【導(dǎo)讀】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延長電池的工作時(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。小編特意找來這篇文章，相信今天給大家?guī)淼姆椒ㄒ欢〞?huì)讓大家大呼過癮！
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)。
1、簡介
當(dāng)前越來越多的手持設(shè)備要求滿足盡可能長的工作時(shí)間，常用的方式是：一方面，優(yōu)化系統(tǒng)軟件，將不用的軟件關(guān)掉以節(jié)省更多的電能，用來延長電池的工作時(shí)間，這在優(yōu)化應(yīng)用處理器的功率消耗非常有效；另一方面，優(yōu)化系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，采用低功耗、高效率的電源管理單元，這在優(yōu)化射頻單元和應(yīng)用處理器單元的功率消耗非常有效，SuPA 是專業(yè)用于射頻單元里驅(qū)動(dòng)功放的電源，除了繼承 DC-DC 的高的工作效率的優(yōu)點(diǎn)以外，它還采取了平均功率跟蹤技術(shù)（APT）用以配合射頻功放工作時(shí)不同功率對(duì)電壓的需求，動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出電壓給功放供電，從而滿足高效的工作效率。
2、什么是包絡(luò)跟蹤技術(shù)（Envelop Tracking）
簡而言之，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)（可以使用功放的查詢表 Look Up Table 或者又被稱為調(diào)理表 Shaping Table）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。圖 1、圖 2、圖 3 描述這個(gè)過程中的信號(hào)調(diào)理過程。
3、什么是平均功率跟蹤技術(shù)（Average Power Track）
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)（可以使用功放的參數(shù)查詢表 Look-Up-Table）來自動(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)起來更加簡單和方便，SuPA 當(dāng)前產(chǎn)品主要支持這種模式。
4、射頻功放的發(fā)展趨勢和特點(diǎn)
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，以下圖圖示為例，它的射頻電源單元可以支持 4 種帶寬的 GSM/EDGE 模式。
5、SuPA 在射頻單元中的位置
SuPA 是位于系統(tǒng)中的 RF 單元中給功放供電的位置，它在電池和功放之間，將電池電壓根據(jù)基帶單元和射頻單元提供的功率信號(hào)以及配合功放的自身特性信號(hào)轉(zhuǎn)換成功放的可以處于最優(yōu)工作模式的工作電壓，驅(qū)動(dòng)功放工作在高效模式，達(dá)到節(jié)省電能的目的。
6、APT 模式的 SuPA 工作機(jī)理
1. UCC27201 datasheet, Texas Instruments Inc., 2008
2. LM5035 datasheet, Texas Instruments Inc., 2013
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?，沒有很大的不同，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)載電流超過電感的電流極限時(shí)，那么 ACB 功能開關(guān) V3 就會(huì)進(jìn)入工作模式，將額外的負(fù)載電流承擔(dān)過來提供給負(fù)載，無需再經(jīng)過電感，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。
它的工作過程是：首先當(dāng)開關(guān)管 V2 導(dǎo)通時(shí)，V1 是斷開的，入口電源會(huì)給電感充電，此時(shí)電感兩端的電動(dòng)勢是左邊為“正”，右邊為“負(fù)”，當(dāng)電感充電完成后，V2 會(huì)斷開，V1 會(huì)導(dǎo)通，此時(shí)電感上的兩端電壓會(huì)反向，變?yōu)樽筮厼?ldquo;負(fù)”，右邊為“正”，于是電感中儲(chǔ)存的能量會(huì)經(jīng)過負(fù)載、V1 然后回流到電感的負(fù)極，此時(shí)的電感更像是一顆電池給負(fù)載供電。電感的充電和放電過程會(huì)周而復(fù)始的進(jìn)行，于是就會(huì)源源不斷的向負(fù)載提供連續(xù)的電流，它的數(shù)學(xué)表達(dá)式是：Vo=D*Vin，其中 D 是占空比，即 V2 導(dǎo)通的時(shí)間在整個(gè)開關(guān)周期內(nèi)所占的比例。
VCON 是用來接收來自射頻處理芯片組或者基帶芯片組的控制信號(hào)，這個(gè)信號(hào)會(huì)送進(jìn) SuPA 直流變換器控制單元，將輸出電壓和 VCON 電壓信號(hào)按照 A 倍的系數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，于是輸出電壓和 VCON 信號(hào)就會(huì)按照 A 倍的比率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即：Vo=A*VCON；當(dāng)入口電壓跌落或者負(fù)載電流意外增加時(shí)，造成變換器瞬間過流，于是就會(huì)開啟主動(dòng)電流輔助旁路功能（ACB）模式，V3 會(huì)將電池電壓或者入口電源的電壓調(diào)整后再接入系統(tǒng)，滿足瞬間大負(fù)載電流需求，但是當(dāng)入口電壓進(jìn)一步跌到與輸出電壓一致或者壓差在 200mV 以內(nèi)時(shí)，V3 就會(huì)立刻完全導(dǎo)通，進(jìn)入真正的旁路模式，這是 SuPA 的獨(dú)到的控制模式，比如 2G 的 PA 瞬態(tài)電流往往會(huì)超過 2A，于是旁路功能就會(huì)顯得非常重要；在 3G 或者 4G 時(shí)，電流需求量不會(huì)很大，于是 SuPA就工作在單一的 DC-DC 轉(zhuǎn)換模式，滿足高效率要求。
圖 8. SuPA 直流電壓轉(zhuǎn)換器功能簡化框圖， Io=Io1+Io2， Vin-Vo>0.2V, Io>1.45A
圖 9. SuPA 直流電壓轉(zhuǎn)換器功能簡化框圖， Io=Io1， Vin-Vo< 0.2V
7 SuPA 變換器高效率工作機(jī)理和效率曲線
SuPA 可以工作在高效省電和低噪音兩種模式，這兩種模式是自動(dòng)轉(zhuǎn)換的，當(dāng)負(fù)載電流低于 100mA 時(shí)，它工作在省電模式（PFM/ECO，開關(guān)頻率會(huì)自動(dòng)降低，減少開關(guān)損耗）；當(dāng)負(fù)載電流超過 100mA 時(shí)，它工作在低噪音模式（PWM，開關(guān)頻率恒定不變，滿足大負(fù)載電流輸出），這樣做可以保證 SuPA 在寬范圍內(nèi)的負(fù)載條件下，依然可以保持高效的工作狀態(tài)，達(dá)到節(jié)省電能的目的，延長手持設(shè)備的的工作時(shí)間。
SuPA 可以工作在高效省電和低噪音兩種模式，這兩種模式是自動(dòng)轉(zhuǎn)換的，當(dāng)負(fù)載電流低于 100mA 時(shí)，它工作在省電模式（PFM/ECO，開關(guān)頻率會(huì)自動(dòng)降低，減少開關(guān)損耗）；當(dāng)負(fù)載電流超過 100mA 時(shí)，它工作在低噪音模式（PWM，開關(guān)頻率恒定不變，滿足大負(fù)載電流輸出），這樣做可以保證 SuPA 在寬范圍內(nèi)的負(fù)載條件下，依然可以保持高效的工作狀態(tài)，達(dá)到節(jié)省電能的目的，延長手持設(shè)備的的工作時(shí)間。
8 APT 模式的 SuPA 的內(nèi)部電路框圖剖析
以 LM3242 為例做一個(gè)詳細(xì)設(shè)計(jì)說明，LM3242 是開關(guān)頻率為 6MHz 的面向 3G 和 4G 功放的驅(qū)動(dòng)電源，輸出電壓從 0.4V 到 3.6V 連續(xù)可調(diào)，帶有 ACB 模式（FB 管腳和 VIN 管腳之間的 MOSFET 承擔(dān)此功能，復(fù)用 FB管腳功能），最大輸出電流可以支持到 750mA （DC-DC 模式）和 1A（ACB 模式），支持自動(dòng)省電和低噪音模式；它的下一代產(chǎn)品 LM3243 可以支持高達(dá) 2.5A 的輸出電流，帶有單獨(dú)的 ACB 管腳實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式輔助電流旁路模式，因此 LM3243 可以支持到 2G/3G/4G 模式，功能更加豐富，適用范圍更寬。
從它的內(nèi)部功能框圖中可以看到，主開關(guān)管 V1 和 V2，承擔(dān)降壓變換功能，符合 Vo=D*Vin，而開關(guān)管 V3，承擔(dān) ACB 功能，F(xiàn)B 管腳被復(fù)用，承擔(dān)電壓反饋和 ACB 能量輸出作用；VCON 管腳是用來接收來自射頻單元或者基帶單元給出的模擬電壓信號(hào)，這個(gè)信號(hào)是由基帶單元和射頻單元的處理芯片將射頻信號(hào)信息以及射頻功放的特征信息經(jīng)過計(jì)算轉(zhuǎn)換成的可變電壓信號(hào)，這個(gè)可變電壓信號(hào)被送入 LM3242，使得輸出電壓跟隨這個(gè)可變輸入電壓信號(hào)，它們可以用數(shù)學(xué)公式描述：Vo=A*VCON，A=2.5，VCON=0.16V~1.44V。
9 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 14 是 LM3242 的典型原理圖，為了清楚闡述功率器件設(shè)計(jì)過程，下面將分為兩大部分進(jìn)行說明。
輸入、輸出電容設(shè)計(jì)考慮：
從圖 14 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，輸入端噪音可以來自兩個(gè)部分：第一，來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，來自于 LM3242的自身開關(guān)噪音，它的開關(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)于大容量的電容來說它可以濾除的頻率范圍相對(duì)來說窄一些，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，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。
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
Fsw………………………開關(guān)頻率，比如 LM3242，開關(guān)頻率是 6MHz
ΔIo……………………….電感內(nèi)部的紋波電流，可以?。?.2~0.5）Io
設(shè)計(jì)范例：
Vin=4.2V，Vo=3.4V，Io=0.75A，ΔIo=0.3*Io，F(xiàn)sw=6MHz，D=3.4/4.2=0.81
則：
從公式中可以看出來，紋波電流越小則電感量就會(huì)越大，越小的紋波電流則在輸出電容上產(chǎn)生的紋波電壓就會(huì)越?。y波電壓=輸出電容的 ESR*紋波電流），但是電感的尺寸會(huì)變大，不利于小尺寸設(shè)計(jì)，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，需要平衡電感量、紋波電流、電感尺寸之間的關(guān)系。在選擇電感時(shí)，除了要滿足電感量參數(shù)外，還要考慮電感的可以承受的最大電流，即 IRMS 電流值，同時(shí)還要考慮電感的飽和電流值，即 ISAT，如果流過電感的總電流ITOTAL=IDC+IRIPPLE 超過了 ISAT，那就會(huì)使得電感飽和而失去了電感特性，即由電感變成了導(dǎo)線，從而造成變換器失效而損壞，通常來說，工程上快速評(píng)估可以采取 1.5 倍的 Io 做為一個(gè)合適的選取標(biāo)準(zhǔn)，比如輸出負(fù)載電流為1A，那么選擇電感的有效電流 IRMS 為 1.5A 為宜；還要注意的是，盡量選取帶有屏蔽功能的電感，這樣可以減少DC-DC 變換器工作時(shí)對(duì)外部環(huán)境造成的干擾。
10 SuPA 的 PCB 設(shè)計(jì)和 PCB 板疊層設(shè)計(jì)
1. 功率器件的位置（輸入、輸出電容和電感）
如下圖所示，
從圖中可以看出入口電容C1和C2是放置在芯片PVIN管腳最近的位置，輸出電容是放在距離電感輸出端最近的位置，這樣做的原因是保持輸入端功率回路包含面積（芯片，C1和C2、地線組成的環(huán)路）以及輸出端功率回路面積（輸出電感、C3、C4、地線）最小，這樣可以有效減小開關(guān)電源噪音對(duì)外部環(huán)境的干擾，這是在射頻電路設(shè)計(jì)中需要仔細(xì)考慮的要點(diǎn)。
2. 功率器件與芯片間的連線和PCB板疊層定義
PCB 板疊層設(shè)計(jì)舉例：
表 層：用于連接流過大電流的連線，比如輸入、輸出電容、電感的電源線。
第二層：連接信號(hào)用的連線可以放置在此層，注意的是 FB 管腳是被復(fù)用的（做為 ACB 使用）會(huì)承載比較大的電流，因此需要使用 10mil 以上的線寬連接。
第三層：連接 SW 的連線可以放置此層，SW 是用來承載大于 1A 以上的峰值電流，因此線寬需要大于 15mil。
在某些應(yīng)用時(shí)甚至需要分配兩層同時(shí)放置 SW 銅線（兩層疊加），用于減小寄生電感，盡可能降低在此銅線上的dv/dt，即 SW 上的開關(guān)噪音振鈴幅值。
第四層：系統(tǒng)地層，它需要一層完整的銅箔作為地層，它可以作為芯片 SGND/PGND 的公共連接地層。
11 結(jié)論和主流射頻功放電源產(chǎn)品
當(dāng)今的手持設(shè)備功能越來越豐富，因此對(duì)于手持設(shè)備的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說挑戰(zhàn)性越來越高，在滿足高性能的同時(shí)盡可能延長續(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)品滿足未來的 4G 應(yīng)用。
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