W-CDMA收發器的功率管理解決方案

為爭取更多的用戶，全球3G網絡基礎設施在2008年已加速部署，其中在美國和歐洲的發展尤其快速。好幾家運營商都推出了比較價廉的無限數據計劃，雖然這些計劃對在連接能力上有一定的限制，但卻增加了對網絡應用軟件的支持，比如視頻會議、互聯網語音 (VoIP)、簡易郵箱 (easy email) 和互聯網瀏覽等，從而吸引用戶使用。

在硬件方面，針對低功率模式工作和城區通話服務，手機設計人員已設法對射頻收發器的功耗進行優化，特別是射頻功放 (RF Power Amplifier, RFPA) 的功耗。運營商提供的統計數據顯示，在這種情況下，手機的傳送功率小于1mW。目前使用的RFPA中，大多數都具有低功率模式，當射頻功率低于1mW時，其耗電量為10mA或更小。此外，它們還經過優化，可在500mW左右時 (最大射頻工作功率級) 獲得最佳功率附加效率 (Power Added Efficiency, PAE) (約為33%)。這時的問題在于，RFPA功耗約為1W，會產生過多的熱能，影響周圍組件的性能。圖1所示為PAE及功耗的典型變化與射頻工作功率級的關系。

圖1：雙模W-CDMA RFPA的附加功率效率 (PAE) 的圖示

據3G網絡運營商提供的功率分布統計數據，在城市地區，以語音功能為主手機有90%到 95%的時間都在1mW以下的功耗工作，這應該使得這些條件下的通話時間達到5小時。

不過，當連接的數據容量較大，或者用戶位于郊外或低覆蓋區域時，3G手機必須把發射功率提高到50mW以上，才能獲得良好的信噪比。在這類情形下，一個沒有經過重新優化的RFPA會在2.5小時或更短時間之內就消耗掉電池的全部能量。

最佳的解決方案是采用一個由電壓控制的DC-DC轉換器來動態調節RFPA電源電壓，以便在每一個射頻功率級下都獲得盡可能高的功率效率。這項技術被稱為動態電壓調節 (Dynamic Voltage Scaling, DVS) 技術 (圖2)。

圖2：利用DC-DC轉換器實現3G 射頻功放動態供電的圖示

圖中文字(上)： VBAT – DVS DCDC – VCC – WCDMA RFPA

(中): VBAT或電池電壓 – VCC 或RFPA 來自DCDC的電壓

(下):已傳送的射頻功率級

圖3顯示了較之直接由電池供電的RFPA (黑色曲線)，采用了DVS 功率管理方案的RFPA (藍色曲線) 在功率附加效率上的改進。圖中可見，在16 到 24dBm的功率范圍，后者節省了100mA電池電流；而在0 到 16dBm的功率范圍，則可節省10mA電池電流。換言之，采用DVS解決方案的以數據功能為主的3G手機可節省高達20% 的電池能量，從而相應地延長了數據連接時間。

圖3：雙模W-CDMA RFPA (黑色曲線) 與采用動態電壓調節技術的

單模RFPA (藍色曲線) 的功率附加效率比較

圖中文字(左)：采用DVS的DCDC

采用DVS技術的另一大優勢是，當電池充電至4.2V時，可把RFPA電壓鉗位在3.4V (注1)，從而使高電池電平下的發熱量再降低20%。這樣就可以減小散熱器的尺寸，并/或縮短PCB上集成組件的間距。

此外，利用DVS功率管理解決方案，射頻工程師還能夠以單功率模式功放取代復雜的多功率模式RFPA，提高功率效率，減少產熱，并降低材料清單的成本。

DC-DC 電源器件生產商所面對的要求是要提供適合于安裝在射頻前端模塊內部，并盡量不影響基帶或射頻頻譜的緊湊式解決方案。而真正的挑戰是如何以亞微亨 (sub micro-Henry) 的電感 (3.2 mm2) 取代體積相對較大的電感 (小于大約10mm2)，使開關頻率和開關噪聲超過基帶頻率 (> 5MHz)。