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利用自适应变化电源提高功率放大器效率

摘 要:功率放大器IC的ACPR和效率指标通常针对最大输出功率进行优化,而蜂窝电话在绝大多数时间工作在中等功率或低功率状态,这期间的功放效率将明显降低。利用DC/DC转换器MAX8506提供变化的电源电压,能够有效改善中等功率或低功率模式下的功放效率,延长手机通话时间。

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%。

 

 


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