利用遲滯降壓轉(zhuǎn)換器中的旁路模式增強(qiáng)PA性能和系統(tǒng)效率

本應(yīng)用筆記說(shuō)明了使用遲滯降壓轉(zhuǎn)換器代替電池本身為RF PA供電如何大幅提高PA效率并延長(zhǎng)電池壽命。討論了該轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)知識(shí)以及使用旁路模式的重要性和好處。

介紹

遲滯 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器已廣泛用于 2G/3G/4G 射頻功率放大器 （PA），作為 PA 直流電源的直接電池電源的替代品。通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)PA電源電壓和偏置電流，這種方法可顯著提高PA效率并延長(zhǎng)電池壽命。具有旁路場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （FET） 或旁路低壓差 （LDO） 穩(wěn)壓器的旁路模式還可降低降壓轉(zhuǎn)換器兩端的壓差，并增強(qiáng)輸出電流能力。這些功能共同降低了電池關(guān)斷點(diǎn)并延長(zhǎng)了電池壽命。

誠(chéng)然，使用遲滯降壓轉(zhuǎn)換器提高系統(tǒng)效率確實(shí)需要權(quán)衡電壓裕量。本應(yīng)用筆記討論了如何將具有旁路FET或旁路LDO的旁路模式集成到遲滯降壓轉(zhuǎn)換器中，以?xún)?yōu)化PA性能。

遲滯降壓轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)知識(shí)

PA降壓轉(zhuǎn)換器不同于傳統(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器，后者在幾個(gè)重要方面為數(shù)字處理器內(nèi)核供電。PA轉(zhuǎn)換器提供動(dòng)態(tài)輸出電壓控制，用于連續(xù)PA功率調(diào)節(jié);在寬輸出電壓/電流范圍內(nèi)具有高效率;輸出電壓變化的快速導(dǎo)通時(shí)間和建立時(shí)間;低壓差和 100% 占空比操作;和低輸出電壓紋波。

相比之下，Maxim的現(xiàn)代遲滯降壓轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)控制PA的直流電源電壓。（有關(guān)Maxim遲滯降壓轉(zhuǎn)換器的列表，請(qǐng)參見(jiàn)附錄。轉(zhuǎn)換器輸出電壓由獨(dú)立的DAC控制的模擬輸入根據(jù)不同的RF發(fā)射功率電平按比例調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)換器使用輸出電壓紋波來(lái)控制高端和低端開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)閉時(shí)間。它使用不帶固定頻率時(shí)鐘的誤差比較器，而不是帶補(bǔ)償?shù)恼`差放大器。因此，與固定頻率PWM轉(zhuǎn)換器相比，遲滯轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵顯著優(yōu)勢(shì)在于其在瞬態(tài)響應(yīng)方面的重大改進(jìn)。與固定頻率轉(zhuǎn)換器不同，遲滯轉(zhuǎn)換器可立即對(duì)任何輸出電壓/負(fù)載瞬態(tài)做出反應(yīng)，而無(wú)需等待新的時(shí)鐘脈沖或誤差放大器輸出移動(dòng)。遲滯轉(zhuǎn)換器具有高效率、高開(kāi)關(guān)頻率和 100% 占空比，是為 PA 供電的理想之選。

旁路模式的重要性

誠(chéng)然，使用遲滯降壓轉(zhuǎn)換器而不是電池本身來(lái)偏置PA確實(shí)會(huì)引發(fā)一個(gè)問(wèn)題：效率改進(jìn)會(huì)犧牲電壓裕量。在電池和PA之間插入轉(zhuǎn)換器通常會(huì)減少至少200mV或更多的裕量。

讓我們看一個(gè)遲滯降壓轉(zhuǎn)換器的例子。為了在某個(gè)PA模塊上傳輸32dBm射頻功率，推薦的VCC和ICC分別為3.4V和1130mA。假設(shè)MAX8989內(nèi)部pFET導(dǎo)通電阻（RON）為175mΩ，所用電感的直流電阻（DCR）為200mΩ。pFET和電感兩端的總壓降為：

（175mΩ + 200mΩ） × 1.13A = 424mV（公式1）

維持 3.4V Vcc 電壓，電池電壓必須高于3.824V，這會(huì)縮短通話(huà)時(shí)間。為了克服這個(gè)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了旁路模式。這種旁路模式的基本組件是旁路FET和旁路LDO。我們依次檢查每個(gè)。

使用旁路FET降低壓差

MAX8805W遲滯降壓轉(zhuǎn)換器具有旁路模式和旁路FET。當(dāng)電池電壓下降且轉(zhuǎn)換器接近壓差區(qū)域時(shí)，當(dāng) VREFIN 》 0.372 × VIN 時(shí)，其內(nèi)部旁路 FET 將 PA 直接連接到電池。圖 1 演示了啟用或禁用旁路時(shí)的性能差異。

如果沒(méi)有旁路FET，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入100%占空比后的壓差為：

VDROPOUT = （RON-PFET + DCRIND） × IOUT（公式2）

使用旁路FET時(shí)，壓差變?yōu)椋?/p>

VDROPOUT = （RON-BYP//（RON-PFET + DCRIND）） × IOUT（公式3）

其中 RON-PFET為 180mΩ 和 R在 BYP 上僅為 60mΩ。

MAX3W采用4.8805V電池，不帶旁路FET時(shí)輸出電壓為3.23V，旁路FET時(shí)輸出電壓為3.37V。因此，旁路FET通過(guò)降低壓差來(lái)改善140mV電壓裕量。

圖1.來(lái)自MAX8805W的數(shù)據(jù)顯示了旁路FET如何影響輸出電壓線(xiàn)路調(diào)整率。

旁路FET在壓差區(qū)域增加轉(zhuǎn)換器的輸出至電池電壓。權(quán)衡是從穩(wěn)壓區(qū)域到壓差區(qū)域的過(guò)渡處的電壓跳躍，而不是圖1所示的平滑過(guò)渡。為了獲得從穩(wěn)壓區(qū)域到壓差區(qū)域的平滑過(guò)渡，在遲滯轉(zhuǎn)換器中引入了一個(gè)與降壓轉(zhuǎn)換器并聯(lián)的低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器（旁路LDO）。

使用旁路LDO消除電壓“跳變”

圖1還顯示了旁路LED相對(duì)于旁路FET的改進(jìn)。該 LDO 可在降壓調(diào)節(jié)和壓差操作之間實(shí)現(xiàn)平滑過(guò)渡。給出了使用MAX8989和MAX8951的兩個(gè)旁路LDO示例。

我們首先看一下MAX8989，輸出電壓和REFIN電壓之間的關(guān)系為：

VOUT = 2 × VREFIN - 0.5 × DCRIND × IOUT

（公式4）

當(dāng)MAX8989輸出電壓因負(fù)載調(diào)整率（50.0 × DCR）而下降超過(guò)5mV時(shí).IND× I外》 50mV），輸出電壓高于線(xiàn)性旁路使能門(mén)限（1.4V，典型值），旁路LDO向輸出提供補(bǔ)充電流，以保持輸出電壓處于穩(wěn)壓狀態(tài)。

圖2顯示了旁路LDO對(duì)輸出電壓調(diào)節(jié)的影響。此處，旁路LDO在V的情況下被禁用雷芬= 0.4V;對(duì)于 V雷芬= 0.9V，當(dāng)輸出電壓下降50mV且負(fù)載調(diào)整率以較慢的速率斜坡下降時(shí)，旁路LDO開(kāi)始工作。使用兩個(gè)4.7μH電感器（TOKO DFE252012C系列電感器和TDK VLS252015ET系列電感器），如圖2所示。對(duì)于不同的電感，旁路LDO從相同的50mV點(diǎn)開(kāi)始。但是，由于TDK電感具有較大的DCR，并且電感兩端的壓降較高，因此旁路LDO開(kāi)始以較低的輸出電流工作。??

圖2.數(shù)據(jù)顯示MAX8989的負(fù)載調(diào)整誤差與輸出負(fù)載的關(guān)系。

當(dāng)輸出電流超過(guò)降壓轉(zhuǎn)換器的電流限值時(shí)，旁路LDO為輸出提供補(bǔ)充電流，從而確保穩(wěn)定的輸出電壓。旁路LDO在降壓轉(zhuǎn)換器達(dá)到其電流限值之前不提供任何電源電流。當(dāng)線(xiàn)性旁路穩(wěn)壓器提供電流時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器繼續(xù)提供大部分負(fù)載，以最大限度地提高效率。

MA8951具有用于遲滯降壓轉(zhuǎn)換器（IN1）和旁路LDO （IN2）的獨(dú)立輸入電源。圖3顯示了IN1/IN2電源電流輸送與輸出負(fù)載的關(guān)系。轉(zhuǎn)換器在 1.3A 負(fù)載時(shí)達(dá)到其電流限值。高于 1.3A 負(fù)載時(shí)，IN2 電源拾取負(fù)載并向輸出提供補(bǔ)充電流。因此，對(duì)于旁路LDO，具有較低飽和電流額定值的電感可用于更高電流的PA應(yīng)用。

圖3.數(shù)據(jù)顯示MAX8951的輸入電源電流與負(fù)載電流的關(guān)系。

旁路LDO還可實(shí)現(xiàn)更快的輸出電壓瞬態(tài)響應(yīng)。使用上述MAX8989的相同設(shè)置，通過(guò)步進(jìn)REFIN電壓以獲得1V至3V輸出電壓變化來(lái)完成測(cè)試。輸出電壓升至旁路使能門(mén)限以上后，旁路LDO啟動(dòng)并以更快的速率上升輸出電壓。MAX8989在1V至3V的總建立時(shí)間小于8μs，而MAX8805W的總建立時(shí)間超過(guò)16μs。比較圖4和圖5，了解器件在輸出電壓瞬態(tài)響應(yīng)方面的差異。

圖4.MAX8989的輸出電壓瞬態(tài)響應(yīng)顯示建立時(shí)間小于8μs。

圖5.MAX8805W的輸出電壓瞬態(tài)響應(yīng)顯示建立時(shí)間超過(guò)16μs。

結(jié)論

具有旁路FET或旁路LDO的遲滯降壓轉(zhuǎn)換器既優(yōu)化了PA性能，又提高了系統(tǒng)效率，從而延長(zhǎng)了電池壽命。旁路LDO比旁路FET具有優(yōu)勢(shì)，特別是在降壓調(diào)節(jié)和壓差之間更平滑的過(guò)渡，以及更快的瞬態(tài)響應(yīng)。這些性能優(yōu)勢(shì)使具有旁路LDO的降壓轉(zhuǎn)換器成為PA電源應(yīng)用的理想選擇。

審核編輯：郭婷