交换式降压器大幅节省PA功率

当第三代移动电话上市日期越来越逼近时，手机设计工程师们正忙着开发能够符合高速数据传送需求的新解决方案，其中比较重要的有几个部份，包括软件、屏幕技术、数据处理的带宽以及合理的电源使用时间等，在第二代纯语音且传输数据率低的手机上，这种需求并不高，因此我们可以透过简化设计而节省许多的成本，典型的例子是，在大部份的第二代手机上，传送用的功率放大器(PA)直接由电池供电，并没有做效率的优化处理，但是在第三代手机上，由于高速数据的传送需要在天线上有更大的带宽以及更高的功率，因此我们必须要使用较有效率的解决方案来维持较长的电池使用寿命，目前在手机制造商之间广泛流传，同时也倾向采用的架构是使用特别设计的降压式(Step-Down) DC-DC交换式稳压器来提供PA的电源。

采用交换式稳压器的主要原因是，PA的电源电压可以随着RF信号的强弱随时调整(图一)。藉由交换式稳压器的有效处理，可以在传送电压不在峰值时大幅节省耗电，由于峰值电压只有在手机与基地台相距很远，同时正在传输数据时才会出现，因此，整体的功率节省可以说相当地大，如果PA的供应电压能够在够宽广的动态范围内有效率改变的话，那么就可以使用固定增益的线性功率放大器，而不需要像目前的第二代移动电话一样使用分离的偏压控制信号，当然，我们还是可以加入偏压控制信号来增加控制的功能，而且有部份的移动电话制造商也采用这个方式，但是有一家WCDMA技术领导厂商却坚持偏压控制完全没有必要。

另一个系统效能的主要考虑是这个降压交换式稳压器所要求的特殊规格，为了了解它的要求，我们必须要先对功率放大器的原理做一个了解，(图二)是一个由主要的移动电话制造商提供，并且拥有固定增益的双极性WCDMA功率放大器的负载特性图，在峰值功率下，放大器需要3.4V的供应电压，耗电大约在300mA ~ 600mA，在最低的传送功率下，也就是在接近基地台且只传送语音时，放大器的耗电可以小到30mA，同时供应电压约在0.4 ~ 1V之间，由此我们可以换算出，功率放大器的功率消耗最大为2040mW，最小则为12mW。

对这类功率放大器做优化设计对交换式稳压器来说并不困难，Maxim公司已经开放出MAX1820 WCDMA移动电话降压式稳压器来满足这个需求，以下为MAX1820的特殊功能，也是它与其他交换式稳压器比较的独特之处。

《图一》

MAX1820的优点

高效率高带宽负载

如果无法达到高效率，那么采用交换式稳压器可以说几乎没有好处，因此高效率与省电是MAX1820设计时的主要考虑(图三)。在数据传送时(大约耗电500mW ~ 2040mW)，MAX1820中PFET功率开关所拥有的0.15Ω超低电阻提供了93%的效率，在语音传送(大约耗电12mW ~ 500mW)的过程中，MAX1820内建的0.2Ω NFET同步整流器以及3.3mA低耗电PWM模式，提供了约85%的效率，虽然85%的效率看起来不见得特别地高，但是以MHz固定频率交换的低负载效率而言，在性能上算是相当不错的，我们可以由图三所显示的低转换功率耗损看出，达到这样的效能最主要是归功于细心的设计以及采用次微米的技术，因此可以在同一个FET导通电阻情况下得到较低的闸极电容。

动态输出电压调整

输出电压必需要在3.4V~0.4V之间做调整，为了达到这项功能，MAX1820设计了一个模拟控制接脚REF，透过数字模拟转换器(DAC)来推动，由于DAC的输出电压范围不会超过3.4V，因此转换器上由REF到OUT的电压增益为1.76。

快速30μs输出变动率与稳定时间

在WCDMA系统架构中，传送功率以每666μs的周期依基地台要求做上下1dB的动态调整，此外手机也可以每10μs进入或离开数据传送模式，因此会造成大幅的传送功率改变。所有传送功率大小的改变必须要在50μs内完成，但是给予交换式稳压器来改变功率放大器供应电压的时间却比这个还要短，这样才能符合基频带与DAC的延迟时间，也因此，MAX1820在设计上特别以低于30μs的时间就能够变换或是稳定输出电压为考虑，甚至是在电压与电流全幅改变的情况下。由于输出必须要能够快速地变，因此MAX1820的输出电容限制在只有4.7μF以下，使得要达成稳定的切换更是一项挑战，但采用4.7μF电容的另一个好处是低ESR的陶瓷电容将提供大约5mV pp的低输出涟波。另一个降压式稳压器的相关问题是，当传送功率必须要快速改变，如离开数据传送模式时，在这个情况下，MAX1820会将电感电流反向，并且将输出电压压低以便维持30μs的稳定时间，如果没有做到这些，功率放大器的线性度将改变，因为它的供应电压会自动慢慢地降低，而且这项技术也能够将先前输出电容中所储存的能量转换回MAX1820输入端的电池上。

《图二》

稳定的9.5%~100% PWM有效周期与低压降:

假设手机是由单颗的锂离子电池供电，那么交换式稳压器的输入电压大约在4.2V ~ 2.7V，由于固定频率交换可以得到可预测的噪声频谱以及低输出涟波，因此MAX1820的强迫PWM运作可以在电池完全充电4.2V时，低达9.5%的有效周期还能稳定，而所需的功率放大器电源电压则为0.4V，以独立组件来说这并不困难达成，但是以相对的状况而言，在放电后的电池以及高功率数据传输情况下，有效周期必须要能够达到百分之分，并且以低压降运作，为了得到相当低的压降，MAX1820的PFET稍微预留了空间以取得相当低的0.15Ω导通电阻，假设在串连电感上有0.1Ω的电阻，那么整个压降在600mA负载输出时只有150mW，并且会在较低负载时更低，依照移动电话制造商的说法，在电池放电到低于3.4V时，数据传送范围有些微缩减是可以接受的，如果将这些限制移除的话，将需要一个昂贵且效率较差的稳压器，而这方面足以成为另一篇文章的探讨主题。

1MHz切换与同步

MAX1820拥有内建的1MHz振荡线路来控制PWM的切换频率，在MAX1820的定义相位时，以较高的频率运作可以看做是缩减外部零件尺寸的方法，但是效率却可能会降到无法接收的程度，如前面所说，采用固定频率的PWM提供了可预测的噪声频谱与低输出涟波，因此MAX1820内建1MHz频率的精确度只有正负20%的容忍空间，不过为了能够正确地与手机中的系统频率同步，MAX1820内建一个除13的频率合成器，可以连接到10 ~ 16MHz的低振幅正弦波。

《图三》

小结

由于MAX1820拥有独特的效能，现在已经有许多第三代手机的设计采用这样的系统架构，透过在WCDMA功率放大器电源采用降压式交换稳压器所带来的效率优势已经被证实，因此这样的设计与做法可能会扩展到更多的3G标准，同时也将带来体积更小、功能更强的各式新兴终端设备，使无线行动运算的梦想早日成真。(作者任职于美信(Maxim Integrated Products))