交換式降壓器大幅節省PA功率

當第三代行動電話上市日期越來越逼近時，手機設計工程師們正忙著開發能夠符合高速資料傳送需求的新解決方案，其中比較重要的有幾個部份，包括軟體、螢幕技術、資料處理的頻寬以及合理的電源使用時間等，在第二代純語音且傳輸資料率低的手機上，這種需求並不高，因此我們可以透過簡化設計而節省許多的成本，典型的例子是，在大部份的第二代手機上，傳送用的功率放大器(PA)直接由電池供電，並沒有做效率的最佳化處理，但是在第三代手機上，由於高速資料的傳送需要在天線上有更大的頻寬以及更高的功率，因此我們必須要使用較有效率的解決方案來維持較長的電池使用壽命，目前在手機製造商之間廣泛流傳，同時也傾向採用的架構是使用特別設計的降壓式(Step-Down) DC-DC交換式穩壓器來提供PA的電源。

採用交換式穩壓器的主要原因是，PA的電源電壓可以隨著RF信號的強弱隨時調整(圖一)。藉由交換式穩壓器的有效處理，可以在傳送電壓不在峰值時大幅節省耗電，由於峰值電壓只有在手機與基地台相距很遠，同時正在傳輸資料時才會出現，因此，整體的功率節省可以說相當地大，如果PA的供應電壓能夠在夠寬廣的動態範圍內有效率改變的話，那麼就可以使用固定增益的線性功率放大器，而不需要像目前的第二代行動電話一樣使用分離的偏壓控制信號，當然，我們還是可以加入偏壓控制信號來增加控制的功能，而且有部份的行動電話製造商也採用這個方式，但是有一家WCDMA技術領導廠商卻堅持偏壓控制完全沒有必要。

另一個系統效能的主要考量是這個降壓交換式穩壓器所要求的特殊規格，為了了解它的要求，我們必須要先對功率放大器的原理做一個了解，(圖二)是一個由主要的行動電話製造商提供，並且擁有固定增益的雙極性WCDMA功率放大器的負載特性圖，在峰值功率下，放大器需要3.4V的供應電壓，耗電大約在300mA ~ 600mA，在最低的傳送功率下，也就是在接近基地台且只傳送語音時，放大器的耗電可以小到30mA，同時供應電壓約在0.4 ~ 1V之間，由此我們可以換算出，功率放大器的功率消耗最大為2040mW，最小則為12mW。

對這類功率放大器做最佳化設計對交換式穩壓器來說並不困難，Maxim公司已經開放出MAX1820 WCDMA行動電話降壓式穩壓器來滿足這個需求，以下為MAX1820的特殊功能，也是它與其他交換式穩壓器比較的獨特之處。

《圖一》

MAX1820的優點

高效率高頻寬負載

如果無法達到高效率，那麼採用交換式穩壓器可以說幾乎沒有好處，因此高效率與省電是MAX1820設計時的主要考量(圖三)。在資料傳送時(大約耗電500mW ~ 2040mW)，MAX1820中PFET功率開關所擁有的0.15Ω超低電阻提供了93%的效率，在語音傳送(大約耗電12mW ~ 500mW)的過程中，MAX1820內建的0.2Ω NFET同步整流器以及3.3mA低耗電PWM模式，提供了約85%的效率，雖然85%的效率看起來不見得特別地高，但是以MHz固定頻率交換的低負載效率而言，在性能上算是相當不錯的，我們可以由圖三所顯示的低轉換功率耗損看出，達到這樣的效能最主要是歸功於細心的設計以及採用次微米的技術，因此可以在同一個FET導通電阻情況下得到較低的閘極電容。

動態輸出電壓調整

輸出電壓必需要在3.4V~0.4V之間做調整，為了達到這項功能，MAX1820設計了一個類比控制接腳REF，透過數位類比轉換器(DAC)來推動，由於DAC的輸出電壓範圍不會超過3.4V，因此轉換器上由REF到OUT的電壓增益為1.76。

快速30μs輸出變動率與穩定時間

在WCDMA系統架構中，傳送功率以每666μs的週期依基地台要求做上下1dB的動態調整，此外手機也可以每10μs進入或離開資料傳送模式，因此會造成大幅的傳送功率改變。所有傳送功率大小的改變必須要在50μs內完成，但是給予交換式穩壓器來改變功率放大器供應電壓的時間卻比這個還要短，這樣才能符合基頻帶與DAC的延遲時間，也因此，MAX1820在設計上特別以低於30μs的時間就能夠變換或是穩定輸出電壓為考量，甚至是在電壓與電流全幅改變的情況下。由於輸出必須要能夠快速地變，因此MAX1820的輸出電容限制在只有4.7μF以下，使得要達成穩定的切換更是一項挑戰，但採用4.7μF電容的另一個好處是低ESR的陶瓷電容將提供大約5mV pp的低輸出漣波。另一個降壓式穩壓器的相關問題是，當傳送功率必須要快速改變，如離開資料傳送模式時，在這個情況下，MAX1820會將電感電流反向，並且將輸出電壓壓低以便維持30μs的穩定時間，如果沒有做到這些，功率放大器的線性度將改變，因為它的供應電壓會自動慢慢地降低，而且這項技術也能夠將先前輸出電容中所儲存的能量轉換回MAX1820輸入端的電池上。

《圖二》

穩定的9.5%~100% PWM有效週期與低壓降:

假設手機是由單顆的鋰離子電池供電，那麼交換式穩壓器的輸入電壓大約在4.2V ~ 2.7V，由於固定頻率交換可以得到可預測的雜訊頻譜以及低輸出漣波，因此MAX1820的強迫PWM運作可以在電池完全充電4.2V時，低達9.5%的有效週期還能穩定，而所需的功率放大器電源電壓則為0.4V，以獨立元件來說這並不困難達成，但是以相對的狀況而言，在放電後的電池以及高功率資料傳輸情況下，有效週期必須要能夠達到百分之分，並且以低壓降運作，為了得到相當低的壓降，MAX1820的PFET稍微預留了空間以取得相當低的0.15Ω導通電阻，假設在串連電感上有0.1Ω的電阻，那麼整個壓降在600mA負載輸出時只有150mW，並且會在較低負載時更低，依照行動電話製造商的說法，在電池放電到低於3.4V時，資料傳送範圍有些微縮減是可以接受的，如果將這些限制移除的話，將需要一個昂貴且效率較差的穩壓器，而這方面足以成為另一篇文章的探討主題。

1MHz切換與同步

MAX1820擁有內建的1MHz振盪線路來控制PWM的切換頻率，在MAX1820的定義相位時，以較高的頻率運作可以看做是縮減外部零件尺寸的方法，但是效率卻可能會降到無法接收的程度，如前面所說，採用固定頻率的PWM提供了可預測的雜訊頻譜與低輸出漣波，因此MAX1820內建1MHz時脈的精確度只有正負20%的容忍空間，不過為了能夠正確地與手機中的系統時脈同步，MAX1820內建一個除13的時脈合成器，可以連接到10 ~ 16MHz的低振幅正弦波。

《圖三》

小結

由於MAX1820擁有獨特的效能，現在已經有許多第三代手機的設計採用這樣的系統架構，透過在WCDMA功率放大器電源採用降壓式交換穩壓器所帶來的效率優勢已經被證實，因此這樣的設計與做法可能會擴展到更多的3G標準，同時也將帶來體積更小、功能更強的各式新興終端設備，使無線行動運算的夢想早日成真。(作者任職於美信(Maxim Integrated Products))