利用射頻功率檢測(cè)器和高效切換器增強(qiáng)CDMA PA功率
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
介紹
高數(shù)據(jù)速率的需求推動(dòng)著移動(dòng)通信系統(tǒng)從 2G 向 3G 遷移。這些系統(tǒng)中更高的數(shù)據(jù)速率為移動(dòng)電話射頻設(shè)計(jì)增加了更多的性能和規(guī)格要求。
為了在所占用頻段上實(shí)現(xiàn)最高的頻寬效率，第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)采用了提高頻譜利用效率的線性調(diào)制方式，如正交相移鍵控、8 相移鍵控和正交幅度調(diào)制等。
這些非固定的包絡(luò)調(diào)制方法要求在傳輸路徑中使用線性射頻功率放大器，以保持良好的鄰道功率抑制比率（ACPR）和誤差向量調(diào)制（EVM）特性。CDMA 使用的典型線性射頻功率放大器采用 A 類結(jié)構(gòu)，以滿足線性度的要求。教科書(shū)上的 A 類放大器在 1dB 壓縮點(diǎn)時(shí)的效率約為 30%。A 類放大器工作在低于 1dB 壓縮點(diǎn)時(shí)其功率效率會(huì)下降。
在 IS-95 和 CDMA2000 系統(tǒng)中，射頻功率放大器一般工作在距峰值功率或 1dB 壓縮點(diǎn) 6dB 至 40dB 的回退點(diǎn)(back off)。（這意味著它工作在 1dB 壓縮點(diǎn)以下 6dB 至 40dB。）因此，射頻功率放大器大多數(shù)時(shí)間處于極低效率狀態(tài)。然而，射頻功率放大器是手機(jī)中最大的功耗部件。研究表明，在常規(guī)手機(jī)應(yīng)用中，射頻功率放大器消耗的電量占全部功耗的 20% 至 40%。
所以，我們知道降低射頻功耗的極端重要性，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的手機(jī)電池壽命，或更久的通話時(shí)間。
本文給出了一種簡(jiǎn)單的功率跟蹤技術(shù)，用于提高射頻功率放大器的效率。該技術(shù)采用了一個(gè) dB 線性 RF 功率檢測(cè)器, LMV225, 和一個(gè)直流-直流變換器開(kāi)關(guān)。這種經(jīng)改進(jìn)的方法可通過(guò)一個(gè)直流-直流變換器，在兩個(gè)不同輸出功率級(jí)上切換射頻功率放大器的 DC 供電電壓（VCC）。射頻功率檢測(cè)器 LMV225可確定射頻功率放大器的供電電壓?，F(xiàn)成的 CDMA2000 射頻功率放大器可以采用這種技術(shù)提高手機(jī)的能量效率。
射頻功率放大器
射頻功率放大器是此類應(yīng)用的核心。射頻功率放大器與直流-直流變換器一起組成功率放大器的效率改進(jìn)電路。SKY77152 是市場(chǎng)上很常見(jiàn)的 CDMA2000 射頻功率放大器產(chǎn)品。根據(jù)它的產(chǎn)品規(guī)格書(shū)，在 1dB 壓縮點(diǎn)附近，它可以有 40% 以上的功率增加效率, PAE。
CDMA 射頻功率放大器通常有兩個(gè)供電電壓接腳，VCC 和 VBIAS，如圖 1 所示。另外還有一個(gè)參考電壓接腳，通常稱為 VREF。任何情況下 VREF 都必須是 2.85V?？梢杂脤?VREF 置為地電平的辦法關(guān)斷功率放大器。大多數(shù) CDMA 射頻功率放大器都有兩種工作模式：高功率模式和低功率模式，可用VCONT接腳設(shè)置功率放大器的工作模式。當(dāng)射頻輸出信號(hào)為高電平時(shí)，CDMA 射頻功率放大器需要工作在高功率模式，以保持恰當(dāng)?shù)氖д嫘阅?。如果輸出信?hào)電平相對(duì)較低，則可以將 CDMA RF 功率放大器切換至低功率模式。但是，這種切換有個(gè)副作用，即兩條訊號(hào)路徑的相移不同。這可能會(huì)造成基頻處理與校正的問(wèn)題。
圖 2 是當(dāng)直流供電電壓 VCC 和 VBIAS 均被降低時(shí)，CDMA射頻功率放大器的典型 POUT 與 PIN 特性。圖中顯示，可以采用降低射頻功率放大器直流供電電壓的方法獲得輸出射頻功率。
功率增加效率
直流至射頻效率（或稱功率增加效率，PAE）定義如下：
盡管所有射頻功率放大器廠家都以功率放大器在最大輸出功率的峰值直流至射頻效率作規(guī)格，但實(shí)際上射頻功率放大器自身很少工作在這種峰值功率級(jí)上。而在手機(jī)應(yīng)用中，高峰值功率在散發(fā)熱方面有很重要的地位。另一方面，當(dāng)輸出射頻功率較低時(shí)，射頻功率放大器的 PAE 也會(huì)下降。
在電池供電的手機(jī)中，輸出射頻功率的概率分布（如圖 3 所示）應(yīng)被用作估算移動(dòng)系統(tǒng)的平均效率來(lái)。這個(gè)平均效率表示了移動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)際工作中將電池能量轉(zhuǎn)換為可用發(fā)射功率的能力。
如圖 3 所示，大多數(shù)時(shí)候，IS-95手機(jī)的射頻功率放大器的輸出功率為少于 POUT = +15dBm。因此，在小信號(hào)級(jí)下提高射頻功率放大器的 PAE 就很有意義。
公式 1 和公式 2 中顯示出一種構(gòu)想：通過(guò)降低射頻功率放大器的供電電壓VCC，即可以減少直流功耗 PDC。
看來(lái)提高射頻功率放大器的 PAE 似乎是件非常簡(jiǎn)單的事，但是，在降低射頻 功率放大器供電電壓時(shí)，需要考慮幾個(gè)重要規(guī)格。它們包括 ACPR，EVM 以及從一個(gè)供電電壓轉(zhuǎn)換到另一個(gè)電壓的轉(zhuǎn)換時(shí)間。
鄰道功率抑制比率
鄰道功率抑制比率（即 ACPR）定義為某個(gè)偏移頻率的平均功率與傳輸頻率的平均功率之比。表 1 顯示 CDMA2000的性能要求。雖然 IS-95 或 IS-98 的空中介面對(duì) ACPR 沒(méi)有像 CDMA2000 那樣的正式要求，但仍然建議手機(jī)射頻設(shè)計(jì)者檢查自己的設(shè)計(jì)是否滿足表 1 的規(guī)格。不良的 ACPR 值表示傳輸路徑的線性不足，因此，射頻信號(hào)在進(jìn)入基站的接收機(jī)之前會(huì)失真。
表1: 鄰道功率抑制比率(ACPR)
空中介面 | 頻率 | 頻寬 | 偏移頻率@ ACPR1 | 偏移頻率@ ACPR2 | Measurement Resolution Bandwidth |
IS-95 | 824-849MHz | 1.25MHz | 885KHz | 1.98MHz | 30KHz |
PCS | 1850-1910MHz | 1.25MHz | 1.25MHz | 1.98MHz | 30KHz |
ACPR1=-42dBc And ACPR2=-54dBc | |||||
由于 CDMA2000 射頻信號(hào)在不同的通道結(jié)構(gòu)下會(huì)表現(xiàn)出不同的峰均包絡(luò)，高波峰因數(shù)的射頻信號(hào)會(huì)對(duì)相鄰頻道造成更多干擾。在測(cè)試射頻功率放大器時(shí)，高波峰因數(shù)的通道結(jié)構(gòu)應(yīng)該采用最差情況測(cè)量法。
功率檢測(cè)器
射頻功率檢測(cè)器使用射頻輸出信號(hào)，產(chǎn)生出一個(gè)經(jīng)整流的直流電壓，用以確定直流-直流變換器或切換器的輸出電壓。
在本應(yīng)用中，選用 LMV225，因?yàn)樗蓮?0dBm 直到 -40dBm 范圍內(nèi)提供 40 dB 的 linear-in-dB 檢測(cè)。
手機(jī)射頻功率控制對(duì)保證 CDMA 系統(tǒng)平穩(wěn)工作非常重要。由于所有用戶都共享相同的射頻頻段，如 IS-95 中是 1.25MHz，那么每個(gè)用戶對(duì)其它用戶來(lái)說(shuō)都是隨機(jī)雜訊。因此，每個(gè)用戶的發(fā)射功率都要進(jìn)行細(xì)心控制，以防止任何一個(gè)用戶對(duì)同一個(gè)射頻頻段內(nèi)的其它用戶造成干擾。
在按照應(yīng)用框圖使用時(shí)，LMV225 具備以下兩種不同的功能：
第一種功能是前面提到的射頻輸出功率控制。
第二種功能是確定射頻功率放大器的供電電壓。本文的以下部分將討論 LVM225 的第二種功能。
切換器或直流-直流變換器
切換器可使手機(jī)用到電池的整個(gè)電壓工作范圍，這樣，即使在電池近于完全放電情況下（3V 以下），手機(jī)仍可以保持峰值性能。
一般情況下，這類應(yīng)用中的切換器采用脈沖寬度調(diào)制模式（PWM）和旁路模式(BYPASS)。通常切換器工作在 PWM 模式，以提高手機(jī)的效率。在 PWM 模式下，可編程輸出電壓是 VCON 的函數(shù)。公式 3 顯示 LM3200 可編程輸出電壓（SW）與控制電壓（VCON）之間的關(guān)系。
美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的射頻功率放大器切換器完全適合這類應(yīng)用。其中一個(gè)最新產(chǎn)品就是 LM3200。LM3200 能夠產(chǎn)生一個(gè)在 0.8V 與 3.6V 之間、動(dòng)態(tài)可變的輸出電壓，PWM 模式下負(fù)載電流高達(dá) 300mA，旁路(BYPASS)模式下則達(dá) 500mA。
設(shè)計(jì)考慮
在對(duì)本應(yīng)用中每個(gè)功能塊作簡(jiǎn)單討論后，我們可以轉(zhuǎn)向?qū)υO(shè)計(jì)步驟的說(shuō)明。
假設(shè)我們要為一個(gè) IS-95 射頻功率放大器設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的效率增強(qiáng)電路。最大射頻輸出功率為 +28dBm，并用 LMV225 作射頻功率檢測(cè)器。公式 3 是切換器的可編程輸出電壓方程式。
圖 3 為手機(jī)功率放大器的輸出概率圖，可以作效率優(yōu)化工作的指南。此概念圖顯示，大多數(shù)時(shí)間里，CDMA 射頻功率放大器工作在 +15dBm 或以下的輸出功率上。如果我們?cè)谶@個(gè)工作范圍內(nèi)降低 CDMA 射頻功率放大器的直流功耗，則手機(jī)就可以節(jié)省相當(dāng)多的電池能耗，延長(zhǎng)使用時(shí)間。
最簡(jiǎn)單的辦法是把 CDMA 射頻功率放大器的供電電壓設(shè)在最低值上，當(dāng)輸出射頻功率為 +15dBm 以下。
圖 4 顯示了兩種不同供電電壓下（VCC=3.4 V 和 VCC=1.4V），CDMA 射頻功率放大器的性能。VCC=3.4V 時(shí)的 1dB 壓縮點(diǎn)約為 +28 dBm，而在 VCC=1.4V 時(shí)約為 +20dBm。圖中還有兩種情況下的三階互調(diào)失真。
根據(jù)數(shù)據(jù)表，一般當(dāng) VCC=3.4V 時(shí)，CDMA 射頻功率放大器從小功率直到 +28dBm 的所有功率上都可以使用。在 VCC=3.4V 情況下，POUT=+28dBm 時(shí)第三階互調(diào)失真的水平比基礎(chǔ)水平低 28dBc，C/3IM=-28dBc。在 VCC=1.4V 時(shí)，POUT=+15dBm 時(shí)三階互調(diào)失真比基礎(chǔ)水平低 30dB， C/3IM=-30dBc。
由于 ACPR 是互調(diào)失真的函數(shù)，我們可以預(yù)測(cè)：當(dāng)VCC=1.4V 時(shí) POUT=+15 的 ACPR 與 VCC=3.4V 時(shí) POUT=+28dBm 一樣好?；谶@一點(diǎn)以及圖 3 中的統(tǒng)計(jì)信息，我們可以將 CDMA 射頻功率放大器的供電電壓設(shè)為 VCC=1.4，當(dāng)功率在 15 dBm 以下，從而減少電池的能耗。
圖 5 顯示了供電電壓為 VCC=3.4V 和 VCC=1.4V 時(shí)的直流功耗，證實(shí)了節(jié)電的效果。工作點(diǎn) A 是 VCC=3.4V 時(shí) POUT=+15dBm，可以在第二個(gè) Y軸讀它的 PDC , 其PDC是+27dBm。當(dāng)供電電壓換為 VCC=1.4V 時(shí)，POUT=+15dBm 的工作點(diǎn)成為 AA。它的 PDC 為 +22.5dBm。
因此，供電電壓從 VCC=3.4 到 VCC=1.4V 后的節(jié)能效果為：27-22.5=4.5dB。4.5dB 的效果相當(dāng)于節(jié)省了 50% 的能量。
應(yīng)用電路
圖 6 是用于降低 CDMA 射頻功率放大器電池能耗的應(yīng)用電路。我們將切換器的控制電壓設(shè)為 VCON=0.467V。這個(gè) 0.467V 可以用一個(gè)分壓器從 VDD=2.8V 的電源得到。根據(jù)公式 3，這一 0.467V 將產(chǎn)生一個(gè) VOUT=3*0.467=1.4V。然后，將 VOUT=1.4V 供給射頻功率放大器的 VCC。當(dāng) POUT=+15dBm 或更低時(shí)，我們需要設(shè)置 BYPASS=Low，將切換器置于 PWM 模式。
LM225 用于檢測(cè)是否切換器需要處于 Bypass 模式。我們用 R1= 1.8k( 作為分接電阻，實(shí)現(xiàn)射頻功率放大器輸出與 LMV225 輸入端 31dB 的耦合。圖 4 是 LMV225 響應(yīng)與射頻功率放大器 POUT 的關(guān)系曲線。在 POUT=+15dBm 時(shí)，檢測(cè)電壓 VDET=1.45V。
在本應(yīng)用電路中，基帶芯片要檢查 VDET 的值。當(dāng) VDET 高于 1.45V 時(shí)，基帶芯片向 BYPASS 發(fā)送一個(gè)邏輯高電平信號(hào)，將交換器置為 Bypass 模式。
10dBm 時(shí)的節(jié)能
這是另一種節(jié)省電池的例子。工作點(diǎn) B 是在 VCC=3.4V 時(shí) POUT=+10dBm。在這一供電電壓下，POUT=+15dBm 的 PDC 約為 26dBm。如果我們將供電電壓降低至 VCC=1.4V，則工作點(diǎn)變?yōu)?BB，而 POUT=+15dBm 時(shí)的 PDC 約為 20dBm。即有 6dB 的節(jié)能效果，或者功耗瓦數(shù)降低了 75%。
總結(jié)
我們已證實(shí)了將 LMV225 與切換器共同使用，從而降低 CDMA 射頻功率放大器電池耗能方法的靈活性與優(yōu)勢(shì)。通過(guò)增加這種簡(jiǎn)單電路，我們可以在大多數(shù) IS-95 和 CDMA2000 手機(jī)中常用的工作點(diǎn)上，節(jié)省 CMDA 射頻功率放大器 50% 的直流功耗。
評(píng)論