2G至3.5G蜂窝移动设备的高效RF功率管理

大家是否注意到人们对移动设备，尤其是对智能手机的着迷程度到了何种地步？人们在用智能手机进行网络冲浪、查收和编写电子邮件、玩网络游戏或者更新社交网络等活动。所有这些活动，外加拨打语音电话，都要消耗电池的能量，从功率放大器(PA)到显示器和内核芯片组，它们要消耗大量的能量。最终，锂离子电池的体积也只能适当增加，以保证智能手机不至于过于笨重。

但是却有几种方式可以让用户感到满意，避免经常为智能手机充电，或者在不适当时间电池电能耗尽的现象出现。智能手机中功率放大器消耗的功率大约占总体30%，在网络覆盖情况较差的区域，这个比率会高达70%。一般要求智能手机和手机具有兼容前几代蜂窝网络协议的能力，现今大多数手机均具有所谓的HEDGE-enabled功能，这意味着它们能够支持HSUPA、HSDPA、WCDMA、EDGE、GPRS和GSM。换言之，3.5G(HSUPA和HSDPA)手机支持3G(WCDMA)和2G(EDGE、GPRS和GSM)技术。目前市场上还有支持CDMA2000 1x EV-DO和TD-SCDMA等3G蜂窝技术的其它手机，它们也消耗大量功率。

不论是3G还是2G，功率放大器都会消耗大量功率，所以需要一种有效的方法来获得更长的通话/工作时间。不论是在进行语音通话，还是将数据从手机发送到基站，功率放大器均要消耗功率。在接收效果较差的区域，则需要更高的输出功率水平，这就意味着更高的功率消耗。对于3G功率放大器和GSM/EDGE功率放大器模块(PAM)的EDGE部分而言，不仅需要特定水平的输出功率，还要求具有足够的线性度，以确保向基站发送信号的保真度。

对于功率放大器外围的技术，已经开发出两种有效方法：DC-DC转换器和包络跟踪。第一种方式是更为流行的解决方案，飞兆半导体公司用于2G/3G功率放大器的6W、3MHz/6MHz降压转换器FAN5904就针对这种应用。该产品是为了支持GSM/EDGE PAM和3G/3.5G PA而专门设计，因为在手机中线路板空间十分珍贵，设计人员无需再使用两个独立的降压转换器。FAN5904支持从WCDMA到HSUPA+，以及世界流行的CDMA200 1x EV-DO等3G无线标准。此外，该器件还支持中国的3G标准TD-SCDMA，以及用于更高数据传输率的TD-SCDMA信号调制下的HSUPA。随着兼容GSM/EDGE、支持TD-SCDMA的"TEDGE"手机的出现，FAN5904将是一种理想的解决方案。

FAN5904与基带处理器和功率放大器配合工作，以达到降低功耗的目的。基带芯片组将会根据从基站接收到的信息来设定输出功率水平，然后将其转换成电源电压，以便FAN5904可以为功率放大器供电。图1的系统应用示意图显示了FAN5904与基带芯片组、射频收发器和功率放大器之间的接口情况。为了生成正确的、相应于输出功率的电源电压，要求基带芯片组的固件能够包含Tx AGC/POUT查找表(LUT)中的另一列内容。

图1. FAN5904与基带处理器、射频收发器和3G功率放大器以及GSM/EDGE功率放大器模块的系统应用示意图

表1所示为针对某个HEDGE手机的WCDMA和HEDGE端口，如何配置查找表(LUT)的例子。该表格针对Avago的3G功率放大器，分为高、中和低功率模式三个主要部分。其它功率放大器因结构不同而具有不同的设置。高、中和低功率模式分区下各列内容为该模式下的输出功率及其相应的VCON电压，这些电压是基带处理器生成的电压，通知FAN5904为功率放大器提供正确的输出电压，获得特定的输出功率。GSM和EDGE则需要不同的查找表。

表1: 针对某个HEDGE手机的WCDMA和HEDGE端口，如何配置查找表(LUT)的例子

基带处理器能够针对输出功率水平，动态调节功率放大器的电源电压，从而降低功率放大器消耗的电流。这样便得到两种重要结果：一是降低了电源电压和电流，使得散热减少；二是延长了智能手机的通话时间和数据使用时间。在高输出功率或者大电流负载情况下，FAN5904会以6MHz的PWM模式工作，但在要求"中"或"低"输出功率时，它会自动转换至脉冲频率调制(PFM)模式。在PFM模式下，转换器以更低的开关频率工作，以保持更高的效率。图2和图3针对WCDMA (语音和数据)信号调制的DG90功率分布函数，显示使用与未使用FAN5904的3G功率放大器的性能。对于语音通话，FAN5904在大部分时间工作于PFM模式，因为根据DG09曲线，PFM模式占用的时间少于输出功率高于18dBm时间的10%。恰恰相反的是，为了保证接收器的信噪比，在数据传送模式下则要求保证更高的"每bit能量"，所以在数据传送模式下，输出功率为16dBm或者以上的时间占据33%。

图 2. WCDMA信号调制和1000mAh锂离子电池条件下，使用和未使用FAN5904的3G功率放大器的通话时间分析

图 3. WCDMA信号调制和1000mAh锂离子电池