开关电源延长手持设备的数据/语音通信时间

编者按：手机等无线手持设备的电池功率有一半左右是被其射频子系统中的功率放大器消耗掉的，因此如何高效地管理功放的功耗很大程度上决定了锂电池的使用寿命。本文提出的一种解决方案可有效延长手持设备的数据/语音通信时间。

新一代网络冲浪型手持设备现正陆续摆上零售商的柜台。新型的蜂窝电话、智能电话和掌上电脑不仅比前几代产品更为小巧漂亮，而且能够以比传统调制解调器快许多倍的速度发送电子邮件、html网页和图片。

不过，系统设计者必须在不增加电池体积和重量的前提下，保证设备能维持足够长的使用时间。在这些设备中，高效电源系统能节省大量毫安小时的模块主要有三个：内核处理器、彩色显示器背光，以及2.5G/3G蜂窝射频系统。一种针对蜂窝射频系统的解决方案就是：在非全功率发射时，使用降压开关调节器动态地降低功率放大器(PA)的供电电压。

基本上，在任何一个系统中改善电池使用寿命的关键是弄清能量在哪里被消耗掉。在典型的手持式蜂窝射频系统中，PA通常直接由锂离子电池供电，而且它已按照峰值输出功率时效率最高的准则进行了优化。不过，因为在大部分发射时间里射频系统都处于非全功率状态，所以在PA中的射频信号通常幅度很小，不需要电池提供满额电流。

因此，为了节省以前被浪费掉的能量，我们可以借助一个高效的直流-直流降压转换器把PA供电电压降下来。降压调节器(如Maxim公司的MAX8503)和InGaP 异态结双向三极管(HBT)PA(如Dynalinear技术公司的DT2032)的联合使用可以降低窄带CDMA射频系统所需的电池电流并提高供电效率。

由于Dynalinear公司DT2030系列PA所需的空闲电流只有15mA，而且线性工作范围可低到0.6V Vcc，因此非常适于同MAX8500系列联合使用；不过，其它PA也可能有类似的性能改善。为实现最高效率，PA保持良好的线性度并且在低Vcc电压时具有足够高的毗邻频道功率抑制系数(ACPR)是非常重要的。

尽管其它公司的开关调节器或许也能胜任，但MAX8500系列是专为手持无线射频系统的PA供电而优化设计的。这种调节器集成了一个P沟道旁路MOSFET，可用于满功率发射时降低Vbatt和Vcc之间的压降。这一特性在使用带有大串联电阻的小型电感时尤为重要。其它关键特性还有：输出纹波低(5mVpp)，PWM开关频率固定在1MHz，在低输出电压下电源效率特别高，而PA绝大多数时间工作在低输出电压状态。

因为印刷板的面积极为珍贵，因此人们宁愿牺牲一些效率也希望采用面积较小的方案。出于这个考虑，设计者常常采用两步方案，即把Vcc设定在1.25V(低功率模式)或直接连接到电池(高功率模式)。由于开关调节器只用于产生1.25V电压，因此一个额定电流为100mA的小电感就足够了。同用于把调节器的电压和电流连续调节到3.4V和500mA的电感相比，这个电感要小得多。在两步方案中，低功率模式Vcc选取的一般原则是，在10dBm天线输出功率下通话的时间最长。非常方便的一点就是，1.25V也是MAX8504预置的输出电压。

另一个可能的方法是四步方案，即把Vcc从Vbatt分步降低到1.5V、1.0V和0.6V。在这样的系统中，整体效率几乎等同于连续系统，而所使用的电感比较小，只要能持150mA 的峰值电流就行。

为全面比较Vcc的连续调节、两步调节和四步调节的性能，可以把电池电流与都市语音、郊外语音和郊外数据三种模式的概率密度函数(PDF)相乘。由此得到的PDF和平均电池电流可以度量实际发射输出功率与设备到基站的距离，以及被发射的信息(声音或数据)量的相关程度。虽然郊区数据PDF是一个估计值，但都市声音和郊区声音的PDF是在典型环境下测得并已成为工业标准。

依据这个准则，同不使用降压调节器相比，很显然在每一个模式下两步方法平均节省大约40mA电流。类似地，四步方法节省52mA，而连续的Vcc调节节省还多一点，在数据模式下达到62mA。

尽管能量有节省，但开关调节器的印刷板面积(4×4mm)显得太大了。不过，应当意识到它不仅集成了直流-直流降压转换器，而且还集成了低导通电阻旁路MOSFET、驱动MOSFET 门的电平变换电路，以及降压转换器的反馈网络。如果用分立元件实现这些功能，占用的PCB板面积肯定会更大。

这款调节器的唯一缺点是在大功率旁路模式下，Vbatt和Vcc之间的压降比理想值稍高：当电流为500mA时达到100mV (典型值)。这个指标会影响到电池的失效电压，但它仅仅发生在需要全功率供电的情况下，而这出现的概率非常低。不过，在PA吸取的峰值电流相对较小的系统(如宽带CDMA)中，这个指标影响不大。此外，在采用连续Vcc调节时，旁路模式并不经常使用，因为锂电池电压在4.2V和3.6V之间时降压转换器提供3.5V 的Vcc。在这种情况下，尽管设置的退役电压要比理想值高100mV，但可以在电池正常工作寿命的绝大部分时间里降低电池电流，进而延长最大功率情况下的数据/语音通信时间。

需要避免的第二个缺陷是在其它地方浪费电池电流。对于RF设计者而言，采用降压调节器来节省40-60mA是极为常见的方法，尽管使用低效率白色LED背光驱动器的基带设计者可以随手浪费掉40-60mA。现有一些特小体积、特高效率的白色LED驱动器采用分离式充电泵，它们都以固定频率工作并保持在低纹波状态，从而可避免干扰灵敏的RF电路。

增加产品的体积和成本(例如加入MAX8500)来延长数据/语音通信时间的做法值得吗？这是一个复杂的问题，其答案取决于消费者的期望。尽管欧洲和美洲制造商表示感兴趣，但他们是否以及何时会实现这种方法依然不明朗，或许他们会选择其它方案，例如牺牲一些通话时间以使产品价格便宜点、体积小一点。

作者：Karl R. Volk

应用工程师

Maxim公司