电子论文-25G和3G移动电话改善发送效率的新型方案

2.5G和3G移动电话改善发送效率的新型方案随着第三代移动通信(3G)时代的临近，手机设计人员正忙于开发新的方案，以解决高速数据传输所带来的一系列新问题。其中，最主要的问题集中在软件、屏幕技术、数据处理带宽以及电池寿命等方面。这些问题在在第二代（2G）只有话音和低速数据功能的手机中，还不是如此严峻，并且允许采用一些简单和廉价的方案进行折衷或弥补。一个典型的例子就是功放，典型的2G手机中用于发送信号的功率放大器(PA)是由电池直接驱动的，效率虽不是最佳,但非常简单。而在3G手机中，最关键的是,高速数据传送要求具有更高的带宽和发送功率。因此，为保持足够长的电池工作时间，就必须要采用更先进和效率更高的方案。一种解决方法那就是采用一种高度专门化设计的DC-DC降压变换器MAX1820来驱动PA,.这是当今越来越广泛受到蜂窝电话制造商们青睐的一种方案。降压变换器MAX1820改善发送效率的设计方案由MAX1820组成的改善手机2.5G和3G发送效率配置方案图示于图1。图1应用MAX1820降压变换器改善2.5G和3G手机发送效率方案框图(1MHz脉宽调制降压变换器)从图中可看出,实际上是在电池与WCDMA功率放大器(PA)中嵌入MAX1820降压型开关调节器，它也是组成了1MHz脉宽调制降压转换器,其PWM开关频率为1MHz。从图1中可以清楚地看出，利用MAX1820这样的高效率开关调节器能动态地调整WCDMA功率放大器(PA)的供电电压，并使其跟随功放(PA)的发送功率而变化，又其刚好能满足射频信号的幅度要求.,从而既可以提高电源的利用率，又减少功率浪费。采用开关调节器高效率地实现这种调节，在峰值发送功率以外的任何工作条件下，都可大幅度地节省电池功率,见图2所示。图2与用电池直接驱动功放的方案相比较，采用MAX1820后明显降低了手机电池的电流，尤其是在该率最高的低发送功率时节点效果更为明显。因为峰值功率只有在手机远离基站/或数据传送时需要。从总体来讲，这种方案的省电效果是非常显著的。如果功放的供电电压能够在一个足够宽的范围内高效率地动态调节，那么，就有可能采用固定增益的线性功放，省掉目前广泛应用于2G电话的偏置控制。那末MAX1820降压变换器用的是什么技术能实现省电并提高手机发送效率?也就是说该设计方案的技术可行性是什么?这是需要在下面说明的。该问题实际上重点是从系统性能的角度，对特殊用途的MAX1820降压变换器有些什么样的特殊性能作一分析，从而优化配置的论证也显而易见了。 为便于理解，现首先应该研究一下作为负载的功放及其特性见图3。图3图3固定增益的双极型WCDMA功率放大器的典型负载曲线中有一个明显的阻性成分，电源电压和电流会从最低的0.4V/30mA(12mW)变化到最高的3.4V/600mA(2040mW)。它由一个主要蜂窝电话商制造提供,表示一个双极工艺的固定增益WCDMA功率放大器的负载曲线。在峰值发送功率时，功率需要3.4V的供电电压，并消耗掉300mA到600mA的电流。在最低发送功率时，也就是当靠近基站并且只发送话音时，功放仅吸取30mA的电流和0.4V到1V的电源电压。对应的功放消耗功率分别为2040mW（最大值）和12mW（最小值）。针对具有此类负载特性的功放,要对降压变换器进行优化并非易事.。而MAX1820WCDMA蜂窝电话降压型变换器能满足这种要求。MAX1820特殊性能：在很宽负载范围内具有高效率高效率和省电是MAX1820的主导设计思想，见图4。MAX1820降压型开关调节器被优化，在很宽的负载范围内具有高效率、低输出纹波和噪声，同时保持高达1MHz的恒定开关频率传送数据时（约500mW至2040mW），MAX1820内部的低导通电阻（0.15Ω）PFET可以提供高达97%的效率。传送话音时（约12mW至500mW），MAX1820内部的0.2ΩNFET同步整流器和3.3mA的低工作电流（强制PWM模式）使转换效率达97%。97%效率听起来不算高，但对于一个工作在1MHz恒定开关频率和很轻负载的转换器来讲并非易事，正如图3所示，转换器具有极低的功率损耗。这是良好的芯片设计和亚微米制造工艺所具有的，这种工艺并能在给定的FET导通电阻下获得更低的栅极电容。·输出电压的动态调整输出电压需要在3.4V到0.4V间调整为此，采用一个数模转换器驱动MAX1820的模拟控制引脚（REF）,见图1所示。由于DAC的输出电压范围达不到3.4V，故MAX1820从REF到OUT具有1.76倍的电压增益。·输出电压的快速转变和建立（30μS）在WCDMA系统架构中，发送功率需要根据基站的要求，每666μS向上或向下调节1dB,以跟随WCDMA功放的发射功率电平。此外，每10mS隔，手机会发生大幅度的发送功率跳变,见图5所示.图5MAX1820的输出功率每隔666mS就被动态地调节1dB，以跟随WCDMA功放的发射功率电平，然而，当从语音模式切换到数据模式时(或相反)，可能要求MAX1820的输出电压和负载电流发生满量程的变化，改编后的输出电压要求在30mS内稳定，以保证功放的线性。各种情况下，发送功率水平的变化需要在50μS内完成，然而，考虑到基站、DAC及各种系统延迟，留给降压变换器来改变功放电源的时间还要减少。由于这个原因，MAX1820专门设计为能够在30μS内改变并建立输出电压,甚至对于满幅度的电压和电流变化都没有问题。由于要求输出能够快速改变，MAX1820的输出电容C被限制在仅仅4.7μF,见图1所示。这给工作的稳定性带来了桃战。4.7μF电容所带来的额外好处是，允许采用低ESR的陶瓷电容，这将使输出纹波降低至5mVp-p。降压变换器面临的另外一个问题出现在需要迅速降低发送功率的时候，例如退出数据模式时。在此情况下，MAX1820能够反转电感L中的电流，将输出Vout迅速拉低以便保证30μS的建立时间。否则，功放的线性会随着电源电压的缓慢下降而改变。另外，这种技术还将输出电容中的剩余电能回送到MAX1820输入端的电池，进一步节省了电能。稳定工作于9.5%至100%PWM占空比和低压差假设手机由单节锂离子（Li+）电池(4.2V--2.7V)供电，那么输入降压变换器的电压范围大约4.2V至2.7V，为了获得可预知的噪声频谱和低输出纹波，应该尽量采用恒定的开关频率，MAX1820的强制PWM工作模式在电池完全充电至4.2V且要求功放电源电压为0.4v时，可稳定工作于最低至9.5%的占空比。就其本身来讲这并不困难，但还应考虑到相反的极端情况，当经过一定程度放电的电池工作在大功率数据发送模式时，要求占空比能够完全达到100%，并具有低压差。为了获得非常低的压差，MAX1820内部的PFET被稍稍超额设计为非常低的0.15Ω导通电阻。假设电感具有0.1Ω的串联电阻，那末在600mA的负载下总的压降只有150mv，当负载减轻时还可同比降低。根据蜂窝电话制造商的要求，当电池被放电至3.4V以下时，数据传送距离有一定程度的降低是可以接受的。突破这种局限需要采用价格稍贵、效率稍低一点的升/降变换器。·1MHz开关频率及同步MAX1820内部具有一个1MHz振荡器来控制PWM开关频率。提高开关频率是减小外部元件尺寸的一个办法，但效率有可能降低到无法接受的水平。前面己提到，采用固定频率PWM方式可以获得已知的噪声频谱和较低的输出纹沆。MAX1820的1MHz内部时钟具有较高的精度，可保证±20%的容差，此外，为了更精确地同步至系统时钟，MAX1820还包含了一个13分频（或18分频）时钟合成器，可馈入一个13MHz（或19.8MHz）的低幅度正弦波。结语本文概述MAX1820降压变换器在WCDMA功放驱动中的应用，该设计方案所具的发送效率改善和节电效果正在研发试制中己得到验证,其试用效果符合设计要求。当然这种方案同样也可用于其它的3G标准和更多不同的终端设备，使小型化、个性化的数据手机及无线移动运算的理想成为现实。