射频功放的功率优化及问题解决方案

引言

为争取更多的用户，全球3G网络基础设施在2008年已加速部署，其中在美国和欧洲的发展尤其快速。多家运营商都推出了相对廉价的无线数据计划，虽然这些计划在连接能力上有一定的限制，却增加了对网络应用软件的支持，如视频会议、互联网语音（VoIP）、简易邮箱和互联网浏览等，从而吸引用户使用。

随着手机的用途越来越广泛，用户对终端待机时间的要求不断增加，因此对电池能量的需求也相应上升，同时还不能影响通话时间。目前已推出的几款3G手机的使用时间都只有2小时~3.5小时，无法真正吸引终端用户。通话或连接时间实际上取决于手机与基站的连接质量，以及连接期间数据内容的密集程度。

功率优化的尝试及问题

在硬件方面，针对低功率模式工作和城区通话服务，手机设计人员已设法对射频收发器的功耗进行优化，特别是射频功放（RFPA）的功耗。运营商提供的统计数据显示，在这种情况下，手机的传送功率小于1mW。目前使用的RFPA中，大多数都具有低功率模式，即当射频功率低于1mW时，其耗电量为10mA或更小。此外，它们还经过优化，可在500mW左右时（最大射频工作功率级）获得最佳功率附加效率（PAE）（约为33%）。但问题在于，RFPA功耗约为 1W，会产生过多的热能，影响周围组件的性能。图1所示为PAE及功耗的典型变化与射频工作功率级的关系。

图1 双模W-CDMA RFPA的PAE

据3G网络运营商提供的功率分布统计数据，在城市地区，以语音功能为主的手机有90%~95%的时间都在1mW以下的功率下工作，使得这些条件下的通话时间达到5小时。

不过，当连接的数据容量较大，或用户位于郊外及低覆盖区域时，3G手机必须把发射功率提高到50mW以上，才能获得良好的信噪比。在这类情形下，一个未经过重新优化的RFPA会在2.5小时或更短时间之内就消耗掉电池的全部能量。

DC/DC转换器方案

最佳的解决方案是采用一个由电压控制的DC/DC转换器来动态调节RFPA的电源电压，以便在每一个射频功率级下都获得尽可能高的功率效率。这项技术被称为动态电压调节（DVS）技术（见图2）。

图2 利用DC/DC转换器实现3G射频功放动态供电

与直接由电池供电的RFPA 相比，采用DVS功率管理方案的RFPA在PAE上的改进如图3所示。

图3 双模W-CDMA RFPA与采用DVS技术的单模RFPA的PAE比较

图中可见，在16dBm~24dBm的功率范围内，后者节省了100mA电池电流；而在0dBm~16dBm的功率范围内，则可节省10mA电池电流。换言之，采用DVS解决方案的以数据功能为主的3G手机可节省高达20% 的电池能量，从而延长了数据连接时间。

采用DVS技术的另一大优势是，当电池充电至4.2V时，可把RFPA电压钳位在3.4V，从而使高电池电平下的发热量再降低20%。这样就可以减小散热器的尺寸，缩短PCB上集成组件的间距。

此外，利用DVS功率管理解决方案，射频工程师还能以单功率模式功放取代复杂的多功率模式RFPA，提高功率效率，减少生热，并降低材料清单的成本。

结语

DC/DC电源器件生产商所面对的要求是要提供适合于安装在射频前端模块内部，并尽量不影响基带或射频频谱的紧凑式解决方案。而真正的挑战是如何以亚微亨的电感（3.2mm2）取代面积相对较大的电感（约小于10mm2），使开关频率和开关噪声超过基带频率（》5MHz）。

责任编辑：gt