯：郭婷