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編者按:手機(jī)等無線手持設(shè)備的電池功率有一半左右是被其射頻子系統(tǒng)中的功率放大器消耗掉的,因此如何高效地管理功放的功耗很大程度上決定了鋰電池的使用壽命。本文提出的一種解決方案可有效延長手持設(shè)備的數(shù)據(jù)/語音通信時間。
新一代網(wǎng)絡(luò)沖浪型手持設(shè)備現(xiàn)正陸續(xù)擺上零售商的柜臺。新型的蜂窩電話、智能電話和掌上電腦不僅比前幾代產(chǎn)品更為小巧漂亮,而且能夠以比傳統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器快許多倍的速度發(fā)送電子郵件、html網(wǎng)頁和圖片。
不過,系統(tǒng)設(shè)計者必須在不增加電池體積和重量的前提下,保證設(shè)備能維持足夠長的使用時間。在這些設(shè)備中,高效電源系統(tǒng)能節(jié)省大量毫安小時的模塊主要有三個:內(nèi)核處理器、彩色顯示器背光,以及蜂窩射頻系統(tǒng)。一種針對蜂窩射頻系統(tǒng)的解決方案就是:在非全功率發(fā)射時,使用降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器動態(tài)地降低功率放大器(PA)的供電電壓。
基本上,在任何一個系統(tǒng)中改善電池使用壽命的關(guān)鍵是弄清能量在哪里被消耗掉。在典型的手持式蜂窩射頻系統(tǒng)中,PA通常直接由鋰離子電池供電,而且它已按照峰值輸出功率時效率最高的準(zhǔn)則進(jìn)行了優(yōu)化。不過,因為在大部分發(fā)射時間里射頻系統(tǒng)都處于非全功率狀態(tài),所以在PA中的射頻信號通常幅度很小,不需要電池提供滿額電流。
因此,為了節(jié)省以前被浪費(fèi)掉的能量,我們可以借助一個高效的直流-直流降壓轉(zhuǎn)換器把PA供電電壓降下來。降壓調(diào)節(jié)器(如Maxim公司的MAX8503)和InGaP 異態(tài)結(jié)雙向三極管(HBT)PA(如Dynalinear技術(shù)公司的DT2032)的聯(lián)合使用可以降低窄帶CDMA射頻系統(tǒng)所需的電池電流并提高供電效率。
由于Dynalinear公司DT2030系列PA所需的空閑電流只有15mA,而且線性工作范圍可低到 Vcc,因此非常適于同MAX8500系列聯(lián)合使用；不過,其它PA也可能有類似的性能改善。為實現(xiàn)最高效率,PA保持良好的線性度并且在低Vcc電壓時具有足夠高的毗鄰頻道功率抑制系數(shù)(ACPR)是非常重要的。
盡管其它公司的開關(guān)調(diào)節(jié)器或許也能勝任,但MAX8500系列是專為手持無線射頻系統(tǒng)的PA供電而優(yōu)化設(shè)計的。這種調(diào)節(jié)器集成了一個P溝道旁路MOSFET,可用于滿功率發(fā)射時降低Vbatt和Vcc之間的壓降。這一特性在使用帶有大串聯(lián)電阻的小型電感時尤為重要。其它關(guān)鍵特性還有:輸出紋波低(5mVpp),PWM開關(guān)頻率固定在1MHz,在低輸出電壓下電源效率特別高,而PA絕大多數(shù)時間工作在低輸出電壓狀態(tài)。
因為印刷板的面積極為珍貴,因此人們寧愿犧牲一些效率也希望采用面積較小的方案。出于這個考慮,設(shè)計者常常采用兩步方案,即把Vcc設(shè)定在(低功率模式)或直接連接到電池(高功率模式)。由于開關(guān)調(diào)節(jié)器只用于產(chǎn)生電壓,因此一個額定電流為100mA的小電感就足夠了。同用于把調(diào)節(jié)器的電壓和電流連續(xù)調(diào)節(jié)到和500mA的電感相比,這個電感要小得多。在兩步方案中,低功率模式Vcc選取的一般原則是,在10dBm天線輸出功率下通話的時間最長。非常方便的一點就是,也是MAX8504預(yù)置的輸出電壓。
另一個可能的方法是四步方案,即把Vcc從Vbatt分步降低到、和。在這樣的系統(tǒng)中,整體效率幾乎等同于連續(xù)系統(tǒng),而所使用的電感比較小,只要能支持150mA 的峰值電流就行。
為全面比較Vcc的連續(xù)調(diào)節(jié)、兩步調(diào)節(jié)和四步調(diào)節(jié)的性能,可以把電池電流與都市語音、郊外語音和郊外數(shù)據(jù)三種模式的概率密度函數(shù)(PDF)相乘。由此得到的PDF和平均電池電流可以度量實際發(fā)射輸出功率與設(shè)備到基站的距離,以及被發(fā)射的信息(聲音或數(shù)據(jù))量的相關(guān)程度。雖然郊區(qū)數(shù)據(jù)PDF是一個估計值,但都市聲音和郊區(qū)聲音的PDF是在典型環(huán)境下測得并已成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
依據(jù)這個準(zhǔn)則,同不使用降壓調(diào)節(jié)器相比,很顯然在每一個模式下兩步方法平均節(jié)省大約40mA電流。類似地,四步方法節(jié)省52mA,而連續(xù)的Vcc調(diào)節(jié)節(jié)省還多一點,在數(shù)據(jù)模式下達(dá)到62mA。
盡管能量有節(jié)省,但開關(guān)調(diào)節(jié)器的印刷板面積(4×4mm)顯得太大了。不過,應(yīng)當(dāng)意識到它不僅集成了直流-直流降壓轉(zhuǎn)換器,而且還集成了低導(dǎo)通電阻旁路MOSFET、驅(qū)動MOSFET 門的電平變換電路,以及降壓轉(zhuǎn)換器的反饋網(wǎng)絡(luò)。如果用分立元件實現(xiàn)這些功能,占用的PCB板面積肯定會更大。
這款調(diào)節(jié)器的唯一缺點是在大功率旁路模式下,Vbatt和Vcc之間的壓降比理想值稍高:當(dāng)電流為500mA時達(dá)到100mV (典型值)。這個指標(biāo)會影響到電池的失效電壓,但它僅僅發(fā)生在需要全功率供電的情況下,而這出現(xiàn)的概率非常低。不過,在PA吸取的峰值電流相對較小的系統(tǒng)(如寬帶CDMA)中,這個指標(biāo)影響不大。此外,在采用連續(xù)Vcc調(diào)節(jié)時,旁路模式并不經(jīng)常使用,因為鋰電池電壓在和之間時降壓轉(zhuǎn)換器提供 的Vcc。在這種情況下,盡管設(shè)置的退役電壓要比理想值高100mV,但可以在電池正常工作壽命的絕大部分時間里降低電池電流,進(jìn)而延長最大功率情況下的數(shù)據(jù)/語音通信時間。
需要避免的第二個缺陷是在其它地方浪費(fèi)電池電流。對于RF設(shè)計者而言,采用降壓調(diào)節(jié)器來節(jié)省40-60mA是極為常見的方法,盡管使用低效率白色LED背光驅(qū)動器的基帶設(shè)計者可以隨手浪費(fèi)掉40-60mA。現(xiàn)有一些特小體積、特高效率的白色LED驅(qū)動器采用分離式充電泵,它們都以固定頻率工作并保持在低紋波狀態(tài),從而可避免干擾靈敏的RF電路。
增加產(chǎn)品的體積和成本(例如加入MAX8500)來延長數(shù)據(jù)/語音通信時間的做法值得嗎？這是一個復(fù)雜的問題,其答案取決于消費(fèi)者的期望。盡管歐洲和美洲制造商表示感興趣,但他們是否以及何時會實現(xiàn)這種方法依然不明朗,或許他們會選擇其它方案,例如犧牲一些通話時間以使產(chǎn)品價格便宜點、體積小一點。
作者:Karl R. Volk
應(yīng)用工程師
Maxim公司
