降低CDMA/W-CDMA蜂窝电话射频功耗的设计

为了满足IS95/3GPP扩频标准中规定的严格的线性和邻信道功率抑制比(ACPR)指标，CDMA/W-CDMA无线手机需要采用高线性度的A类或AB类RF功率放大器。在最大输出功率Po=28dBm下，这类PA的功效(PAE)只有35%，输出功率较低时功效更低。

语音模式下，PA并非工作在连续模式。用户没有通话时，手机工作时间为50%或1/8，因此在语音模式下无需考虑手机发热问题。然而，在数据模式下，PA在数据传输结束之前始终保持连续工作状态，较低的PA效率和连续的PA工作状态会大量消耗电池能量。另外，所产生的内部功耗也会导致手机过热。

对于早期的W-CDMA手机，为了支持高速数据传输服务，功率耗散成为一个关键问题，设计人员不得不使用较大面积改善散热条件，增强空气流通以便冷却设备，另外还要选用更大容量(尺寸更大)的电池。如果不克服上述问题，现在的手机可能依然停留在“笨重”的水平。值得庆幸的事，近几年由于CDMA/W-CDMA蜂窝电话PA功效的提高，上述问题得到了较大改进。

如何降低PA功耗?

在CDMA/W-CDMA系统中，PA的RF输出功率并非始终保持在最大值，为了优化蜂窝容量(基站能够同时处理的传输量)，每部手机需要控制其RF输出功率，以便基站对于每部手机保持相同的有效接收信噪比。从大多数手机在给定区域平均输出功率的概率分布看，CDMA/W-CDMA手机在郊区的平均输出功率为+10dBm，在市内的平均输出功率为+5dBm。因此，改善PA效率的目标应该定位于+5dBm至+10dBm，而不是最大输出功率。

如图1所示，CDMA/W-CDMA功率放大器需要两路电源电压，V_REF为内部驱动器和功放级提供偏置，V_CC为驱动器和功率放大器的集电极提供偏置。通过调节这两个电压可以降低PA的电源电流

降低V_REF

当发射RF功率为零时，在V_REF=3.0V、V_CC=3.4V，PA本身消耗电流为100mA(典型值)。如果将V_REF从3.0V降至2.9V，静态电流将降低20mA。由此可见，通过减小V_REF可有效降低PA的静态电流，但要保证PA的线性指标和ACPR满足规范要求。

如果试验数据给出了支持每级输出功率的最小V_REF电压，则可利用PA的功率控制处理器动态控制V_REF。如果这种方案设计过于复杂，则可简单地采用两级V_REF控制结构，只需控制低功率模式(<10dBm)和高功率模式(>10dBm)。通过基带控制DAC调节V_REF时，可使用具有大电流驱动的低功耗运算放大器，并配合外部增益设置。

降低集电极偏置电压

在典型的手机设计中，PA的V_CC直接由单节Li+电池提供，因此，V_CC工作电压的范围为：3.2V至4.2V。如上所述，概率统计表明CDMA/W-CDMA的PA大多数时间工作在+5dBm至+10dBm的输出功率，在这样的功率等级下，可以在不降低PA线性指标的前提下降低PA的集电极偏置电压(V_CC)，以达到降低功耗的目的。试验数据表明，在降低PA集电极偏置(低至0.6V)的情况下，手机可以始终保持与基站之间的正常通信。

采用专门设计的高效DC-DC降压转换器可以为PA集电极提供变化的偏置电压，转换器的输出电压利用基带处理器专用的DAC输出调节。

利用DC-DC转换器控制PA功率和PAE

DC-DC转换器必须能够快速响应控制信号，对PA的集电极电压进行控制。通常，转换器的输出电压应该在30ms内达到其目标电压的90%，跟随基带处理器模拟控制电压的变化。转换器芯片在V_CC-控制输入电压与输出电压之间提供适当的内部增益，偏置PA的集电极。这些转换器工作在较高的开关频率，以减小电感的物理尺寸。

在PA和电池之间连接一个DC-DC转换器会带来另外一个问题，即在低电池电压下如何保证大功率输出，为了在保证PA线性指标的前提下提供28dBm的RF功率，PA制造商建议V_CC的最小电压为3.4V。为了在3.4V电压下保持35%的PAE，还需要高达530mA的PA集电极电流：

28dBmRF功率：10^2.8mW=631mW
所需PA功率(V_CC×I_CC)：631mW/(PAE¤100)=1803 mW
3.4VV_CC时所需PAI_CC：I_CC=1803mW/3.4V=530mA

要保证3.4VV_CC和530mAI_CC,DC-DC转换器要求输入和输出电压之间有一定的裕量，如果转换器内部的p沟道MOSFET(P-FET)的导通电阻为0.4Ω，电感电阻为0.1Ω，两个元件串联后将产生：(0.4Ω+0.1Ω)×530mA=265mV的压差，当电池电压降至3.665V以下时，DC-DC转换器将无法支持3.4V的输出。

这种情况下(电池电压低于3.665V)，最好将PA的集电极直接与电池短路，以便充分利用Li+电池的能量。通常，可以利用一个并联的低导通电阻P-FET旁路电感和内部P-FET。这个旁路P-FET(内置或外置)在大功率模式下直接将电池电压接到PA的集电极(图2)。为了解决高RF功率和低电池电压问题，这种旁路措施是必需的。

优化PAE的最佳方案是连续调节PA的集电极偏置，这种方案需要工厂校准和调试软件，以确保集电极偏置连续变化时PA具有良好的线性度和ACPR指标。另一个折衷方案是按照若干等级设置偏置电压，通常为2级或4级(图3)。例如，一个4级的偏置设置系统，V_CC电压可能设置为：V_batt、1.5V、1.0V和0.6V。该系统的整体效率接近连续控制PA集电极偏置的系统效率，对于低功率和中等功率模式，电感只需要支持低于150mA的峰值电流。