新型HELP技術與開關調節器在3G手機中的應用

　　1?? 問題呈現與面對

　　當今已是第三代移動通信(3G)時代，手機設計人員正忙于開發新的方案，以解決具有wcb瀏覽、無線收發電子郵件、拍照以及流送視頻等多種功能高速數據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的線性度及更好的效率。最重要的是，手機必須有更長的通話時間，因為用戶需要耗費更多時間使用他們的手機。也就是說日益增加的特性是應在低輸出電壓上對可變功率作驅動而實現。但影響電池工作時間的一個重要因素是電源效率及系統電源管理。以往，手機中用于發送信號的功率放大器(PA)由電池直接驅動，雖簡單但效率不佳。而當今最關鍵的是高速數據傳送要求具有更高的帶寬和發送功率。因此，為保持足夠長的電池工作時間，目前已有新的驅動力來重新思考更多地采用開關調節器類型的選擇。由此采用基于獨特的開關調節器技術，將是一種有效方案。

　　然而需要特別指出的是，在過去幾年中手機用電池技術雖有不斷改進，但是仍然落后于功能擴展的需求。為此，設計人員必須用減少手機功耗來滿足高功率輸出和更長通話時間的需求，即靠手機中的半導體設備來實現。由于功率放大器(PA)是當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，是一種很有效的設計方案。

　　基于上述二種理念，有多種設計方案可先后應用。本文將從技術發展的迸程，僅以下列二種新技術方案為例作研討。

　　⑴ 采用一種高度專門化設計的降壓型DC-DC開關調節器來驅動功率放大器。這是當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。當然，通過增加外部的DC/DC轉換器和偏置電壓控制可以優化單鏈路功放在低功率輸出時的效率，以達到增長通話時間。但是一個DC/DC開關調節器技術也必將帶來增加手機的尺寸及成本，將使手機設計變復雜，因為手機必須在不同的模擬控制狀態下進行校準。于是就有了第二個設計方案開發與應用。

　　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調當前功耗的問題，并提供了更有效的手機設計方法。該芯片集成允許手機設計人員不使用單獨的DC/DC轉換器和旁路電容，來優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提高效率，就是基于優化低功率輸出的需求。因為手機大部分時間工作在低功率水平，大約在-4dBm的功率級。假設在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電流。在-ldBm輸出功率時，功放的靜態電流通常約為50mA。通過在低功率級減少靜態電流提高功放效率，設計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，因為用于手機的典型雙狀態的單鏈路PA只能在最大額定功率下進行優化，這使得手機在低功率水平下工作時的效率很低。

　　2? 基于開關調節器技術以提高發3G手機發送效率的設計方案

　　從最先進3G手機基本架構所知，其日益增加的特性對可變功率驅動提出新要求。如對圖像處理的應用處理器，在視頻捕捉期間需要高達360mW的功率，會很快耗盡電池的能量。于是電源效率及系統電源管理就成為影響電池一個重要因素。由于電源轉換過程中會發熱，就是獨特的開關調節器技術引入的必然。如今已有新的驅動力并具有較高工作效率的開關調節器可選擇。值此以擴展頻譜技術的低噪聲開關調節器與低壓差、脈寬調制DC-DC降壓開關調節器為例，對提高手機發送效率的設計方案作分析。

　　2.1 采用擴展頻譜技術的低噪聲開關調節器

　　在最先進的3G手機中，所有部件都如此密集以至于不存在這種嚴重噪聲干擾可能性。況且由于成本及尺寸原因，采取屏蔽措施又不現實。采用開關調節器的其中一個代價是有可能產生諧波噪聲。但已成功使用的一項技術是使DC/DC轉換器的系統時鐘偽隨機抖動，這種力法及其所實現的擴展頻譜運作使開關頻率受一個偽隨機數(PRN)序列調制，以減少窄帶諧波。這其實是將噪聲“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現，但工藝的改進已允許將擴頻技術包含到“更新的”DC/DC轉換器中，從而可節省極大的空間。以LTC3251開關調節器為例作說明。

　　在芯片上實現擴頻工作的一款IC LTC3251是輸出電流達500mA的高效、低噪聲及無電感器型降壓DC/DC轉換器。LTC325l的擴頻振蕩器被設計成可產生頻率1MHz與 1.6MHz之間而周期為隨機變化的時鐘脈沖，這擁有將開關噪聲分散到整個頻率范圍上的好處。圖1為LTC3251引腳功能與應用示意圖。

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圖1為LTC3251是引腳功能與應用示意圖

　　該開關調節器可避開線性穩壓器的效率缺點，通過低阻抗開關及—個磁性存儲組件，可提供高達96%的轉換效率，故可極大地減少轉換過程中的功率損失。通過在較高的開關頻率(譬如大于2MH2)工作，可極人地減少外部電感器及電容器的尺寸。該開關調節器對最新3G手機而言是很有效的系統電源管理，例如用于圖像處理的應用處理器上。

　　2.2 用低壓差、脈寬調制(PWM)DC-DC降壓轉換器提高發送效率的方案

　　⑴ 低壓差、脈寬調制(PWM)DC-DC降壓轉換器MAX1821可為WCDMA手機功率放大器(PA)供電設計，當然，它也可以用于其它需要優先考慮高效率的應用。供電電壓范圍2.6V～5.5V，保證輸出電流達600mA，1MHz PWM開關頻率允許采用小尺寸外部元件，跳頻模式使輕載靜態電流降低至180?A。MAX1821可以動態控制，提供0.4V～3.4V的輸出電壓范圍。在電壓和電流的滿量程范圍內，該電路的設計能夠保證在<30?s內建立輸出電壓。MAX1821通過外部電阻設置輸出電壓，提供1.25V～5.5V固定輸出電壓范圍。

　　MAX1821具有一個低導通電阻的內部MOSFET開關和同步整流器，大大提高了轉換效率、減少了外部元件數；100%占空比在600mA負載下(包括外部電感電阻在內)允許壓差僅有150mV。圖2(a)所示為基于開關調節器技術以提高發送效率的設計框圖。

圖2 (a) 基于開關調節器技術以提高發送效率的設計框圖，（b）基站收發器系統(BTS)部件

　　基站收發器系統(BTS)部件包括天線、無線電收發器、信號處理系統以及支持、控制硬件和軟件，見圖2（b）所示。

　　對于廣域蜂窩站，接收器—般通過雙上器模塊和塔頂部件連接到天線。塔頂部件由低噪聲放大器(LNA)組成，在發送端天線前饋連高功率放大器(HPA)。從圖2(a)中可看出，實際上是在電池與WCDMA功率放大器(PA)中嵌入MAX1821降壓型開關調節器，也組成了1MHZ脈寬調制降壓轉換器，其PWM開關頻率為1MHZ。

　　⑵開關調節器為WCDMA功放優化配置，有利于提高發送效率的運行

　　實際上，重點是從系統性能的角度對特殊用途的MAX1820開關調節器有些什么樣的特殊性能作分析，從而優化配置的運行也顯而易見了。

　　從圖2(a)可以清楚地看出，利用MAX1821這樣的高效率開關調節器能動態地調整WCDMA功率放大器的供電電壓，并使其跟隨功放的發送功率而變化，又剛好能滿足射頻信號的幅度要求。既可以提高電源的利用率，又減少了功率浪費。采用開關調節器高效率地實現這種調節，在峰值發送功率以外的任何工作條件下，都可大幅度地節省電池功率，見圖3所示。

圖3高效率開關調節器大幅度地節省電池功率圖

　　因為峰值功率只有在手機遠離基站/或數據傳送時需要.。從總體來講，這種方案的省電效果是非常顯著的。如果功放的供電電壓能夠在一個足夠寬的范圍內高效率地動態調節，那么，就有可能采用固定增益的線性功放，省掉目前廣泛應用于3G時代前電話的偏置控制。

　　⑶ 作為負載的功放及其特性

　　從雙極工藝的固定增益WCDMA功率放大器的負載曲線所知，在峰值發送功率時，功率需要3.4V的供電電壓，并消耗掉300mA～600mA的電流。在最低發送功率時，也就是當靠近基站并且只發送話音時，功放僅吸取30mA的電流和0.4V～1V的電源電壓。對應的功放消耗功率分別為 2040mW（最大值）和12mW（最小值）。針對具有此類負載特性的功放，要對開關調節器進行優化并非易事，而MAX1821 WCDMA蜂窩電話降壓型調節器能滿足這種要求。

　　除上述以外，MAX1821區別于其它類型的開關調節器的特殊性能如下：

　　其一是在很寬負載范圍內具有高效率。沒有高效率采用開關調節器就失去意義，因此，高效率和省電是MAX1821的主導設計思想。其二是輸出電壓的快速轉變和建立（30μs）。

　　在WCDMA系統架構中，發送功率需要根據基站的要求，每666μs向上或向下調節1dB，以跟隨WCDMA功放的發射功率電平。此外，每隔 10ms，手機會發生大幅度的發送功率跳變。其三是穩定工作于9.5%～100%PWM占空比和低壓差。假設手機由單節鋰離子電池(4.2V-2.7V) 供電，那么輸入開關調節器的電壓范圍大約是4.2v～2.7v，為了獲得可預知的噪聲頻譜和低輸出紋波，應該盡量采用恒定的開關頻率，MAX1821的強制PWM工作模式在電池完全充電至4.2v且要求功放電源電壓為0.4v時，可穩定工作于最低至9.5%的占空比。

　3? 基于HELP技術可提高移動通信終端省電方案

　　3.1 HELP技術

　　HELP技術是將功率控制功能集成到功放模塊上，是半導體集成InGaP-Plus技術的實現。

　　其ANADIGICS的InGaP-Plus技術，通過使用多條增益鏈路來設計功率放大器，以解決功放的優化問題。該技術允許在同一晶體上分別優化高性能的射頻開關和功率放大器。使用這項技術提供了第一個3x3mm單頻（如AWT*1型）和3x5mm雙頻（如AWT6221型）WCDMA 低功率高效率功率放大器。使得功放在不同功率水平可以進行獨立的優化。采用ANADIGICS的HELP技術，不需要外部電壓調節器或DC/DC轉換器即可提供低功耗。而InGaP-P1us技術是集成虛同晶高電子遷移率場效應管(圖4左所示G S/D場效應管)和異質結雙極晶體管(圖4右所示EBC雙極晶體管)在同一個晶片上，實現了兩路功放的多級優化。兩路功放的多級優化具體分析如下。

圖4 為HELP(高效率低功率)技術示意圖

　　將高性能的射頻開關共存在相同的晶體上，該工藝可以用于設計多種增益鏈路的功放，并可以為每一增益鏈路進行獨立的線性度和效率優化。 InGaP-Plus技術是將低功率高效率設計成一個雙狀態(高功率與低功率)功放，獲得功放的最優性能。其InGaP-Plus技術的功放可在內部對高功率和低功率進行優化。

　　使用于InGaP-Plus技術己設計出低功率高效率3型(HELP3)功放，通過內部優化可延長手機通話時間超過25%。當然，像單一鏈路功放一樣，也可搭配一個外部DC/DC轉換器節省更多電流。但是額外電流的節省是不值得的，相比會增加費用和電路板面積。

　　低功率高效率3型功放，己特別推出了三增益狀態，允許分別優化三種不同的功率等級。例如，可優化高功率增益(通常大約28dBm)，16dBm 的*率增益以及在7dBm的低功率增益。此制程在低功率等級達到低于7mA的靜態電流，比單一鏈路功放中典型的50mA的靜態電流要小得多。

　　3.2 應用InGaP-Plus技術的的WCDMA功放模塊靜態電流和效率對比數據舉例

　　以AWT*1與AWT6221R兩種型號為代表，均是根據先進的InGaP-Plus技術制造，具備質量可靠、溫度穩定、耐用性佳等良好性能。

　　⑴ AWT*1是雙重運作模式。在高功率及中/低功率輸出時，提供了最佳效能，關機模式與低漏電壓設計，增加手機的通話與待機時間。其自載的 3mmx3mmx1mm表面封裝包含了配對網絡優化的輸出功率、50Ω系統的效率和線性度。AWT*1為波段1，低功率(16dBm)的靜態電流 (ICQ)及效率為7mA/24%，尺寸是3×3mm。

　　⑵ AWT6221R 產品是為手機業Cingular的北美WCDMA雙模蜂窩網絡手機的需求而布局。3mmx5mmx1mm，符合RoHS包裝的表面封裝機體，包含獨立的射頻功率放大路徑，確保雙波段的最佳性能。與2個單頻的功率放大器相比較，足足節省25%的印刷電路板面積。制造商選用封裝針腳，能夠輕易發送VCC到功率放大器和一般VMODE的簡易控制針腳。AWT6221，為波段2+5，低功率(16dBm)的靜態電流(ICQ)及效率對波段2為7mA/18%，波段5為7mA/22%，尺寸是3×5mm。

　　4? 結束語

　　上述是采用開關型降壓調節器在功放與InGaP-Plus技術的HELP功放的應用方案，具有發送效率提高和節電效果。當然這種方案同樣也可用于其它的3G標準和更多不同的終端設備，使小型化、個性化的數據手機及無線移動運算的理想成為現實。

　　如今低功率高效率技術功放與朝向低電壓邏輯的移動手機制造商并駕齊驅。新型號的HELP3功放以1.8V邏輯電壓設計。這些功放將提供更長的通話時間，并進一步減少靜態電流少于4mA。