W-CDMA电源显著提高传输效率

MAX1820开关模式电源经过优化，可提高WCDMA手机的传输效率。通过动态降低Vcc裕量 在功率放大器（PA）中，电池电流在低于最大发射功率的所有功率水平下都会显著降低。MAX1820的设计专门针对该应用进行了优化。

随着第三代（3G）蜂窝电话计划推出的临近，手机设计人员一直在忙于开发新的解决方案，以满足高速数据传输的需求。其中最大的需求是软件、屏幕技术、数据处理带宽和保持合理的电池寿命。在第二代（3G）纯语音低数据速率手机中，需求没有那么大，因此可以进行许多简化并节省成本。例如，典型2G手机的发射功率放大器（PA）直接由电池供电，但效率不理想。在2G手机中，高速数据的传输需要增加带宽和天线功率;因此，需要更有效的解决方案来保持较长的电池寿命。目前，一种在手机制造商中广受青睐的架构需要使用高度专业化的降压型DC-DC开关稳压器为PA供电。

使用开关稳压器的原理是，PA的电源电压裕量可以动态调整，以勉强适应PA中的RF信号幅度（见图1）。通过使用开关稳压器有效地实现这一点，当工作在低于峰值发射功率时，可以最大程度地节省功耗。由于只有当手机离基站和传输数据非常远时才需要峰值功率，因此总体功耗节省是巨大的。如果PA电源电压可以在足够宽的动态范围内有效变化，则可以使用固定增益线性PA，从而无需单独的偏置控制信号（如目前用于2G手机）。当然，偏置控制信号仍可用于增加控制程度，一些手机制造商正在积极追求这种拓扑结构;然而，W-CDMA技术的领导者之一坚持认为偏差控制是不必要的。

图1.开关稳压器（MAX1820）动态调节W-CDMA功率放大器（PA）的电源。通过有效地调整PA的电源裕量以匹配PA的发射功率，大大减少了能源浪费，并延长了手机的电池寿命。

系统性能的另一个主要考虑因素是降压型开关稳压器所需的特殊特性。要了解这些要求，必须首先根据PA的负载曲线进行研究。一家大型手机制造商提供了图2，这是双极性、固定增益、W-CDMA功率放大器的负载曲线。在峰值发射功率下，PA需要3.4V电源轨，消耗300mA至600mA电流。在最低发射功率下，靠近基站且仅传输语音，PA在电源电压为30.0V至4V时仅消耗1mA电流。这相当于PA功耗最大为2040mW，最小功耗为12mW。

图2.固定增益、双极性、W-CDMA功率放大器的典型负载曲线具有重要的阻性成分。电源电压和电流从 0mA （4mW） 时的 30.12V 到 3mA （4mW） 时的 600.2040V 不等，典型的语音传输在 1mA （5mW） 时约为 150.225V，典型的高速数据传输在 2.5V/400mA （1000mW）。

对于开关稳压器来说，将这种类型的PA作为负载进行优化并非易事。Maxim开发了MAX1820、W-CDMA、蜂窝电话、降压稳压器以满足这些要求。以下是MAX1820区别于其他开关稳压器的具体特性：

宽负载下的高效率如果没有高效率，使用开关稳压器的费用就不再合理;因此，高效率和省电是MAX1820设计的主要因素（见图3）。在数据传输过程中（约500mW至2040mW），MAX0的PFET电源开关的15.1820Ω低导通电阻可提供高达93%的效率。在语音传输（约12mW至500mW）中，MAX1820的内部0.2Ω NFET同步整流器和3.3mA （强制PWM模式下）低电源电流可提供约85%的效率。虽然85%的效率可能看起来不是很高，但在恒定1MHz开关时，对于轻负载效率来说，这是一个出色的性能，如图3所示的低转换器功率损耗所示。这种性能可归因于精心设计和使用亚微米几何形状制造，以实现给定FET导通电阻下的低栅极电容。

动态输出电压调整输出电压需要在3.4V至0.4V之间调节。为此，MAX1820上的模拟控制引脚REF由数模转换器（DAC）驱动。由于DAC的输出电压范围不会扩展到3.4V，因此转换器从REF到OUT的电压增益为1.76V。

快速 30μs 输出压摆率和建立在W-CDMA系统架构中，发射功率根据基站的要求每1微秒向上或向下调整666dB。此外，手机可以每10毫秒进入或退出数据传输模式，对应于大规模的发射功率变化。所有发射功率电平变化需要在50μsec内完成;但是，开关稳压器改变PA电源功率所需的时间小于此时间，以适应基带和DAC中的任何系统延迟。因此，MAX1820专门设计用于在不到30μsec的时间内转换和建立输出电压，即使电压和电流满量程变化也是如此。由于输出必须快速摆动，MAX1820的输出电容限制为4.7μF，使得稳定开关更具挑战性。4.7μF 电容器的另一个优点是，低 ESR 陶瓷型可提供约 5mVpp 的低输出纹波。降压型稳压器的另一个问题出现在需要快速降低发射功率时，例如退出数据模式时。在这种情况下，MAX1820反转电感电流并降低输出电压，以保持30μsec的建立时间。如果不这样做，PA的线性度将随着其电源电压自行缓慢衰减而变化。此外，该技术通过将输出电容上先前存储的能量传输回MAX1820输入端的电池来节省功耗。

稳定的 9.5% 至 100% PWM 占空比和低压差假设手机由单个锂离子电池供电，开关稳压器的预期输入电压范围为4.2V至2.7V。由于需要恒定的固定频率开关以获得可预测的噪声频谱和低输出纹波，因此当电池充满电在1820.9V和所需的PA电源电压为5.4V时，MAX2的强制PWM工作在低至0.4%占空比时保持稳定。就其本身而言，这并不难;但结合相反的极端，即放电电池和大功率数据传输，占空比也必须完全扩展到100%和低压差操作。为了获得极低的压差，MAX1820的PFET尺寸略大，导通电阻非常低，为0.15Ω。假设电感中的串联电阻为0.1Ω，则在150mA负载下，组合压差仅为600mV，在较轻负载下则成比例地更低。根据手机制造商的说法，当电池放电到3.4V以下时，数据传输范围会有所缩小是可以接受的。消除这一限制需要昂贵、效率较低的降压-升压稳压器，这可能是另一篇文章的主题。

1MHz 开关和同步MAX1820具有内部1MHz振荡器，用于控制PWM开关频率。在MAX1820的定义阶段，以较快的频率运行被认为是减小外部元件尺寸的一种手段，但效率会降低到不可接受的水平。如前所述，利用固定频率PWM可提供可预测的噪声频谱和低输出纹波。MAX1820的1MHz内部时钟也相对精确，容差仅为±20%;但是，为了与手机中的系统时钟精确同步，MAX1820包括一个13分频时钟频率合成器，可以馈送10MHz至16MHz的低幅度正弦波。

图3.MAX1820降压型开关稳压器经过优化，在电池消耗最高的数据传输过程中实现最高效率。1MHz 的恒定固定频率开关可提供低输出纹波和噪声，同时在语音传输过程中仍保持相对较高的效率和低功率损耗。

由于MAX1820的独特性能，目前3G手机设计活动广泛采用这种系统架构。随着使用降压型开关稳压器为W-CDMA PA供电的效率优势得到证实，这种拓扑结构可能会被更多的3G标准和各种终端设备采用，有助于实现小型、功能丰富的数据手机和无线移动计算的承诺。

审核编辑：郭婷