通過(guò)控制CDMA/WCDMA蜂窩電話中RF功率放大器的電源電壓，您可以提高PA效率，最大限度地減少熱量，并顯著延長(zhǎng)電話的數(shù)據(jù)/通話時(shí)間。

為了滿足 IS95/3GPP 擴(kuò)頻標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)線性度和相鄰信道功率比 （ACPR） 的嚴(yán)格規(guī)范，CDMA/WCDMA1 無(wú)線手機(jī)需要高度線性的 A 類或 AB 類射頻功率放大器。然而，當(dāng)Po = 28dBm時(shí)，這種類型的PA的功率附加效率（PAE）最大值僅為35%左右，對(duì)于較低的功率水平，則要低得多。

PA 在語(yǔ)音模式下不連續(xù)運(yùn)行。當(dāng)電話用戶不說(shuō)話時(shí)，它會(huì)以一半的速率（50% 的時(shí)間）或八分之一的速率運(yùn)行，因此不必?fù)?dān)心電話在語(yǔ)音模式下會(huì)發(fā)熱。但是，在數(shù)據(jù)模式下，PA連續(xù)運(yùn)行，直到數(shù)據(jù)傳輸完成。低PA效率和連續(xù)PA操作的結(jié)合導(dǎo)致電池快速耗盡，由此產(chǎn)生的內(nèi)部功耗也會(huì)使手機(jī)過(guò)熱。

功耗是支持高速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的早期WCDMA手機(jī)的主要問(wèn)題。它迫使設(shè)計(jì)人員包括更大面積的散熱器、更多的冷卻氣流和更大容量（更大）的電池。如果他們沒(méi)有克服功耗問(wèn)題，今天的手機(jī)將是笨重的。幸運(yùn)的是，過(guò)去幾年通過(guò)顯著提高CDMA/WCDMA手機(jī)的PA功率效率，緩解了這個(gè)問(wèn)題。

如何降低PA功率？

在CDMA/WCDMA系統(tǒng)中，PA的RF功率輸出并不總是處于最大值。為了優(yōu)化小區(qū)容量（基站可以處理的同時(shí)傳輸次數(shù)），每部移動(dòng)電話控制其射頻輸出功率，以便每部手機(jī)在基站接收的有效信噪比水平相同。給定區(qū)域中許多電話的RF輸出功率電平的概率分布表明，典型CDMA/WCDMA電話的平均輸出功率在郊區(qū)條件下約為+10dBm，在城市條件下約為+5dBm。因此，提高PA效率的有用目標(biāo)不是最大功率電平，而是+5dBm至+10dBm的近似范圍。

如圖1所示，CDMA/WCDMA功率放大器需要兩個(gè)電源電壓。V裁判為內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器和功率放大器級(jí)提供偏置，V抄送偏置驅(qū)動(dòng)器和功率放大器的集電極。通過(guò)調(diào)節(jié)這兩個(gè)電壓，可以降低PA電源電流。

圖1.用于CDMA/WCDMA手機(jī)的典型功率放大器。

減少VREF

當(dāng)傳輸零RF功率時(shí)，PA本身在消耗100mA的典型靜態(tài)電流時(shí)VREF = 3.0V and VCC = 3.4V。減少VREF從3.0V到2.9V會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)電流下降約20mA。因此，通過(guò)降低VREF，可以顯著節(jié)省PA靜態(tài)電流，但不低于PA線性度和ACPR開(kāi)始失效其規(guī)格的點(diǎn)。

如果有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出最小VREF支持為PA槽的每個(gè)輸出功率電平所需的電壓，可以主動(dòng)耦合V的控制裁判通過(guò) PA 的功率控制過(guò)程。如果這種方法太難，可以簡(jiǎn)單地在V中實(shí)現(xiàn)兩步更改裁判對(duì)應(yīng)于低功耗模式（< 10dBm）和高功率模式（> 10dBm）。要調(diào)整 V裁判通過(guò)基帶控制DAC，使用具有高輸出電流能力的低功耗運(yùn)算放大器以及外部增益設(shè)置。

降低集電極偏置電壓

在典型的無(wú)線手機(jī)中，PA V抄送直接從單節(jié)鋰離子電池供電，從而產(chǎn)生工作電壓抄送范圍為 3.2V 至 4.2V。如上所述，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，CDMA/WCDMA PA大部分時(shí)間的工作功率水平為+5dBm至+10dBm。在這些電平下，可以降低PA集電極偏置電壓（V抄送），而不會(huì)損失PA的線性度，同時(shí)降低集電極偏置裕量過(guò)大的功率損耗?；诘凸β仕降膶?shí)驗(yàn)測(cè)試，可以保持與基站的正常通信，同時(shí)將PA集電極偏置一直降低到0.6V。

PA集電極的可變偏置電壓由專門(mén)設(shè)計(jì)的高效DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器提供。該轉(zhuǎn)換器的輸出電壓使用基帶處理器的專用DAC輸出進(jìn)行調(diào)整。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器控制 PA 功率和 PAE

控制PA集電極電壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器必須快速響應(yīng)控制信號(hào)。通常，轉(zhuǎn)換器的輸出電壓應(yīng)在基帶處理器的模擬控制電壓發(fā)生變化后30ms內(nèi)穩(wěn)定到新目標(biāo)電壓的90%以內(nèi)。轉(zhuǎn)換器芯片在其VCC-之間提供適當(dāng)?shù)膬?nèi)部增益控制輸入和偏置PA集電極的輸出電壓。它還以高頻開(kāi)關(guān)，從而減小了電感的物理尺寸。

在PA和電池之間連接DC-DC轉(zhuǎn)換器突出了一個(gè)問(wèn)題，即在低電池電壓下對(duì)高RF功率的需求。為了提供 28dBm RF 功率，同時(shí)保持 PA 線性度的規(guī)格，PA 制造商建議最低 VCC 3.4V。為了將35%的PAE保持在3.4V，還需要一個(gè)530mA的高PA集電極電流：

28dBm 射頻功率：102.8mW = 631mW
所需 PA 功率 （VCC x ICC）： 631mW/（PAE/100） = 1803mW
所需PA ICC at 3.4V VCC: ICC= 1803mW/3.4V = 530mA

支持 3.4V VCC和 530mA I抄送，用于PA電源的DC-DC轉(zhuǎn)換器需要一定的輸入到輸出裕量。例如，如果轉(zhuǎn)換器內(nèi)部p溝道MOSFET（P-FET）的導(dǎo)通電阻為0.4Ω，電感電阻為0.1Ω，則這兩個(gè)串聯(lián)元件上的壓降將為（0.4Ω+0.1Ω）x530mA = 265mV。因此，當(dāng)電池電壓降至3.665V以下時(shí)，DC-DC轉(zhuǎn)換器無(wú)法支持3.4V輸出。

在這種情況下（電池電壓低于3.665V），最好將PA集電極短接到電池。否則，無(wú)法訪問(wèn)鋰離子電池的全部容量。通常，解決方案是通過(guò)并聯(lián)一個(gè)低Rds（on）P-FET來(lái)旁路電感器和內(nèi)部P-FET。該旁路 P-FET（可以是內(nèi)部或外部）在高功率模式下將電池電壓直接連接到 PA 集電極（圖 2）。對(duì)于高射頻功率和低電池電壓的組合，這種旁路措施是必須做的。

圖2.DC-DC 轉(zhuǎn)換器（中間 IC）允許基帶處理器嚴(yán)格控制 V抄送用于功率放大器。

優(yōu)化PAE的最佳方法是連續(xù)調(diào)整PA集電極偏置。然而，這種方法需要工廠校準(zhǔn)和復(fù)雜的軟件，以確保在集電極偏置不斷變化的情況下具有良好的PA線性度和ACPR。下一個(gè)最佳方法是分一系列步驟改變偏置電平，通常為兩到四個(gè)（圖3）。例如，一個(gè)四步系統(tǒng)可能包含抄送值 V巴特、1.5V、1.0V 和 0.6V。這種系統(tǒng)的整體效率幾乎與連續(xù)控制PA集電極偏置的系統(tǒng)一樣好，對(duì)于中低功率電平，電感器只需要支持小于150mA的峰值電流。

圖3.DC-DC轉(zhuǎn)換器為圖2所示的功率放大器提供最大的功率附加效率（PAE）。

審核編輯：郭婷