利用自适应变化电源提高功率放大器效率

CDMA手机功放MAX2291

MAX2291是采用UCSp封装的线性RF功率放大器，针对工作在pCS波段的N-CDMA手机设计，通过修改输入、输出匹配电路，它还可以很好地工作在1920～1980MHz的WCDMA波段，电路如图1所示。该芯片包含用于强发射功率的输出通道和中等/低功率发射的输出通道，与其他功率放大器相比，它在低功率模式下能够供应较高的效率。通过外部偏置控制也可以调节增益和相邻信道功率抑制比，在较宽的工作范围优化系统。增大第一级功放的偏置电流，可提高增益、改善ACpR，但会损失一定的效率；增大第二级功率放大器的偏置电流，将会提高增益，但是效率和ACpR指标将会受到一定影响。最好的方法是根据功率需求动态调节功放偏置。例如，可以用电流输出DAC直接驱动BIAS引脚，也可以使用电压输出DAC。每个BIAS引脚出现一个大约1.1V的基准电压，接在该引脚与GND之间的电阻可以改变流入BIAS1H引脚的电流，假如用另外一个电阻接在BIAS1H引脚和电压输出DAC之间，DAC输出可以控制流入BIAS1H引脚的电流。当DAC输出电压低于1.1V时，将会有电流流出BIAS1H引脚，所以，假如采用DAC控制，DAC应该具备源出/吸收100A电流的能力。

在蜂窝电话应用中，平均发射功率为+12～+16dBm，因此功率放大器在中等功率下的效率关于延长电池的工作时间至关重要。MAX2291在功率调节方面做了许多改进，它在由大功率通道供应+27dBm输出功率时，具有+37%的功效，由低功率通道供应+16dBm输出功率时，也只有12%的功效。而且，当在两个通道之间进行切换时，信号的相位偏差超出了80°，要在基带部分进行处理和修正。改变MAX2291的电源电压，仅使用其大功率放大通道，是在中等功率或低功率下提高MAX2291功效的另一途径。MAX8506开关型调节器能够供应动态调节的输出电压，满足这一需求。从试验结果看，MAX2291可以在+16dBm输出功率下将功效提高到18.9%，ACpR为-38dBc，而且没有相位偏移，功放增益随着Vcc的降低而减小。

功放供电电路

MAX8506是600mA开关调节器，能够按照所要的输出功率为MAX2291供应变化的电源电压Vcc，其内部框图与应用电路如图2所示。MAX8506内部集成了一路pWM降压控制器和一个导通电阻为75mΩ的旁路场效应管，可以在0.4～3.4V范围内动态调节WCDMA或CDMAOne手机中功放的电源电压，当手机发送功率低于其最大值时，有助于提高功放效率。MAX8506有Hp和REF_IN两个控制引脚，Hp用于电源转换器旁路控制，大功率输出时，将Hp置为高电平，使MAX8506电源输出端通过内部MOSFET直接与电池连接，以降低满功率输出时的压差，此时，输入与输出之间的压差是负载电流与MOSFET导通电阻(典型值为75mΩ)与降压转换器和电感等效电阻并联值的乘积。REF_IN为外部基准输入端，与外部DAC连接可以动态控制输出电压，VREFIN至VOUT的增益由内部设置为1.76，能够在30s内响应VREFIN的变化，建立稳定的输出。图2中，输入电容须选用低等效串联电阻的电容，以降低高频输入纹波，普通的铝电解电容具有较大的ESR，应尽量防止使用此类电容。低ESR的钽电容和聚合物电容比较适合小尺寸设计，陶瓷电容的ESR最小，为了减小输入电源的峰值电流和噪声，可以在输入端接2.2～10F的低ESR电容。RC、CC、Cf为补偿元件，假如输出电容具有较低的ESR，也可以不使用Cf。电容CC用于积分互阻放大器的电流，对输出电容纹波取平均，设置器件的瞬态响应速度。由于经过一定相移的电容纹波不会干扰电流调节环路，该电路允许选用小尺寸的陶瓷输出电容。补偿电阻RC设置输出电压误差的比例增益，增大阻值可以提高控制环路对输出纹波的灵敏度。按照图中推荐的元件参数，可以在整个输出电压和负载电流变化范围内供应适当的相位裕量，保证电路稳定工作。MAX8506的外部电感需满足以下要求：电感量为4～6H，直流电阻低于400mΩ，饱和电流高于最大功放功率对应的负载电流与1/2电感峰值电流之和。

MAX8506的输出作为MAX2291主Vcc电源的电路连接如图3所示。利用WCDMA开发板进行测试，通过调节功率放大器的Vcc和RF输入功率达到所要求的输出功率和所希望的ACpR：-38dBc。然后记录消耗电流，计算效率。

测试设备采用AgilentE4433B信号发生器、AgilentE4406A测试仪、电源、RF耦合器、20dB衰减头和RF功率计。

E4433B选择3Gpp调制、上行链路、DpCCH+1DpDCH，AgilentE4406A用于测量ACpR。测试数据如图4所示，MAX2291输出功率为+27dBm时，由于MAX8506处于旁路状态，输入电源直接与输出连接，没有经过开关调节器，此时，在两种情况下MAX2291的功效均为34.6%。输出功率为+24dBm时，假如采用固定的+3.5V供电，功效为+25.7%；假如利用开关调节器供电，功效可提高至30.5%。输出功率只有+16dBm时，功效从8.3%提高到18.9%，并保持-38dBc的ACpR。输出功率为+10dBm时，pAE从2.8%提高到8.3%。