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2G至3.5G蜂窝移动设备的高效RF功率管理
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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。
