基于輸出功率概率分布優(yōu)化3G手機功率放大器設計

本文探討了一種全新的功率放大器設計概念：其功率放大器的驅動電路在一般情況下都以中低等輸出功率工作，只有在需要高輸出功率時才啟動功耗較高的功率放大器電路。通過了解手機在實際使用情況下的輸出功率概率分布，能在有限的電池容量下有效地延長通話時間，該技術不但可以有效地降低功率放大器的平均電流，而且實現(xiàn)非常簡單。

目前全球3G手機的普及率正呈現(xiàn)逐步上升趨勢，同時新推出的手機也整合了越來越多的功能。如今的手機已經具備了多媒體功能：包括視頻攝像、百萬像素攝像模塊、自動對焦、相機閃光燈和用于照明的白色LED、MP3、MP4及JAVA游戲等。為了提高網絡的覆蓋率，有很多手機都采用雙模GSM/GPRS+CDMA、GSM/GPRS+WCDMA或整合嵌入式無線局域網(WLAN)聯(lián)機功能的設計。實現(xiàn)如此豐富、強大的功能，面臨的最大問題就是手機電池的功耗和通話時間，如何節(jié)省電池功耗已經成為手機設計者必須面對的最迫切問題之一。

圖1：CDMA系統(tǒng)中手機輸出功率的使用概率分布。

為手機傳輸信號的功率放大器(PA)一直是手機中耗電量最大的元器件，因此有效地降低功率放大器的平均消耗電流將能大幅度延長手機的通話時間。在本文中，我們將探討一種全新的功率放大器設計概念，其功率放大器的驅動電路在一般情況下都以中低等輸出功率工作，只有在需要高輸出功率時才啟動功耗較高的功率放大器電路。這種技術不但可以有效地降低功率放大器的平均電流，而且操作非常簡單。了解手機在實際使用情況下的輸出功率概率分布，是在有限的電池容量下有效地延長通話時間的重要基礎。

手機功率放大器的關鍵規(guī)格

線性度：功率放大器的線性度將直接影響到手機的性能，例如CDMA2000系統(tǒng)中的相鄰頻道功率比(ACPR)和WCDMA系統(tǒng)中的相鄰頻道泄漏比(ACLR)。為避免與其它頻道或系統(tǒng)間的相互干擾，不管在何種情況下，也不能為達到這些規(guī)格的要求而妥協(xié)。

功率加效率：功率加效率(PAE)是通過放大器取得輸出的射頻功率和輸入的直流功率的百分比：

傳統(tǒng)的3G功率放大器設計都把焦點放在如何在高功率模式下取得較高的PAE。例如，使用E-pHEMT(增強模式偽形態(tài)高電子遷移率晶體管)的傳統(tǒng)CDMA功率放大器在+28dBm輸出功率時可以達到40%的PAE，但在中、低功率輸出時的PAE卻會降得很低。

圖2：傳統(tǒng)和最佳化功率放大器的特性比較。

當采用旁路高功率級3G功率放大器的設計概念，而不是試圖將高功率模式的效率最佳化時，我們將可專注于如何在提高實際工作情況下包含高、中、低等功率模式的整體通話時間。如果能有效地選擇驅動電路的增益、功率輸出能力和線性度以及輸出級電路，包括通話時間在內的整體性能都可以得到大幅度地改善。

增益控制：在CDMA或WCDMA功率放大器上常見的偏壓控制基本上可以分為兩種，即模擬偏壓控制和數(shù)字偏壓控制。模擬偏壓控制較為復雜，部分原因是由于需要基帶芯片組提供穩(wěn)定、可變的模擬電壓，與提供較寬松的“on”或“off”數(shù)字控制電壓相比來說要困難許多。此外，改變模擬控制電壓經常會影響到放大器的增益平穩(wěn)度，使手機輸出功率的調整更加困難，因此最新的3G功率放大器設計一般都會采用數(shù)字控制。

功率放大器如何延長通話時間

在大部分的情況下，提升功率放大器的高功率模式PAE通常只能微幅改善通話時間。從圖1所顯示的實際CDMA系統(tǒng)中，可根據手機輸出功率概率分布函數(shù)的計算結果來證明這項假設。

圖3：旁路高功率級的電路概念，可采用傳統(tǒng)開關或使用安華高科技CoolPAM放大器的可變阻抗并聯(lián)傳輸線。

如圖1所示，不管手機是在市區(qū)還是郊區(qū)使用，它的功率輸出大部分集中在-10dBm至+10dBm(中/低功率范圍)的范圍內，只有在少數(shù)距離基地臺較遠的郊區(qū)才有可能長時間使用高輸出功率模式。如果只專注于改善高功率模式的PAE，其實并不能大幅度延長通話時間，所以我們應該將重點放在提高中、低功率的PAE上。圖1中同時也顯示了幾種不同的功率放大器模塊(PAM)在低、中和高功率模式下工作時的相對電流消耗。與智能PAM或模擬PAM相比，圖1中的傳統(tǒng)PAM在中、低功率范圍時耗電量最高。因為其增益幾乎在所有功率輸出范圍都維持固定，而智能PAM因為采用數(shù)字偏壓調變，在中、低功率模式下不但可以微幅降低增益，還可以微幅改善電流消耗。模擬控制PAM則在增益控制上使用可變的模擬偏壓，雖然可以微幅改善通話時間，但是卻會造成大幅度的增益變動。另一方面，不管是第一代或第二代的CoolPAM技術，都采用獨特的數(shù)字偏壓切換和適當增益控制的組合，可使CoolPAM放大器在中、低功率模式下大幅度降低電流消耗，同時降低待機時的耗電量。

平均電流和通話時間的關系：

平均電流 = ∫ (PDF ( 電流) dp

通話時間正比于平均電流的倒數(shù)。(注：PDF為概率分布函數(shù)，如圖1。)

功率放大器平均電流是每種可能輸出功率模式的電流乘以在-50dBm到+28dBm輸出功率范圍內的相對應使用概率的積分，那么通話時間就與這個平均電流的倒數(shù)成正比。

根據這個關系，平均電流實際上是受到系統(tǒng)中功率輸出概率分布的影響，所以按照該原則所得到的3G功率放大器設計可以用來改善中、低功率的PAE，并降低中、低功率的電流消耗。

最佳3G PAM的設計概念

從圖2中可以看出，傳統(tǒng)的功率放大器通常以固定增益形式設計，在+28dBm輸出功率的高功率模式下一般可以實現(xiàn)40%的PAE，但在+16dBm輸出功率時卻只能實現(xiàn)8%到10%，而且當輸出功率增加時，大部分功率放大器設計中的線性度和ACPR特性就會變得更差。特別是當功率放大器接近飽和時，ACPR值也將大幅度提高，但對中、低功率模式來說，要符合ACPR規(guī)格并不困難。

圖4：不同功率放大器在市區(qū)和郊區(qū)的平均耗電量比較。

最佳化的3G PAM設計概念通常會為高、中、低輸出功率設計兩種不同的增益。當手機需要在高功率模式下工作時，可將功率放大器設定為高增益模式，但在需要低輸出功率的情況下，也可支持低增益模式。通過改變功率放大器的增益，可大幅度降低中、低輸出功率工作時的電流消耗。它可以提供大約20%的中等功率PAE，而傳統(tǒng)的僅能達到8-10%。雖然低功率低增益模式會對ACPR值的產生一定影響，但還是能夠提供足夠的余量來滿足ACPR的限制要求。

最佳功率放大器的設計實現(xiàn)

這種級旁路功率放大電路(stage-bypass PA)的應用其實非常簡單。如圖3中所示，當手機需要高輸出功率時，第二級電路的并聯(lián)開關就會打開，發(fā)送信號便可通過兩個串接的功率級電路放大，達到+28dBm的輸出功率。而當手機只需中、低功率輸出時，該開關可以自動關閉，通過旁路第二級電路并關閉偏壓。因此在設計上主要的要求是第一級電路必須能提供中、低功率工作時所需的線性度和輸出功率容量。

實現(xiàn)此旁路功能的最簡單方法就是使用晶體管作為開關，但缺點則是該晶體管也需要電流來工作，這種額外的電流消耗將會增加放大器的整體耗電量，因此CoolPAM功率大器是通過變更并聯(lián)傳輸線的阻抗實現(xiàn)切換功能。

平均電流的比較

如圖4所示，與傳統(tǒng)功率放大器相比，最佳化的功率放大器不管是在市區(qū)或郊區(qū)，都擁有較低的平均耗電。

平均電流是將每個輸出功率乘以概率分布函數(shù)的總和加起來計算。對于在市區(qū)工作的傳統(tǒng)功率放大器來說，典型平均電流約為118mA，在郊區(qū)時則為136mA。兩種情況相比，采用旁路高功率級電路的3G功率放大器可實現(xiàn)大約36mA或更低的平均電流。如果采用一個850mA/H的電池，而且基帶芯片組的平均電流消耗為200mA，那么傳統(tǒng)的功率放大器在市區(qū)的通話時間為160分鐘，在郊區(qū)則為152分鐘。具有消除額外功率消耗的旁路切換晶體管的CoolPAM功率放大器，如果在相同的條件下，在市區(qū)的通話時間可以達到224分鐘，比傳統(tǒng)功率放大器還要高出64分鐘。