W-CDMA收发器的功率管理解决方案

    为争取更多的用户，全球3G网络基础设施在2008年已加速部署，其中在美国和欧洲的发展尤其快速。好几家运营商都推出了比较价廉的无限数据计划，虽然这些计划对在连接能力上有一定的限制，但却增加了对网络应用软件的支持，比如视频会议、互联网语音 (VoIP)、简易邮箱 (easy email) 和互联网浏览等，从而吸引用户使用。

    在硬件方面，针对低功率模式工作和城区通话服务，手机设计人员已设法对射频收发器的功耗进行优化，特别是射频功放 (RF Power Amplifier, RFPA) 的功耗。运营商提供的统计数据显示，在这种情况下，手机的传送功率小于1mW。目前使用的RFPA中，大多数都具有低功率模式，当射频功率低于1mW时，其耗电量为10mA或更小。此外，它们还经过优化，可在500mW左右时 (最大射频工作功率级) 获得最佳功率附加效率 (Power Added Efficiency, PAE) (约为33%)。这时的问题在于，RFPA功耗约为1W，会产生过多的热能，影响周围组件的性能。图1所示为PAE及功耗的典型变化与射频工作功率级的关系。

 图1：双模W-CDMA RFPA的附加功率效率 (PAE) 的图示

    据3G网络运营商提供的功率分布统计数据，在城市地区，以语音功能为主手机有90%到 95%的时间都在1mW以下的功耗工作，这应该使得这些条件下的通话时间达到5小时。

    不过，当连接的数据容量较大，或者用户位于郊外或低覆盖区域时，3G手机必须把发射功率提高到50mW以上，才能获得良好的信噪比。在这类情形下，一个没有经过重新优化的RFPA会在2.5小时或更短时间之内就消耗掉电池的全部能量。

    最佳的解决方案是采用一个由电压控制的DC-DC转换器来动态调节RFPA电源电压，以便在每一个射频功率级下都获得尽可能高的功率效率。这项技术被称为动态电压调节 (Dynamic Voltage Scaling, DVS) 技术 (图2)。

图2：利用DC-DC转换器实现3G 射频功放动态供电的图示

图中文字(上)： VBAT – DVS DCDC – VCC – WCDMA RFPA

(中): VBAT或电池电压 – VCC 或RFPA 来自DCDC的电压

(下):已传送的射频功率级

    图3显示了较之直接由电池供电的RFPA (黑色曲线)，采用了DVS 功率管理方案的RFPA (蓝色曲线) 在功率附加效率上的改进。图中可见，在16 到 24dBm的功率范围，后者节省了100mA电池电流；而在0 到 16dBm的功率范围，则可节省10mA电池电流。换言之，采用DVS解决方案的以数据功能为主的3G手机可节省高达20% 的电池能量，从而相应地延长了数据连接时间。

图3：双模W-CDMA RFPA (黑色曲线) 与采用动态电压调节技术的

单模RFPA (蓝色曲线) 的功率附加效率比较

图中文字(左)：采用DVS的DCDC

     采用DVS技术的另一大优势是，当电池充电至4.2V时，可把RFPA电压钳位在3.4V (注1)，从而使高电池电平下的发热量再降低20%。这样就可以减小散热器的尺寸，并/或缩短PCB上集成组件的间距。

    此外，利用DVS功率管理解决方案，射频工程师还能够以单功率模式功放取代复杂的多功率模式RFPA，提高功率效率，减少产热，并降低材料清单的成本。

    DC-DC 电源器件生产商所面对的要求是要提供适合于安装在射频前端模块内部，并尽量不影响基带或射频频谱的紧凑式解决方案。而真正的挑战是如何以亚微亨 (sub micro-Henry) 的电感 (3.2 mm2) 取代体积相对较大的电感 (小于大约10mm2)，使开关频率和开关噪声超过基带频率 (> 5MHz)。