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利用SuPA给手持设备射频功率放大器供电

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在手持设备中给射频功放供电一直是一个比较难做的设计,因为一方面需要提高射频功放的工作效率用来延长电池的工作时间,另一方面又不能在提高工作效率的同时降低功放的工作性能,所以必须为其提供一个满足要求的高效直流电源。常规的方式是将功放的电源端与电池直接连接供电,但是这种工作模式会使得功放的工作效率变得很低,不能满足高效低功耗要求。德州仪器公司推出的SuPA(Supply for Power Amplifier)系列的DC/DC产品从工作机理上做了创新,采用平均功率跟踪(Average Power Track)技术和包络跟踪技术(Envelop Tracking)优化了射频功放工作时功率消耗,从而提高了功放的工作效率,延长了电池的工作时间。本文着重阐述平均功率跟踪技术的工作原理和SuPA的应用设计,从而方便设计工程师能够快速地理解和应用此项技术,实现高效的功放电源设计。  

射频功放的发展趋势和特点

随着数据业务的不断增加,目前已经由2G向3G和4G转移,所以要求功放承担更多的任务,因此要求功放具有更多工作模式和频率带宽满足不同地区的制式,同时还要满足更高的工作效率从而保持电池的长时间续航能力,因此为了满足这种要求,使用ET模式或者APT模式的射频电源就逐步成为趋势。

包络跟踪技术(Envelop Tracking)及平均功率跟踪技术(Average Power Track)

1. 包络跟踪技术

简而言之,就是在功放的工作电压与输入的射频信号之间建立联系使之实时互相跟随,从而提高功放的工作效率的技术,按照理论计算,相对直接使用电池的供电方式,它可以帮助系统节省65%的功耗,SuPA的新一代产品将会支持此模式。它的基本原理是:射频处理单元和基带处理单元根据射频信号、功率等级和功放的自身特性参数计算出包络信号(Envelop signal),同时射频、基带单元中的差分DAC会提供一个模拟参考信号,ET电源(ETPS)会将包络信号放大,然后送往PA,于此同时PA会将RF信号放大,使得RF信号和PA的工作电压跟随,最后功放将放大后的信号送给双工器,双工器会把带宽以外的信号衰减掉,同时将有用的信号凸显出来。

2. 平均功率跟踪技术

这种方式又称为自适应电压调节方式(Adaptive Supply),它是根据功放的预先输出功率、结合功放的自身参数来自动调整功放的工作电压的技术,按照理论计算,相对于电池直接供电模式,它可以帮助系统节省40%的电能。相对ET方式,APT使用和设计起来更加简单和方便,SuPA当前产品主要支持这种模式。

 
图1:平均功率跟踪(APT)模式,能量消耗区域,红色部分为消耗区

APT模式的SuPA的优点

SuPA电源变换器与传统的同步整流降压型直流变换器的内部拓扑是一致的,没有很大的不同,但是它的负载动态响应和主动负载电流辅助旁路控制(Active Current assist and Bypass)是做过优化的,因此它可以满足当负载电压和电流发生变化时可以快速响应,主动电流辅助旁路功能可以满足当入口电压瞬间下降或者负载电流瞬间增加时,可以将变换器迅速切换成类似负载开关模式,这样做有两个好处:第一,可以将电池能量快速提供给负载,满足负载需求;第二,可以使用小尺寸、小电流电感,当负载电流超过电感的电流极限时,那么ACB功能开关V3就会进入工作模式,将额外的负载电流承担过来提供给负载,无需再经过电感,所以可以使用小尺寸的电感,满足超紧凑设计要求,这在实际应用设计中是非常重要的。

APT模式下SuPA的原理图设计和关键功率器件设计:

 
图2:LM3242的典型原理图

图2是LM3242的典型原理图,为了清楚阐述功率器件设计过程,下面将分为两大部分进行说明。

输入、输出电容设计考虑

从图2中可以看到输入电容为1nF和10uF组合,这样做的原因是可以滤除不同频率的噪音,输入端噪音可以来自两个部分:第一,来自于输入端电源总线上的噪音,比如总线还给其他负载供电,而这些负载的电源也是来自于DC/DC变换器,因此在电源总线就会叠加非常丰富的噪音;第二,来自于LM3242的自身开关噪音,它的开关噪音同样会叠加在输入端,因此可能会干扰总线上的其它负载芯片,所以实际设计时,入口还会需要更多不同容值的电容才可以满足滤除不同噪音频率的要求,比如10pF或者100pF的电容也会用到,不同容值的电容所针对的最佳滤除频率也是不一样的,对于大容量的电容来说它可以滤除的频率范围相对来说窄一些,因为它的拐点频率比较低,在拐点频率之内,电容的阻抗是呈下降趋势,也就是表现的是容性特质,但是拐点频率之上,阻抗是呈上升特性,则表现的是电感特性,因此不再具有滤波作用,这也就是需要搭配不同容值电容的原因所在,因为噪音频率非常丰富,一种容值的电容是不可能把宽频带的噪音全部滤除掉,另外还要注意同等容值、同等耐压的小尺寸的电容表现出来的容性带宽更宽一些,这主要是小尺寸的电容它的内部寄生电感量更小一些、同时它的有效容量更低一些,因此表现出来的特性就是滤除噪音的带宽更宽一些,从图中可以看出小容量但是尺寸更小的01005封装的电容,它可以滤除的噪音频带更宽。

 
图3: 电容阻抗和频率关系图

输出电感设计考虑:

功率电感的计算,一般可以参照下面公式进行计算
 
Vo:输出电压,D:Vo/Vin,Fsw:开关频率,比如LM3242,开关频率是6MHz;ΔIo:电感内部的纹波电流,可以取(0.2~0.5)Io

结论和主流射频功放电源产品

当今的手持设备功能越来越丰富,因此对于手持设备的电源系统设计来说挑战性越来越高,在满足高性能的同时尽可能延长续航时间是电源设计的终极目标,本文所讨论的SuPA 产品可以有效节省射频单元的耗电量,尽可能把宝贵的能量留给其他应用处理器,有效提高设备的工作时间,目前德州仪器公司出品了一系列产品去满足不同射频功放的要求,比如LM3242,LM3243,LM3262,LM3263以及支持既可以升压又可以降压的产品满足未来的4G应用。

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  1. 写的 非常好 很详细