降压型DC-DC开关调节器驱动PA方案

随着第三代移动通信（3G）时代的临近，手机设计师们正忙于开发新的方案，以解决高速数据传输所带来的一系列新问题。其中，最主要的问题集中在软件、屏幕技术、数据处理带宽以及电池寿命等方面。在第二代（2G）只有话音和低速数据功能的手机中，问题还不是如此严峻，允许采用一些简单和廉价的方案进行折衷。例如，典型的2G手机中用于发送信号的功率放大器（PA）是由电池直接驱动的，虽然简单但效率不是最优的。在3G手机中，高速数据传送要求更高的带宽和发送功率，因此，为保持足够长的电池工作时间，就必须采用更高效率的方案。现在，有一种方案正在逐渐受到蜂窝电话制造商们广泛的喜爱，那就是采用一种高度专门化设计的降压型DC-DC开关调节器来驱动PA。

开关型调节器改善发送效率的基本原理是，通过动态调节功放的供电电压，使其刚好能够满足功放中射频信号的幅度要求（见图1）。采用开关调节器高效率地实现这种调节，在峰值发送功率以外的任何工作条件下，都可大幅度地节省电池功率。因为峰值功率只有在手机远离基站和数据传送时需要，总体来讲，这种方案的省电效果是非常显著的。如果功放的供电电压能够在一个足够宽的范围内高效率地动态调节，就有可能采用固定增益的线性功放，省掉偏置控制（已广泛应用于目前的2G电话）。当然，仍然可以利用偏置控制来进一步增加控制能力，许多蜂窝电话制造商正在积极跟踪这种方案；然而，在W-CDMA技术领域占主导地位的一家公司坚持认为不需要偏置控制。

图1. 开关调节器（MAX1820）动态调节W-CDMA功率放大器（PA）的电源。通过对功放电源的高效调节，极大地降低了能量的消耗，延长了手机电池的使用 时间。

另外一个需要重点考虑并关系到系统性能的问题是，对于这种特殊用途的降压型开关调节器，有一些什么样的特殊性能要求。为了便于理 解，首先应该研究一下功放的负载特性。图2由一个主要的蜂窝电话制造商提供，表示一个双极工艺的固定增益W-CDMA功率放大器的负载曲线。在峰值发送功 率时，功放需要3.4V的供电电压，并消耗掉300mA到600mA的电流。在最低发送功率时，也就是当靠近基站并且只发送话音时，功放仅吸取30mA的 电流，电源电压为0.4V到1V。对应的功放消耗功率分别为2040mW （最大值）和12mW （最小值）。

图2. 固定增益的双极型W-CDMA功率放大器的典型负载曲线中有一个明显的阻性成分。电源电压和电流会从最低的0.4V/30mA （12mW）变化到最高的3.4V/600mA （2040mW），话音的发送一般在1.5V/150mA （225mW）下进行，高速数据的发送一般在2.5V/400mA （1000mW）下进行。

针对作为负载的这种功放对开关调节器进行优 化并非易事。Maxim的MAX1820 W-CDMA蜂窝电话降压型调节器能够满足这种要求。下面列出使MAX1820区别于其它类型的开关调节器的特殊性能：

在很宽的负载范围内具有高效率—没有高效率，采用开关型调节器就失去了意义，因此，高效率和省电是MAX1820的主导设计思想（见图3）。传送 数据时（约500mW至2040mW），MAX1820内部的低导通电阻（0.15Ω） PFET功率开关可以提供高达93%的效率。传送话音时（约12mW至500mW），MAX1820内部的0.2Ω NFET同步整流器和3.3mA的低工作电流（强制PWM模式）使转换效率达到85%。85%的效率听起来不算太高，但对于一个工作在1MHz恒定开关频 率和很轻负载的转换器来讲确非易事，正如图3所示，转换器具有极低的功率损耗。这要归功于优秀的设计和亚微米工艺的采用，这种工艺能够在给定的FET导通 电阻下获得更低的栅极电容。

输出电压的动态调整—输出电压需要在3.4V到0.4V间调整。为此，采用一个数模转换器（DAC）驱动MAX1820的模拟控制引脚 （REF）。由于DAC的输出电压范围达不到3.4V，转换器从REF到OUT具有1.76倍的电压增益。

快速（30µsec）输出压摆率和建立—在W-CDMA系统架构中，发送功率需要根据基站的要求，每666µsec向上或向下调节 1dB。此外，每隔10ms，手机会进入或退出数据传送模式，相应地将发生大幅度的发送功率跳变。各种情况下，发送功率水平的变化需要在50µsec内完 成，然而，考虑到基站、DAC及各种系统延迟，留给开关调节器来改变功放电源的时间还要减少。由于这个原因，MAX1820被专门设计为能够在 30µsec内改变并建立输出电压，甚至对于满幅度的电压和电流变化都没有问题。由于要求输出能够快速改变，MAX1820的输出电容被限制在仅仅 4.7µF，这给工作的稳定性带来了挑战。4.7µF电容所带来的额外好处是，允许采用低ESR的陶瓷电容，这将使输出纹波降低至5mVpp。降压调节器 面临的另外一个问题出现在需要迅速降低发送功率的时候，例如退出数据模式时。在此情况下，MAX1820能够反转电感中的电流，将输出电压迅速拉低以便保 证30µsec的建立时间。否则，功放的线性会随着电源电压的缓慢下降而改变。另外，这种技术还将输出电容中的剩余电能回送到MAX1820输入端的电 池，进一步节省了电能。

稳定工作于9.5%至100% PWM占空比和低压差—假设手机由单节锂离子电池供电，那么输入开关调节器的电压范围大约为4.2V至2.7V。为了获得可预知的噪声频谱和低输出纹波， 应该尽量采用恒定的开关频率，MAX1820的强制PWM工作模式在电池完全充电至4.2V且要求功放电源电压为0.4V时，可稳定工作于最低至9.5% 的占空比。就其本身来讲这并不困难，但还应考虑到相反的极端情况，当经过一定程度放电的电池工作在大功率数据发送模式时，要求占空比能够完全达到 100%，并具有低压差。为了获得非常低的压差，MAX1820内部的PFET被稍稍超额设计为非常低的0.15Ω导通电阻。假设电感具有0.1Ω的串联 电阻，那么在600mA的负载下总的压降只有150mV，当负载减轻时还可同比降低。根据蜂窝电话制造商的要求，当电池被放电至3.4V以下时，数据传送 距离有一定程度的降低是可以接受的。突破这种局限需要采用价格稍贵、效率稍低一点的升/降压型调节器，这可能需用另外一整个篇幅进行讨论。

1MHz开关频率及同步—MAX1820内部具有一个1MHz振荡器来控制PWM开关频率。在MAX1820的产品定义阶段，提高开关 频率是减小外部元件尺寸的一个办法，但效率有可能降低到无法接受的水平。前面已经提到，采用固定频率PWM方式可以获得已知的噪声频谱和较低的输出纹波。 MAX1820的1MHz内部时钟具有较高的精度，可保证±20%的容差，此外，为了更精确地同步至系统时钟，MAX1820还包含一个13分频时钟合成 器，可馈入一个10MHz至16MHz的低幅度正弦波。

图3. MAX1820降压型开关调节器经过优化，在电池消耗最大的情况下发送数据时具有最高的效率。1MHz固定的开关频率降低了输出纹波和噪声，同时在发送话 音时能够保持相对较高的效率和较低的功耗。

MAX1820因其独特的性能，目前被广泛应用于3G手机设计中。随着开关型降压调节器在W- CDMA功放驱动中节电效果得到验证，这种方案同样也可用于其它的3G标准和更多不同的终端设备，使小型化、个性化的数据手机及无线移动运算的理想成为现 实。