2G至3.5G蜂窝移动设备的高效RF功率管理

2011-04-11 22:03:43来源: 电子工程专辑

    大家是否注意到人们对移动设备,尤其是对智能手机的着迷程度到了何种地步?人们在用智能手机进行网络冲浪、查收和编写电子邮件、玩网络游戏或者更新社交网络等活动。所有这些活动,外加拨打语音电话,都要消耗电池的能量,从功率放大器(PA)到显示器和内核芯片组,它们要消耗大量的能量。最终,锂离子电池的体积也只能适当增加,以保证智能手机不至于过于笨重。

    但是却有几种方式可以让用户感到满意,避免经常为智能手机充电,或者在不适当时间电池电能耗尽的现象出现。智能手机中功率放大器消耗的功率大约占总体30%,在网络覆盖情况较差的区域,这个比率会高达70%。一般要求智能手机和手机具有兼容前几代蜂窝网络协议的能力,现今大多数手机均具有所谓的HEDGE-enabled功能,这意味着它们能够支持HSUPA、HSDPA、WCDMA、EDGE、GPRS和GSM。换言之,3.5G(HSUPA和HSDPA)手机支持3G(WCDMA)和2G(EDGE、GPRS和GSM)技术。目前市场上还有支持CDMA2000 1x EV-DO和TD-SCDMA等3G蜂窝技术的其它手机,它们也消耗大量功率。

    不论是3G还是2G,功率放大器都会消耗大量功率,所以需要一种有效的方法来获得更长的通话/工作时间。不论是在进行语音通话,还是将数据从手机发送到基站,功率放大器均要消耗功率。在接收效果较差的区域,则需要更高的输出功率水平,这就意味着更高的功率消耗。对于3G功率放大器和GSM/EDGE功率放大器模块(PAM)的EDGE部分而言,不仅需要特定水平的输出功率,还要求具有足够的线性度,以确保向基站发送信号的保真度。

    对于功率放大器外围的技术,已经开发出两种有效方法:DC-DC转换器和包络跟踪。第一种方式是更为流行的解决方案,飞兆半导体公司用于2G/3G功率放大器的6W、3MHz/6MHz降压转换器FAN5904就针对这种应用。该产品是为了支持GSM/EDGE PAM和3G/3.5G PA而专门设计,因为在手机中线路板空间十分珍贵,设计人员无需再使用两个独立的降压转换器。FAN5904支持从WCDMA到HSUPA+,以及世界流行的CDMA200 1x EV-DO等3G无线标准。此外,该器件还支持中国的3G标准TD-SCDMA,以及用于更高数据传输率的TD-SCDMA信号调制下的HSUPA。随着兼容GSM/EDGE、支持TD-SCDMA的“TEDGE”手机的出现,FAN5904将是一种理想的解决方案。

    FAN5904与基带处理器和功率放大器配合工作,以达到降低功耗的目的。基带芯片组将会根据从基站接收到的信息来设定输出功率水平,然后将其转换成电源电压,以便FAN5904可以为功率放大器供电。图1的系统应用示意图显示了FAN5904与基带芯片组、射频收发器和功率放大器之间的接口情况。为了生成正确的、相应于输出功率的电源电压,要求基带芯片组的固件能够包含Tx AGC/POUT查找表(LUT)中的另一列内容。

    图1. FAN5904与基带处理器、射频收发器和3G功率放大器以及GSM/EDGE功率放大器模块的系统应用示意图。

    表1所示为针对某个HEDGE手机的WCDMA和HEDGE端口,如何配置查找表(LUT)的例子。该表格针对Avago的3G功率放大器,分为高、中和低功率模式三个主要部分。其它功率放大器因结构不同而具有不同的设置。高、中和低功率模式分区下各列内容为该模式下的输出功率及其相应的VCON电压,这些电压是基带处理器生成的电压,通知FAN5904为功率放大器提供正确的输出电压,获得特定的输出功率。GSM和EDGE则需要不同的查找表。

    表1: 针对某个HEDGE手机的WCDMA和HEDGE端口,如何配置查找表(LUT)的例子

    基带处理器能够针对输出功率水平,动态调节功率放大器的电源电压,从而降低功率放大器消耗的电流。这样便得到两种重要结果:一是降低了电源电压和电流,使得散热减少;二是延长了智能手机的通话时间和数据使用时间。在高输出功率或者大电流负载情况下,FAN5904会以6MHz的PWM模式工作,但在要求“中”或“低”输出功率时,它会自动转换至脉冲频率调制(PFM)模式。在PFM模式下,转换器以更低的开关频率工作,以保持更高的效率。图2和图3针对WCDMA (语音和数据)信号调制的DG90功率分布函数,显示使用与未使用FAN5904的3G功率放大器的性能。对于语音通话,FAN5904在大部分时间工作于PFM模式,因为根据DG09曲线,PFM模式占用的时间少于输出功率高于18dBm时间的10%。恰恰相反的是,为了保证接收器的信噪比,在数据传送模式下则要求保证更高的“每bit能量”,所以在数据传送模式下,输出功率为16dBm或者以上的时间占据33%。

    图 2. WCDMA信号调制和1000mAh锂离子电池条件下,使用和未使用FAN5904的3G功率放大器的通话时间分析。

    图 3. WCDMA信号调制和1000mAh锂离子电池条件下,使用和不使用 FAN5904的3G功率放大器的数据发送时间分析。

    图2和图3显示了在不同输出功率条件下一个3G PA分别在语音和数据传输模式下有、无FAN5904时所使用的工作时间的分析。在PA电源电压设定在邻近信道功率比(ACPR)为-39dBc时的值时, WCDMA的ACPR可以改善到-43dBc,但是电流消耗将会增加,导致效率降低。

    表2: 在WCDMA信号调制下使用 FAN5904时,通话时间和数据使用时间方面的改善。
表2显示了图2和图3的结果,以及功率放大器只工作于高功率模式下相应的分钟数。在HSUPA、CDMA200 1x EV-DO和 TD-SCDMA等不同信号调制模式下,电流消耗和通话时间都有类似的改善。这里把高功率模式工作的通话/数据使用时间一起显示的原因是:新技术不仅得到了更多的分钟数,从设计角度来看,亦简化了校准工作。当功率放大器具有多种功率模式时,固件必需适应何时从一个等级切换到下一个等级,因为在整个输出功率范围内,每个功率放大器的每种功率模式都存在独特的VPA-POUT 曲线。由于现在大多数手机都支持至少三个频段,这意味着满足要求的系统中可能有三种3G功率放大器,所以增加了复杂程度。在处于一种功率模式的功率放大器中使用FAN5904,可以消除模式切换带来的复杂性,更快地进行功率放大器校准,因为需要的校准点较少。这样就缩短了测试/校准的时间,并且降低了制造成本,同时简化了设计过程。

    图 4. POUT = 28dBm时3G功率放大器的热成像:

    一个时常被忽视,但经常遭到抱怨的参数是耗热问题。在手持电话贴近头部进行通话,使用手机网上冲浪或者玩在线网络游戏时手机发热,大多数用户会因此而感到烦恼。问题的关键在于,设计人员在设计手机时必需将这一因素考虑在内。图4所示为某3G功率放大器的热成像,其中,(a)为使用FAN5904来供电;(b)为直接与电池连接;(c)为电池以4.2V电压充电。使用FAN5904时,在满输出功率情况下,功率放大器的温度几乎不可能达到50?C,在(b)和(c)的情况下,温度很容易达到50?C和65?C,使用一段时间后,手机会很快发热。在数据卡应用中,尤其是3G USB调制解调器卡开始流行,热耗散,或者说实现热耗散最小化变得十分重要。USB卡不能像手机那样有效地散热,因为它的体积非常小。由于3G调制解调器主要用于数据,功率放大器在大部分时间运行于“发热”状态。减少这种热量的最有效方式是使用诸如FAN5904的降压转换器。

    FAN5904的一个关键特性是,支持3G功率放大器的6MHz开关频率和支持GSM/EDGE功率放大器模块的3MHz开关频率,可以使用小体积的电感和电容。FAN5904使用1008规格(2.5mm x 2.0mm)的0.47?H电感,分别使用10?F 0603和2.2?F 0603电容作为输入和输出电容,实现占位面积很小的PCB解决方案,并且没有影响降压转换器的效率。

    另一个常常被遗忘的参数是瞬态响应时间。当需要在不同电压之间进行跳变,以便为功率放大器提供合适的输出功率时,对各种无线协议而言,瞬态响应时间变得尤为重要。FAN5904以6MHz的频率进行切换时,具有非常短的10?s响应时间 (如图5所示),完全满足时隙间隔为25?s的WCDMA规范和IOPC 6.4.2规范要求。

    图 5. FAN5904在WCDMA模式中电压跳变的上升和下降时间。

    在输出功率需要从低水平变到高水平,或者从启动开始,瞬态响应时间为10?s。对于降压稳压器而言,关键是使功率放大器满足这些规范要求,避免出现通话中断或者通话语音质量不良的情况。由于用户在不同的区域移动,信号覆盖情况或好或坏,虽然如此,通话中断现象是用户所不能容忍的。对于GSM/EDGE模式,FAN5904能够在5?s内完成电压之间的跳变,满足GSM规范。图6所示为用于WCDMA和GSM/EDGE发送器的FAN5904时序图。

    图 6. 用于WCDMA (a) 和GSM/EDGE (b) 发送器的FAN5904时序图

    在使用降压转换器时,我们关心的是开关频率如何影响RF性能,RF工程师极不愿意添加一个会对RF信号保真度(发送和接收两个方面)造成潜在影响的器件。如前所述,FAN5904采用PWM或 PFM模式工作,分析显示,两者均不会对RF性能造成影响。图7(a)所示为28.5dBm信号的发送CW(关闭调制以显示接近中心的尖刺),以及距右侧 6MHz的标记1。FAN5904产生的假性音调(spurious tones)水平很低,使得尖刺低于噪声本底。图7(b)所示为开启调制时的尖刺水平。这种尖刺很小,远远低于Tx遮蔽水平。FAN5904具有6MHz 开关频率的一个优势在于该频率远离信号频率,并且位于5MHz的带宽之外,转换成位于WCDMA信号两侧的2.5MHz频率。

    图 7. 在(a) CW调制和(b) WCDMA调制下,FAN5904在PWM模式下以6MHz的频率进行开关
或许在PFM模式下,我们更加关注的是尖刺会在哪里进入信号调制。通过进一步查看图8(a),在CW模式中,尖刺仍然在-40dBc以下,在8 (b)中,更重要的是该尖刺处于WCDMA调制遮蔽之下。

    表3: 连接电源和FAN5904的3G功率放大器的EVM测量比较。

    表3列出了所测量的0dBm 和-45dBm (图8中VPA 值接近VOUT_DCDC )输出功率的EVM,比较使用电源和FAN5904为3G功率放大器供电的情况。两列数值之间的差异很小,这清楚表明信号保真度的变化不大,不会影响RF 性能,远在WCDMA极限数值之下。

    图 8. 在(a) CW调制和(b) WCDMA调制下,FAN5904在PFM模式下以低于6MHz的频率进行开关。

    为了进一步了解降压转换器带来的噪声/尖刺情况,根据3G功率放大器自身的噪声输出,对接收频段内的噪声进行了测量和比较。图9显示在 28.5dBm的最高输出功率下,来自FAN5904的尖刺水平实际上远远低于功率放大器的噪声水平,表4显示,来自FAN5904的噪声在 -131.8dBm/Hz处最大,但仍然远远低于功率放大器自身的-90dBc。RF工程师可以放心,FAN5904在PWM和PFM模式工作时不会对蜂窝和其它RF频谱的发送和接收频段造成干扰。

    图 9. Rx 频段中FAN5904相对于3G功率放大器噪声的尖刺。

    表4: Rx 频段中来自FAN5904的噪声水平。

    最后一个重要特性是,FAN5904控制GSM/EDGE功率放大器模块的能力在于将RF功率管理解决方案从FAN5904分离出来。在GSM/EDGE模式下,FAN5904具有3A的设计峰值极限电流,因而能够控制电流高达2A的功率放大器模块。在GSM/EDGE模式下,由于电流负载更大,FAN5904总是以PWM方式工作,因为GSM和EDGE信号较 3G信号具有更高的输出功率水平,因此它以3MHz的频率进行开关。3MHz是合适的开关频率,因为它位于WCDMA通道带宽之外,但是仍然可以使用小电感和小电容来处理更大电流负载,并使效率维持在高达95%的水平。人们可能要问,为什么在该模式下不使用6MHz,这在设计上是不可行的,因为较大的电流负载会使开关损耗更高,小型化解决方案带来的好处在效率方面得不到补偿。图10和图11显示,在蜂窝设备处于GSM或EDGE模式下,使用FAN5904 可将电流降低100mA。

    图10. 在GSM 调制下,GSM/EDGE 功率放大器模块的整个输出功率范围内的FAN5904电池电流消耗。

    图 11. 在EDGE 调制下,GSM/EDGE 功率放大器模块的整个输出功率范围内的FAN5904电池电流消耗。

    总之,FAN5904是针对2G到3.5G无线协议功率放大器而设计,并管理和满足该功率放大器的严格功率要求。本文重点讨论了WCDMA,值得注意的是,FAN5904能够支持CDMA2000 1x EV-DO,以及在中国出现且快速发展的3G标准TD-SCDMA。该器件能够帮助蜂窝设备制造商大幅降低功耗,从而降低系统温度,延长使用时间,以满足用户避免频繁地为电池充电等要求。毕竟,没有用户愿意使用一个总是需要充电、发热的智能手机,或者在打重要电话时发生掉电的智能手机。

关键字:蜂窝移动设备  RF功率管理  功率放大器  智能手机

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2011/0411/article_5821.html
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