DC-DC電源驅(qū)動(dòng)PA提高WCDMA手機(jī)發(fā)送效率

　　另外一個(gè)需要重點(diǎn)考慮并關(guān)系到系統(tǒng)性能的問(wèn)題是，對(duì)于這種特殊用途的降壓型開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，有一些什么樣的特殊性能要求。為了便于理解，首先應(yīng)該研究一下功放的負(fù)載特性。圖2由一個(gè)主要的蜂窩電話制造商提供，表示一個(gè)雙極工藝的固定增益W-CDMA功率放大器的負(fù)載曲線。在峰值發(fā)送功率時(shí)，功放需要3.4V的供電電壓，并消耗掉300mA到600mA的電流。在最低發(fā)送功率時(shí)，也就是當(dāng)靠近基站并且只發(fā)送話音時(shí)，功放僅吸取30mA的電流，電源電壓為0.4V到1V。對(duì)應(yīng)的功放消耗功率分別為2040mW (最大值)和12mW (最小值)。

　　圖2. 固定增益的雙極型W-CDMA功率放大器的典型負(fù)載曲線中有一個(gè)明顯的阻性成分。電源電壓和電流會(huì)從最低的0.4V/30mA (12mW)變化到最高的3.4V/600mA (2040mW)，話音的發(fā)送一般在1.5V/150mA (225mW)下進(jìn)行，高速數(shù)據(jù)的發(fā)送一般在2.5V/400mA (1000mW)下進(jìn)行。

　　針對(duì)作為負(fù)載的這種功放對(duì)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器進(jìn)行優(yōu)化并非易事。Maxim的MAX1820 W-CDMA蜂窩電話降壓型調(diào)節(jié)器能夠滿足這種要求。下面列出使MAX1820區(qū)別于其它類型的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的特殊性能：

　　在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)具有高效率―沒(méi)有高效率，采用開(kāi)關(guān)型調(diào)節(jié)器就失去了意義，因此，高效率和省電是MAX1820的主導(dǎo)設(shè)計(jì)思想(見(jiàn)圖3)。傳送數(shù)據(jù)時(shí)(約500mW至2040mW)，MAX1820內(nèi)部的低導(dǎo)通電阻(0.15Ω) PFET功率開(kāi)關(guān)可以提供高達(dá)93%的效率。傳送話音時(shí)(約12mW至500mW)，MAX1820內(nèi)部的0.2Ω NFET同步整流器和3.3mA的低工作電流(強(qiáng)制PWM模式)使轉(zhuǎn)換效率達(dá)到85%。85%的效率聽(tīng)起來(lái)不算太高，但對(duì)于一個(gè)工作在1MHz恒定開(kāi)關(guān)頻率和很輕負(fù)載的轉(zhuǎn)換器來(lái)講確非易事，正如圖3所示，轉(zhuǎn)換器具有極低的功率損耗。這要?dú)w功于優(yōu)秀的設(shè)計(jì)和亞微米工藝的采用，這種工藝能夠在給定的FET導(dǎo)通電阻下獲得更低的柵極電容。

　　輸出電壓的動(dòng)態(tài)調(diào)整―輸出電壓需要在3.4V到0.4V間調(diào)整。為此，采用一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)驅(qū)動(dòng)MAX1820的模擬控制引腳(REF)。由于DAC的輸出電壓范圍達(dá)不到3.4V，轉(zhuǎn)換器從REF到OUT具有1.76倍的電壓增益。

　　快速(30?sec)輸出壓擺率和建立―在W-CDMA系統(tǒng)架構(gòu)中，發(fā)送功率需要根據(jù)基站的要求，每666?sec向上或向下調(diào)節(jié)1dB。此外，每隔10ms，手機(jī)會(huì)進(jìn)入或退出數(shù)據(jù)傳送模式，相應(yīng)地將發(fā)生大幅度的發(fā)送功率跳變。各種情況下，發(fā)送功率水平的變化需要在50?sec內(nèi)完成，然而，考慮到基站、DAC及各種系統(tǒng)延遲，留給開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器來(lái)改變功放電源的時(shí)間還要減少。由于這個(gè)原因，MAX1820被專門(mén)設(shè)計(jì)為能夠在30?sec內(nèi)改變并建立輸出電壓，甚至對(duì)于滿幅度的電壓和電流變化都沒(méi)有問(wèn)題。由于要求輸出能夠快速改變，MAX1820的輸出電容被限制在僅僅4.7?F，這給工作的穩(wěn)定性帶來(lái)了挑戰(zhàn)。4.7?F電容所帶來(lái)的額外好處是，允許采用低ESR的陶瓷電容，這將使輸出紋波降低至5mVpp。降壓調(diào)節(jié)器面臨的另外一個(gè)問(wèn)題出現(xiàn)在需要迅速降低發(fā)送功率的時(shí)候，例如退出數(shù)據(jù)模式時(shí)。在此情況下，MAX1820能夠反轉(zhuǎn)電感中的電流，將輸出電壓迅速拉低以便保證30?sec的建立時(shí)間。否則，功放的線性會(huì)隨著電源電壓的緩慢下降而改變。另外，這種技術(shù)還將輸出電容中的剩余電能回送到MAX1820輸入端的電池，進(jìn)一步節(jié)省了電能。

　　穩(wěn)定工作于9.5%至100% PWM占空比和低壓差―假設(shè)手機(jī)由單節(jié)鋰離子電池供電，那么輸入開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的電壓范圍大約為4.2V至2.7V。為了獲得可預(yù)知的噪聲頻譜和低輸出紋波，應(yīng)該盡量采用恒定的開(kāi)關(guān)頻率，MAX1820的強(qiáng)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(shí)，可穩(wěn)定工作于最低至9.5%的占空比。就其本身來(lái)講這并不困難，但還應(yīng)考慮到相反的極端情況，當(dāng)經(jīng)過(guò)一定程度放電的電池工作在大功率數(shù)據(jù)發(fā)送模式時(shí)，要求占空比能夠完全達(dá)到100%，并具有低壓差。為了獲得非常低的壓差，MAX1820內(nèi)部的PFET被稍稍超額設(shè)計(jì)為非常低的0.15Ω導(dǎo)通電阻。假設(shè)電感具有0.1Ω的串聯(lián)電阻，那么在600mA的負(fù)載下總的壓降只有150mV，當(dāng)負(fù)載減輕時(shí)還可同比降低。根據(jù)蜂窩電話制造商的要求，當(dāng)電池被放電至3.4V以下時(shí)，數(shù)據(jù)傳送距離有一定程度的降低是可以接受的。突破這種局限需要采用價(jià)格稍貴、效率稍低一點(diǎn)的升/降壓型調(diào)節(jié)器，這可能需用另外一整個(gè)篇幅進(jìn)行討論。