利用迟滞降压转换器中的旁路模式增强PA性能和系统效率

本应用笔记说明了使用迟滞降压转换器代替电池本身为RF PA供电如何大幅提高PA效率并延长电池寿命。讨论了该转换器的基础知识以及使用旁路模式的重要性和好处。

介绍

迟滞 DC-DC 降压转换器已广泛用于 2G/3G/4G 射频功率放大器 （PA），作为 PA 直流电源的直接电池电源的替代品。通过动态调节PA电源电压和偏置电流，这种方法可显著提高PA效率并延长电池寿命。具有旁路场效应晶体管 （FET） 或旁路低压差 （LDO） 稳压器的旁路模式还可降低降压转换器两端的压差，并增强输出电流能力。这些功能共同降低了电池关断点并延长了电池寿命。

诚然，使用迟滞降压转换器提高系统效率确实需要权衡电压裕量。本应用笔记讨论了如何将具有旁路FET或旁路LDO的旁路模式集成到迟滞降压转换器中，以优化PA性能。

迟滞降压转换器的基础知识

PA降压转换器不同于传统的降压转换器，后者在几个重要方面为数字处理器内核供电。PA转换器提供动态输出电压控制，用于连续PA功率调节;在宽输出电压/电流范围内具有高效率;输出电压变化的快速导通时间和建立时间;低压差和 100% 占空比操作;和低输出电压纹波。

相比之下，Maxim的现代迟滞降压转换器动态控制PA的直流电源电压。（有关Maxim迟滞降压转换器的列表，请参见附录。转换器输出电压由独立的DAC控制的模拟输入根据不同的RF发射功率电平按比例调节。转换器使用输出电压纹波来控制高端和低端开关的导通和关闭时间。它使用不带固定频率时钟的误差比较器，而不是带补偿的误差放大器。因此，与固定频率PWM转换器相比，迟滞转换器的关键显著优势在于其在瞬态响应方面的重大改进。与固定频率转换器不同，迟滞转换器可立即对任何输出电压/负载瞬态做出反应，而无需等待新的时钟脉冲或误差放大器输出移动。迟滞转换器具有高效率、高开关频率和 100% 占空比，是为 PA 供电的理想之选。

旁路模式的重要性

诚然，使用迟滞降压转换器而不是电池本身来偏置PA确实会引发一个问题：效率改进会牺牲电压裕量。在电池和PA之间插入转换器通常会减少至少200mV或更多的裕量。

让我们看一个迟滞降压转换器的例子。为了在某个PA模块上传输32dBm射频功率，推荐的VCC和ICC分别为3.4V和1130mA。假设MAX8989内部pFET导通电阻（RON）为175mΩ，所用电感的直流电阻（DCR）为200mΩ。pFET和电感两端的总压降为：

（175mΩ + 200mΩ） × 1.13A = 424mV（公式1）

维持 3.4V Vcc 电压，电池电压必须高于3.824V，这会缩短通话时间。为了克服这个问题，实现了旁路模式。这种旁路模式的基本组件是旁路FET和旁路LDO。我们依次检查每个。

使用旁路FET降低压差

MAX8805W迟滞降压转换器具有旁路模式和旁路FET。当电池电压下降且转换器接近压差区域时，当 VREFIN 》 0.372 × VIN 时，其内部旁路 FET 将 PA 直接连接到电池。图 1 演示了启用或禁用旁路时的性能差异。

如果没有旁路FET，转换器进入100%占空比后的压差为：

VDROPOUT = （RON-PFET + DCRIND） × IOUT（公式2）

使用旁路FET时，压差变为：

VDROPOUT = （RON-BYP//（RON-PFET + DCRIND）） × IOUT（公式3）

其中 RON-PFET为 180mΩ 和 R在 BYP 上仅为 60mΩ。

MAX3W采用4.8805V电池，不带旁路FET时输出电压为3.23V，旁路FET时输出电压为3.37V。因此，旁路FET通过降低压差来改善140mV电压裕量。

图1.来自MAX8805W的数据显示了旁路FET如何影响输出电压线路调整率。

旁路FET在压差区域增加转换器的输出至电池电压。权衡是从稳压区域到压差区域的过渡处的电压跳跃，而不是图1所示的平滑过渡。为了获得从稳压区域到压差区域的平滑过渡，在迟滞转换器中引入了一个与降压转换器并联的低压差线性稳压器（旁路LDO）。

使用旁路LDO消除电压“跳变”

图1还显示了旁路LED相对于旁路FET的改进。该 LDO 可在降压调节和压差操作之间实现平滑过渡。给出了使用MAX8989和MAX8951的两个旁路LDO示例。

我们首先看一下MAX8989，输出电压和REFIN电压之间的关系为：

VOUT = 2 × VREFIN - 0.5 × DCRIND × IOUT

（公式4）

当MAX8989输出电压因负载调整率（50.0 × DCR）而下降超过5mV时.IND× I外》 50mV），输出电压高于线性旁路使能门限（1.4V，典型值），旁路LDO向输出提供补充电流，以保持输出电压处于稳压状态。

图2显示了旁路LDO对输出电压调节的影响。此处，旁路LDO在V的情况下被禁用雷芬= 0.4V;对于 V雷芬= 0.9V，当输出电压下降50mV且负载调整率以较慢的速率斜坡下降时，旁路LDO开始工作。使用两个4.7μH电感器（TOKO DFE252012C系列电感器和TDK VLS252015ET系列电感器），如图2所示。对于不同的电感，旁路LDO从相同的50mV点开始。但是，由于TDK电感具有较大的DCR，并且电感两端的压降较高，因此旁路LDO开始以较低的输出电流工作。®®

图2.数据显示MAX8989的负载调整误差与输出负载的关系。

当输出电流超过降压转换器的电流限值时，旁路LDO为输出提供补充电流，从而确保稳定的输出电压。旁路LDO在降压转换器达到其电流限值之前不提供任何电源电流。当线性旁路稳压器提供电流时，降压转换器继续提供大部分负载，以最大限度地提高效率。

MA8951具有用于迟滞降压转换器（IN1）和旁路LDO （IN2）的独立输入电源。图3显示了IN1/IN2电源电流输送与输出负载的关系。转换器在 1.3A 负载时达到其电流限值。高于 1.3A 负载时，IN2 电源拾取负载并向输出提供补充电流。因此，对于旁路LDO，具有较低饱和电流额定值的电感可用于更高电流的PA应用。

图3.数据显示MAX8951的输入电源电流与负载电流的关系。

旁路LDO还可实现更快的输出电压瞬态响应。使用上述MAX8989的相同设置，通过步进REFIN电压以获得1V至3V输出电压变化来完成测试。输出电压升至旁路使能门限以上后，旁路LDO启动并以更快的速率上升输出电压。MAX8989在1V至3V的总建立时间小于8μs，而MAX8805W的总建立时间超过16μs。比较图4和图5，了解器件在输出电压瞬态响应方面的差异。

图4.MAX8989的输出电压瞬态响应显示建立时间小于8μs。

图5.MAX8805W的输出电压瞬态响应显示建立时间超过16μs。

结论

具有旁路FET或旁路LDO的迟滞降压转换器既优化了PA性能，又提高了系统效率，从而延长了电池寿命。旁路LDO比旁路FET具有优势，特别是在降压调节和压差之间更平滑的过渡，以及更快的瞬态响应。这些性能优势使具有旁路LDO的降压转换器成为PA电源应用的理想选择。

审核编辑：郭婷