CDMA/WCDMA蜂窝电话的射频功率降低

通过控制CDMA/WCDMA蜂窝电话中RF功率放大器的电源电压，您可以提高PA效率，最大限度地减少热量，并显著延长电话的数据/通话时间。

为了满足 IS95/3GPP 扩频标准中对线性度和相邻信道功率比 （ACPR） 的严格规范，CDMA/WCDMA¹ 无线手机需要高度线性的 A 类或 AB 类射频功率放大器。然而，当Po = 28dBm时，这种类型的PA的功率附加效率（PAE）最大值仅为35%左右，对于较低的功率水平，则要低得多。

PA 在语音模式下不连续运行。当电话用户不说话时，它会以一半的速率（50% 的时间）或八分之一的速率运行，因此不必担心电话在语音模式下会发热。但是，在数据模式下，PA连续运行，直到数据传输完成。低PA效率和连续PA操作的结合导致电池快速耗尽，由此产生的内部功耗也会使手机过热。

功耗是支持高速数据传输服务的早期WCDMA手机的主要问题。它迫使设计人员包括更大面积的散热器、更多的冷却气流和更大容量（更大）的电池。如果他们没有克服功耗问题，今天的手机将是笨重的。幸运的是，过去几年通过显著提高CDMA/WCDMA手机的PA功率效率，缓解了这个问题。

如何降低PA功率？

在CDMA/WCDMA系统中，PA的RF功率输出并不总是处于最大值。为了优化小区容量（基站可以处理的同时传输次数），每部移动电话控制其射频输出功率，以便每部手机在基站接收的有效信噪比水平相同。给定区域中许多电话的RF输出功率电平的概率分布表明，典型CDMA/WCDMA电话的平均输出功率在郊区条件下约为+10dBm，在城市条件下约为+5dBm。因此，提高PA效率的有用目标不是最大功率电平，而是+5dBm至+10dBm的近似范围。

如图1所示，CDMA/WCDMA功率放大器需要两个电源电压。V裁判为内部驱动器和功率放大器级提供偏置，V抄送偏置驱动器和功率放大器的集电极。通过调节这两个电压，可以降低PA电源电流。

图1.用于CDMA/WCDMA手机的典型功率放大器。

减少VREF

当传输零RF功率时，PA本身在消耗100mA的典型静态电流时VREF = 3.0V and VCC = 3.4V。减少VREF从3.0V到2.9V会导致静态电流下降约20mA。因此，通过降低VREF，可以显著节省PA静态电流，但不低于PA线性度和ACPR开始失效其规格的点。

如果有实验数据给出最小VREF支持为PA槽的每个输出功率电平所需的电压，可以主动耦合V的控制裁判通过 PA 的功率控制过程。如果这种方法太难，可以简单地在V中实现两步更改裁判对应于低功耗模式（< 10dBm）和高功率模式（> 10dBm）。要调整 V裁判通过基带控制DAC，使用具有高输出电流能力的低功耗运算放大器以及外部增益设置。

降低集电极偏置电压

在典型的无线手机中，PA V抄送直接从单节锂离子电池供电，从而产生工作电压抄送范围为 3.2V 至 4.2V。如上所述，统计数据显示，CDMA/WCDMA PA大部分时间的工作功率水平为+5dBm至+10dBm。在这些电平下，可以降低PA集电极偏置电压（V抄送），而不会损失PA的线性度，同时降低集电极偏置裕量过大的功率损耗。基于低功率水平的实验测试，可以保持与基站的正常通信，同时将PA集电极偏置一直降低到0.6V。

PA集电极的可变偏置电压由专门设计的高效DC-DC降压转换器提供。该转换器的输出电压使用基带处理器的专用DAC输出进行调整。

DC-DC 转换器控制 PA 功率和 PAE

控制PA集电极电压的DC-DC转换器必须快速响应控制信号。通常，转换器的输出电压应在基带处理器的模拟控制电压发生变化后30ms内稳定到新目标电压的90%以内。转换器芯片在其VCC-之间提供适当的内部增益控制输入和偏置PA集电极的输出电压。它还以高频开关，从而减小了电感的物理尺寸。

在PA和电池之间连接DC-DC转换器突出了一个问题，即在低电池电压下对高RF功率的需求。为了提供 28dBm RF 功率，同时保持 PA 线性度的规格，PA 制造商建议最低 VCC 3.4V。为了将35%的PAE保持在3.4V，还需要一个530mA的高PA集电极电流：

28dBm 射频功率：102.8mW = 631mW
所需 PA 功率 （VCC x ICC）： 631mW/（PAE/100） = 1803mW
所需PA ICC at 3.4V VCC: ICC= 1803mW/3.4V = 530mA

支持 3.4V VCC和 530mA I抄送，用于PA电源的DC-DC转换器需要一定的输入到输出裕量。例如，如果转换器内部p沟道MOSFET（P-FET）的导通电阻为0.4Ω，电感电阻为0.1Ω，则这两个串联元件上的压降将为（0.4Ω+0.1Ω）x530mA = 265mV。因此，当电池电压降至3.665V以下时，DC-DC转换器无法支持3.4V输出。

在这种情况下（电池电压低于3.665V），最好将PA集电极短接到电池。否则，无法访问锂离子电池的全部容量。通常，解决方案是通过并联一个低Rds（on）P-FET来旁路电感器和内部P-FET。该旁路 P-FET（可以是内部或外部）在高功率模式下将电池电压直接连接到 PA 集电极（图 2）。对于高射频功率和低电池电压的组合，这种旁路措施是必须做的。

图2.DC-DC 转换器（中间 IC）允许基带处理器严格控制 V抄送用于功率放大器。

优化PAE的最佳方法是连续调整PA集电极偏置。然而，这种方法需要工厂校准和复杂的软件，以确保在集电极偏置不断变化的情况下具有良好的PA线性度和ACPR。下一个最佳方法是分一系列步骤改变偏置电平，通常为两到四个（图3）。例如，一个四步系统可能包含抄送值 V巴特、1.5V、1.0V 和 0.6V。这种系统的整体效率几乎与连续控制PA集电极偏置的系统一样好，对于中低功率电平，电感器只需要支持小于150mA的峰值电流。

图3.DC-DC转换器为图2所示的功率放大器提供最大的功率附加效率（PAE）。

审核编辑：郭婷