當(dāng)今已是第三代移動通信(3G)時代，手機設(shè)計人員正忙于開發(fā)新的方案，以解決具有wcb瀏覽、無線收發(fā)電子郵件、拍照以及流送視頻等多種功能高速數(shù)據(jù)傳輸所帶來的一系列新問題。其日益增加的壓力是將上述功能合并到一個尺寸不斷減少的外殼中，并同時提供更長的工作時間。尤其是必需傳輸更高的功率和更優(yōu)的線性度及更好的效率。最重要的是，手機必須有更長的通話時間，因為用戶需要耗費更多時間使用他們的手機。也就是說日益增加的特性是應(yīng)在低輸出電壓上對可變功率作驅(qū)動而實現(xiàn)。但影響電池工作時間的一個重要因素是電源效率及系統(tǒng)電源管理。以往，手機中用于發(fā)送信號的功率放大器(PA)由電池直接驅(qū)動，雖簡單但效率不佳。而當(dāng)今最關(guān)鍵的是高速數(shù)據(jù)傳送要求具有更高的帶寬和發(fā)送功率。因此，為保持足夠長的電池工作時間，目前已有新的驅(qū)動力來重新思考更多地采用開關(guān)調(diào)節(jié)器類型的選擇。由此采用基于獨特的開關(guān)調(diào)節(jié)器技術(shù)，將是一種有效方案。

然而需要特別指出的是，在過去幾年中手機用電池技術(shù)雖有不斷改進，但是仍然落后于功能擴展的需求。為此，設(shè)計人員必須用減少手機功耗來滿足高功率輸出和更長通話時間的需求，即靠手機中的半導(dǎo)體設(shè)備來實現(xiàn)。由于功率放大器(PA)是當(dāng)前龐大需求的一個組件，因此立足于通過從功率控制來減少電流消耗，即高效率低功率(HELP)技術(shù)，是一種很有效的設(shè)計方案。

基于上述二種理念，有多種設(shè)計方案可先后應(yīng)用。本文將從技術(shù)發(fā)展的迸程，僅以下列二種新技術(shù)方案為例作研討。

⑴ 采用一種高度專門化設(shè)計的降壓型DC-DC開關(guān)調(diào)節(jié)器來驅(qū)動功率放大器。這是當(dāng)今越來越廣泛受到蜂窩電話制造商們非常青睞的一種方案。當(dāng)然，通過增加外部的DC/DC轉(zhuǎn)換器和偏置電壓控制可以優(yōu)化單鏈路功放在低功率輸出時的效率，以達到增長通話時間。但是一個DC/DC開關(guān)調(diào)節(jié)器技術(shù)也必將帶來增加手機的尺寸及成本，將使手機設(shè)計變復(fù)雜，因為手機必須在不同的模擬控制狀態(tài)下進行校準。于是就有了第二個設(shè)計方案開發(fā)與應(yīng)用。

⑵ 將眾多的功率控制功能集成到功放模塊上，其集成功率控制功能不僅僅強調(diào)當(dāng)前功耗的問題，并提供了更有效的手機設(shè)計方法。該芯片集成允許手機設(shè)計人員不使用單獨的DC/DC轉(zhuǎn)換器和旁路電容，來優(yōu)化功率管理和獲取更長的通話時間。該控制功放功耗的一種方案是在較寬的輸出功率范圍內(nèi)提高效率，就是基于優(yōu)化低功率輸出的需求。因為手機大部分時間工作在低功率水平，大約在-4dBm的功率級。假設(shè)在PA和天線之間的電路損失大約為3dB，那么PA的輸出功率大約為 -ldBm。在低功率級(低于0dBm)，功放主要消耗的是靜態(tài)電流。在-ldBm輸出功率時，功放的靜態(tài)電流通常約為50mA。通過在低功率級減少靜態(tài)電流提高功放效率，設(shè)計人員可以大量減少功率損耗。然而直到最近，該方法還是有缺陷的，因為用于手機的典型雙狀態(tài)的單鏈路PA只能在最大額定功率下進行優(yōu)化，這使得手機在低功率水平下工作時的效率很低。

2 基于開關(guān)調(diào)節(jié)器技術(shù)以提高發(fā)3G手機發(fā)送效率的設(shè)計方案

從最先進3G手機基本架構(gòu)所知，其日益增加的特性對可變功率驅(qū)動提出新要求。如對圖像處理的應(yīng)用處理器，在視頻捕捉期間需要高達360mW的功率，會很快耗盡電池的能量。于是電源效率及系統(tǒng)電源管理就成為影響電池一個重要因素。由于電源轉(zhuǎn)換過程中會發(fā)熱，就是獨特的開關(guān)調(diào)節(jié)器技術(shù)引入的必然。如今已有新的驅(qū)動力并具有較高工作效率的開關(guān)調(diào)節(jié)器可選擇。值此以擴展頻譜技術(shù)的低噪聲開關(guān)調(diào)節(jié)器與低壓差、脈寬調(diào)制DC-DC降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器為例，對提高手機發(fā)送效率的設(shè)計方案作分析。

2.1 采用擴展頻譜技術(shù)的低噪聲開關(guān)調(diào)節(jié)器

在最先進的3G手機中，所有部件都如此密集以至于不存在這種嚴重噪聲干擾可能性。況且由于成本及尺寸原因，采取屏蔽措施又不現(xiàn)實。采用開關(guān)調(diào)節(jié)器的其中一個代價是有可能產(chǎn)生諧波噪聲。但已成功使用的一項技術(shù)是使DC/DC轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)時鐘偽隨機抖動，這種力法及其所實現(xiàn)的擴展頻譜運作使開關(guān)頻率受一個偽隨機數(shù)(PRN)序列調(diào)制，以減少窄帶諧波。這其實是將噪聲“分散”到整個頻率范圍上，而不是集中在分別的諧波上。由于擴頻噪聲的峰值限度要低許多，故可極大地降低干擾。盡管這種方法中過去已成功地用分立組件實現(xiàn)，但工藝的改進已允許將擴頻技術(shù)包含到“更新的”DC/DC轉(zhuǎn)換器中，從而可節(jié)省極大的空間。以LTC3251開關(guān)調(diào)節(jié)器為例作說明。

在芯片上實現(xiàn)擴頻工作的一款I(lǐng)C LTC3251是輸出電流達500mA的高效、低噪聲及無電感器型降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器。LTC325l的擴頻振蕩器被設(shè)計成可產(chǎn)生頻率1MHz與 1.6MHz之間而周期為隨機變化的時鐘脈沖，這擁有將開關(guān)噪聲分散到整個頻率范圍上的好處。圖1為LTC3251引腳功能與應(yīng)用示意圖。

該開關(guān)調(diào)節(jié)器可避開線性穩(wěn)壓器的效率缺點，通過低阻抗開關(guān)及—個磁性存儲組件，可提供高達96%的轉(zhuǎn)換效率，故可極大地減少轉(zhuǎn)換過程中的功率損失。通過在較高的開關(guān)頻率(譬如大于2MH2)工作，可極人地減少外部電感器及電容器的尺寸。該開關(guān)調(diào)節(jié)器對最新3G手機而言是很有效的系統(tǒng)電源管理，例如用于圖像處理的應(yīng)用處理器上。

2.2 用低壓差、脈寬調(diào)制(PWM)DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器提高發(fā)送效率的方案

⑴ 低壓差、脈寬調(diào)制(PWM)DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器MAX1821可為WCDMA手機功率放大器(PA)供電設(shè)計，當(dāng)然，它也可以用于其它需要優(yōu)先考慮高效率的應(yīng)用。供電電壓范圍2.6V～5.5V，保證輸出電流達600mA，1MHz PWM開關(guān)頻率允許采用小尺寸外部元件，跳頻模式使輕載靜態(tài)電流降低至180?A。MAX1821可以動態(tài)控制，提供0.4V～3.4V的輸出電壓范圍。在電壓和電流的滿量程范圍內(nèi)，該電路的設(shè)計能夠保證在<30?s內(nèi)建立輸出電壓。MAX1821通過外部電阻設(shè)置輸出電壓，提供1.25V～5.5V固定輸出電壓范圍。

MAX1821具有一個低導(dǎo)通電阻的內(nèi)部MOSFET開關(guān)和同步整流器，大大提高了轉(zhuǎn)換效率、減少了外部元件數(shù);100%占空比在600mA負載下(包括外部電感電阻在內(nèi))允許壓差僅有150mV。圖2(a)所示為基于開關(guān)調(diào)節(jié)器技術(shù)以提高發(fā)送效率的設(shè)計框圖。

基站收發(fā)器系統(tǒng)(BTS)部件包括天線、無線電收發(fā)器、信號處理系統(tǒng)以及支持、控制硬件和軟件，見圖2(b)所示。

對于廣域蜂窩站，接收器—般通過雙上器模塊和塔頂部件連接到天線。塔頂部件由低噪聲放大器(LNA)組成，在發(fā)送端天線前饋連高功率放大器(HPA)。從圖2(a)中可看出，實際上是在電池與WCDMA功率放大器(PA)中嵌入MAX1821降壓型開關(guān)調(diào)節(jié)器，也組成了1MHZ脈寬調(diào)制降壓轉(zhuǎn)換器，其PWM開關(guān)頻率為1MHZ。

⑵開關(guān)調(diào)節(jié)器為WCDMA功放優(yōu)化配置，有利于提高發(fā)送效率的運行

實際上，重點是從系統(tǒng)性能的角度對特殊用途的MAX1820開關(guān)調(diào)節(jié)器有些什么樣的特殊性能作分析，從而優(yōu)化配置的運行也顯而易見了。

從圖2(a)可以清楚地看出，利用MAX1821這樣的高效率開關(guān)調(diào)節(jié)器能動態(tài)地調(diào)整WCDMA功率放大器的供電電壓，并使其跟隨功放的發(fā)送功率而變化，又剛好能滿足射頻信號的幅度要求。既可以提高電源的利用率，又減少了功率浪費。采用開關(guān)調(diào)節(jié)器高效率地實現(xiàn)這種調(diào)節(jié)，在峰值發(fā)送功率以外的任何工作條件下，都可大幅度地節(jié)省電池功率，見圖3所示。

圖3高效率開關(guān)調(diào)節(jié)器大幅度地節(jié)省電池功率圖

因為峰值功率只有在手機遠離基站/或數(shù)據(jù)傳送時需要.。從總體來講，這種方案的省電效果是非常顯著的。如果功放的供電電壓能夠在一個足夠?qū)挼姆秶鷥?nèi)高效率地動態(tài)調(diào)節(jié)，那么，就有可能采用固定增益的線性功放，省掉目前廣泛應(yīng)用于3G時代前電話的偏置控制。