应用笔记 3434

降低CDMA/WCDMA蜂窝电话的射频功耗


摘要 : 通过控制CDMA/WCDMA蜂窝电话射频(RF)功率放大器(PA)的电源电压,可以提高PA效率、减少发热,有效延长手机的通话/数据交换时间

为了满足IS95/3GPP扩频标准中规定的严格的线性和邻信道功率抑制比(ACPR)指标,CDMA/WCDMA¹无线手机需要采用高线性度的A类或AB类RF功率放大器。在最大输出功率Po = 28dBm下,这类PA的功效(PAE)只有35%,输出功率较低时功效更低。

语音模式下,PA并非工作在连续模式。用户没有通话时,手机工作时间为50%或1/8,所以,在语音模式下无需考虑手机发热问题。然而,在数据模式下,PA在数据传输结束之前始终保持连续工作状态,较低的PA效率和连续的PA工作状态会大量消耗电池能量,另外,所产生的内部功耗也会导致手机过热。

对于早期的WCDMA手机,为了支持高速数据传输服务,功率耗散成为一个关键问题,设计人员不得不使用较大面积改善散热条件,增强空气流通以便冷却设备,另外还要选用更大容量(尺寸更大)的电池。如果不克服上述问题,现在的手机可能依然停留在“笨重”的水平。值得庆幸的事,近几年由于CDMA/WCDMA蜂窝电话PA功效的提高,上述问题得到了较大改进。

如何降低PA功耗?

在CDMA/WCDMA系统中,PA的RF输出功率并非始终保持在最大值,为了优化蜂窝容量(基站能够同时处理的传输量),每部手机需要控制其RF输出功率,以便基站对于每部手机保持相同的有效接收信噪比。从大多数手机在给定区域平均输出功率的概率分布看,CDMA/WCDMA手机在郊区的平均输出功率为+10dBm,在市内的平均输出功率为+5dBm。因此,改善PA效率的目标应该定位于+5dBm至+10dBm,而不是最大输出功率。

图1所示,CDMA/WCDMA功率放大器需要两路电源电压,VREF为内部驱动器和功放级提供偏置,VCC为驱动器和功率放大器的集电极提供偏置。通过调节这两个电压可以降低PA的电源电流。

图1. 用于CDMA/WCDMA蜂窝电话的一种典型功率放大器
图1. 用于CDMA/WCDMA蜂窝电话的一种典型功率放大器

降低VREF

当发射RF功率为零时,在VREF = 3.0V、VCC = 3.4V,PA本身消耗电流为100mA (典型值)。如果将VREF从3.0V降至2.9V,静态电流将降低20mA。由此可见,通过减小VREF可有效降低PA的静态电流,但要保证PA的线性指标和ACPR满足规范要求。

如果试验数据给出了支持每级输出功率的最小VREF电压,则可利用PA的功率控制处理器动态控制VREF。如果这种方案设计过于复杂,则可简单地采用两级VREF控制结构,只需控制低功率模式(< 10dBm)和高功率模式(> 10dBm)。通过基带控制DAC调节VREF时,可使用具有大电流驱动的低功耗运算放大器,并配合外部增益设置。

降低集电极偏置电压

在典型的手机设计中,PA的VCC直接由单节Li+电池提供,因此,VCC工作电压的范围为:3.2V至4.2V。如上所述,概率统计表明CDMA/WCDMA的PA大多数时间工作在+5dBm至+10dBm的输出功率,在这样的功率等级下,可以在不降低PA线性指标的前提下降低PA的集电极偏置电压(VCC),以达到降低功耗的目的。试验数据表明,在降低PA集电极偏置(低至0.6V)的情况下,手机可以始终保持与基站之间的正常通信。

采用专门设计的高效DC-DC降压转换器可以为PA集电极提供变化的偏置电压,转换器的输出电压利用基带处理器专用的DAC输出调节。

利用DC-DC转换器控制PA功率和PAE

DC-DC转换器必须能够快速响应控制信号,对PA的集电极电压进行控制。通常,转换器的输出电压应该在30ms内达到其目标电压的90%,跟随基带处理器模拟控制电压的变化。转换器芯片在VCC控制输入电压与输出电压之间提供适当的内部增益,偏置PA的集电极。这些转换器工作在较高的开关频率,以减小电感的物理尺寸。

在PA和电池之间连接一个DC-DC转换器会带来另外一个问题,即在低电池电压下如何保证大功率输出,为了在保证PA线性指标的前提下提供28dBm的RF功率,PA制造商建议VCC的最小电压为3.4V。为了在3.4V电压下保持35%的PAE,还需要高达530mA的PA集电极电流:
28dBm RF功率: 102.8 mW = 631mW
所需PA功率(VCC x ICC): 631mW/(PAE/100) = 1803mW
3.4V VCC时所需PA ICC : ICC = 1803mW/3.4V = 530mA
要保证3.4V VCC和530mA ICC, DC-DC转换器要求输入和输出电压之间有一定的裕量,如果转换器内部的p沟道MOSFET (P-FET)的导通电阻为0.4Ω,电感电阻为0.1Ω元件串联后将产生:(0.4Ω+0.1Ω) x530mA = 265mV的压差,当电池电压降至3.665V以下时,DC-DC转换器将无法支持3.4V的输出。

这种情况下(电池电压低于3.665V),最好将PA的集电极直接与电池短路,以便充分利用Li+电池的能量。通常,可以利用一个并联的低导通电阻P-FET旁路电感和内部P-FET。这个旁路P-FET (内置或外置)在大功率模式下直接将电池电压接到PA的集电极(图2)。为了解决高RF功率和低电池电压问题,这种旁路措施是必需的。

图2. DC-DC转换器(中间位置的IC)允许基带处理器严格控制功率放大器的VCC
图2. DC-DC转换器(中间位置的IC)允许基带处理器严格控制功率放大器的VCC

优化PAE的最佳方案是连续调节PA的集电极偏置,这种方案需要工厂校准和调试软件,以确保集电极偏置连续变化时PA具有良好的线性度和ACPR指标。另一个折衷方案是按照若干等级设置偏置电压,通常为2级或4级(图3)。例如,一个4级的偏置设置系统,VCC电压可能设置为:Vbatt、1.5V、1.0V和0.6V。该系统的整体效率接近连续控制PA集电极偏置的系统效率,对于低功率和中等功率模式,电感只需要支持低于150mA的峰值电流。

图3. DC-DC转换器改善图2所示功率放大器的功效。
图3. DC-DC转换器改善图2所示功率放大器的功效。

注释
¹码分多址/宽带码分多址