后移效率增强型PA省电方法

延长电池寿命并延长通话时间，一直是便携设备设备设计时的一项重要参考因素。随着包括照相、彩色屏幕、高流量数据传输等便携设备设备的多媒体功能越来越复杂，尽量降低耗电量已成为越来越关键的课题。

射频（RF）功率放大器（PA）是手机内主要的耗电组件。由于PA通常在最大线性功率以下，以大于10dB的功率发射，近年来，产业界已经提出许多关于提高WCDMA PA后移（backoff）效率的相关报告[1]。

后移效率增强型PA改变了输出路径和／或负载阻抗[2-4]，也带领出手机PA产业的发展趋势。藉由在两个输出功率范围上优化负载阻抗，其后移工作电流比传统的设计大幅减少许多。

在所有方案中，最有效的一种是利用一个DC-DC转换器，根据输出功率动态调节PA的集极偏置电压[1、5-6]。这种分立式方案已广泛地被应用于高阶手机设计之中，但与后移增强型PA相比，其成本和复杂性较高，整体的尺寸也较大。在最近的一些报导中，出现了一种整合PA和DC-DC转换器的6mmx6mm2模块，能够在5～24dBm的输出功率范围上降低电流。

因此本文介绍了一种内建直流电源管理IC的WCDMA PA模块，并藉由针对以下几个领域革新的方式达到提高效能的要求：

本文首先探讨这种设计的工作原理和功能，然后再详细阐释HBT MMIC PA、Si IC和模块的设计和实现模式，并对设计中的WCDMA功率特性，与传统功率放大器模块及后移增强型功率放大器模块进行比较，藉以凸显性能上的优势。此外本文还会讨论WCDMA功率的瞬态响应及其对系统性能的影响。

PA模块的架构大要

(图一)所示为PA模块的架构示意图[8]，其包含GaAs MMIC PA、Si DC电源管理IC和PA输出匹配组件。

该PA是传统的2阶单端功率放大器（2-stage single-ended PA），需要用于集极偏置的电压源，以及用于提供直流静态电流的镜像电流偏置，以稳定参考电压（Vref）。所有这些直流电压源要求，都由Si DC电源管理IC来进行管理。

Si IC有两个主要的构建模块（building block），即LDO电压调节器和DC-DC降压转换器。LDO可为PA镜像偏置提供内部参考电压Vref，这样便不再需要外部的电压调节器。此外，LDO还具有数字控制启动功能，可以在待机模式下切断直流偏置电流。这些功能经过设计后，便可兼容于未来的手机基频芯片控制模块。

《图一 带有整合式直流电源管理IC的PA模块架构示意图》

DC-DC降压转换器能为PA集极提供输出功率（Pout）函数的自适应偏置电压源。这种方案的优势在于，它不需要任何外部控制信号来调节DC-DC转换器的输出电压，因此可以将它完全整合到手机的应用中。该功率检测器为死循环控制提供直流信号（Pdet），构成了反馈回路的主要部分。当在PA上加载输入功率时，Pdet会变大，因而提高DC-DC的输出电压。当集极电压变化时，PA的Pout会随之增加，而又导致更高的Pdet，这种死循环过程将不断继续直到Pout和Pdet达到稳定的状态。根据输入功率的变化程度，DC-DC输出电压的增加，可以一个步骤或多个步骤来实现。于是，藉由比峰值Pout更低的集极偏置电压，可在后移功率下节省电流。电流节省的程度，取决于转换器的效率，亦即电池电压（Vbattery） 与DC-DC转换器输出电压之比，以及功率检测器的动态范围。要在很宽的Pout范围中节省电流，就必须要有动态范围很宽的功率检测器。必要时，数字控制启动功能可关断DC-DC转换器。

电路设计架构大要

带有整合式功率检测器的GaAs HBT MMIC PA

(图二)所示的是MMIC PA的架构原理示意图。该组件采用InGaP／GaAs HBT 制程，其PA是专门为1920～1980MHz WCDMA手机的应用而设计。MMIC则包含输入和级间匹配，以及用于直流偏置的温度补偿镜像电路。

《图二 带有整合式功率检测器的GaAs HBT MMIC PA详细架构示意图》

1阶放大器的输出功率被耦合到功率检测器的输入上。检测器带有可产生RF功率级的前置放大器，能用来提高检测器的灵敏度，适用于宽动态范围的工作。采用带有温度补偿偏置电路的PN二极管，则可以把RF讯号转换为相对应的直流信号Pdet。

在0～28dBm的功率范围上预先校准最佳集极电压（Vcc），以获得可接受的PA输出信号线性度（ACLR1＜-40dBc）。(图三) 所示为作为Pout和Pdet函数的Vcc的最佳测量值。功率检测器经过专门设计和偏置，能获得最佳Vcc和Pdet间的线性关系，可简化DC-DC 转换器控制机制。这种线性关系可以允许简单的回馈来控制DC-DC转换器的输出电压。

《图三 测得的最佳PA集极电压Vcc可当作（a）Pout 和（b）Pdet的函数》

Si BiCMOS电源管理IC

(图四)所示为Si电源管理IC的架构示意图。该组件采用5V 0.5 m BiCMOS制程设计，包含一个高效低噪声的同步PWM电流模式DC-DC降压转换器和一个LDO电压调节器。

DC-DC转换器在1.3MHz的开关频率下工作，这需要一个在模块之外的3.3μH电感来完成开关操作。转换器在2.7V到5V的宽输入电压范围内，提供高达500mA的输出电流。随着减去开关FET和电感上的电压降，电压从最低的1.0V变化到电池电压，DC-DC转换器的输出电压，将根据PA产生的Pdet讯号，自动调节到PA集极偏置所需的默认电平，有鉴于线性Pdet与最佳Vcc响应的比较，只需简单的线性回馈即可完成死循环控制。具有快速瞬态响应的电流模式控制回路，可以确保出色的线路和负载调节，为了减小待机电流，也可以把DC-DC转换器的输出降低到10μA以下。

《图四 带有整合式DC-DC降压转换器和LDO调节器的Si DC电源管理IC之架构示意图》

转换器带有片上NMOS和PMOS FET，尺寸已经过优化，可在负载曲线上获得最佳的转换效率，同时占用最少的裸晶面积，能产生一条通过顶端PMOS FET的低阻抗路径。包括FET导通阻抗和开关电感在内的总串联直流阻抗为210m ?。这不必添加旁路FET，即可保持负载上的良好线路调节，并节省裸晶面积。这种IC硅芯片尺寸很小，可以很容易地安装在带有RFPA的3×5封装中。

(图五)所示为测得的DC-DC转换器之转换效率、分别与转换器输出端消耗的负载电流和Pout的函数关系。为了避免产生带内噪声和输出电压的瞬态响应，转换器在整个负载曲线上只采用PWM模式，而没有包含脉冲跳跃调变（pulse skipping modulation；PFM）模式。这导致轻载时转换效率较低、并且转换输出电压也很低，其细节可见图三（a）Vcc在指定Pout时的选项。

《图五 在不同输出电压和电流级下测得的DC-DC转换器之转换效率》

这里，LDO为PA MMIC的偏置镜像，提供一稳定的2.85V输出电压，精度为±2％。LDO将根据低至3.0V的电池电压进行正确的调节。LDO可支持高达10mA的额定电流，并藉由内置反向电流机制，提供短路限流保护功能。该LDO需要0.1μF的旁路电容，来保持回路的稳定性。

革新PA模块

(图六)所示为在4层BT层压基板上已革新完整的3×5mm2PA模块。该模块在RF 输入和输出端时被直流阻断，并匹配50 ?阻抗。PA的输出匹配利用标准0201 SMD组件革新效能，进而能把电路损耗降至最低。基板内层包含直流布线和用作RF偏置扼流（RF bias choke）的印制电感线路，并在MMIC下面添加热通孔以提高散热能力。

《图六 4层BT层压基板上的3×5mm2PA模块照片》

Si DC电源管理IC

对模块中的接地布局（ground layout）要加以特别考虑。由于RF、DC模拟和直流源需要多个接地，若布局失当会造成RF PA和Si IC之间的噪声干扰，进而可能破坏DC-DC转换器的输出电压控制，使性能下降。为了尽量减少噪声耦合，所有接地都在模块级别上彼此隔离，并外接在评估板上。

测量结果及讨论

本文提出PAM革新设计后的特征化描述如上，接着将与传统的2阶PAM和后移增强型PAM 分别进行比较[7]。这些PAM的电源电压（Vbattery或Vcc）都是3.6V，后两者还需要额外的2.85V Vref用于镜像偏置。

革新后的PAM静态电流为20mA，略低于后移增强型PAM的22mA，而传统PAM的静态电流为55mA。通过DC-DC转换器，在1.0V的极低集极电压下对MMIC PA进行偏置，这样可使革新后的PAM获得很低的直流电流。

利用在1950MHz下、芯片速率为3.84Mbps的WCDMA HPSK调变讯号，可对该PAM的 RF功率性能进行估计。(图七) 所示是输出功率为0～28dBm时所测得可建议PAM的电流消耗值。与传统的PAM比较，该PAM可以在整个功率范围内，大幅度革新达到电流降低的效果。其原因在于，藉由DC-DC转换器完成的自适应，可调节集极偏置。在16dBm和24dBm Pout时，电流消耗分别从162mA和370mA，减小到75mA和257mA，大幅地延长电池寿命。

《图七 经过革新后的PAM设计与传统PAM和多模PAM测得的电流值、分别与在 1950MHz下测得的Pout比较图》

与后移增强型PAM相比，在16dBm到26dBm的范围内，革新后的PAM也可以大幅降低电流。当Pout大于26dBm时，建议PAM的电流级要略高，因为模块布局稍有缺陷。另一方面由于开关FET和电感上的电压降，集极电压也较低，这就会要求该PAM在更高的饱和功率、亦即效率更低的情况下作业，才能保持足够的线性度。一旦该PAM的输出匹配被优化之后，这种情况便可望获得改善。在16dBm Pout或以下的环境时，革新后的PAM在电流减小方面的影响就很小，而后移增强型PAM则专门设计来优化16dBm Pout下的负载阻抗，因此可明显地降低电流。

革新后PAM的增益和线性度（ACLR1、2）曲线如(图八)所示。在0～28dBm Pout时，增益扩充大约为5.5dB。这种影响源自于电流集极电压因电流优化、而随功率级动态的变化。在高达27.5dBm的整个Pout范围中，ACLR1低于-40dBc。如前所述，基板布局中的缺陷造成更高的输出匹配损耗，使28dBm时的线性度略为下降。一旦布局能进一步优化，这情况是可以被改善的。

《图八 革新后的PAM所测得的增益、ACLR1和ACLR2与在1950MHz下测得的 Pout之关系示意图》

对16dBm和28dBm的Pout而言，转换器直流输出电压的瞬态响应测量值如(图九)所示。在16dBm时，直流电压单步即可从1.0V达到所需要1.6V。不过，对于28dBm的Pout，要达到最大的直流电压，需要三个步骤，原因是自适应流程的直流集极电压增加，会导致PAM增益变大，进而提高Pdet电压，最终提高转换器直流输出电压。当Pout达到稳定时，这种自适应变化便停止。Pout在50μs内便可达到目标值。

《图九 当输出功率为（a）16dBm和（b）28dBm时，DC-DC转换器输出电压的瞬态响应测量值》 - BigPic:570x287

结论

当输出功率为（a）16dBm和（b）28dBm时，DC-DC转换器输出电压的瞬态响应测量值本文介绍整合GaAs MMIC PA和Si BiCMOS DC电源管理IC的3×5mm2紧凑型 WCDMA PAM模块。其中，Si IC藉由利用DC-DC降压转换器和LDO电压调节器，分别为PA提供死循环自适应控制集极偏置和稳定镜像电压，来实现两种功能。在检测器电压和最佳PA集极偏置之间的功率检测器，具有线性响应功能，被设计来简化回馈控制回路。根据输出功率的情况，PA集极偏置可从1.0V被自适应调节到满幅电池电压，从而大幅节省后移工作下的电流。

该PAM在从0dBm到27.5dBm的广大输出功率范围内，可明显地降低电流，同时使ACLR1保持在-40dBc以下。当输出功率为 16dBm和24dBm时，其耗电量与传统的PAM比较，将从162mA和370mA，分别降低到 75mA和257mA。

（本文作者均任职于快捷半导体）

＜参考文献：

[2] J.H. Kim, J.H. Kim, Y.S. Noh, and C.S. Park, An InGaP-GaAs HBT MMIC smart power amplifier for W-CDMA mobile handsets, IEEE Journal of Solid-State Circuit, vol. 38, no. 6, pp. 905-910, June 2003.

[1] D.A. Teeter, E.T. Spears, H.D. Bui, H. Jiang, and D. Widay, Average current reduction in（W）CDMA power amplifiers, IEEE RFIC RFICSymposium Dig.（San Francisco, CA）, pp. 429-432, June 2006.

[3] H.M. Park, S.H. Cheon, J.W. Park, and S. Hong, Demonstration of onchip appended power amplifier for improved efficiency at low power region, IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig.（Philadelphia, PA）, pp. 691-694, June 2003.

[5] T.B. Nishimura, N. Iwata and G. Hau, Wide-band CDMA highlyefficient heterojunction FET over wide range output power with DCDC converter, IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig.（Anaheim, CA）, pp. 1091-1094, June 1999.

[6] G. Hanington, P.F. Chen, P.M. Asbeck, and L.E. Larson, Highefficiency power amplifier using dynamic power-supply voltage for CDMA applications, IEEE Trans Microwave Theory and Techniques, vol. 47, no. 8, pp. 1471-1476, Aug. 1999.

[7] J. Lee, J. Ootts, and E. Spears, DC/DC converter controlled power amplifier module for WCDMA applications, IEEE RFIC RFIC Symposium Dig.（San Francisco, CA）, pp. 77-80, June 2006.

[8] G. Hau, and P. Bealo, Power amplifier with close-loop adaptive voltage supply, US patent pending.＞