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交换式电源供应器设计
大幅改善移动电话通话与数据传输时间

【作者: Karl R. Volk】2004年08月04日 星期三

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目前市面上已经出现愈来愈多新一代可浏览网络的掌上型设备,并期待最终能够逐渐进入到每个人的口袋中。最新款式的移动电话、智能型手机与Palm/Pocket PC等不仅体积更小、色彩更丰富,同时还能够以比传统调制解调器快上好几倍的速度传送电子邮件、网页与图形。但是,要让这些拥有数据处理能力的行动产品对用户造成吸引力,系统设计者就必须要在不增加电池的体积与重量情况下维持适当的电池使用寿命,高效率电源供应线路中有三个造成大量功率消耗的重要方块,分别为主核心处理器、彩色显示背光以及2.5G/3G的行动射频电路。这篇文章将焦点放在后者的解决方案上,透过采用如(图一)中的降压式交换稳压器来大幅降低功率放大器(Power Amplifier;PA)在传输非全功率讯号时的电源电压。


《图一 MAX8500系列降压式交换稳压器》
《图一 MAX8500系列降压式交换稳压器》

<注:MAX8500大幅降低功率放大器传输非全功率讯号时的电源电压,可以大幅延长移动电话的通话与数据传输时间。>


MAX8503提升供电效率

在任何系统中要改善电池使用时间的主要关键是了解耗损的来源,在典型移动电话射频电路中,功率放大器通常直接由锂离子电池提供电源,同时在设计上也以尖峰输出功率时能够取得最高效率为目标,但是,由于射频电路在大部份的时间并不会以全功率传输,同时功率放大器中的射频信号通常幅度较小,并不需要电池电压所提供的大量余裕空间,因此,功率放大器的电源电压就可以透过高效率的降压式直流─直流转换器来降低以便节省以上情况所浪费的功率。(图二)显示了窄频CDMA射频电路使用Maxim的MAX8503降压式稳压器搭配上DT2032 InGaP异质接面双载子晶体管(Heterojunction Bipolar Transistor;HBT)功率放大器时所得到的较低电池电流消耗,(图三)则为它在电源提升效率(power added efficiency)上的改善结果。



《图二 透过有效降低功率放大器的电源电压Vcc(a),MAX8503可以降低所有低于28dBm功率位准下的锂离子电池电流Ibatt(b)。》
《图二 透过有效降低功率放大器的电源电压Vcc(a),MAX8503可以降低所有低于28dBm功率位准下的锂离子电池电流Ibatt(b)。》
《图三 DT2032功率放大器的电源提升效率可以藉由MAX8503的帮助大幅改善。》
《图三 DT2032功率放大器的电源提升效率可以藉由MAX8503的帮助大幅改善。》

DT2030系列功率放大器

Dynalinear的DT2030系列功率放大器产品适合搭配MAX8500系列使用,原因是它的待机电流(idle current)只有15mA,而且在低达0.6V的电源下还能够线性化运作,不过其他的功率放大器也可以有类似的改善结果。为了得到最高的效率,相当重要的一点是功率放大器必须要能够在低电源电压下维持良好的线性度以及够高的临近频道功率比(Adjacent Channel Power Ratio;ACPR),例如图二与图三的结果是透过降低电源电压Vcc直到ACPR仅比最低要求高数个dB的情况下所取得。


MAX8500优势

提供优化设计

虽然也可以采用其它的交换式稳压器,但MAX8500系列是专门针对提供手持式无线射频设备中功率放大器电源的优化设计,如图一中所示,它整合了一个P信道的旁路MOSFET,可以用来在全功率传输时降低电池电压(Vbatt)和放大器电源(Vcc)间的电压差,这在采用高串行阻抗的小型化电感时特别重要。MAX8500系列其他的主要功能还包括有5mVpp的低输入涟波、1MHz固定PWM切换频率与高效率,特别是在占有功率放大器最多运作时间的低输出电压情况下。


双阶式解决方案

由于电路板的面积相当宝贵,因此有时可能得需要牺牲一点效率来取得体积更小的解决方案,这通常会透过采用双阶式解决方案来达成,其中Vcc可以设定为1.25V(低功率模式)或者直接连接到电池(高功率模式)。由于交换式稳压器只用来产生1.25V的电压输出,因此只需一个小型的100mA级电感器就已足够,这个电感可以比持续调整稳压器到3.4V与500mA下运作的电感要小上许多。在双阶式解决方案中,低功率模式的Vcc电压在选择上通常以10dBm天线输出功率下最长通话时间为基准,为了方便,MAX8504的默认输出电压就订在1.25V。


其他可行的方案还包括四阶式解决方案,其中Vcc在电池电压Vbatt、1.5V、1.0V与0.6V中变化,在这样的系统中,整体的效率相当接近于连续式变化系统的表现,但电感器却只需支持150mA的峰值电流。


为了比较连续式Vcc调整、二阶式调整与四阶式调整的整体效能表现,电池电流可以乘上机率密度函数(Probability Density Function;PDF)来代表Urban Voice、Suburban Voice与Suburban Data模式,所得到的PDF与平均电池电流可见(图四)。PDF是一个真正传输输出功率受到与基地台距离以及所传输信号量(包括语音与数据)影响的指针,Urban与Suburban Voice的PDF值通常是在典型的环境下测量,同时也是业界标准,而Suburban Data的PDF则是估计值。


由图四b中的表可以明显地看出,与不使用降压式稳压器的情况比较,每种模式下的双阶式解决方案都可以节省平均40mA的电流,同样地,四阶式设计则可以节省52mA,而连续式Vcc调整则可以节省更多,在数据传输模式下可高达62mA。



《图四 透过电池电流乘上机率密度函数(a),平均电池电流(b)的数据显示了步阶式与连续式Vcc调整的整体效能比较。》
《图四 透过电池电流乘上机率密度函数(a),平均电池电流(b)的数据显示了步阶式与连续式Vcc调整的整体效能比较。》

更低压降的MAX8506

除了带来功率的节省外,MAX8500所占用的4×4mm电路板面积乍看之下可能会觉得相当大,但是它不仅整合了降压式直流─直流转换器,还内含低导通电阻RDS(on)的旁路MOSFET、推动MOSFET闸极的位准转换电路以及降压式转换器的回馈线路,如果采用分立式芯片设计,那么占用的电路板面积将要大上得多。


MAX8500唯一的缺点是,在高功率旁路模式下,500mA输出时Vbatt-Vcc的100mV压降比理想值稍高,这个规格会影响电池的最终可用电压(End-of-Life;EOL),但这只有在全功率传输的情况下才会发生,因此机率相当低。为了能够有效利用电池的最后容量,Maxim将推出具有更低压降的改进版本MAX8506,不过这个规格在功率放大器峰值电流较低的情况,如宽带带CDMA系统下并不重要,同时,在采用连续式Vcc调整时,由于锂离子电池电压界于4.2V到3.6V时转换器可以提供3.5V的电源电压,因此很少使用到旁路模式,在这个情况下,电池电流在整个运作周期中可以被降低,而最高功率下的通话与数据传输时间就可以在不受到EOL电压高于理想值100mA的影响下得以延长。


减少电路板面积并节省电流

在评估MAX8500的成本与占用电路板面积的花费时,有二个系统设计工程师必须要避免的问题。第一,要注意不要在其他地方浪费电路板空间,一个常见的情况是采用多个以SOT23包装的独立式LDO组件,新一代的LDO产品可以提供更高的效能并节省空间,对需要单一LDO的情况,MAX8510采用小型SC-70包装并提供10uVrms噪声与85dB PSRR,在需要二个LDO的场合,MAX8882与MAX8531分别采用SOT23与UCSP超芯片级包装,而对三个低噪声LDO应用,MAX8890采用了4×4mm大小的QFN包装。为了最有效使用电路板的空间,Maxim与其他供货商还可以提供整合所有基频带与射频LDO、电池充电器以及其它模拟与功率功能的客制化电源管理芯片产品。


第二个要避免的问题则是不要在其他地方浪费电池电流,常见的是,射频电路设计工程师采用了降压式稳压器努力节省了40~60mA的电流,但基频带电路设计工程师则使用低效率的白光LED背光驱动器而浪费掉40~60mA,市场上目前可以提供的小尺寸且高效率白光LED驱动组件包含有MAX1561、MAX1570、MAX1582与MAX1848,这些组件都以固定频率运作,并拥有低涟波特性以避免对高敏感度的射频电路造成干扰。


结语

大家可能会问,采用MAX8500所带来的体积与成本节省是否会得到相对值得的更长通话与数据传输时间,基本上,这个问题则会因客户的期望而有不同的答案,虽然欧洲与美洲地区的制造商表达了高度的兴趣,但是无法明确知道什么时候他们将采用这样的作法,或者会牺牲通话时间来提供价钱更低且体积更小的产品,不过在高科技的日本消费性市场上,彩色屏幕与因特网存取功能已经不是什么新闻,也就是说,在大部份的手机产品上都采用了交换式稳压器解决方案,另一方面,韩国地区的制造商也极有可能将它应用在国内与出口机种上,预料它将逐渐成为全球多功能无线手持式产品设计上的流行趋势。(作者任职于美商美信)


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