基于输出功率概率分布优化3G手机功率放大器设计

本文探讨了一种全新的功率放大器设计概念：其功率放大器的驱动电路在一般情况下都以中低等输出功率工作，只有在需要高输出功率时才启动功耗较高的功率放大器电路。通过了解手机在实际使用情况下的输出功率概率分布，能在有限的电池容量下有效地延长通话时间，该技术不但可以有效地降低功率放大器的平均电流，而且实现非常简单。

目前全球3G手机的普及率正呈现逐步上升趋势，同时新推出的手机也整合了越来越多的功能。如今的手机已经具备了多媒体功能：包括视频摄像、百万像素摄像模块、自动对焦、相机闪光灯和用于照明的白色LED、MP3、MP4及JAVA游戏等。为了提高网络的覆盖率，有很多手机都采用双模GSM/GPRS+CDMA、GSM/GPRS+WCDMA或整合嵌入式无线局域网(WLAN)联机功能的设计。实现如此丰富、强大的功能，面临的最大问题就是手机电池的功耗和通话时间，如何节省电池功耗已经成为手机设计者必须面对的最迫切问题之一。

图1：CDMA系统中手机输出功率的使用概率分布。

为手机传输信号的功率放大器(PA)一直是手机中耗电量最大的元器件，因此有效地降低功率放大器的平均消耗电流将能大幅度延长手机的通话时间。在本文中，我们将探讨一种全新的功率放大器设计概念，其功率放大器的驱动电路在一般情况下都以中低等输出功率工作，只有在需要高输出功率时才启动功耗较高的功率放大器电路。这种技术不但可以有效地降低功率放大器的平均电流，而且操作非常简单。了解手机在实际使用情况下的输出功率概率分布，是在有限的电池容量下有效地延长通话时间的重要基础。

手机功率放大器的关键规格

线性度：功率放大器的线性度将直接影响到手机的性能，例如CDMA2000系统中的相邻频道功率比(ACPR)和WCDMA系统中的相邻频道泄漏比(ACLR)。为避免与其它频道或系统间的相互干扰，不管在何种情况下，也不能为达到这些规格的要求而妥协。

功率加效率：功率加效率(PAE)是通过放大器取得输出的射频功率和输入的直流功率的百分比：

传统的3G功率放大器设计都把焦点放在如何在高功率模式下取得较高的PAE。例如，使用E-pHEMT(增强模式伪形态高电子迁移率晶体管)的传统CDMA功率放大器在+28dBm输出功率时可以达到40%的PAE，但在中、低功率输出时的PAE却会降得很低。

图2：传统和最佳化功率放大器的特性比较。

当采用旁路高功率级3G功率放大器的设计概念，而不是试图将高功率模式的效率最佳化时，我们将可专注于如何在提高实际工作情况下包含高、中、低等功率模式的整体通话时间。如果能有效地选择驱动电路的增益、功率输出能力和线性度以及输出级电路，包括通话时间在内的整体性能都可以得到大幅度地改善。

增益控制：在CDMA或WCDMA功率放大器上常见的偏压控制基本上可以分为两种，即模拟偏压控制和数字偏压控制。模拟偏压控制较为复杂，部分原因是由于需要基带芯片组提供稳定、可变的模拟电压，与提供较宽松的“on”或“off”数字控制电压相比来说要困难许多。此外，改变模拟控制电压经常会影响到放大器的增益平稳度，使手机输出功率的调整更加困难，因此最新的3G功率放大器设计一般都会采用数字控制。

功率放大器如何延长通话时间

在大部分的情况下，提升功率放大器的高功率模式PAE通常只能微幅改善通话时间。从图1所显示的实际CDMA系统中，可根据手机输出功率概率分布函数的计算结果来证明这项假设。

图3：旁路高功率级的电路概念，可采用传统开关或使用安华高科技CoolPAM放大器的可变阻抗并联传输线。

如图1所示，不管手机是在市区还是郊区使用，它的功率输出大部分集中在-10dBm至+10dBm(中/低功率范围)的范围内，只有在少数距离基地台较远的郊区才有可能长时间使用高输出功率模式。如果只专注于改善高功率模式的PAE，其实并不能大幅度延长通话时间，所以我们应该将重点放在提高中、低功率的PAE上。图1中同时也显示了几种不同的功率放大器模块(PAM)在低、中和高功率模式下工作时的相对电流消耗。与智能PAM或模拟PAM相比，图1中的传统PAM在中、低功率范围时耗电量最高。因为其增益几乎在所有功率输出范围都维持固定，而智能PAM因为采用数字偏压调变，在中、低功率模式下不但可以微幅降低增益，还可以微幅改善电流消耗。模拟控制PAM则在增益控制上使用可变的模拟偏压，虽然可以微幅改善通话时间，但是却会造成大幅度的增益变动。另一方面，不管是第一代或第二代的CoolPAM技术，都采用独特的数字偏压切换和适当增益控制的组合，可使CoolPAM放大器在中、低功率模式下大幅度降低电流消耗，同时降低待机时的耗电量。

平均电流和通话时间的关系：

平均电流 = ∫ (PDF ( 电流) dp

通话时间正比于平均电流的倒数。(注：PDF为概率分布函数，如图1。)

功率放大器平均电流是每种可能输出功率模式的电流乘以在-50dBm到+28dBm输出功率范围内的相对应使用概率的积分，那么通话时间就与这个平均电流的倒数成正比。

根据这个关系，平均电流实际上是受到系统中功率输出概率分布的影响，所以按照该原则所得到的3G功率放大器设计可以用来改善中、低功率的PAE，并降低中、低功率的电流消耗。

最佳3G PAM的设计概念

从图2中可以看出，传统的功率放大器通常以固定增益形式设计，在+28dBm输出功率的高功率模式下一般可以实现40%的PAE，但在+16dBm输出功率时却只能实现8%到10%，而且当输出功率增加时，大部分功率放大器设计中的线性度和ACPR特性就会变得更差。特别是当功率放大器接近饱和时，ACPR值也将大幅度提高，但对中、低功率模式来说，要符合ACPR规格并不困难。

图4：不同功率放大器在市区和郊区的平均耗电量比较。

最佳化的3G PAM设计概念通常会为高、中、低输出功率设计两种不同的增益。当手机需要在高功率模式下工作时，可将功率放大器设定为高增益模式，但在需要低输出功率的情况下，也可支持低增益模式。通过改变功率放大器的增益，可大幅度降低中、低输出功率工作时的电流消耗。它可以提供大约20%的中等功率PAE，而传统的仅能达到8-10%。虽然低功率低增益模式会对ACPR值的产生一定影响，但还是能够提供足够的余量来满足ACPR的限制要求。

最佳功率放大器的设计实现

这种级旁路功率放大电路(stage-bypass PA)的应用其实非常简单。如图3中所示，当手机需要高输出功率时，第二级电路的并联开关就会打开，发送信号便可通过两个串接的功率级电路放大，达到+28dBm的输出功率。而当手机只需中、低功率输出时，该开关可以自动关闭，通过旁路第二级电路并关闭偏压。因此在设计上主要的要求是第一级电路必须能提供中、低功率工作时所需的线性度和输出功率容量。

实现此旁路功能的最简单方法就是使用晶体管作为开关，但缺点则是该晶体管也需要电流来工作，这种额外的电流消耗将会增加放大器的整体耗电量，因此CoolPAM功率大器是通过变更并联传输线的阻抗实现切换功能。

平均电流的比较

如图4所示，与传统功率放大器相比，最佳化的功率放大器不管是在市区或郊区，都拥有较低的平均耗电。

平均电流是将每个输出功率乘以概率分布函数的总和加起来计算。对于在市区工作的传统功率放大器来说，典型平均电流约为118mA，在郊区时则为136mA。两种情况相比，采用旁路高功率级电路的3G功率放大器可实现大约36mA或更低的平均电流。如果采用一个850mA/H的电池，而且基带芯片组的平均电流消耗为200mA，那么传统的功率放大器在市区的通话时间为160分钟，在郊区则为152分钟。具有消除额外功率消耗的旁路切换晶体管的CoolPAM功率放大器，如果在相同的条件下，在市区的通话时间可以达到224分钟，比传统功率放大器还要高出6?分钟。

作者：张朝贵

应用工程师

安华高科技公司(Avago Technologies)