目前市面上已經出現愈來愈多新一代可瀏覽網路的掌上型設備，並期待最終能夠逐漸進入到每個人的口袋中。最新款式的行動電話、智慧型手機與Palm/Pocket PC等不僅體積更小、色彩更豐富，同時還能夠以比傳統數據機快上好幾倍的速度傳送電子郵件、網頁與圖形。但是，要讓這些擁有資料處理能力的行動產品對使用者造成吸引力，系統設計者就必須要在不增加電池的體積與重量情況下維持適當的電池使用壽命，高效率電源供應線路中有三個造成大量功率消耗的重要方塊，分別為主核心處理器、彩色顯示背光以及2.5G/3G的行動射頻電路。這篇文章將焦點放在後者的解決方案上，透過採用如(圖一)中的降壓式交換穩壓器來大幅降低功率放大器（Power Amplifier；PA）在傳輸非全功率訊號時的電源電壓。

《圖一　MAX8500系列降壓式交換穩壓器》

＜註：MAX8500大幅降低功率放大器傳輸非全功率訊號時的電源電壓，可以大幅延長行動電話的通話與資料傳輸時間。＞

MAX8503提昇供電效率

在任何系統中要改善電池使用時間的主要關鍵是了解耗損的來源，在典型行動電話射頻電路中，功率放大器通常直接由鋰離子電池提供電源，同時在設計上也以尖峰輸出功率時能夠取得最高效率為目標，但是，由於射頻電路在大部份的時間並不會以全功率傳輸，同時功率放大器中的射頻信號通常幅度較小，並不需要電池電壓所提供的大量餘裕空間，因此，功率放大器的電源電壓就可以透過高效率的降壓式直流─直流轉換器來降低以便節省以上情況所浪費的功率。(圖二)顯示了窄頻CDMA射頻電路使用Maxim的MAX8503降壓式穩壓器搭配上DT2032 InGaP異質接面雙載子電晶體（Heterojunction Bipolar Transistor；HBT）功率放大器時所得到的較低電池電流消耗，(圖三)則為它在電源提升效率（power added efficiency）上的改善結果。

《圖二　透過有效降低功率放大器的電源電壓Vcc(a)，MAX8503可以降低所有低於28dBm功率位準下的鋰離子電池電流Ibatt(b)。》

《圖三　DT2032功率放大器的電源提升效率可以藉由MAX8503的幫助大幅改善。》

DT2030系列功率放大器

Dynalinear的DT2030系列功率放大器產品適合搭配MAX8500系列使用，原因是它的待機電流（idle current）只有15mA，而且在低達0.6V的電源下還能夠線性化運作，不過其他的功率放大器也可以有類似的改善結果。為了得到最高的效率，相當重要的一點是功率放大器必須要能夠在低電源電壓下維持良好的線性度以及夠高的臨近頻道功率比（Adjacent Channel Power Ratio；ACPR），例如圖二與圖三的結果是透過降低電源電壓Vcc直到ACPR僅比最低要求高數個dB的情況下所取得。

MAX8500優勢

提供最佳化設計

雖然也可以採用其它的交換式穩壓器，但MAX8500系列是專門針對提供手持式無線射頻設備中功率放大器電源的最佳化設計，如圖一中所示，它整合了一個P通道的旁路MOSFET，可以用來在全功率傳輸時降低電池電壓（Vbatt）和放大器電源（Vcc）間的電壓差，這在採用高串列阻抗的小型化電感時特別重要。MAX8500系列其他的主要功能還包括有5mVpp的低輸入漣波、1MHz固定PWM切換頻率與高效率，特別是在佔有功率放大器最多運作時間的低輸出電壓情況下。

雙階式解決方案

由於電路板的面積相當寶貴，因此有時可能得需要犧牲一點效率來取得體積更小的解決方案，這通常會透過採用雙階式解決方案來達成，其中Vcc可以設定為1.25V（低功率模式）或者直接連接到電池（高功率模式）。由於交換式穩壓器只用來產生1.25V的電壓輸出，因此只需一個小型的100mA級電感器就已足夠，這個電感可以比持續調整穩壓器到3.4V與500mA下運作的電感要小上許多。在雙階式解決方案中，低功率模式的Vcc電壓在選擇上通常以10dBm天線輸出功率下最長通話時間為基準，為了方便，MAX8504的預設輸出電壓就訂在1.25V。

其他可行的方案還包括四階式解決方案，其中Vcc在電池電壓Vbatt、1.5V、1.0V與0.6V中變化，在這樣的系統中，整體的效率相當接近於連續式變化系統的表現，但電感器卻只需支援150mA的峰值電流。

為了比較連續式Vcc調整、二階式調整與四階式調整的整體效能表現，電池電流可以乘上機率密度函數（Probability Density Function；PDF）來代表Urban Voice、Suburban Voice與Suburban Data模式，所得到的PDF與平均電池電流可見(圖四)。PDF是一個真正傳輸輸出功率受到與基地台距離以及所傳輸信號量（包括語音與資料）影響的指標，Urban與Suburban Voice的PDF值通常是在典型的環境下測量，同時也是業界標準，而Suburban Data的PDF則是估計值。

由圖四b中的表可以明顯地看出，與不使用降壓式穩壓器的情況比較，每種模式下的雙階式解決方案都可以節省平均40mA的電流，同樣地，四階式設計則可以節省52mA，而連續式Vcc調整則可以節省更多，在資料傳輸模式下可高達62mA。

《圖四　透過電池電流乘上機率密度函數(a)，平均電池電流(b)的數據顯示了步階式與連續式Vcc調整的整體效能比較。》

更低壓降的MAX8506

除了帶來功率的節省外，MAX8500所佔用的4×4mm電路板面積乍看之下可能會覺得相當大，但是它不僅整合了降壓式直流─直流轉換器，還內含低導通電阻RDS(on)的旁路MOSFET、推動MOSFET閘極的位準轉換電路以及降壓式轉換器的回饋線路，如果採用分立式晶片設計，那麼佔用的電路板面積將要大上得多。

MAX8500唯一的缺點是，在高功率旁路模式下，500mA輸出時Vbatt-Vcc的100mV壓降比理想值稍高，這個規格會影響電池的最終可用電壓（End-of-Life；EOL），但這只有在全功率傳輸的情況下才會發生，因此機率相當低。為了能夠有效利用電池的最後容量，Maxim將推出具有更低壓降的改進版本MAX8506，不過這個規格在功率放大器峰值電流較低的情況，如寬頻帶CDMA系統下並不重要，同時，在採用連續式Vcc調整時，由於鋰離子電池電壓界於4.2V到3.6V時轉換器可以提供3.5V的電源電壓，因此很少使用到旁路模式，在這個情況下，電池電流在整個運作週期中可以被降低，而最高功率下的通話與資料傳輸時間就可以在不受到EOL電壓高於理想值100mA的影響下得以延長。

減少電路板面積並節省電流

在評估MAX8500的成本與佔用電路板面積的花費時，有二個系統設計工程師必須要避免的問題。第一，要注意不要在其他地方浪費電路板空間，一個常見的情況是採用多個以SOT23包裝的獨立式LDO元件，新一代的LDO產品可以提供更高的效能並節省空間，對需要單一LDO的情況，MAX8510採用小型SC-70包裝並提供10uVrms雜訊與85dB PSRR，在需要二個LDO的場合，MAX8882與MAX8531分別採用SOT23與UCSP超晶片級包裝，而對三個低雜訊LDO應用，MAX8890採用了4×4mm大小的QFN包裝。為了最有效使用電路板的空間，Maxim與其他供應商還可以提供整合所有基頻帶與射頻LDO、電池充電器以及其它類比與功率功能的客製化電源管理晶片產品。

第二個要避免的問題則是不要在其他地方浪費電池電流，常見的是，射頻電路設計工程師採用了降壓式穩壓器努力節省了40～60mA的電流，但基頻帶電路設計工程師則使用低效率的白光LED背光驅動器而浪費掉40～60mA，市場上目前可以提供的小尺寸且高效率白光LED驅動元件包含有MAX1561、MAX1570、MAX1582與MAX1848，這些元件都以固定頻率運作，並擁有低漣波特性以避免對高敏感度的射頻電路造成干擾。

結語

大家可能會問，採用MAX8500所帶來的體積與成本節省是否會得到相對值得的更長通話與資料傳輸時間，基本上，這個問題則會因客戶的期望而有不同的答案，雖然歐洲與美洲地區的製造商表達了高度的興趣，但是無法明確知道什麼時候他們將採用這樣的作法，或者會犧牲通話時間來提供價錢更低且體積更小的產品，不過在高科技的日本消費性市場上，彩色螢幕與網際網路存取功能已經不是什麼新聞，也就是說，在大部份的手機產品上都採用了交換式穩壓器解決方案，另一方面，韓國地區的製造商也極有可能將它應用在國內與出口機種上，預料它將逐漸成為全球多功能無線手持式產品設計上的流行趨勢。（作者任職於美商美信）