降低W-CDMA手机RF功率的方法

扩频无线通信标准IS-95/3GPP对线性度和相邻信道功率比(ACPR)做出了严格规定。为满足要求,宽带码分多址(W-CDMA)无线手机中要求采用高线性度的A类或A-B类RF功放。不过,在输出功率为+28dBm时,这种类型功放的功率附加效率(PAE)最大只有35%左右；如果输出功率降低,则PAE值更低。

在通话模式下功放不会持续工作。当手机用户不说话时,功放就会以半速率(50%工作时间)或1/8速率工作,所以在通话模式时无需担心手机发热。但是在数据模式下,功放会一直工作直到数据传输完毕。功放的低效率及连续操作很快就会耗尽电池电量,而随之产生的内部功耗还会使手机过热。

对支持高速数据传输服务的早期W-CDMA手机而言,功耗是一个主要难题。它迫使设计人员使用更大的散热片、更强的冷却气流以及更大容量的电池。幸运的是,在过去几年中,随着CDMA和W-CDMA手机用功放在功效方面取得显著进步,上述问题已经得到了缓解。

在CDMA和W-CDMA系统,功放的RF功率输出并非总是最大。为优化蜂窝容量(基站能同时处理的传输信道数量),每只手机都要控制各自的RF输出功率,以便基站接收到的有效信噪比水平对每只手机而言都是相同的。

从给定区域内许多手机的RF输出功率水平概率分布可知,一部典型的CDMA或 W-CDMA手机的平均输出功率为:郊区+10dBm左右；市内+5dBm左右。所以,提高功放效率的一个有效目标并不是最大功率水平,而是在+5dBm到+10dBm之间寻找一个合适的范围。

图1:CDMA/W-CDMA手机功放设计
中需要两个供电电压:Vref和Vcc。可通过调
整这两个电压减小功放
的工作电流。

CDMA和W-CDMA功放需要两个供电电压(见图)。VREF为内部驱动器级和功放级提供偏置,而VCC则用来偏置驱动器和功率放大器的集电极。通过调整这两个电压,设计人员能够降低功放的供电电流。

当RF发射功率为零时,功放会自动将静态电流拉到100 mA(典型值),而此时VREF和VCC分别为3V和3.4V。将VREF从3V降到2.9V能使静态电流降低大约20mA。

所以,设计人员通过降低VREF可以在很大程度上减少功放的静态电流,但是要保证功放的线性度和ACPR不低于规范要求。

降低VREF和VCC

如果我们掌握了经验数值,能够根据功放的不同输出功率水平提供所需最小的VREF电压,那么就能主动地把VREF控制与放大器的功率控制过程结合起来。如果这种方法难度太高,我们可以简单地对VREF进行两级调控,分别对应于低功率模式(小于10dBm)和高功率模式(大于10dBm)。

为了通过基带控制D/A转换器对VREF进行调整,我们选用了一个具有大输出电流能力和外置增益调节的低功率运放。

在典型的无线手机中,功放的VCC直接取自单单元锂离子电池,因此VCC的工作范围在3.2V到4.2V之间。如上所述,统计数据表明CDMA和W-CDMA的功放多数时间工作在+5到+10dBm的功率水平。

在这样的水平下,设计人员可以在不损失功放线性度的情况下显著降低VCC,同时减少因集电极偏置过大产生的功耗。

在低功率水平的实验测试表明,在集电极偏置持续低于0.6V的情况下,我们仍能保持与基站间的正常通信。

通过一个特殊设计的高效dc/dc降压转换器可以为功放集电极提供可变的偏置电压。

我们可以利用基带处理器的一个专门数模转换器输出来调整该降压转换器的输出电压。

控制功放集电极电压的dc/dc转换器必须能对控制信号做出快速响应。通常,在来自基带处理器的模拟控制电平变化后的30微秒内,dc/dc转换器的输出电压应该稳定在新设定电压值的90%以内。

该转换器芯片在其VCC控制输入和对功放集电极实施偏置的输出电压之间提供适当的内部增益。它还在高频率进行开关动作以减小电感的物理体积。

在功放和电池之间连接dc/dc转换器会使一个问题变得突出,即在低电池电压下需要高RF功率。为了提供+28dBm的RF功率同时维持功放的线性度指标,制造商们推荐最小的VCC是3.4 V。为了在3.4V电压下保持35%的PAE,我们还需要高达530mA的功放集电极电流。

+28dBm的RF功率:10^2.8 mW = 631 mW

所需的功放功率(VCC × ICC):631mW/(PAE/100)??1,803 mW。

在VCC=3.4V时,所需的功放电流(ICC):ICC = 1,803mW/3.4V = 530mA。

为了支持3.4V的VCC和530mA的ICC,充当功放电源的dc/dc转换器要求有一定的输入-输出余量。

例如,如果该转换器的内部P沟道MOSFET(PFET)的导通阻抗是0.4Ω,而电感阻抗是0.1Ω,那么在这两个器件上的串联压降为(0.4Ω+ 0.1Ω)×530mA = 265 mV。所以,当电池电压低于3.665 V时,该dc/dc转换器就无法支持3.4 V的输出。

在电池电压低于3.665V的情况下,最好是将功放集电极与电池短接。否则,就无法充分利用锂离子电池的电量。

通常的解决方案是通过并联一个低Rds的PFET,来旁路电感和内部PFET。这个旁路FRET(可内置或外接)在高功率模式下,将电池电压直接连到功放的集电极。为了同时满足高RF功率和低电池电压,必须采用这种旁路方法。

优化PAE

优化PAE的最佳做法是连续调整功放集电极的偏置电压。不过,这种方法需要工厂校准以及复杂的软件,以确保在集电极偏置电压连续变化的情况下,仍能具有良好的PA线性和ACPR。退而求其次的做法是对集电极偏置电压做步进调整,通常是两至四级。

例如,在一个四级系统中,包括的VCC值可能有:Vbatt、1.5V、1V和0.6V。该系统的总体效率几乎可以与对功放集电极偏置进行连续控制的系统相媲美,而且在低或中功率水平,电感只需要提供小于150mA的峰值电流。

作者:Jay Kim

应用工程师

美信集成产品公司

E-mail: jay_kim@