W-CDMA電源顯著提高傳輸效率

MAX1820開關(guān)模式電源經(jīng)過優(yōu)化，可提高WCDMA手機的傳輸效率。通過動態(tài)降低Vcc裕量 在功率放大器（PA）中，電池電流在低于最大發(fā)射功率的所有功率水平下都會顯著降低。MAX1820的設(shè)計專門針對該應(yīng)用進行了優(yōu)化。

隨著第三代（3G）蜂窩電話計劃推出的臨近，手機設(shè)計人員一直在忙于開發(fā)新的解決方案，以滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。其中最大的需求是軟件、屏幕技術(shù)、數(shù)據(jù)處理帶寬和保持合理的電池壽命。在第二代（3G）純語音低數(shù)據(jù)速率手機中，需求沒有那么大，因此可以進行許多簡化并節(jié)省成本。例如，典型2G手機的發(fā)射功率放大器（PA）直接由電池供電，但效率不理想。在2G手機中，高速數(shù)據(jù)的傳輸需要增加帶寬和天線功率;因此，需要更有效的解決方案來保持較長的電池壽命。目前，一種在手機制造商中廣受青睞的架構(gòu)需要使用高度專業(yè)化的降壓型DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器為PA供電。

使用開關(guān)穩(wěn)壓器的原理是，PA的電源電壓裕量可以動態(tài)調(diào)整，以勉強適應(yīng)PA中的RF信號幅度（見圖1）。通過使用開關(guān)穩(wěn)壓器有效地實現(xiàn)這一點，當工作在低于峰值發(fā)射功率時，可以最大程度地節(jié)省功耗。由于只有當手機離基站和傳輸數(shù)據(jù)非常遠時才需要峰值功率，因此總體功耗節(jié)省是巨大的。如果PA電源電壓可以在足夠?qū)挼膭討B(tài)范圍內(nèi)有效變化，則可以使用固定增益線性PA，從而無需單獨的偏置控制信號（如目前用于2G手機）。當然，偏置控制信號仍可用于增加控制程度，一些手機制造商正在積極追求這種拓撲結(jié)構(gòu);然而，W-CDMA技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者之一堅持認為偏差控制是不必要的。

圖1.開關(guān)穩(wěn)壓器（MAX1820）動態(tài)調(diào)節(jié)W-CDMA功率放大器（PA）的電源。通過有效地調(diào)整PA的電源裕量以匹配PA的發(fā)射功率，大大減少了能源浪費，并延長了手機的電池壽命。

系統(tǒng)性能的另一個主要考慮因素是降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器所需的特殊特性。要了解這些要求，必須首先根據(jù)PA的負載曲線進行研究。一家大型手機制造商提供了圖2，這是雙極性、固定增益、W-CDMA功率放大器的負載曲線。在峰值發(fā)射功率下，PA需要3.4V電源軌，消耗300mA至600mA電流。在最低發(fā)射功率下，靠近基站且僅傳輸語音，PA在電源電壓為30.0V至4V時僅消耗1mA電流。這相當于PA功耗最大為2040mW，最小功耗為12mW。

圖2.固定增益、雙極性、W-CDMA功率放大器的典型負載曲線具有重要的阻性成分。電源電壓和電流從 0mA （4mW） 時的 30.12V 到 3mA （4mW） 時的 600.2040V 不等，典型的語音傳輸在 1mA （5mW） 時約為 150.225V，典型的高速數(shù)據(jù)傳輸在 2.5V/400mA （1000mW）。

對于開關(guān)穩(wěn)壓器來說，將這種類型的PA作為負載進行優(yōu)化并非易事。Maxim開發(fā)了MAX1820、W-CDMA、蜂窩電話、降壓穩(wěn)壓器以滿足這些要求。以下是MAX1820區(qū)別于其他開關(guān)穩(wěn)壓器的具體特性：

寬負載下的高效率如果沒有高效率，使用開關(guān)穩(wěn)壓器的費用就不再合理;因此，高效率和省電是MAX1820設(shè)計的主要因素（見圖3）。在數(shù)據(jù)傳輸過程中（約500mW至2040mW），MAX0的PFET電源開關(guān)的15.1820Ω低導(dǎo)通電阻可提供高達93%的效率。在語音傳輸（約12mW至500mW）中，MAX1820的內(nèi)部0.2Ω NFET同步整流器和3.3mA （強制PWM模式下）低電源電流可提供約85%的效率。雖然85%的效率可能看起來不是很高，但在恒定1MHz開關(guān)時，對于輕負載效率來說，這是一個出色的性能，如圖3所示的低轉(zhuǎn)換器功率損耗所示。這種性能可歸因于精心設(shè)計和使用亞微米幾何形狀制造，以實現(xiàn)給定FET導(dǎo)通電阻下的低柵極電容。

動態(tài)輸出電壓調(diào)整輸出電壓需要在3.4V至0.4V之間調(diào)節(jié)。為此，MAX1820上的模擬控制引腳REF由數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）驅(qū)動。由于DAC的輸出電壓范圍不會擴展到3.4V，因此轉(zhuǎn)換器從REF到OUT的電壓增益為1.76V。

快速 30μs 輸出壓擺率和建立在W-CDMA系統(tǒng)架構(gòu)中，發(fā)射功率根據(jù)基站的要求每1微秒向上或向下調(diào)整666dB。此外，手機可以每10毫秒進入或退出數(shù)據(jù)傳輸模式，對應(yīng)于大規(guī)模的發(fā)射功率變化。所有發(fā)射功率電平變化需要在50μsec內(nèi)完成;但是，開關(guān)穩(wěn)壓器改變PA電源功率所需的時間小于此時間，以適應(yīng)基帶和DAC中的任何系統(tǒng)延遲。因此，MAX1820專門設(shè)計用于在不到30μsec的時間內(nèi)轉(zhuǎn)換和建立輸出電壓，即使電壓和電流滿量程變化也是如此。由于輸出必須快速擺動，MAX1820的輸出電容限制為4.7μF，使得穩(wěn)定開關(guān)更具挑戰(zhàn)性。4.7μF 電容器的另一個優(yōu)點是，低 ESR 陶瓷型可提供約 5mVpp 的低輸出紋波。降壓型穩(wěn)壓器的另一個問題出現(xiàn)在需要快速降低發(fā)射功率時，例如退出數(shù)據(jù)模式時。在這種情況下，MAX1820反轉(zhuǎn)電感電流并降低輸出電壓，以保持30μsec的建立時間。如果不這樣做，PA的線性度將隨著其電源電壓自行緩慢衰減而變化。此外，該技術(shù)通過將輸出電容上先前存儲的能量傳輸回MAX1820輸入端的電池來節(jié)省功耗。

穩(wěn)定的 9.5% 至 100% PWM 占空比和低壓差假設(shè)手機由單個鋰離子電池供電，開關(guān)穩(wěn)壓器的預(yù)期輸入電壓范圍為4.2V至2.7V。由于需要恒定的固定頻率開關(guān)以獲得可預(yù)測的噪聲頻譜和低輸出紋波，因此當電池充滿電在1820.9V和所需的PA電源電壓為5.4V時，MAX2的強制PWM工作在低至0.4%占空比時保持穩(wěn)定。就其本身而言，這并不難;但結(jié)合相反的極端，即放電電池和大功率數(shù)據(jù)傳輸，占空比也必須完全擴展到100%和低壓差操作。為了獲得極低的壓差，MAX1820的PFET尺寸略大，導(dǎo)通電阻非常低，為0.15Ω。假設(shè)電感中的串聯(lián)電阻為0.1Ω，則在150mA負載下，組合壓差僅為600mV，在較輕負載下則成比例地更低。根據(jù)手機制造商的說法，當電池放電到3.4V以下時，數(shù)據(jù)傳輸范圍會有所縮小是可以接受的。消除這一限制需要昂貴、效率較低的降壓-升壓穩(wěn)壓器，這可能是另一篇文章的主題。

1MHz 開關(guān)和同步MAX1820具有內(nèi)部1MHz振蕩器，用于控制PWM開關(guān)頻率。在MAX1820的定義階段，以較快的頻率運行被認為是減小外部元件尺寸的一種手段，但效率會降低到不可接受的水平。如前所述，利用固定頻率PWM可提供可預(yù)測的噪聲頻譜和低輸出紋波。MAX1820的1MHz內(nèi)部時鐘也相對精確，容差僅為±20%;但是，為了與手機中的系統(tǒng)時鐘精確同步，MAX1820包括一個13分頻時鐘頻率合成器，可以饋送10MHz至16MHz的低幅度正弦波。

圖3.MAX1820降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器經(jīng)過優(yōu)化，在電池消耗最高的數(shù)據(jù)傳輸過程中實現(xiàn)最高效率。1MHz 的恒定固定頻率開關(guān)可提供低輸出紋波和噪聲，同時在語音傳輸過程中仍保持相對較高的效率和低功率損耗。

由于MAX1820的獨特性能，目前3G手機設(shè)計活動廣泛采用這種系統(tǒng)架構(gòu)。隨著使用降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器為W-CDMA PA供電的效率優(yōu)勢得到證實，這種拓撲結(jié)構(gòu)可能會被更多的3G標準和各種終端設(shè)備采用，有助于實現(xiàn)小型、功能豐富的數(shù)據(jù)手機和無線移動計算的承諾。

審核編輯：郭婷