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射頻/無線  

降低射頻功率放大器損耗以延長可攜設備使用時間

上網時間: 2005年11月25日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:RF,power amps,portable devices,射頻,功率放大器,可攜式設備 

電池壽命或工作時間是手機、PDA、筆記型電腦等可攜式無線系統中的關鍵因素,因為它最終決定這些設備的可行動性。隨著外形尺寸日益減少以及功能不斷增加,電池能量顯得不足,因而降低了行動電子產品解決方案的實用性。

實際上,在一個無線系統中,射頻功率放大器消耗了大部份能量,因其必須以足夠的功率驅動天線,以便將訊號發射到遠端的接收器。因此,無線系統的電池壽命大幅依賴於功率放大器,所以功率放大器的效率要盡可能高但又不能以犧牲線性度為代價。

要想使射頻功率放大器獲得高效率和高線性度,可採用以下兩種方法:(1)利用反饋控制使高效的非線性功率放大器線性化;(2)提高線性功率放大器的效率。針對第一種方法,控制迴路的頻寬必須明顯大於被線性化的訊號,即低頻訊號封包(Envelope)或全部射頻訊號的頻寬,以便快速處理資訊,從而真正跟隨該訊號。

考慮到此項技術正逐步達到其極限以及高頻作業必然意味著更高的開關損耗,將功率放大器線性化的方法不可避免地使功率放大器的頻寬降低到其極限範圍內,但並未達到特定製程技術的極限,這在802.11a/b/g等高頻寬、高線性應用中尤其不利。因此,提高線性功率放大器的效率可能是一種既能提高電池壽命,又不會顯著降低線性度的可行方法。

圖1:802.11g訊號的功率輸出概率分佈。

目前,幾種無線通訊技術已經得到了廣泛的應用,例如GSM、CDMA IS-95、WCDMA及IEEE 802.11a/b/g等。區域無線應用的需求成長使802.11a/g訊號獲得迅速普及。但不幸的是,與這種趨勢相伴的副效應是更高的頻譜密度以及由此而產生的更高線性度,這從802.11a/g訊號所要求的高頻寬、高峰均功率比(PAPR)以及超出平均值功率水準的高傾向性可以看出。因為不僅線性需求增加,而且還增加訊號及封包頻寬,所有這些都會導致效能損失,其結果是,在這種環境下傳統功率放大器的平均效率降低。

傳統的固定供電電壓線性功率放大器的效率在最大輸出功率上達到最高值,且隨輸出功率下降而迅速減少。電源電壓與射頻訊號峰值電壓的差值可以反映沒有提供給負載的功率,即功率損失。然而,電源電壓必須足夠高以能提供最差情況下的輸出功率,換言之即提供射頻訊號的最高峰值電壓。當輸出功率低於這個水準時,就會產生功率損失。因此,將電源電壓作為射頻功率(如發射訊號的封包)的函數進行動態調整,就成為一種頗具吸引力的、提高功率放大器漏極效能的方法。

圖2:雙功率放大器功率共享方法。

在著手設計可調整電源之前,必須考慮射頻訊號的功率概率分佈,因為它決定著電池壽命的改進程度。圖1為802.11g訊號功率輸出概率分佈的範例,顯示出可攜系統大多時候工作在低到中等功率水準條件而非高功率模式下的趨向。最大輸出功率可能達到25dBm,但最可能的值大約為16dBm,此處功率放大器效率明顯更低。802.11a/g、CDMA IS-95及WCDMA訊號的情況與此類似。因此,低到中負載條件下的功率放大器效率對於電池工作時間非常關鍵。

目前已經有幾種技術被提議用於提高線性功率放大器的平均效率,尤其是雙功率放大器(Doherty)、封包跟隨及功率跟隨方案。正如早期所證實的,由於固有的頻寬(速度)限制,本文不討論帶負反饋的線性化開關功率放大器。前饋方案也不是論述重點,因為前向旁路訊號必須與主發射射頻或相位訊號同步,且延遲必須匹配以保持線性度,而這在高性能應用中存在實際困難,這就是為何本文不進一步討論封包消除與恢復(EER)方案的主要原因。

雙功率放大器功率共享方法(Doherty技術)

在雙功率放大器方案中,一個功率放大器提供低至中負載功率電平,而另一個功率放大器則提供高於平均值的功率電平(圖2)。因此只有一個功率放大器工作,這是針對關鍵性的輕至中負載區域(通常易造成效能損失)最佳化設計。在較高功率電平上,兩個功率放大器能繼續工作在它們的增益壓縮區域內,因而能保持峰值功率效率。但是,所需的功率分配器及組合器具有一定的損耗,尤其當整合在晶片上時損耗更加嚴重,而且就成本而言,設計兩個功率放大器可能完全沒有吸引力。

封包跟隨電源

避免雙功率放大器方案意味著需要為電源電壓添加智慧性能。在採用封包跟隨器的情況下,這意味著迫使電源跟隨發射射頻訊號的封包。因此,封包跟隨電源要保持在稍高於訊號實際峰值的電平上,以便功率放大器能充分處理射頻訊號、封包及相位,這正是保持線性的方法。由於電源與訊號峰值電壓之差保持最小,因此由功率放大器導致的功率損失也最小。

圖3:封包跟隨電源方案

給電源增加智慧的方法是設計一種動態自適應供電電路,但是這也會導致功率損失,不過可望小於由封包跟隨方案所節省的功率放大器漏極損失。因此,開關功率電源因其效率較高而不失為一種可行的解決方案。但其效率性能最終要受到開關頻率的限制(較高的開關頻率導致更多的功率損失),這就是為什麼像CDMA及WCDMA訊號這類擁有低封包頻寬的射頻訊號(不像802.11a/b/g等頻譜密度更高的訊號)能從這種方案中受益最多的原因。

功率跟隨電源

隨著封包頻寬的增加,可採用另一種動態方案,這也是平均功率跟隨能夠有其用武之地的主要原因(圖4)。如果取平均值的話,跟隨高頻寬封包平均功率所需的頻寬很低,這對於開關電源很有吸引力,當然,必須在功率效率範圍以內。由於現在電源處於平均水準,封包追蹤方案可在低輸出功率電平上減少由功率放大器引起的功率損失,但較大的節省則仍需透過傳統固定電源方案實現。

在跟隨平均功率時,高峰均功率比(PAPR)訊號被限幅並因此而失真(即線性度下降),這就是為什麼該方法對於CDMA、WCDMA及802.11b(不包括802.11a/g)等低PAPR及很少的高平均功率電平應用具有最大吸引力的主要原因。晶片最終將少數低功率訊號轉換為誤碼率可接受的訊號,而在802.1a/g訊號情況下,誤碼率將顯著增加。

圖4:功率跟隨電源方案

表2為上述幾項技術的定性比較。由於許多系統各具利弊,因此沒有哪一種解決方案能適合所有應用。所以,如果最關心的是獲得一種實用的可攜式解決方案,可將晶片整合、效率、頻譜密集訊號的線性度以及複雜性等作為最重要的參數來考慮,並分別分配3、3、2和1的加權係數。然後我們再定性地將以上方案定為1級(最低性能)到4級(最高性能)。(x)為等級數,其中高等級(例如x=4)意味著性能最高。

由於頻寬要求和相應的電源效率限制,封包跟隨並不是一種最具吸引力的解決方案。而跟隨平均功率,則在整合度與複雜性方面似乎是一種最佳方案。在高概率情況下,對於像802.11a/g等高PAR及頻譜密集型訊號,雙功率放大器方案可能是僅有的一種選項,儘管其複雜度較高且有整合極限。但須指出的是,在這一點上,完全透過調整自適應電源的偏置條件(也調整其偏置電流)來提高效率的方案,可能是封包跟隨或功率跟隨方案。

考慮到802.11a/g訊號要求不斷提高,而且不太適合以上討論的技術,因此我們將重點集中在以下方面,即提高功率跟隨方案的能力以擷取PAR事件,並相應地提高線性度與誤碼率指標。

簡言之,我們正尋求降低慢變化功率放大器電源電壓以提高功率放大器效率,並保持高電源效率的方法,這可透過增加一種非線性而連續的電路去跟隨頻繁產生的PAR事件,同時要將複雜性與整合度至於控制之下。當然,最終的衡量指標是頻譜密集訊號的功率放大器線性度以及電池使用壽命。

作者:Gabriel A. Rinc n-Mora


IEEE高級會員


Hsuan-I Pan


IEEE學生會員


喬治亞理工大學類比與功率SoC IC設計實驗室




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