利用射频功率检测器和高效切换器增强CDMA PA功率

介绍 高数据速率的需求推动着移动通信系统从 2G 向 3G 迁移。这些系统中更高的数据速率为移动电话射频设计增加了更多的性能和规格要求。 为了在所占用频段上实现最高的频宽效率，第三代移动通信系统采用了提高频谱利用效率的线性调制方式，如正交相移键控、8 相移键控和正交幅度调制等。 这些非固定的包络调制方法要求在传输路径中使用线性射频功率放大器，以保持良好的邻道功率抑制比率（ACPR）和误差向量调制（EVM）特性。CDMA 使用的典型线性射频功率放大器采用 A 类结构，以满足线性度的要求。教科书上的 A 类放大器在 1dB 压缩点时的效率约为 30%。A 类放大器工作在低于 1dB 压缩点时其功率效率会下降。 在 IS-95 和 CDMA2000 系统中，射频功率放大器一般工作在距峰值功率或 1dB 压缩点 6dB 至 40dB 的回退点(back off)。（这意味着它工作在 1dB 压缩点以下 6dB 至 40dB。）因此，射频功率放大器大多数时间处于极低效率状态。然而，射频功率放大器是手机中最大的功耗部件。研究表明，在常规手机应用中，射频功率放大器消耗的电量占全部功耗的 20% 至 40%。 所以，我们知道降低射频功耗的极端重要性，只有这样才能实现更长的手机电池寿命，或更久的通话时间。 本文给出了一种简单的功率跟踪技术，用于提高射频功率放大器的效率。该技术采用了一个 dB 线性 RF 功率检测器, LMV225, 和一个直流-直流变换器开关。这种经改进的方法可通过一个直流-直流变换器，在两个不同输出功率级上切换射频功率放大器的 DC 供电电压（VCC）。射频功率检测器 LMV225可确定射频功率放大器的供电电压。现成的 CDMA2000 射频功率放大器可以采用这种技术提高手机的能量效率。 射频功率放大器 射频功率放大器是此类应用的核心。射频功率放大器与直流-直流变换器一起组成功率放大器的效率改进电路。SKY77152 是市场上很常见的 CDMA2000 射频功率放大器产品。根据它的产品规格书，在 1dB 压缩点附近，它可以有 40% 以上的功率增加效率, PAE。 CDMA 射频功率放大器通常有两个供电电压接脚，VCC 和 VBIAS，如图 1 所示。另外还有一个参考电压接脚，通常称为 VREF。任何情况下 VREF 都必须是 2.85V。可以用将 VREF 置为地电平的办法关断功率放大器。大多数 CDMA 射频功率放大器都有两种工作模式：高功率模式和低功率模式，可用VCONT接脚设置功率放大器的工作模式。当射频输出信号为高电平时，CDMA 射频功率放大器需要工作在高功率模式，以保持恰当的失真性能。如果输出信号电平相对较低，则可以将 CDMA RF 功率放大器切换至低功率模式。但是，这种切换有个副作用，即两条讯号路径的相移不同。这可能会造成基频处理与校正的问题。 图 2 是当直流供电电压 VCC 和 VBIAS 均被降低时，CDMA射频功率放大器的典型 POUT 与 PIN 特性。图中显示，可以采用降低射频功率放大器直流供电电压的方法获得输出射频功率。 功率增加效率 直流至射频效率（或称功率增加效率，PAE）定义如下： 尽管所有射频功率放大器厂家都以功率放大器在最大输出功率的峰值直流至射频效率作规格，但实际上射频功率放大器自身很少工作在这种峰值功率级上。而在手机应用中，高峰值功率在散发热方面有很重要的地位。另一方面，当输出射频功率较低时，射频功率放大器的 PAE 也会下降。 在电池供电的手机中，输出射频功率的概率分布（如图 3 所示）应被用作估算移动系统的平均效率来。这个平均效率表示了移动系统在实际工作中将电池能量转换为可用发射功率的能力。 如图 3 所示，大多数时候，IS-95手机的射频功率放大器的输出功率为少于 POUT = +15dBm。因此，在小信号级下提高射频功率放大器的 PAE 就很有意义。 公式 1 和公式 2 中显示出一种构想：通过降低射频功率放大器的供电电压VCC，即可以减少直流功耗 PDC。 看来提高射频功率放大器的 PAE 似乎是件非常简单的事，但是，在降低射频 功率放大器供电电压时，需要考虑几个重要规格。它们包括 ACPR，EVM 以及从一个供电电压转换到另一个电压的转换时间。 邻道功率抑制比率 邻道功率抑制比率（即 ACPR）定义为某个偏移频率的平均功率与传输频率的平均功率之比。表 1 显示 CDMA2000的性能要求。虽然 IS-95 或 IS-98 的空中介面对 ACPR 没有像 CDMA2000 那样的正式要求，但仍然建议手机射频设计者检查自己的设计是否满足表 1 的规格。不良的 ACPR 值表示传输路径的线性不足，因此，射频信号在进入基站的接收机之前会失真。 表1: 邻道功率抑制比率(ACPR) 空中介面 频率 频宽 偏移频率@ ACPR1 偏移频率@ ACPR2 Measurement Resolution Bandwidth IS-95 824-849MHz 1.25MHz %26;#177;885KHz %26;#177;1.98MHz 30KHz PCS 1850-1910MHz 1.25MHz %26;#177;1.25MHz %26;#177;1.98MHz 30KHz ACPR1=-42dBc And ACPR2=-54dBc 由于 CDMA2000 射频信号在不同的通道结构下会表现出不同的峰均包络，高波峰因数的射频信号会对相邻频道造成更多干扰。在测试射频功率放大器时，高波峰因数的通道结构应该采用最差情况测量法。 功率检测器 射频功率检测器使用射频输出信号，产生出一个经整流的直流电压，用以确定直流-直流变换器或切换器的输出电压。 在本应用中，选用 LMV225，因为它可从 0dBm 直到 -40dBm 范围内提供 40 dB 的 linear-in-dB 检测。 手机射频功率控制对保证 CDMA 系统平稳工作非常重要。由于所有用户都共享相同的射频频段，如 IS-95 中是 1.25MHz，那么每个用户对其它用户来说都是随机杂讯。因此，每个用户的发射功率都要进行细心控制，以防止任何一个用户对同一个射频频段内的其它用户造成干扰。 在按照应用框图使用时，LMV225 具备以下两种不同的功能： 第一种功能是前面提到的射频输出功率控制。 第二种功能是确定射频功率放大器的供电电压。本文的以下部分将讨论 LVM225 的第二种功能。 切换器或直流-直流变换器 切换器可使手机用到电池的整个电压工作范围，这样，即使在电池近于完全放电情况下（3V 以下），手机仍可以保持峰值性能。 一般情况下，这类应用中的切换器采用脉冲宽度调制模式（PWM）和旁路模式(BYPASS)。通常切换器工作在 PWM 模式，以提高手机的效率。在 PWM 模式下，可编程输出电压是 VCON 的函数。公式 3 显示 LM3200 可编程输出电压（SW）与控制电压（VCON）之间的关系。 美国国家半导体公司的射频功率放大器切换器完全适合这类应用。其中一个最新产品就是 LM3200。LM3200 能够产生一个在 0.8V 与 3.6V 之间、动态可变的输出电压，PWM 模式下负载电流高达 300mA，旁路(BYPASS)模式下则达 500mA。 设计考虑 在对本应用中每个功能块作简单讨论后，我们可以转向对设计步骤的说明。 假设我们要为一个 IS-95 射频功率放大器设计一个简单的效率增强电路。最大射频输出功率为 +28dBm，并用 LMV225 作射频功率检测器。公式 3 是切换器的可编程输出电压方程式。 图 3 为手机功率放大器的输出概率图，可以作效率优化工作的指南。此概念图显示，大多数时间里，CDMA 射频功率放大器工作在 +15dBm 或以下的输出功率上。如果我们在这个工作范围内降低 CDMA 射频功率放大器的直流功耗，则手机就可以节省相当多的电池能耗，延长使用时间。 最简单的办法是把 CDMA 射频功率放大器的供电电压设在最低值上，当输出射频功率为 +15dBm 以下。 图 4 显示了两种不同供电电压下（VCC=3.4 V 和 VCC=1.4V），CDMA 射频功率放大器的性能。VCC=3.4V 时的 1dB 压缩点约为 +28 dBm，而在 VCC=1.4V 时约为 +20dBm。图中还有两种情况下的三阶互调失真。 根据数据表，一般当 VCC=3.4V 时，CDMA 射频功率放大器从小功率直到 +28dBm 的所有功率上都可以使用。在 VCC=3.4V 情况下，POUT=+28dBm 时第三阶互调失真的水平比基础水平低 28dBc，C/3IM=-28dBc。在 VCC=1.4V 时，POUT=+15dBm 时三阶互调失真比基础水平低 30dB， C/3IM=-30dBc。 由于 ACPR 是互调失真的函数，我们可以预测：当VCC=1.4V 时 POUT=+15 的 ACPR 与 VCC=3.4V 时 POUT=+28dBm 一样好。基于这一点以及图 3 中的统计信息，我们可以将 CDMA 射频功率放大器的供电电压设为 VCC=1.4，当功率在 15 dBm 以下，从而减少电池的能耗。 图 5 显示了供电电压为 VCC=3.4V 和 VCC=1.4V 时的直流功耗，证实了节电的效果。工作点 A 是 VCC=3.4V 时 POUT=+15dBm，可以在第二个 Y轴读它的 PDC , 其PDC是+27dBm。当供电电压换为 VCC=1.4V 时，POUT=+15dBm 的工作点成为 AA。它的 PDC 为 +22.5dBm。 因此，供电电压从 VCC=3.4 到 VCC=1.4V 后的节能效果为：27-22.5=4.5dB。4.5dB 的效果相当于节省了 50% 的能量。 应用电路 图 6 是用于降低 CDMA 射频功率放大器电池能耗的应用电路。我们将切换器的控制电压设为 VCON=0.467V。这个 0.467V 可以用一个分压器从 VDD=2.8V 的电源得到。根据公式 3，这一 0.467V 将产生一个 VOUT=3*0.467=1.4V。然后，将 VOUT=1.4V 供给射频功率放大器的 VCC。当 POUT=+15dBm 或更低时，我们需要设置 BYPASS=Low，将切换器置于 PWM 模式。 LM225 用于检测是否切换器需要处于 Bypass 模式。我们用 R1= 1.8k( 作为分接电阻，实现射频功率放大器输出与 LMV225 输入端 31dB 的耦合。图 4 是 LMV225 响应与射频功率放大器 POUT 的关系曲线。在 POUT=+15dBm 时，检测电压 VDET=1.45V。 在本应用电路中，基带芯片要检查 VDET 的值。当 VDET 高于 1.45V 时，基带芯片向 BYPASS 发送一个逻辑高电平信号，将交换器置为 Bypass 模式。 10dBm 时的节能 这是另一种节省电池的例子。工作点 B 是在 VCC=3.4V 时 POUT=+10dBm。在这一供电电压下，POUT=+15dBm 的 PDC 约为 26dBm。如果我们将供电电压降低至 VCC=1.4V，则工作点变为 BB，而 POUT=+15dBm 时的 PDC 约为 20dBm。即有 6dB 的节能效果，或者功耗瓦数降低了 75%。 总结 我们已证实了将 LMV225 与切换器共同使用，从而降低 CDMA 射频功率放大器电池耗能方法的灵活性与优势。通过增加这种简单电路，我们可以在大多数 IS-95 和 CDMA2000 手机中常用的工作点上，节省 CMDA 射频功率放大器 50% 的直流功耗。