采用DC/DC转换器提高RF PA系统效率
来源： 发布时间：2017-07-07 10:00:07 次浏览
传统上，CDMA/WCDMA蜂窝标准中使用的射频功率放大器都直接由电池供电，这种供电方式使系统很容易设计。但是，这种标准中使用的线性功率放大器在整个发射功率范围内的实际效率很低。
随着蜂窝标准的不断发展，传输速率已从CDMA-1标准中的14.4kbps发展到CDMA2000/WCDMA标准中的2Mbps。此外，为了增加从每个用户获得的平均收入，蜂窝通信运营商已开始增加与3G电话相关的服务。同时，通话时间和电池寿命也期望采用具有同样或稍高一些容量的电池来获得提高。这使得系统设计更富有挑战性。系统设计师必须非常谨慎，对手机电路板上每一个元件的功率进行考察。从功率预算的角度而言，直接由电池供电的射频功率放大器（RF PA）是需要重点考虑的元件。
CDMA和WCDMA采用的调制电路导致了一种表现为非常数振幅包络的调幅信号的产生。为了保持信号的完整性以及促进频谱再生，需要一种线性功率放大器。然而，由于功率放大器只有运行在增益压缩条件下才能保持较高的效率，因而转换效率并不高。为了达到所需要的线性，实际发射功率从功率放大器的压缩点开始补偿，这导致了效率的整体降低。当手机以发射模式工作时，由于功率放大器实际效率低，射频部分的功耗将占功率总预算的65%。
因此，采用磁性降压转换器供电是线性功率放大器的理想选择，这将大幅度提高系统的效率。增加的功率效率（PAE）是功率放大器的主要性能指标。
PAE(%)= (POUT-PIN)/Pdc
使用DC-DC转换器（功率放大器电源稳压器）的主要目的是减少分母中的Pdc因子。当功率放大器与电池直接相连时，Pdc=Vbatt*Ibatt,而当它使用功率放大器电源稳压器供电时，Pdc=V o*I o。现在我们能够看出，为了增加PAE，V o和Io 必须低于Vbatt和Ibatt。这可以通过降低发射的射频功率电平，降低功率放大器电源稳压器的输出电压来实现。这样也降低了Io （功率放大器的吸收电流），并且由于DC-DC转换器的高效性，电池的输出电流也会降低。
为了真正理解电源稳压器为功率放大器带来的功率节省，考虑面向不同调制方法的功率概率图非常重要（见图2）。功率概率图在城市地区和乡村地区会有所不同。
如图3所示，为了符合邻道功率抑制比（ACPR）的要求，DC-DC转换器的输出电压必须随着发射功率电平的变化而变化。在0d Bm到20d Bm的功率电平范围内，电池电流可节省多达50mA。图2表示的是功率放大器在大多数时间内，运行在这样的功率电平范围内。
那么，当发射功率电平提高时，我们为什么必须改变DC-DC转换器的电压呢？答案是：这种改变是保持邻道功率抑制比（ACPR）的需要。ACPR用于表示功率放大器的失真状况和其他子系统或系统引起邻信道干扰的趋向。它指的是主信道的功率谱密度（PSD）与在几种不同的失调频率下测量的功率谱密度的比值。
图5表明，当Pout增加时，如果功率放大器的供电电压没有增加，则ACLR的性能指标无法满足要求。
WCDMA的系统级指标（3 GPP）是－34d Bc，为了保持足够的余量（由温度和器件的差异引起），ACLR的值一般定为－38d Bc。
为射频功率放大器供电的降压转换器的主要要求
为射频功率放大器供电的降压转换器具有特殊的功能，与为数字核心处理器供电的降压转换器有很大的差别。它们的差别主要在于工作特性和参数，例如开关式FET导通电阻、电流限值、瞬态反应、运行模式（例如PFM/PWM）、启动时间、静态电流和压降情况。以下实例对这些差异进行说明：
在宽范围输出电压和负载范围内具有高效率
实例：在VIN=4.2V、V o=3.4V、Io =400mA（高射频功率）时，LM3205的效率达到96%，在VIN=3.9V、V o=1.5V、I o=100mA（低射频功率）时，效率为87%。
* 动态输出电压调节
实例：可使用V con引脚将LM3205的输出电压在0.8V～3.6V之间调节。V con到Vo的电压增益为2.5。
* 30微秒的输出压摆率和建立时间（每个667微秒发射周期开始处的50微秒窗口期，在这一时间内，必须完成Vcon的调节）。在WCDMA结构中，发射功率按照基站的要求，每667微秒加（或减）1 dB。
* 在占空比接近100%时的低压降和低纹波
实例：低RDSON （140 m?）的PFET（LM3205）或旁路FET（LM3024）产生低压降，脉冲省略电路在占空比接近100%时的低纹波。
* 在低输出电压下的低占空比操作
实例：50纳秒的最小导通时间实现了10%占空比的操作，以及0.8V或者更低的输出电压。当然，这取决于V IN的范围。
* 高开关频率
实例：2MHz的开关频率有助于使用更小型的外部元件，并达到频谱发射要求。
* 快速导通以满足发射开/关的时标要求
实例：在V 0=3.4V，EN从低到高变化时，LM3203的导通时间为50微秒。
100%的占空比对比旁路模式
当降压转换器以100%的占空比运行时，电压降为：
电压降＝（RON,P+RL）·IO,
在这里，R ON,P是PFET的R DSON，R L是电感器的DCR。对于具有旁路FET的功率放大器电源稳压器，旁路模式的电压降为：
电压降＝（RON,BYP）·IO,
在这里，RON,BYPDSON DSON
应用电路实例
如图六所示，在该实例中，基带具有查找表电路，该电路可根据所需要的输出功率电平设定输出电压。
在图七情况下，功率检测器是闭环的一部分，并设定输出电压。
结论
DC-DC转换器提高了手持移动设备中射频功率放大器系统的效率，并能够通过提高电池寿命来支持更多的特性和功能。
随着蜂窝标准的不断发展，传输速率已从CDMA-1标准中的14.4kbps发展到CDMA2000/WCDMA标准中的2Mbps。此外，为了增加从每个用户获得的平均收入，蜂窝通信运营商已开始增加与3G电话相关的服务。同时，通话时间和电池寿命也期望采用具有同样或稍高一些容量的电池来获得提高。这使得系统设计更富有挑战性。系统设计师必须非常谨慎，对手机电路板上每一个元件的功率进行考察。从功率预算的角度而言，直接由电池供电的射频功率放大器（RF PA）是需要重点考虑的元件。
CDMA和WCDMA采用的调制电路导致了一种表现为非常数振幅包络的调幅信号的产生。为了保持信号的完整性以及促进频谱再生，需要一种线性功率放大器。然而，由于功率放大器只有运行在增益压缩条件下才能保持较高的效率，因而转换效率并不高。为了达到所需要的线性，实际发射功率从功率放大器的压缩点开始补偿，这导致了效率的整体降低。当手机以发射模式工作时，由于功率放大器实际效率低，射频部分的功耗将占功率总预算的65%。
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图1：旧方法与新方法 |
因此，采用磁性降压转换器供电是线性功率放大器的理想选择，这将大幅度提高系统的效率。增加的功率效率（PAE）是功率放大器的主要性能指标。
PAE(%)= (POUT-PIN)/Pdc
使用DC-DC转换器（功率放大器电源稳压器）的主要目的是减少分母中的Pdc因子。当功率放大器与电池直接相连时，Pdc=Vbatt*Ibatt,而当它使用功率放大器电源稳压器供电时，Pdc=V o*I o。现在我们能够看出，为了增加PAE，V o和Io 必须低于Vbatt和Ibatt。这可以通过降低发射的射频功率电平，降低功率放大器电源稳压器的输出电压来实现。这样也降低了Io （功率放大器的吸收电流），并且由于DC-DC转换器的高效性，电池的输出电流也会降低。
为了真正理解电源稳压器为功率放大器带来的功率节省，考虑面向不同调制方法的功率概率图非常重要（见图2）。功率概率图在城市地区和乡村地区会有所不同。
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| 图2：在标准手机中，功率放大器在大多数时间内发射低功率电平，采用功率放大器电源稳压器会提高功率节省的概率。 |
如图3所示，为了符合邻道功率抑制比（ACPR）的要求，DC-DC转换器的输出电压必须随着发射功率电平的变化而变化。在0d Bm到20d Bm的功率电平范围内，电池电流可节省多达50mA。图2表示的是功率放大器在大多数时间内，运行在这样的功率电平范围内。
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图3：当功率放大器使用DC-DC转换器供电时，电池电流的节省情况 |
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图4：当功率放大器由电源稳压器供电时，功率节省的百分比 |
那么，当发射功率电平提高时，我们为什么必须改变DC-DC转换器的电压呢？答案是：这种改变是保持邻道功率抑制比（ACPR）的需要。ACPR用于表示功率放大器的失真状况和其他子系统或系统引起邻信道干扰的趋向。它指的是主信道的功率谱密度（PSD）与在几种不同的失调频率下测量的功率谱密度的比值。
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图5：功率放大器的供电电压和POUT怎样影响ACLR |
图5表明，当Pout增加时，如果功率放大器的供电电压没有增加，则ACLR的性能指标无法满足要求。
WCDMA的系统级指标（3 GPP）是－34d Bc，为了保持足够的余量（由温度和器件的差异引起），ACLR的值一般定为－38d Bc。
为射频功率放大器供电的降压转换器的主要要求
为射频功率放大器供电的降压转换器具有特殊的功能，与为数字核心处理器供电的降压转换器有很大的差别。它们的差别主要在于工作特性和参数，例如开关式FET导通电阻、电流限值、瞬态反应、运行模式（例如PFM/PWM）、启动时间、静态电流和压降情况。以下实例对这些差异进行说明：
在宽范围输出电压和负载范围内具有高效率
实例：在VIN=4.2V、V o=3.4V、Io =400mA（高射频功率）时，LM3205的效率达到96%，在VIN=3.9V、V o=1.5V、I o=100mA（低射频功率）时，效率为87%。
* 动态输出电压调节
实例：可使用V con引脚将LM3205的输出电压在0.8V～3.6V之间调节。V con到Vo的电压增益为2.5。
* 30微秒的输出压摆率和建立时间（每个667微秒发射周期开始处的50微秒窗口期，在这一时间内，必须完成Vcon的调节）。在WCDMA结构中，发射功率按照基站的要求，每667微秒加（或减）1 dB。
* 在占空比接近100%时的低压降和低纹波
实例：低RDSON （140 m?）的PFET（LM3205）或旁路FET（LM3024）产生低压降，脉冲省略电路在占空比接近100%时的低纹波。
* 在低输出电压下的低占空比操作
实例：50纳秒的最小导通时间实现了10%占空比的操作，以及0.8V或者更低的输出电压。当然，这取决于V IN的范围。
* 高开关频率
实例：2MHz的开关频率有助于使用更小型的外部元件，并达到频谱发射要求。
* 快速导通以满足发射开/关的时标要求
实例：在V 0=3.4V，EN从低到高变化时，LM3203的导通时间为50微秒。
100%的占空比对比旁路模式
当降压转换器以100%的占空比运行时，电压降为：
电压降＝（RON,P+RL）·IO,
在这里，R ON,P是PFET的R DSON，R L是电感器的DCR。对于具有旁路FET的功率放大器电源稳压器，旁路模式的电压降为：
电压降＝（RON,BYP）·IO,
在这里，RON,BYPDSON DSON
应用电路实例
如图六所示，在该实例中，基带具有查找表电路，该电路可根据所需要的输出功率电平设定输出电压。
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图六：基带直接控制Vo |
在图七情况下，功率检测器是闭环的一部分，并设定输出电压。
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图七：使用功率检测器设定Vo |
结论
DC-DC转换器提高了手持移动设备中射频功率放大器系统的效率，并能够通过提高电池寿命来支持更多的特性和功能。
