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作者：飛兆半導(dǎo)體公司 S. Ajram 來源:電子設(shè)計(jì)應(yīng)用2009年第11期 引言 為爭取更多的用戶，全球3G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施在2008年已加速部署，其中在美國和歐洲的發(fā)展尤其快速。多家運(yùn)營商都推出了相對廉價(jià)的無線數(shù)據(jù)計(jì)劃，雖然這些計(jì)劃在連接能力上有一定的限制，卻增加了對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件的支持，如視頻會議、互聯(lián)網(wǎng)語音(VoIP)、簡易郵箱和互聯(lián)網(wǎng)瀏覽等，從而吸引用戶使用。 隨著手機(jī)的用途越來越廣泛，用戶對終端待機(jī)時間的要求不斷增加，因此對電池能量的需求也相應(yīng)上升，同時還不能影響通話時間。目前已推出的幾款3G手機(jī)的使用時間都只有2小時~3.5小時，無法真正吸引終端用戶。通話或連接時間實(shí)際上取決于手機(jī)與基站的連接質(zhì)量，以及連接期間數(shù)據(jù)內(nèi)容的密集程度。 功率優(yōu)化的嘗試及問題 在硬件方面，針對低功率模式工作和城區(qū)通話服務(wù)，手機(jī)設(shè)計(jì)人員已設(shè)法對射頻收發(fā)器的功耗進(jìn)行優(yōu)化，特別是射頻功放(RFPA)的功耗。運(yùn)營商提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在這種情況下，手機(jī)的傳送功率小于1mW。目前使用的RFPA中，大多數(shù)都具有低功率模式，即當(dāng)射頻功率低于1mW時，其耗電量為10mA或更小。此外，它們還經(jīng)過優(yōu)化，可在500mW左右時(最大射頻工作功率級)獲得最佳功率附加效率(PAE)(約為33%)。但問題在于，RFPA功耗約為 1W，會產(chǎn)生過多的熱能，影響周圍組件的性能。圖1所示為PAE及功耗的典型變化與射頻工作功率級的關(guān)系。 
圖1 雙模W-CDMA RFPA的PAE 據(jù)3G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供的功率分布統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在城市地區(qū)，以語音功能為主的手機(jī)有90%~95%的時間都在1mW以下的功率下工作，使得這些條件下的通話時間達(dá)到5小時。 不過，當(dāng)連接的數(shù)據(jù)容量較大，或用戶位于郊外及低覆蓋區(qū)域時，3G手機(jī)必須把發(fā)射功率提高到50mW以上，才能獲得良好的信噪比。在這類情形下，一個未經(jīng)過重新優(yōu)化的RFPA會在2.5小時或更短時間之內(nèi)就消耗掉電池的全部能量。 DC/DC轉(zhuǎn)換器方案 最佳的解決方案是采用一個由電壓控制的DC/DC轉(zhuǎn)換器來動態(tài)調(diào)節(jié)RFPA的電源電壓，以便在每一個射頻功率級下都獲得盡可能高的功率效率。這項(xiàng)技術(shù)被稱為動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)技術(shù)(見圖2)。
圖2 利用DC/DC轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)3G射頻功放動態(tài)供電 與直接由電池供電的RFPA 相比，采用DVS功率管理方案的RFPA在PAE上的改進(jìn)如圖3所示。
圖3 雙模W-CDMA RFPA與采用DVS技術(shù)的單模RFPA的PAE比較 圖中可見，在16dBm~24dBm的功率范圍內(nèi)，后者節(jié)省了100mA電池電流；而在0dBm~16dBm的功率范圍內(nèi)，則可節(jié)省10mA電池電流。換言之，采用DVS解決方案的以數(shù)據(jù)功能為主的3G手機(jī)可節(jié)省高達(dá)20% 的電池能量，從而延長了數(shù)據(jù)連接時間。 采用DVS技術(shù)的另一大優(yōu)勢是，當(dāng)電池充電至4.2V時，可把RFPA電壓鉗位在3.4V，從而使高電池電平下的發(fā)熱量再降低20%。這樣就可以減小散熱器的尺寸，縮短PCB上集成組件的間距。 此外，利用DVS功率管理解決方案，射頻工程師還能以單功率模式功放取代復(fù)雜的多功率模式RFPA，提高功率效率，減少生熱，并降低材料清單的成本。 結(jié)語 DC/DC電源器件生產(chǎn)商所面對的要求是要提供適合于安裝在射頻前端模塊內(nèi)部，并盡量不影響基帶或射頻頻譜的緊湊式解決方案。而真正的挑戰(zhàn)是如何以亞微亨的電感(3.2mm2)取代面積相對較大的電感(約小于10mm2)，使開關(guān)頻率和開關(guān)噪聲超過基帶頻率(>5MHz)。 |
