本應用筆記說明了使用遲滯降壓轉換器代替電池本身為RF PA供電如何大幅提高PA效率并延長電池壽命。討論了該轉換器的基礎知識以及使用旁路模式的重要性和好處。

介紹

遲滯 DC-DC 降壓轉換器已廣泛用于 2G/3G/4G 射頻功率放大器 （PA），作為 PA 直流電源的直接電池電源的替代品。通過動態(tài)調(diào)節(jié)PA電源電壓和偏置電流，這種方法可顯著提高PA效率并延長電池壽命。具有旁路場效應晶體管 （FET） 或旁路低壓差 （LDO） 穩(wěn)壓器的旁路模式還可降低降壓轉換器兩端的壓差，并增強輸出電流能力。這些功能共同降低了電池關斷點并延長了電池壽命。

誠然，使用遲滯降壓轉換器提高系統(tǒng)效率確實需要權衡電壓裕量。本應用筆記討論了如何將具有旁路FET或旁路LDO的旁路模式集成到遲滯降壓轉換器中，以優(yōu)化PA性能。

遲滯降壓轉換器的基礎知識

PA降壓轉換器不同于傳統(tǒng)的降壓轉換器，后者在幾個重要方面為數(shù)字處理器內(nèi)核供電。PA轉換器提供動態(tài)輸出電壓控制，用于連續(xù)PA功率調(diào)節(jié);在寬輸出電壓/電流范圍內(nèi)具有高效率;輸出電壓變化的快速導通時間和建立時間;低壓差和 100% 占空比操作;和低輸出電壓紋波。

相比之下，Maxim的現(xiàn)代遲滯降壓轉換器動態(tài)控制PA的直流電源電壓。（有關Maxim遲滯降壓轉換器的列表，請參見附錄。轉換器輸出電壓由獨立的DAC控制的模擬輸入根據(jù)不同的RF發(fā)射功率電平按比例調(diào)節(jié)。轉換器使用輸出電壓紋波來控制高端和低端開關的導通和關閉時間。它使用不帶固定頻率時鐘的誤差比較器，而不是帶補償?shù)恼`差放大器。因此，與固定頻率PWM轉換器相比，遲滯轉換器的關鍵顯著優(yōu)勢在于其在瞬態(tài)響應方面的重大改進。與固定頻率轉換器不同，遲滯轉換器可立即對任何輸出電壓/負載瞬態(tài)做出反應，而無需等待新的時鐘脈沖或誤差放大器輸出移動。遲滯轉換器具有高效率、高開關頻率和 100% 占空比，是為 PA 供電的理想之選。

旁路模式的重要性

誠然，使用遲滯降壓轉換器而不是電池本身來偏置PA確實會引發(fā)一個問題：效率改進會犧牲電壓裕量。在電池和PA之間插入轉換器通常會減少至少200mV或更多的裕量。

讓我們看一個遲滯降壓轉換器的例子。為了在某個PA模塊上傳輸32dBm射頻功率，推薦的VCC和ICC分別為3.4V和1130mA。假設MAX8989內(nèi)部pFET導通電阻（RON）為175mΩ，所用電感的直流電阻（DCR）為200mΩ。pFET和電感兩端的總壓降為：

（175mΩ + 200mΩ） × 1.13A = 424mV（公式1）

維持 3.4V Vcc 電壓，電池電壓必須高于3.824V，這會縮短通話時間。為了克服這個問題，實現(xiàn)了旁路模式。這種旁路模式的基本組件是旁路FET和旁路LDO。我們依次檢查每個。

使用旁路FET降低壓差

MAX8805W遲滯降壓轉換器具有旁路模式和旁路FET。當電池電壓下降且轉換器接近壓差區(qū)域時，當 VREFIN 》 0.372 × VIN 時，其內(nèi)部旁路 FET 將 PA 直接連接到電池。圖 1 演示了啟用或禁用旁路時的性能差異。

如果沒有旁路FET，轉換器進入100%占空比后的壓差為：

VDROPOUT = （RON-PFET + DCRIND） × IOUT（公式2）

使用旁路FET時，壓差變?yōu)椋?/p>

VDROPOUT = （RON-BYP//（RON-PFET + DCRIND）） × IOUT（公式3）

其中 RON-PFET為 180mΩ 和 R在 BYP 上僅為 60mΩ。

MAX3W采用4.8805V電池，不帶旁路FET時輸出電壓為3.23V，旁路FET時輸出電壓為3.37V。因此，旁路FET通過降低壓差來改善140mV電壓裕量。

圖1.來自MAX8805W的數(shù)據(jù)顯示了旁路FET如何影響輸出電壓線路調(diào)整率。

旁路FET在壓差區(qū)域增加轉換器的輸出至電池電壓。權衡是從穩(wěn)壓區(qū)域到壓差區(qū)域的過渡處的電壓跳躍，而不是圖1所示的平滑過渡。為了獲得從穩(wěn)壓區(qū)域到壓差區(qū)域的平滑過渡，在遲滯轉換器中引入了一個與降壓轉換器并聯(lián)的低壓差線性穩(wěn)壓器（旁路LDO）。

使用旁路LDO消除電壓“跳變”

圖1還顯示了旁路LED相對于旁路FET的改進。該 LDO 可在降壓調(diào)節(jié)和壓差操作之間實現(xiàn)平滑過渡。給出了使用MAX8989和MAX8951的兩個旁路LDO示例。

我們首先看一下MAX8989，輸出電壓和REFIN電壓之間的關系為：

VOUT = 2 × VREFIN - 0.5 × DCRIND × IOUT

（公式4）

當MAX8989輸出電壓因負載調(diào)整率（50.0 × DCR）而下降超過5mV時.IND× I外》 50mV），輸出電壓高于線性旁路使能門限（1.4V，典型值），旁路LDO向輸出提供補充電流，以保持輸出電壓處于穩(wěn)壓狀態(tài)。

圖2顯示了旁路LDO對輸出電壓調(diào)節(jié)的影響。此處，旁路LDO在V的情況下被禁用雷芬= 0.4V;對于 V雷芬= 0.9V，當輸出電壓下降50mV且負載調(diào)整率以較慢的速率斜坡下降時，旁路LDO開始工作。使用兩個4.7μH電感器（TOKO DFE252012C系列電感器和TDK VLS252015ET系列電感器），如圖2所示。對于不同的電感，旁路LDO從相同的50mV點開始。但是，由于TDK電感具有較大的DCR，并且電感兩端的壓降較高，因此旁路LDO開始以較低的輸出電流工作。??

圖2.數(shù)據(jù)顯示MAX8989的負載調(diào)整誤差與輸出負載的關系。

當輸出電流超過降壓轉換器的電流限值時，旁路LDO為輸出提供補充電流，從而確保穩(wěn)定的輸出電壓。旁路LDO在降壓轉換器達到其電流限值之前不提供任何電源電流。當線性旁路穩(wěn)壓器提供電流時，降壓轉換器繼續(xù)提供大部分負載，以最大限度地提高效率。

MA8951具有用于遲滯降壓轉換器（IN1）和旁路LDO （IN2）的獨立輸入電源。圖3顯示了IN1/IN2電源電流輸送與輸出負載的關系。轉換器在 1.3A 負載時達到其電流限值。高于 1.3A 負載時，IN2 電源拾取負載并向輸出提供補充電流。因此，對于旁路LDO，具有較低飽和電流額定值的電感可用于更高電流的PA應用。

圖3.數(shù)據(jù)顯示MAX8951的輸入電源電流與負載電流的關系。

旁路LDO還可實現(xiàn)更快的輸出電壓瞬態(tài)響應。使用上述MAX8989的相同設置，通過步進REFIN電壓以獲得1V至3V輸出電壓變化來完成測試。輸出電壓升至旁路使能門限以上后，旁路LDO啟動并以更快的速率上升輸出電壓。MAX8989在1V至3V的總建立時間小于8μs，而MAX8805W的總建立時間超過16μs。比較圖4和圖5，了解器件在輸出電壓瞬態(tài)響應方面的差異。

圖4.MAX8989的輸出電壓瞬態(tài)響應顯示建立時間小于8μs。

圖5.MAX8805W的輸出電壓瞬態(tài)響應顯示建立時間超過16μs。

結論

具有旁路FET或旁路LDO的遲滯降壓轉換器既優(yōu)化了PA性能，又提高了系統(tǒng)效率，從而延長了電池壽命。旁路LDO比旁路FET具有優(yōu)勢，特別是在降壓調(diào)節(jié)和壓差之間更平滑的過渡，以及更快的瞬態(tài)響應。這些性能優(yōu)勢使具有旁路LDO的降壓轉換器成為PA電源應用的理想選擇。

審核編輯：郭婷