面向2G至365G蜂窝移动设备的高效RF功率管理项目解决方案

1、面向2G至3.5G蜂窝移动设备的高效 RF功率管理解决方案关键字：3.5G智能手机RF功率管理解决方案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

2、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

3、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

4、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 至U 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F

5、AN5904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TxAGC/POUT 查找表(LUT)中的另一列内容。1. FAN59043GGSM/EDGE 图与基带处理器、射频收发器和功率放大器以及功 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

6、 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。aP.G $pmTtpmTi(伽)(V) wx(町ACCdK*)/cc凶or M-pna皿T卧0.72- 1 TBD-0,67 -TBD：a +3TBD0.工 OT-(L &3-7BD-2-(L环TELk17-皿I U1匸0.4&-TJSD-1-tbdJ0.43- TTO*2-0.贰l&D-7* ia 2务TEC-了Q ； 9总瑟TA0. IT.TKL -亠a 16-丁皿一 迸HT如0.

7、 HTBC-aeTBD/0.1气TBD.H-48.am間養1.餐幷汕於可 口恥佶圉制卜磴扶丢+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

8、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%。4-c hiJJ CW A iPA cmfTtrt _、7V B 重比即 FMOmAjh i1JM*-宀M1&Ut!JW+1I叽卜MW-urn，tor-34?1

9、FAMSMME5ZSmlnutI* 4B2 minutes No FAN5M4 wef 齐囂 左 miA苦弓调引卜砒 FAJS別4时.盛诞时衙和期Bfl觀繃电方直的改幫表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

10、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。 20 c 為弋:jo c 40 c 豹叱 es c1 JHUt啊勒ML J =工枪y 心 兵和|期賊大0蜡爼J =飢3丸卷4. PO

11、UT = 28dBm3G:图时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

12、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

13、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。T联Run 舸眈犖TMrT* v -nr t 1 Mr 厂 irTr t 1 t i 亍tr-BLE 忧触图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

14、，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

15、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。F I. *|rk- a ili1 M M4

16、!fr- .4 吟奄* BfHir 世盟 5nSir.評 . -一 _ :1 h-*1 m y III IMlr E00 在曲険式下乩皿的訓率锻讦升图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RF P(xitMEASURED EVMEVM LIMITPpwer Supply (no DCDC)WCDMA LimitOdBm.PA= 9 7RVi1 99%2.27%17.5%的是该尖

17、刺处于 WCDMA调制遮蔽之下-45dBm3: FAN59043GEVM表连接电源和的功率放大器的测量比较。表3列出了所测量的OdBm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

18、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。%UTRx Band Noise28.5dBm-131,8dBm/Hz24.0dBm-135f0dBrn/Hz16.0dBm145.0dBmfHz12.0dBmJ48.0dBm/Hz0,0dBm-152.0dBmHz-20_0dBm-16l0dBmHz-40

19、.0dBm-161,0dBmfHz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