利用自适应变化电源提高功率放大器效率

　　CDMA手机功放MAX2291

　　MAX2291是采用UCSP封装的线性RF功率放大器，针对工作在PCS波段的N-CDMA手机设计，通过修改输入、输出匹配电路，它还可以很好地工作在1920～1980MHz的WCDMA波段，电路如图1所示。该芯片包含用于强发射功率的输出通道和中等/低功率发射的输出通道，与其他功率放大器相比，它在低功率模式下能够提供较高的效率。通过外部偏置控制也可以调节增益和相邻信道功率抑制比，在较宽的工作范围优化系统。增大第一级功放的偏置电流，可提高增益、改善ACPR，但会损失一定的效率；增大第二级功率放大器的偏置电流，将会提高增益，但是效率和ACPR指标将会受到一定影响。最好的方案是根据功率需求动态调节功放偏置。例如，可以用电流输出DAC直接驱动BIAS引脚，也可以使用电压输出DAC。每个BIAS引脚产生一个大约1.1V的基准电压，接在该引脚与GND之间的电阻可以改变流入BIAS1H引脚的电流，如果用另外一个电阻接在BIAS1H引脚和电压输出DAC之间，DAC输出可以控制流入BIAS1H引脚的电流。当DAC输出电压低于1.1V时，将会有电流流出BIAS1H引脚，所以，如果采用DAC控制，DAC应该具备源出/吸收100μA电流的能力。

　　在蜂窝电话应用中，平均发射功率为+12～+16dBm，因此功率放大器在“中等”功率下的效率对于延长电池的工作时间至关重要。MAX2291在功率调节方面做了许多改进，它在由大功率通道提供+27dBm输出功率时，具有+37%的功效，由低功率通道提供+16dBm输出功率时，也只有12%的功效。而且，当在两个通道之间进行切换时，信号的相位偏差超出了80°，需要在基带部分进行处理和修正。

　　改变MAX2291的电源电压，仅使用其大功率放大通道，是在中等功率或低功率下提高MAX2291功效的另一途径。MAX8506开关型调节器能够提供动态调节的输出电压，满足这一需求。从试验结果看，MAX2291可以在+16dBm输出功率下将功效提高到18.9%，ACPR为-38dBc，而且没有相位偏移，功放增益随着Vcc的降低而减小。

　　功放供电电路

　　MAX8506是600mA开关调节器，能够按照所需要的输出功率为MAX2291提供变化的电源电压Vcc，其内部框图与应用电路如图2所示。MAX8506内部集成了一路PWM降压控制器和一个导通电阻为75mΩ的旁路场效应管，可以在0.4～3.4V范围内动态调节WCDMA或CDMAOne手机中功放的电源电压，当手机发送功率低于其最大值时，有助于提高功放效率。MAX8506有HP和REF_IN两个控制引脚，HP用于电源转换器旁路控制，大功率输出时，将HP置为高电平，使MAX8506电源输出端通过内部MOSFET直接与电池连接，以降低满功率输出时的压差，此时，输入与输出之间的压差是负载电流与MOSFET导通电阻(典型值为75mΩ)与降压转换器和电感等效电阻并联值的乘积。REF_IN为外部基准输入端，与外部DAC连接可以动态控制输出电压，VREFIN至VOUT的增益由内部设置为1.76，能够在30μs内响应VREFIN的变化，建立稳定的输出。图2中，输入电容须选用低等效串联电阻的电容，以降低高频输入纹波，普通的铝电解电容具有较大的ESR，应尽量避免使用此类电容。低ESR的钽电容和聚合物电容比较适合小尺寸设计，陶瓷电容的ESR最小，为了减小输入电源的峰值电流和噪声，可以在输入端接2.2～10μF的低ESR电容。RC、CC、Cf为补偿元件，如果输出电容具有较低的ESR，也可以不使用Cf。电容CC用于积分互阻放大器的电流，对输出电容纹波取平均，设置器件的瞬态响应速度。由于经过一定相移的电容纹波不会干扰电流调节环路，该电路允许选用小尺寸的陶瓷输出电容。补偿电阻RC设置输出电压误差的比例增益，增大阻值可以提高控制环路对输出纹波的灵敏度。按照图中推荐的元件参数，可以在整个输出电压和负载电流变化范围内提供适当的相位裕量，保证电路稳定工作。MAX8506的外部电感需满足以下要求：电感量为4～6μH，直流电阻低于400mΩ，饱和电流高于最大功放功率对应的负载电流与1/2电感峰值电流之和。

　　MAX8506的输出作为MAX2291主Vcc电源的电路连接如图3所示。利用WCDMA开发板进行测试，通过调节功率放大器的Vcc和RF输入功率达到所要求的输出功率和所希望的ACPR：-38dBc。然后记录消耗电流，计算效率。

　　测试设备采用Agilent E4433B信号发生器、Agilent E4406A测试仪、电源、RF耦合器、20dB衰减头和RF功率计。

　　E4433B选择3GPP调制、上行链路、DPCCH+1 DPDCH，Agilent E4406A用于测量ACPR。测试数据如图4所示，MAX2291输出功率为+27dBm时，由于MAX8506处于旁路状态，输入电源直接与输出连接，没有经过开关调节器，此时，在两种情况下MAX2291的功效均为34.6%。输出功率为+24dBm时，如果采用固定的+3.5V供电，功效为+25.7%；如果利用开关调节器供电，功效可提高至30.5%。输出功率只有+16dBm时，功效从8.3%提高到18.9%，并保持-38dBc的ACPR。输出功率为+10dBm时，PAE从2.8%提高到8.3%。