新型HELP技術(shù)與開關(guān)調(diào)節(jié)器在3G手機(jī)中的應(yīng)用

摘要：本文對新的HELP技術(shù)與開關(guān)調(diào)節(jié)器在3G手機(jī)中的應(yīng)用作分析，并以新型芯片應(yīng)用為例作說明。

　　1 問題呈現(xiàn)與面對

　　當(dāng)今已是第三代移動通信(3G)時代，手機(jī)設(shè)計(jì)人員正忙于開發(fā)新的方案，以解決具有wcb瀏覽、無線收發(fā)電子郵件、拍照以及流送視頻等多種功能高速數(shù)據(jù)傳輸所帶來的一系列新問題。其日益增加的壓力是將上述功能合并到一個尺寸不斷減少的外殼中，并同時提供更長的工作時間。尤其是必需傳輸更高的功率和更優(yōu)的線性度及更好的效率。最重要的是，手機(jī)必須有更長的通話時間，因?yàn)橛脩粜枰馁M(fèi)更多時間使用他們的手機(jī)。也就是說日益增加的特性是應(yīng)在低輸出電壓上對可變功率作驅(qū)動而實(shí)現(xiàn)。但影響電池工作時間的一個重要因素是電源效率及系統(tǒng)電源管理。以往，手機(jī)中用于發(fā)送信號的功率放大器(PA)由電池直接驅(qū)動，雖簡單但效率不佳。而當(dāng)今最關(guān)鍵的是高速數(shù)據(jù)傳送要求具有更高的帶寬和發(fā)送功率。因此，為保持足夠長的電池工作時間，目前已有新的驅(qū)動力來重新思考更多地采用開關(guān)調(diào)節(jié)器類型的選擇。由此采用基于獨(dú)特的開關(guān)調(diào)節(jié)器技術(shù)，將是一種有效方案。

　　然而需要特別指出的是，在過去幾年中手機(jī)用電池技術(shù)雖有不斷改進(jìn)，但是仍然落后于功能擴(kuò)展的需求。為此，設(shè)計(jì)人員必須用減少手機(jī)功耗來滿足高功率輸出和更長通話時間的需求，即靠手機(jī)中的半導(dǎo)體設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。由于功率放大器(PA)是當(dāng)前龐大需求的一個組件，因此立足于通過從功率控制來減少電流消耗，即高效率低功率（HELP）技術(shù)，是一種很有效的設(shè)計(jì)方案。

　　基于上述二種理念，有多種設(shè)計(jì)方案可先后應(yīng)用。本文將從技術(shù)發(fā)展的迸程，僅以下列二種新技術(shù)方案為例作研討。

　?、?采用一種高度專門化設(shè)計(jì)的降壓型DC-DC開關(guān)調(diào)節(jié)器來驅(qū)動功率放大器。這是當(dāng)今越來越廣泛受到蜂窩電話制造商們非常青睞的一種方案。當(dāng)然，通過增加外部的DC/DC轉(zhuǎn)換器和偏置電壓控制可以優(yōu)化單鏈路功放在低功率輸出時的效率，以達(dá)到增長通話時間。但是一個DC/DC開關(guān)調(diào)節(jié)器技術(shù)也必將帶來增加手機(jī)的尺寸及成本，將使手機(jī)設(shè)計(jì)變復(fù)雜，因?yàn)槭謾C(jī)必須在不同的模擬控制狀態(tài)下進(jìn)行校準(zhǔn)。于是就有了第二個設(shè)計(jì)方案開發(fā)與應(yīng)用。

　　⑵ 將眾多的功率控制功能集成到功放模塊上，其集成功率控制功能不僅僅強(qiáng)調(diào)當(dāng)前功耗的問題，并提供了更有效的手機(jī)設(shè)計(jì)方法。該芯片集成允許手機(jī)設(shè)計(jì)人員不使用單獨(dú)的DC/DC轉(zhuǎn)換器和旁路電容，來優(yōu)化功率管理和獲取更長的通話時間。該控制功放功耗的一種方案是在較寬的輸出功率范圍內(nèi)提高效率，就是基于優(yōu)化低功率輸出的需求。因?yàn)槭謾C(jī)大部分時間工作在低功率水平，大約在-4dBm的功率級。假設(shè)在PA和天線之間的電路損失大約為3dB，那么PA的輸出功率大約為-ldBm。在低功率級(低于0dBm)，功放主要消耗的是靜態(tài)電流。在-ldBm輸出功率時，功放的靜態(tài)電流通常約為50mA。通過在低功率級減少靜態(tài)電流提高功放效率，設(shè)計(jì)人員可以大量減少功率損耗。然而直到最近，該方法還是有缺陷的，因?yàn)橛糜谑謾C(jī)的典型雙狀態(tài)的單鏈路PA只能在最大額定功率下進(jìn)行優(yōu)化，這使得手機(jī)在低功率水平下工作時的效率很低。

　　2 基于開關(guān)調(diào)節(jié)器技術(shù)以提高發(fā)3G手機(jī)發(fā)送效率的設(shè)計(jì)方案

　　從最先進(jìn)3G手機(jī)基本架構(gòu)所知，其日益增加的特性對可變功率驅(qū)動提出新要求。如對圖像處理的應(yīng)用處理器，在視頻捕捉期間需要高達(dá)360mW的功率，會很快耗盡電池的能量。于是電源效率及系統(tǒng)電源管理就成為影響電池一個重要因素。由于電源轉(zhuǎn)換過程中會發(fā)熱，就是獨(dú)特的開關(guān)調(diào)節(jié)器技術(shù)引入的必然。如今已有新的驅(qū)動力并具有較高工作效率的開關(guān)調(diào)節(jié)器可選擇。值此以擴(kuò)展頻譜技術(shù)的低噪聲開關(guān)調(diào)節(jié)器與低壓差、脈寬調(diào)制DC-DC降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器為例，對提高手機(jī)發(fā)送效率的設(shè)計(jì)方案作分析。

　　2.1 采用擴(kuò)展頻譜技術(shù)的低噪聲開關(guān)調(diào)節(jié)器

　　在最先進(jìn)的3G手機(jī)中，所有部件都如此密集以至于不存在這種嚴(yán)重噪聲干擾可能性。況且由于成本及尺寸原因，采取屏蔽措施又不現(xiàn)實(shí)。采用開關(guān)調(diào)節(jié)器的其中一個代價是有可能產(chǎn)生諧波噪聲。但已成功使用的一項(xiàng)技術(shù)是使DC/DC轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)時鐘偽隨機(jī)抖動，這種力法及其所實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)展頻譜運(yùn)作使開關(guān)頻率受一個偽隨機(jī)數(shù)(PRN)序列調(diào)制，以減少窄帶諧波。這其實(shí)是將噪聲“分散”到整個頻率范圍上，而不是集中在分別的諧波上。由于擴(kuò)頻噪聲的峰值限度要低許多，故可極大地降低干擾。盡管這種方法中過去已成功地用分立組件實(shí)現(xiàn)，但工藝的改進(jìn)已允許將擴(kuò)頻技術(shù)包含到“更新的”DC/DC轉(zhuǎn)換器中，從而可節(jié)省極大的空間。以LTC3251開關(guān)調(diào)節(jié)器為例作說明。

　　在芯片上實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻工作的一款I(lǐng)C LTC3251是輸出電流達(dá)500mA的高效、低噪聲及無電感器型降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器。LTC325l的擴(kuò)頻振蕩器被設(shè)計(jì)成可產(chǎn)生頻率1MHz與1.6MHz之間而周期為隨機(jī)變化的時鐘脈沖，這擁有將開關(guān)噪聲分散到整個頻率范圍上的好處。圖1為LTC3251引腳功能與應(yīng)用示意圖。

　　圖1為LTC3251是引腳功能與應(yīng)用示意圖