使用DC/DC转换器降低功率放大器电池电流的优势与不足

无线RF产品部营销总监

ANADIGICS公司

无论是用智能手机发送电子邮件，还是在无线平板电脑上与朋友玩游戏，抑或是给家里打电话，每台无线设备都代表着我们这个互联世界中关键的一环。在3G和4G技术的推动下，无线连接正步入移动宽带时代，为此，RF工程师们面临的挑战也快速发生着变化。

设备设计师和工程师们成功克服了这些挑战，因为他们可以使每台设备的RF部件达到特定的要求，并且能够营造一种最佳的用户体验。在探讨电池使用时间和功率放大器(PA)的功耗技术之前，有必要回顾一下RF部件的基本原理。因此，任何设计的第一步都是确保最终的设备能够建立并保持高质量的无线连接。

主要信号性能要求

功率放大器与连接质量相关的三大关键指标是线性度、增益和天线功率。线性度指功率放大器精确再现RF输入频率和幅度变化的能力。这是一项重要的指标，因此它有助于决定设备保持优质无线连接的能力。在WCDMA、HSPA、HSPA+等现代无线系统 (图1) 中，邻信道泄漏功率比 (ACLR) 通常被用作功率放大器线性度的一项指标。根据定义，ACLR为邻信道功率与用户信道功率之比。

图1：WCDMA功率放大器的线性度。

线性度决定了功率放大器在以输入的一定比例驱动输出时的行为，增益则是该比例曲线的斜率。基本而言，增益代表输出功率与输入功率之比。功率放大器必须接受收发器的输出(典型值小于+3 dBm)，并放大该信号而不失真。

在选定能够提供线性信号且拥有充足增益的功率放大器后，RF设计师必须确保最终能得到充足的天线功率。来自收发器的信号在到达天线之前，必须先通过功率放大器、开关和滤波器。因此，功率放大器增益应提供充足的RF功率，以克服其他选定元件中的损耗，确保天线功率达到+24 dBm。

功耗的重要性

虽然达到这些主要RF性能要求是必要条件，但并不是满足设备总体性能要求的充分条件。用户不但需要稳定的连接和设备支持的最大吞吐量，同时也希望确保电池使用时间能够满足其使用模式的需求。因此，对于设计得当、信号性能最佳的RF部件，下一个难题即是如何实现能效目标。

手机和其他无线设备工作于特定的RF功率水平，其不但取决于使用环境的信噪比，同时也决定于所在网络的要求。典型工作功率水平差异非常大，手机搜索网络连接时可高达+24dBm，在信噪比良好的蜂窝基站范围时则可低至-20dBm或以下。GSM联盟在其DG09电池使用时间测量程序中发布的功率分布曲线可以作为较好的参考，用于确定WCDMA设备在典型网络中处于不同功率水平的相对时间量。DG09曲线显示，移动设备通常工作于较广的输出功率水平，最大概率为中低功率水平。虽然智能手机等多功能设备倾向于工作在中级功率水平，但数据设备则倾向于工作在较高输出功率水平。

图2：DG09发送端功率分布曲线。（概率、天线发送端功率）

显然，确定功率分布后，优化功率放大器在多种功率水平下的功耗是延长电池使用时间的重要环节。

早期的CDMA和WCDMA手机设计中使用的功率放大器只有一、两种功率模式。它们专门针对高输出水平而设计，但在较低 (补偿) 功率水平下，其效率却大打折扣。

经证实，在这种简单的功率放大器中，利用DC/DC转换器或SMPS可以有效降低电池电流。其原理是使用一种集成开关式稳压器的电源，以便对功率放大器的供电电压进行调节。最常用的SMPS方法是DC/DC转换器，由其将来自移动设备电池的电压转换成功率放大器要求的较低电压。提供给功率放大器的电压则基于设备在各种环境下的功率要求进行调节。因此，如果功率放大器处于无需工作于全输出功率水平的环境下，则开关模式DC/DC转换器即可降低电压。