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行動RF設計:利用DC/DC轉換器為交換式PA降低電池電流

上網時間: 2011年07月04日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:功率放大器  DC/DC  PA  RF  WCDMA 

作者:Bruce Webber

無線RF產品部行銷總監

ANADIGICS公司

無論是用智慧手機發送電子郵件或打電話回家,還是在無線平板電腦上與朋友玩遊戲,每部無線設備都象徵著我們這個互連世界中關鍵的一環。在3G和4G技術的推動下,無線連接正步入行動寬頻時代,為此,RF工程師們也面臨快速變化的挑戰。

設備開發人員和工程師們成功克服了這些挑戰,因為他們可以使每台設備的RF元件達到特定的要求,並且能夠營造一種最佳的用戶體驗。在探討電池使用時間和功率放大器(PA)的功耗技術之前,有必要回顧一下RF元件的基本原理。因此,任何設計第一步都是確保最終的設備得以建立並保持高品質的無線連接。

主要訊號性能要求

功率放大器與連接品質有關的三大關鍵指標是線性度、增益和天線功率。線性度指功率放大器精確再現RF輸入頻率和幅度變化的能力。這是一項重要的指標,因此它有助於決定設備保持優質無線連接的能力。在WCDMA、HSPA、HSPA+等現代無線系統(圖1)中,相鄰通道洩漏功率比(ACLR)通常被作為功率放大器線性度的一項指標。根據定義,ACLR為相鄰通道功率與使用者通道功率之比。


西門子與HHI研究所的研究人員們以白光LED元件實現了高達500Mbps的無線數據傳輸率,並為家庭、工業與交通應用的未來舖路。

圖1:WCDMA功率放大器的線性度。

線性度決定功率放大器在以輸入的一定比例驅動輸出時的行為,增益則是該比例曲線的斜率。基本而言,增益代表輸出功率與輸入功率之比。功率放大器必須接受收發器的輸出(典型值小於+3 dBm),並放大該訊號而不失真。

在選定能夠提供線性訊號且擁有充足增益的功率放大器後,RF設計者必須確保最終能得到充足的天線功率。來自收發器的訊號在到達天線之前,必須先通過功率放大器、開關和濾波器。因此,功率放大器增益應提供充足的RF功率,以克服其他選定元件中的損耗,確保天線功率達到+24 dBm。

功耗的重要性

雖然達到這些主要RF性能要求是必要條件,但並不是滿足設備總體性能要求的充分條件。使用者不但需要穩定的連接和設備支援的最大輸送量,同時也希望確保電池使用時間能夠滿足使用模式的需求。因此,對於設計得當、訊號性能最佳的RF元件,下一個難題即是如何實現能效目標。

手機和其他無線設備工作於特定的RF功率水準,其不但取決於使用環境的訊息雜訊比,同時也決定於所在網路的要求。典型工作功率水準差異非常大,手機搜索網路連接時可高達+24dBm,在訊息雜訊比良好的蜂巢式基地台範圍時則可低至-20dBm或以下。GSM聯盟在其DG09電池使用時間測量程式中發佈的功率分佈曲線可作為較好的參考,用於確定WCDMA設備在典型網路中處於不同功率水準的相對時間量。DG09曲線顯示,行動設備通常工作於較廣的輸出功率水準,最大概率為中低功率水準。雖然智慧手機等多功能設備傾向於工作在中級功率水準,但資料設備則傾向於工作在較高輸出功率水準。


圖2:DG09發送端功率分佈曲線。

顯然,確定功率分佈後,最佳化功率放大器在多種功率水準下的功耗是延長電池使用時間的重要環節。

早期的CDMA和WCDMA手機設計中使用的功率放大器只有一、兩種功率模式。它們專門針對高輸出水準而設計,但在較低(補償)功率水準下,其效率卻大打折扣。

經證實,在這種簡單的功率放大器中,利用DC/DC轉換器或交換式電源供應器(SMPS)能有效降低電池電流。其原理是使用一種整合交換式穩壓器的電源,以便對功率放大器的供電電壓進行調節。最常用的SMPS方法是DC/DC轉換器,由其將來自行動設備電池的電壓轉換成功率放大器要求的較低電壓。提供給功率放大器的電壓則基於設備在各種環境下的功率要求進行調節。因此,如果功率放大器處於無需工作於全輸出功率水準的環境下,則交換式DC/DC轉換器即可降低電壓。


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