基于DC/DC轉換器提高RF功率放大器效率

從功率預算的角度而言，直接由電池供電的射頻功率放大器(RF PA)是需要重點考慮的元件。傳統上，CDMA/WCDMA蜂窩標準中使用的射頻功率放大器都直接由電池供電，這種供電方式使系統很容易設計，但是，這種標準中使用的線性功率放大器在整個發射功率范圍內的實際效率很低。本文講述一種通過DC/DC轉換器提供高效RF PA系統電源管理的方案。

隨著蜂窩標準的不斷發展，傳輸速率已從CDMA-1標準中的14.4kbps發展到CDMA2000/WCDMA標準中的2Mbps。此外，為了增加從每個用戶獲得的平均收入，蜂窩通信運營商已開始增加與3G電話相關的服務。同時，通話時間和電池壽命也期望采用具有同樣或稍高一些容量的電池來獲得提高。這使得系統設計更富有挑戰性。系統設計師必須非常謹慎，對手機電路板上每一個元件的功率進行考察。從功率預算的角度而言，直接由電池供電的射頻功率放大器（RF PA）是需要重點考慮的元件。

CDMA和WCDMA采用的調制電路導致了一種表現為非常數振幅包絡的調幅信號的產生。為了保持信號的完整性以及促進頻譜再生，需要一種線性功率放大器。然而，由于功率放大器只有運行在增益壓縮條件下才能保持較高的效率，因而轉換效率并不高。為了達到所需要的線性，實際發射功率從功率放大器的壓縮點開始補償，這導致了效率的整體降低。當手機以發射模式工作時，由于功率放大器實際效率低，射頻部分的功耗將占功率總預算的65%。

圖1：舊方法與新方法

因此，采用磁性降壓轉換器供電是線性功率放大器的理想選擇，這將大幅度提高系統的效率。增加的功率效率（PAE）是功率放大器的主要性能指標。

PAE(%)= (POUT-PIN)/Pdc

使用DC-DC轉換器（功率放大器電源穩壓器）的主要目的是減少分母中的Pdc因子。當功率放大器與電池直接相連時，Pdc=Vbatt*Ibatt,而當它使用功率放大器電源穩壓器供電時，Pdc=V o*I o。現在我們能夠看出，為了增加PAE，V o和Io 必須低于Vbatt和Ibatt。這可以通過降低發射的射頻功率電平，降低功率放大器電源穩壓器的輸出電壓來實現。這樣也降低了Io （功率放大器的吸收電流），并且由于DC-DC轉換器的高效性，電池的輸出電流也會降低。

為了真正理解電源穩壓器為功率放大器帶來的功率節省，考慮面向不同調制方法的功率概率圖非常重要（見圖2）。功率概率圖在城市地區和鄉村地區會有所不同。

圖2：在標準手機中，功率放大器在大多數時間內發射低功率電平，采用功率放大器電源穩壓器會提高功率節省的概率。

如圖3所示，為了符合鄰道功率抑制比（ACPR）的要求，DC-DC轉換器的輸出電壓必須隨著發射功率電平的變化而變化。在0d Bm到20d Bm的功率電平范圍內，電池電流可節省多達50mA。圖2表示的是功率放大器在大多數時間內，運行在這樣的功率電平范圍內。

圖3：當功率放大器使用DC-DC轉換器供電時，電池電流的節省情況

圖4：當功率放大器由電源穩壓器供電時，功率節省的百分比

那么，當發射功率電平提高時，我們為什么必須改變DC-DC轉換器的電壓呢？答案是：這種改變是保持鄰道功率抑制比（ACPR）的需要。ACPR用于表示功率放大器的失真狀況和其他子系統或系統引起鄰信道干擾的趨向。它指的是主信道的功率譜密度（PSD）與在幾種不同的失調頻率下測量的功率譜密度的比值。

圖5：功率放大器的供電電壓和POUT怎樣影響ACLR