在手持設(shè)備中給射頻功放供電一直是一個(gè)比較難做的設(shè)計(jì)，因?yàn)橐环矫嫘枰岣呱漕l功放的工作效率用來(lái)延長(zhǎng)電池的工作時(shí)間，另一方面又不能在提高工作效率的同時(shí)降低功放的工作性能，所以必須為其提供一個(gè)滿足要求的高效直流電源。常規(guī)的方式是將功放的電源端與電池直接連接供電，但是這種工作模式會(huì)使得功放的工作效率變得很低，不能滿足高效低功耗要求。德州儀器公司推出的SuPA(Supply for Power Amplifier)系列的DC/DC產(chǎn)品從工作機(jī)理上做了創(chuàng)新，采用平均功率跟蹤(Average Power Track)技術(shù)和包絡(luò)跟蹤技術(shù)(Envelop Tracking)優(yōu)化了射頻功放工作時(shí)功率消耗，從而提高了功放的工作效率，延長(zhǎng)了電池的工作時(shí)間。本文著重闡述平均功率跟蹤技術(shù)的工作原理和SuPA的應(yīng)用設(shè)計(jì)，從而方便設(shè)計(jì)工程師能夠快速地理解和應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效的功放電源設(shè)計(jì)。
隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不斷增加，目前已經(jīng)由2G向3G和4G轉(zhuǎn)移，所以要求功放承擔(dān)更多的任務(wù)，因此要求功放具有更多工作模式和頻率帶寬滿足不同地區(qū)的制式，同時(shí)還要滿足更高的工作效率從而保持電池的長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航能力，因此為了滿足這種要求，使用ET模式或者APT模式的射頻電源就逐步成為趨勢(shì)。
包絡(luò)跟蹤技術(shù)(Envelop Tracking)及平均功率跟蹤技術(shù)(Average Power Track)
1. 包絡(luò)跟蹤技術(shù)
簡(jiǎn)而言之，就是在功放的工作電壓與輸入的射頻信號(hào)之間建立聯(lián)系使之實(shí)時(shí)互相跟隨，從而提高功放的工作效率的技術(shù)，按照理論計(jì)算，相對(duì)直接使用電池的供電方式，它可以幫助系統(tǒng)節(jié)省65%的功耗，SuPA的新一代產(chǎn)品將會(huì)支持此模式。它的基本原理是：射頻處理單元和基帶處理單元根據(jù)射頻信號(hào)、功率等級(jí)和功放的自身特性參數(shù)計(jì)算出包絡(luò)信號(hào)(Envelop signal)，同時(shí)射頻、基帶單元中的差分DAC會(huì)提供一個(gè)模擬參考信號(hào)，ET電源(ETPS)會(huì)將包絡(luò)信號(hào)放大，然后送往PA，于此同時(shí)PA會(huì)將RF信號(hào)放大，使得RF信號(hào)和PA的工作電壓跟隨，最后功放將放大后的信號(hào)送給雙工器，雙工器會(huì)把帶寬以外的信號(hào)衰減掉，同時(shí)將有用的信號(hào)凸顯出來(lái)。
2. 平均功率跟蹤技術(shù)
這種方式又稱為自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)方式(Adaptive Supply)，它是根據(jù)功放的預(yù)先輸出功率、結(jié)合功放的自身參數(shù)來(lái)自動(dòng)調(diào)整功放的工作電壓的技術(shù)，按照理論計(jì)算，相對(duì)于電池直接供電模式，它可以幫助系統(tǒng)節(jié)省40%的電能。相對(duì)ET方式，APT使用和設(shè)計(jì)起來(lái)更加簡(jiǎn)單和方便，SuPA當(dāng)前產(chǎn)品主要支持這種模式。
圖1：平均功率跟蹤(APT)模式，能量消耗區(qū)域，紅色部分為消耗區(qū)
APT模式的SuPA的優(yōu)點(diǎn)
SuPA電源變換器與傳統(tǒng)的同步整流降壓型直流變換器的內(nèi)部拓?fù)涫且恢碌模瑳](méi)有很大的不同，但是它的負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)和主動(dòng)負(fù)載電流輔助旁路控制(Active Current assist and Bypass)是做過(guò)優(yōu)化的，因此它可以滿足當(dāng)負(fù)載電壓和電流發(fā)生變化時(shí)可以快速響應(yīng)，主動(dòng)電流輔助旁路功能可以滿足當(dāng)入口電壓瞬間下降或者負(fù)載電流瞬間增加時(shí)，可以將變換器迅速切換成類似負(fù)載開(kāi)關(guān)模式，這樣做有兩個(gè)好處：第一，可以將電池能量快速提供給負(fù)載，滿足負(fù)載需求；第二，可以使用小尺寸、小電流電感，當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)電感的電流極限時(shí)，那么ACB功能開(kāi)關(guān)V3就會(huì)進(jìn)入工作模式，將額外的負(fù)載電流承擔(dān)過(guò)來(lái)提供給負(fù)載，無(wú)需再經(jīng)過(guò)電感，所以可以使用小尺寸的電感，滿足超緊湊設(shè)計(jì)要求，這在實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)中是非常重要的。
APT模式下SuPA的原理圖設(shè)計(jì)和關(guān)鍵功率器件設(shè)計(jì)：
圖2：LM3242的典型原理圖
圖2是LM3242的典型原理圖，為了清楚闡述功率器件設(shè)計(jì)過(guò)程，下面將分為兩大部分進(jìn)行說(shuō)明。
從圖2中可以看到輸入電容為1nF和10uF組合，這樣做的原因是可以濾除不同頻率的噪音，輸入端噪音可以來(lái)自兩個(gè)部分：第一，來(lái)自于輸入端電源總線上的噪音，比如總線還給其他負(fù)載供電，而這些負(fù)載的電源也是來(lái)自于DC/DC變換器，因此在電源總線就會(huì)疊加非常豐富的噪音；第二，來(lái)自于LM3242的自身開(kāi)關(guān)噪音，它的開(kāi)關(guān)噪音同樣會(huì)疊加在輸入端，因此可能會(huì)干擾總線上的其它負(fù)載芯片，所以實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，入口還會(huì)需要更多不同容值的電容才可以滿足濾除不同噪音頻率的要求，比如10pF或者100pF的電容也會(huì)用到，不同容值的電容所針對(duì)的最佳濾除頻率也是不一樣的，對(duì)于大容量的電容來(lái)說(shuō)它可以濾除的頻率范圍相對(duì)來(lái)說(shuō)窄一些，因?yàn)樗墓拯c(diǎn)頻率比較低，在拐點(diǎn)頻率之內(nèi)，電容的阻抗是呈下降趨勢(shì)，也就是表現(xiàn)的是容性特質(zhì)，但是拐點(diǎn)頻率之上，阻抗是呈上升特性，則表現(xiàn)的是電感特性，因此不再具有濾波作用，這也就是需要搭配不同容值電容的原因所在，因?yàn)樵胍纛l率非常豐富，一種容值的電容是不可能把寬頻帶的噪音全部濾除掉，另外還要注意同等容值、同等耐壓的小尺寸的電容表現(xiàn)出來(lái)的容性帶寬更寬一些，這主要是小尺寸的電容它的內(nèi)部寄生電感量更小一些、同時(shí)它的有效容量更低一些，因此表現(xiàn)出來(lái)的特性就是濾除噪音的帶寬更寬一些，從圖中可以看出小容量但是尺寸更小的01005封裝的電容，它可以濾除的噪音頻帶更寬。
圖3: 電容阻抗和頻率關(guān)系圖
輸出電感設(shè)計(jì)考慮：
功率電感的計(jì)算，一般可以參照下面公式進(jìn)行計(jì)算
Vo：輸出電壓，D：Vo/Vin，F(xiàn)sw：開(kāi)關(guān)頻率，比如LM3242，開(kāi)關(guān)頻率是6MHz；ΔIo：電感內(nèi)部的紋波電流，可以取(0.2~0.5)Io
結(jié)論和主流射頻功放電源產(chǎn)品
當(dāng)今的手持設(shè)備功能越來(lái)越豐富，因此對(duì)于手持設(shè)備的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)挑戰(zhàn)性越來(lái)越高，在滿足高性能的同時(shí)盡可能延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間是電源設(shè)計(jì)的終極目標(biāo)，本文所討論的SuPA 產(chǎn)品可以有效節(jié)省射頻單元的耗電量，盡可能把寶貴的能量留給其他應(yīng)用處理器，有效提高設(shè)備的工作時(shí)間，目前德州儀器公司出品了一系列產(chǎn)品去滿足不同射頻功放的要求，比如LM3242，LM3243，LM3262，LM3263以及支持既可以升壓又可以降壓的產(chǎn)品滿足未來(lái)的4G應(yīng)用。
