面向2G至365G蜂窩移動設(shè)備的高效RF功率管理項目解決方案

.../面向2G至3.5G蜂窩移動設(shè)備的高效RF功率管理解決方案關(guān)鍵字:3.5G智能手機RF功率管理解決方案大家是否注意到人們對移動設(shè)備,尤其是對智能手機的著迷程度到了何種地步,人們在用智能手機進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)沖浪、查收和編寫電子郵件、玩網(wǎng)絡(luò)游戲或者更新社交網(wǎng)絡(luò)等活動。所有這些活動,外加撥打語音電話,都要消耗電池的能量,從功率放大器<PA>到顯示器和內(nèi)核芯片組,它們要消耗大量的能量。最終,鋰離子電池的體積也只能適當(dāng)增加,以保證智能手機不至于過于笨重。但是卻有幾種方式可以讓用戶感到滿意,避免經(jīng)常為智能手機充電,或者在不適當(dāng)時間電池電能耗盡的現(xiàn)象出現(xiàn)。智能手機中功率放大器消耗的功率大約占總體30%,在網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況較差的區(qū)域,這個比率會高達(dá)70%。一般要求智能手機和手機具有兼容前幾代蜂窩網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的能力,現(xiàn)今大多數(shù)手機均具有所謂的HEDGE-enabled功能,這意味著它們能夠支持HSUPA、HSDPA、WCDMA、EDGE、GPRS和GSM。換言之,3.5G<HSUPA和HSDPA>手機支持3G<WCDMA>和2G<EDGE、GPRS和GSM>技術(shù)。目前市場上還有支持CDMA20001xEV-DO和TD-SCDMA等3G蜂窩技術(shù)的其它手機,它們也消耗大量功率。不論是3G還是2G,功率放大器都會消耗大量功率,所以需要一種有效的方法來獲得更長的通話/工作時間。不論是在進(jìn)行語音通話,還是將數(shù)據(jù)從手機發(fā)送到基站,功率放大器均要消耗功率。在接收效果較差的區(qū)域,則需要更高的輸出功率水平,這就意味著更高的功率消耗。對于3G功率放大器和GSM/EDGE功率放大器模塊<PAM>的EDGE部分而言,不僅需要特定水平的輸出功率,還要求具有足夠的線性度,以確保向基站發(fā)送信號的保真度。對于功率放大器外圍的技術(shù),已經(jīng)開發(fā)出兩種有效方法:DC-DC轉(zhuǎn)換器和包絡(luò)跟蹤。第一種方式是更為流行的解決方案,飛兆半導(dǎo)體公司用于2G/3G功率放大器的6W、3MHz/6MHz降壓轉(zhuǎn)換器FAN5904就針對這種應(yīng)用。該產(chǎn)品是為了支持GSM/EDGEPAM和3G/3.5GPA而專門設(shè)計,因為在手機中線路板空間十分珍貴,設(shè)計人員無需再使用兩個獨立的降壓轉(zhuǎn)換器。FAN5904支持從WCDMA到HSUPA+,以及世界流行的CDMA2001xEV-DO等3G無線標(biāo)準(zhǔn)。此外,該器件還支持中國的3G標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA,以及用于更高數(shù)據(jù)傳輸率的TD-SCDMA信號調(diào)制下的HSUPA。隨著兼容GSM/EDGE、支持TD-SCDMA的"TEDGE"手機的出現(xiàn),FAN5904將是一種理想的解決方案。FAN5904與基帶處理器和功率放大器配合工作,以達(dá)到降低功耗的目的。基帶芯片組將會根據(jù)從基站接收到的信息來設(shè)定輸出功率水平,然后將其轉(zhuǎn)換成電源電壓,以便FAN5904可以為功率放大器供電。圖1的系統(tǒng)應(yīng)用示意圖顯示了FAN5904與基帶芯片組、射頻收發(fā)器和功率放大器之間的接口情況。為了生成正確的、相應(yīng)于輸出功率的電源電壓,要求基帶芯片組的固件能夠包含TxAGC/POUT查找表<LUT>中的另一列內(nèi)容。1.FAN59043GGSM/EDGE圖與基帶處理器、射頻收發(fā)器和功率放大器以及功率放大器模塊的系統(tǒng)應(yīng)用示意圖。表1所示為針對某個HEDGE手機的WCDMA和HEDGE端口,如何配置查找表<LUT>的例子。該表格針對Avago的3G功率放大器,分為高、中和低功率模式三個主要部分。其它功率放大器因結(jié)構(gòu)不同而具有不同的設(shè)置。高、中和低功率模式分區(qū)下各列內(nèi)容為該模式下的輸出功率及其相應(yīng)的VCON電壓,這些電壓是基帶處理器生成的電壓,通知FAN5904為功率放大器提供正確的輸出電壓,獲得特定的輸出功率。GSM和EDGE則需要不同的查找表。表1:針對某個HEDGE手機的WCDMA和HEDGE端口,如何配置查找表<LUT>的例子基帶處理器能夠針對輸出功率水平,動態(tài)調(diào)節(jié)功率放大器的電源電壓,從而降低功率放大器消耗的電流。這樣便得到兩種重要結(jié)果:一是降低了電源電壓和電流,使得散熱減少;二是延長了智能手機的通話時間和數(shù)據(jù)使用時間。在高輸出功率或者大電流負(fù)載情況下,FAN5904會以6MHz的PWM模式工作,但在要求"中"或"低"輸出功率時,它會自動轉(zhuǎn)換至脈沖頻率調(diào)制<PFM>模式。在PFM模式下,轉(zhuǎn)換器以更低的開關(guān)頻率工作,以保持更高的效率。圖2和圖3針對WCDMA<語音和數(shù)據(jù)>信號調(diào)制的DG90功率分布函數(shù),顯示使用與未使用FAN5904的3G功率放大器的性能。對于語音通話,FAN5904在大部分時間工作于PFM模式,因為根據(jù)DG09曲線,PFM模式占用的時間少于輸出功率高于18dBm時間的10%。恰恰相反的是,為了保證接收器的信噪比,在數(shù)據(jù)傳送模式下則要求保證更高的"每bit能量",所以在數(shù)據(jù)傳送模式下,輸出功率為16dBm或者以上的時間占據(jù)33%。圖2.WCDMA信號調(diào)制和1000mAh鋰離子電池條件下,使用和未使用FAN5904的3G功率放大器的通話時間分析。圖3.WCDMA信號調(diào)制和1000mAh鋰離子電池條件下,使用和不使用FAN5904的3G功率放大器的數(shù)據(jù)發(fā)送時間分析。圖2和圖3顯示了在不同輸出功率條件下一個3GPA分別在語音和數(shù)據(jù)傳輸模式下有、無FAN5904時所使用的工作時間的分析。在PA電源電壓設(shè)定在鄰近信道功率比<ACPR>為-39dBc時的值時,WCDMA的ACPR可以改善到-43dBc,但是電流消耗將會增加,導(dǎo)致效率降低。表2:在WCDMA信號調(diào)制下使用FAN5904時,通話時間和數(shù)據(jù)使用時間方面的改善。表2顯示了圖2和圖3的結(jié)果,以及功率放大器只工作于高功率模式下相應(yīng)的分鐘數(shù)。在HSUPA、CDMA2001xEV-DO和TD-SCDMA等不同信號調(diào)制模式下,電流消耗和通話時間都有類似的改善。這里把高功率模式工作的通話/數(shù)據(jù)使用時間一起顯示的原因是:新技術(shù)不僅得到了更多的分鐘數(shù),從設(shè)計角度來看,亦簡化了校準(zhǔn)工作。當(dāng)功率放大器具有多種功率模式時,固件必需適應(yīng)何時從一個等級切換到下一個等級,因為在整個輸出功率范圍內(nèi),每個功率放大器的每種功率模式都存在獨特的VPA-POUT曲線。由于現(xiàn)在大多數(shù)手機都支持至少三個頻段,這意味著滿足要求的系統(tǒng)中可能有三種3G功率放大器,所以增加了復(fù)雜程度。在處于一種功率模式的功率放大器中使用FAN5904,可以消除模式切換帶來的復(fù)雜性,更快地進(jìn)行功率放大器校準(zhǔn),因為需要的校準(zhǔn)點較少。這樣就縮短了測試/校準(zhǔn)的時間,并且降低了制造成本,同時簡化了設(shè)計過程。4.POUT=28dBm3G:圖時功率放大器的熱成像一個時常被忽視,但經(jīng)常遭到抱怨的參數(shù)是耗熱問題。在手持電話貼近頭部進(jìn)行通話,使用手機網(wǎng)上沖浪或者玩在線網(wǎng)絡(luò)游戲時手機發(fā)熱,大多數(shù)用戶會因此而感到煩惱。問題的關(guān)鍵在于,設(shè)計人員在設(shè)計手機時必需將這一因素考慮在內(nèi)。圖4所示為某3G功率放大器的熱成像,其中,<a>為使用FAN5904來供電;<b>為直接與電池連接;<c>為電池以4.2V電壓充電。使用FAN5904時,在滿輸出功率情況下,功率放大器的溫度幾乎不可能達(dá)到50?C,在<b>和<c>的情況下,溫度很容易達(dá)到50?C和65?C,使用一段時間后,手機會很快發(fā)熱。在數(shù)據(jù)卡應(yīng)用中,尤其是3GUSB調(diào)制解調(diào)器卡開始流行,熱耗散,或者說實現(xiàn)熱耗散最小化變得十分重要。USB卡不能像手機那樣有效地散熱,因為它的體積非常小。由于3G調(diào)制解調(diào)器主要用于數(shù)據(jù),功率放大器在大部分時間運行于"發(fā)熱"狀態(tài)。減少這種熱量的最有效方式是使用諸如FAN5904的降壓轉(zhuǎn)換器。FAN5904的一個關(guān)鍵特性是,支持3G功率放大器的6MHz開關(guān)頻率和支持GSM/EDGE功率放大器模塊的3MHz開關(guān)頻率,可以使用小體積的電感和電容。FAN5904使用1008規(guī)格<2.5mmx2.0mm>的0.47?H電感,分別使用10?F0603和2.2?F0603電容作為輸入和輸出電容,實現(xiàn)占位面積很小的PCB解決方案,并且沒有影響降壓轉(zhuǎn)換器的效率。另一個常常被遺忘的參數(shù)是瞬態(tài)響應(yīng)時間。當(dāng)需要在不同電壓之間進(jìn)行跳變,以便為功率放大器提供合適的輸出功率時,對各種無線協(xié)議而言,瞬態(tài)響應(yīng)時間變得尤為重要。FAN5904以6MHz的頻率進(jìn)行切換時,具有非常短的10?s響應(yīng)時間<如圖5所示>,完全滿足時隙間隔為25?s的WCDMA規(guī)范和IOPC6.4.2規(guī)范要求。圖5.FAN5904在WCDMA模式中電壓跳變的上升和下降時間。在輸出功率需要從低水平變到高水平,或者從啟動開始,瞬態(tài)響應(yīng)時間為10?s。對于降壓穩(wěn)壓器而言,關(guān)鍵是使功率放大器滿足這些規(guī)范要求,避免出現(xiàn)通話中斷或者通話語音質(zhì)量不良的情況。由于用戶在不同的區(qū)域移動,信號覆蓋情況或好或壞,雖然如此,通話中斷現(xiàn)象是用戶所不能容忍的。對于GSM/EDGE模式,FAN5904能夠在5?s內(nèi)完成電壓之間的跳變,滿足GSM規(guī)范。圖6所示為用于WCDMA和GSM/EDGE發(fā)送器的FAN5904時序圖。圖6.用于WCDMA<a>和GSM/EDGE<b>發(fā)送器的FAN5904時序圖在使用降壓轉(zhuǎn)換器時,我們關(guān)心的是開關(guān)頻率如何影響RF性能,RF工程師極不愿意添加一個會對RF信號保真度<發(fā)送和接收兩個方面>造成潛在影響的器件。如前所述,FAN5904采用PWM或PFM模式工作,分析顯示,兩者均不會對RF性能造成影響。圖7<a>所示為28.5dBm信號的發(fā)送CW<關(guān)閉調(diào)制以顯示接近中心的尖刺>,以及距右側(cè)6MHz的標(biāo)記1。FAN5904產(chǎn)生的假性音調(diào)<spurioustones>水平很低,使得尖刺低于噪聲本底。圖7<b>所示為開啟調(diào)制時的尖刺水平。這種尖刺很小,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Tx遮蔽水平。FAN5904具有6MHz開關(guān)頻率的一個優(yōu)勢在于該頻率遠(yuǎn)離信號頻率,并且位于5MHz的帶寬之外,轉(zhuǎn)換成位于WCDMA信號兩側(cè)的2.5MHz頻率。圖7.在<a>CW調(diào)制和<b>WCDMA調(diào)制下,FAN5904在PWM模式下以6MHz的頻率進(jìn)行開關(guān)或許在PFM模式下,我們更加關(guān)注的是尖刺會在哪里進(jìn)入信號調(diào)制。通過進(jìn)一步查看圖8<a>,在CW模式中,尖刺仍然在-40dBc以下,在8<b>中,更重要的是該尖刺處于WCDMA調(diào)制遮蔽之下。3:FAN59043GEVM表連接電源和的功率放大器的測量比較。表3列出了所測量的0dBm和-45dBm<圖8中VPA值接近VOUT_DCDC>輸出功率的EVM,比較使用電源和FAN5904為3G功率放大器供電的情況。兩列數(shù)值之間的差異很小,這清楚表明信號保真度的變化不大,不會影響RF性能,遠(yuǎn)在WCDMA極限數(shù)值之下。圖8.在<a>CW調(diào)制和<b>WCDMA調(diào)制下,FAN5904在PFM模式下以低于6MHz的頻率進(jìn)行開關(guān)。為了進(jìn)一步了解降壓轉(zhuǎn)換器帶來的噪聲/尖刺情況,根據(jù)3G功率放大器自身的噪聲輸出,對接收頻段內(nèi)的噪聲進(jìn)行了測量和比較。圖9顯示在28.5dBm的最高輸出功率下,來自FAN5904的尖刺水平實際上遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于功率放大器的噪聲水平,表4顯示,來自FAN5904的噪聲在-131.8dBm/Hz處最大,但仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于功率放大器自身的-90dBc。RF工程師可以放心,FAN5904在PWM和PFM模式工作時不會對蜂窩和其它RF頻譜的發(fā)送和接收頻段造成干擾。圖9.Rx頻段中FAN5904相對于3G功率放大器噪聲的尖刺。表4:Rx頻段中來自FAN5904的噪聲水平。最后一個重要特性是,FAN5904控制GSM/EDGE功率放大器模塊的能力在于將RF功率管理解決方案從FAN5904分離出來。在GSM/EDGE模式下,FAN5904具有3A的設(shè)計峰值極限電流,因而能夠控制電流高達(dá)2A的功率放大器模塊。在GSM/EDGE模式下,由于電流負(fù)載更大,FAN5904總是以PWM方式工作,因為GSM和EDGE信號較3G信號具有更高的輸出功率水平,因此它以3MHz的頻率進(jìn)行開關(guān)。3MHz是合適的開關(guān)頻率,因為它位于WCDMA通道帶寬之外,但是仍然可以使用小電感和小電容來處理更大電流負(fù)載,并使效率維持在高達(dá)95%的水平。人們可能要問,為什么在該模式下不使用6MHz,這在設(shè)計上是不可行的,因為較大的電流負(fù)載會使開關(guān)損耗更高,小型化解決方案帶來的好處在效率方面得不到補償。圖10和圖11顯示,在蜂窩設(shè)備處于GSM或EDGE模式下,使用FAN5904可將電流降低100mA。圖10.在GSM調(diào)制下,GSM/EDGE功率放大器模塊的整個輸出功率范圍內(nèi)的FAN5904電池電流消耗。圖11.在EDGE調(diào)制下,GSM/EDGE功率放大器模塊的