利用SuPA（LM32XX）给手持设备射频功率放大器供电

摘要

在手持设备中给射频功放供电一直是一个比较难做的设计，因为一方面需要提高射频功放的工作效率用来延长电池的工作时间，另一方面又不能在提高工作效率的同时降低功放的工作性能，所以必须为其提供一个满足要求的高效直流电源。常规的方式是将功放的电源端与电池直接连接供电，但是这种工作模式会使得功放的工作效率很低，不能满足高效低功耗要求。德州仪器公司推出的SuPA（Supply for Power Amplifier）系列的DC-DC 产品从工作机理上做了创新，采用平均功率跟踪（Average Power Track）技术和包络跟踪技术（Envelop Tracking）优化了射频功放工作时功率消耗，从而提高了功放的工作效率，延长了电池的工作时间。本文着重阐述平均功率跟踪技术的工作原理和SuPA 的应用设计，从而方便设计工程师能够快速地理解和应用此项技术，实现高效的功放电源设计。

1、简介

当前越来越多的手持设备要求满足尽可能长的工作时间，常用的方式是：一方面，优化系统软件，将不用的软件关掉以节省更多的电能，用来延长电池的工作时间，这在优化应用处理器的功率消耗非常有效；另一方面，优化系统的硬件设计，采用低功耗、高效率的电源管理单元，这在优化射频单元和应用处理器单元的功率消耗非常有效，SuPA 是专业用于射频单元里驱动功放的电源，除了继承DC-DC 的高的工作效率的优点以外，它还采取了平均功率跟踪技术（APT）用以配合射频功放工作时不同功率对电压的需求，动态调整输出电压给功放供电，从而满足高效的工作效率。

2、什么是包络跟踪技术（Envelop Tracking）

简而言之，就是在功放的工作电压与输入的射频信号之间建立联系使之实时互相跟随，从而提高功放的工作效率的技术，按照理论计算，相对直接使用电池的供电方式，它可以帮助系统节省65%的功耗，SuPA 的新一代产品将会支持此模式。它的基本原理是：射频处理单元和基带处理单元根据射频信号、功率等级和功放的自身特性参数（可以使用功放的查询表Look Up Table 或者又被称为调理表Shaping Table）计算出包络信号（Envelop signal），同时射频、基带单元中的差分DAC 会提供一个模拟参考信号，ET 电源（ETPS）会将包络信号放大，然后送往PA，于此同时PA 会将RF 信号放大，使得RF 信号和PA 的工作电压跟随，最后功放将放大后的信号送给双工器，双工器会把带宽以外的信号衰减掉，同时将有用的信号凸显出来。图1、图2、图3 描述这个过程中的信号调理过程。

图1、包络信号系统简图

图2、被包络跟踪电源（ETPS）放大后的信号图PA_GAIN

图3、包络跟踪电源（ETPS）输出的电压信号与射频信号包络跟踪图

3、什么是平均功率跟踪技术（Average Power Track）

这种方式又称为自适应电压调节方式（Adaptive Supply），它是根据功放的预先输出功率、结合功放的自身参数（可以使用功放的参数查询表Look-Up-Table）来自动调整功放的工作电压的技术，按照理论计算，相对于电池直接供电模式，它可以帮助系统节省40%的电能。相对ET 方式，APT 使用和设计起来更加简单和方便，SuPA 当前产品主要支持这种模式。

图4、平均功率跟踪（APT）模式，能量消耗区域，红色部分为消耗区

图5、直接电池供电模式，能量消耗区域，红色部分为消耗区

4、射频功放的发展趋势和特点

随着数据业务的不断增加，目前已经由2G 向3G 和4G 转移，所以要求功放承担更多的任务，因此要求功放具有更多工作模式和频率带宽满足不同地区的制式，同时还要满足更高的工作效率从而保持电池的长时间续航能力，因此为了满足这种要求，使用ET 模式或者APT 模式的射频电源就逐步成为趋势，以下图图示为例，它的射频电源单元可以支持4 种带宽的GSM/EDGE 模式。

图6、4 种带宽的功放可以共同使用一个射频电源单元，输出电压可以由0.5V到3.4V自动调节

5、SuPA 在射频单元中的位置

SuPA 是位于系统中的RF 单元中给功放供电的位置，它在电池和功放之间，将电池电压根据基带单元和射频单元提供的功率信号以及配合功放的自身特性信号转换成功放的可以处于最优工作模式的工作电压，驱动功放工作在高效模式，达到节省电能的目的。

图7、SuPA 在系统中位于电池和PA之间承担电压转换功能

6、APT 模式的SuPA 工作机理

1. UCC27201 datasheet, Texas Instruments Inc., 2008
2. LM5035 datasheet, Texas Instruments Inc., 2013

SuPA 电源变换器与传统的同步整流降压型直流变换器的内部拓扑是一致的，没有很大的不同，但是它的负载动态响应和主动负载电流辅助旁路控制（Active Current assist and Byp