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透過輸出功率概率分佈最佳化3G手機功率放大器設計
上網時間 : 2006年05月10日

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本文探討一種全新的功率放大器設計概念：其功率放大器的驅動電路在一般情況下都以中到低輸出功率工作，只有在需要高輸出功率時才啟動功耗較高的功率放大器電路。透過了解手機在實際使用情況下的輸出功率概率分佈，能在有限的電池容量下有效地延長通話時間，該技術不但可以有效地降低功率放大器的平均電流，而且實現非常簡單。
目前全球3G手機的普及率正呈現逐步上升趨勢，同時新推出的手機也整合了越來越多的功能，包括視訊攝影、百萬畫素攝影模組、自動對焦、相機閃光燈和用於照明的白色LED、MP3、MP4及JAVA遊戲等。為了提高網路的覆蓋率，有很多手機都採用雙模GSM/GPRS+CDMA、GSM/GPRS+WCDMA或整合嵌入式無線區域網路(WLAN)功能的設計，但面臨的最大問題就是手機電池的功耗和通話時間，如何節省電池功耗已經成為手機設計者必須面對的最迫切問題之一。
為手機傳輸訊號的功率放大器(PA)一直是手機中耗電量最大的零組件，因此有效地降低功率放大器的平均消耗電流將能大幅延長手機的通話時間。在本文中，我們將探討一種全新的功率放大器設計概念，其功率放大器的驅動電路在一般情況下都以中到低輸出功率工作，只有在需要高輸出功率時才啟動功耗較高的功率放大器電路。這種技術不但可以有效地降低功率放大器的平均電流，而且作業非常簡單。了解手機在實際使用情況下的輸出功率概率分佈，是在有限的電池容量下有效延長通話時間的重要基礎。
圖1：CDMA系統中手機輸出功率的使用概率分佈。

手機功率放大器的關鍵規格
線性度：功率放大器的線性度將直接影響到手機的性能，例如CDMA2000系統中的相鄰頻道功率比(ACPR)和WCDMA系統中的相鄰頻道泄漏比(ACLR)。為避免與其它頻道或系統間的相互干擾，不管在何種情況下，也不能為達到這些規格的要求而妥協。
功率加效率：功率加效率(PAE)是透過放大器取得輸出射頻功率和輸入直流功率的百分比：

傳統的3G功率放大器設計都把焦點放在如何在高功率模式下取得較高的PAE。例如，使用E-pHEMT(增強模式偽態高電子遷移率電晶體)的傳統CDMA功率放大器在+28dBm輸出功率時可以達到40%的PAE，但在中、低功率輸出時的PAE卻會降得很低。
當採用旁路高功率級3G功率放大器的設計概念，而不是試圖將高功率模式的效率最佳化時，我們將可專注於如何延長在高、中、低等功率模式等實際操作條件下的整體通話時間。如果能有效地選擇驅動電路的增益、功率輸出能力和線性度以及輸出級電路，包括通話時間在內的整體性能都可以大幅改善。

圖2：傳統和最佳化功率放大器的特性比較。

增益控制：在CDMA或WCDMA功率放大器上常見的偏壓控制基本上可以分為兩種，即類比偏壓控制和數位偏壓控制。類比偏壓控制較為複雜，部份原因是由於需要基頻晶片組提供穩定、可變的類比電壓，與提供較寬鬆的‘on’或‘off’數位控制電壓相對來說要困難許多。此外，改變類比控制電壓經常會影響到放大器的增益平穩度，使手機輸出功率的調節更加困難，因此最新的3G功率放大器設計一般都會採用數位控制。
功率放大器如何延長通話時間
在大部份情況下，提升功率放大器的高功率模式PAE僅能小幅改善通話時間。從圖1顯示的實際CDMA系統中，可根據手機輸出功率概率分佈函數的計算結果來證明這項假設。
如圖1所示，無論是在市區或郊區，手機的功率輸出大部份集中在-10dBm至+10dBm(中/低功率)範圍內，只有在少數距離基地台較遠的郊區才有可能長時間使用高輸出功率模式。如果只專注於改善高功率模式的PAE，其實並不能大幅延長通話時間，所以我們應該將重點放在提高中、低功率的PAE上。圖1同時顯示了幾種不同功率放大器模組(PAM)在低、中和高功率模式下工作時的相對電流消耗。與智慧型PAM或類比PAM相較，圖1中的傳統PAM在中、低功率範圍時耗電量最高。因為其增益幾乎在所有功率輸出範圍都維持固定，而智慧PAM因為採用數位偏壓調變，在中、低功率模式下不但可以微幅降低增益，還可以微幅改善電流消耗。類比控制PAM則在增益控制上使用可變的類比偏壓，雖然可以微幅改善通話時間，但是卻會造成大幅度的增益變動。另一方面，不管是第一代或第二代的CoolPAM技術，都採用獨特的數位偏壓切換和適當增益控制組合，可使CoolPAM放大器在中、低功率模式下大幅降低電流消耗，同時降低待機耗電量。
圖3：旁路高功率級的電路概念，可採用傳統開關或使用CoolPAM放大器的可變阻抗並聯傳輸線。

平均電流和通話時間的關係：
平均電流=∫ (PDF ( 電流) dp
通話時間正比於平均電流。(註：PDF為概率分佈函數，如圖1。)
功率放大器平均電流是每一種可能輸出功率模式之電流乘以在-50dBm到+28dBm輸出功率範圍內相對使用概率的積分，那麼通話時間就與這個平均電流的倒數成正比。
根據這個關係，平均電流實際上是受到系統中功率輸出概率分佈的影響，所以按照該原則所得到的3G功率放大器設計可以用來改善中、低功率的PAE，並降低中、低功率的電流消耗。
最佳3G PAM的設計概念
從圖2中可以看出，傳統的功率放大器通常以固定增益形式設計，在+28dBm輸出功率的高功率模式下一般可實現40%的PAE，但在+16dBm輸出功率時卻只能實現8%到10%，而且當輸出功率增加時，大部份功率放大器設計中的線性度和ACPR特性就會變得更差。特別是當功率放大器接近飽和時，ACPR值也將大幅提高，但對中、低功率模式來說，要符合ACPR規格並不困難。
最佳化的3G PAM設計概念通常會為高、中、低輸出功率設計兩種不同的增益。當手機需要在高功率模式下工作時，可將功率放大器設定為高增益模式，但在需要低輸出功率的情況下，也可支援低增益模式。透過改變功率放大器的增益，可大幅降低中、低輸出功率工作時的電流消耗。它可以提供大約20%的中等功率PAE，而傳統的僅能達到8-10%。雖然低功率低增益模式會對ACPR值的產生一定影響，但還是能夠提供足夠的餘量來滿足ACPR的限制要求。
最佳功率放大器的設計實現
這種旁路級功率放大電路(stage-bypass PA)的應用其實非常簡單。如圖3所示，當手機需要高輸出功率時，第二級電路的並聯開關就會打開，發送訊號便可透過兩個串接的功率級電路放大，達到+28dBm的輸出功率。而當手機只需中、低功率輸出時，該開關可以自動關閉，通過旁路第二級電路並關閉偏壓。因此在設計上主要的要求是第一級電路必須能提供中、低功率工作時所需的線性度和輸出功率容量。
圖4：不同功率放大器在市區和郊區的平均耗電量比較。

實現此旁路功能的最簡單方法就是使用電晶體作為開關，但缺點則是該電晶體也需要電流來工作，這種額外的電流消耗將會增加放大器的整體耗電量，因此CoolPAM功率大器是透過變更並聯傳輸線的阻抗實現切換功能。
平均電流的比較
如圖4所示，與傳統功率放大器相較，最佳化的功率放大器不管是在市區或郊區，都擁有較低的平均耗電。
平均電流是將每個輸出功率乘以概率分佈函數的總和加起來運算。對於在市區工作的傳統功率放大器來說，典型平均電流約為118mA，在郊區時則為136mA。兩種情況相較，採用旁路高功率級電路的3G功率放大器可實現大約36mA或更低的平均電流。如果採用一個850mA/H的電池，而且基頻晶片組的平均電流消耗為200mA，那麼傳統的功率放大器在市區的通話時間為160分鐘，在郊區則為152分鐘。具有消除額外功率消耗的旁路切換電晶體的CoolPAM功率放大器，如果在相同條件下，在市區的通話時間可以達到224分鐘，比傳統功率放大器還要高出64分鐘。
作者：張朝貴
應用工程師
安華高科技公司