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标题: 选择合适功放来缓解LTE设备电量饥渴 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-11 08:47
标题: 选择合适功放来缓解LTE设备电量饥渴
目前，现代智能手机和高吞吐量4G网络的功能与设计已远超好几年前。然而，实现出色的移动宽带体验并不是一件容易的事。今天的智能手机必须包含大量的功能，包括高清晰屏幕、高分辨率摄像头、扬声器、各种连接选项和快速的处理器。这给手机设计带来了严峻的挑战，设计师们必须千方百计寻找在手机内减小三维尺寸的方法。因此，设计师们转而寻求RF元件制造商的帮助，以期获得实现更高集成度和/或更高效率的方法。

支持多模多频要求增加RF前端空间

随着设备多媒体功能的增加成为设计的趋势所在，RF部分对于频段和模式的需求也在增加。世界范围内对LTE的采用要求制造商需要在移动设备的RF部分增加频段数目及相关的元件。这就给RF设计师带来了极大的压力，他们需要开发出具有更高集成度的新型解决方案来减少多模式多频段RF元件的空间需求。

LTE网络在世界范围内的部署通常是在现有的3G WCDMA/HSPA网络上进行“覆盖”。许多LTE网络首先在国际大都市区域被使用，在覆盖区域内还包含WCDMA、HSPA和HSPA+网络。为了提高针对移动用户的持续数据服务，LTE手机及其他设备必须能够在LTE信号强度变低的时候切换至3G网络，然后在另一地点时重新连接至LTE网络。现在许多4G智能手机支持2G GSM/EDGE、3G WCDMA/HSPA+以及两个或更多的LTE频段，已经是平常的事了。

3G和4G模式下功放的电流消耗

多模式和多频段的使用不仅增加了对RF前端空间的需求，还降低了电池续航时间。移动设备的RF功率等级由设备所处环境中的信噪比(SNR)和网络要求决定。典型的工作功率等级从手机搜寻网络时的+23dBm到手机在有极好SNR区域内工作时的-20dBm或更低。

由GSM协会在其TS09程序中颁布的测量电池续航时间的功耗分布是在典型WCDMA网络中计算3G设备采用不同功率等级发射的相对时间的实用指南（图1）。TS09分布显示移动设备在许多不同输出功率等级典型的概率，最大的可能性发生在低功耗和中等功耗区。

图1：TS09 TX功率分布特性。

对于该Tx功率分布来说，在低功耗等级优化功放的电流消耗对于延长电池的续航时间或帮助减小电池的尺寸非常重要。此类优化首先由ANADIGICS采用其HELP?（低功率下的高效率）功放成功实现。此类功放采用先进的电路设计技术及功放增益模式来有效增加低功率和中等功率模式下的效率（图2）。

图2：ALT6701 Pout与效率的关系。

LTE网络对移动设备提出了不同的要求。当CDMA和WCDMA网络要求电话大部分时间在功率回退下使用，而LTE网络在数据传输时通常要求短脉冲的高功率RF发射。由于功放大部分时间在高功率模式下运行，因此所消耗的电流将比TS09上所示的功耗要高（图3）。

图3：LTE TX功率分布特性。

更大的电池容量将使LTE智能电话有更长的工作时间。在拥有更多高端智能电话的今天，电池在尺寸和重量上都是其中唯一一个最大的元件。因此，许多移动设备制造商都在反复检查RF前端，寻找提高效率的方法，以便设计师能够通过减小电池尺寸来节约空间和成本。

获得3G和4G功放的高效率

要设计一个在高功率模式下具有高效率和低电流消耗的功放并不是件容易的事情，因为先进的无线通信对于输出功耗和线性增益都有要求。为了实现高效率，ANADIGICS功放设计师采用创新科技在不同的功率等级创造更高效的放大链路。 WCDMA和LTE设备需要不同的功放结构（图4）。 ANADIGICS HELP4?功放针对低功率、中等功率和高功率模式进行了优化，为固定的电源提供世界级的效率和比TS09 WCDMA功率分布更低的平均电流。

图4：ANADIGICS专有功放结构。

ANADIGICS的ProEficient?功放采用不同的架构设计，可以在高功率模式下拥有更高的效率。新的ProEficient?功放能在高功率模式下实现更长的数据应用，提供更出色的效率，在中等功率模式下提供更长的通话时间（图5）。该性能无需DC/DC转换器就能实现，能将RF前端的空间要求最小化，降低电流消耗，让制造商能够延长电池续航时间或降低电池容量。

为实现更为卓越的空间节省，ANADIGICS的新ProEficient?系列功率放大器也同样采用双频段配置。与现有单频段解决方案相比，这些新型器件通过结合两个采用紧凑型3 mm × 4 mm封装的独立ProEficient 功率放大器，将PCB空间降低了33%，并且它们能提供与单频段ProEficient 功率放大器相同的效率，从而再次降低了电池消耗。

图5：ProEficient效率(待机时)。

同样，低功率模式下的效率也没有被忽略，因为对于大部分LTE设备来说，能够在WCDMA/HSPA模式下工作一段时间非常重要。ANADIGICS的新ProEficient设计将高功率输出效率提高了7%，有效地在高LTE功率时降低了电池电流消耗。ANADIGICS的ProEficient?功放经过优化，在低功率和中等功率下无需SMPS就能实现业界领先的效率，此类功放还可以与APT一起使用，来帮助提供更低的电流消耗。

图6：新型ProEficient二级结构。

平均功率跟踪技术(APT)是一种用来提高RF前端低输出功率和中等输出功率时效率的技术。依托于基带精确的算法，DC/DC转换器的高效，APT就能在不同的TX信号幅度下都保证PA的高效率运行。提高的效率降低了RF的电流需要，允许设计师们使用更小的电池。

HELP4设计仍然能够在固定电池电源的情况下，提供3G TS09 Tx功率分布中最低的平均功耗，但是新的ProEficient架构在功放电源采用DC/DC转换器的平均功耗追踪技术(APT)下效率更加出色。

APT增加了电话设计的复杂性，要求更多的计算功耗和额外的PMIC功能，因此不适合所有的设计价格点。工厂校准也更加复杂，因为电压必须与校准算法中的频率、增益和温度一起考虑。这样，这些用于实施SMPS的额外元件的成本可能会快速增加。如果将所有额外元件考虑在内，则用户在实现DC/DC转换器时，完整功率放大器解决方案的成本几乎是独立式单频段功率放大器的两倍。因此，整个RF部分的物料清单成本会增加。

明智地选择功放

现代的LTE智能电话给设计师带来了前所未有的挑战。功能和设计目标继续集中在效率和空间要求上。并且，这些要求通过电池容量都互相关联。因此，选择能帮助减小整个电池续航时间的功放至关重要。过去，这通常通过选择在低功率和中等功率等级效率较高的功放来实现。今天，这可以通过选择在所有功率等级都具有出色效率的功放来实现。

为了帮助设计师实现具有前沿功能、长电池续航时间的轻薄智能手机的目的，显然功放需要在所有工作条件下提供出色的性能。这包括在高功率模式下达到高效率的能力，同时在不依靠DC/DC转换器的情况下在低功率和中等功率模式下也能提供高效率。这为设计师提供了最大的灵活性，设计师可以决定怎样为他们的设备采用最佳的RF前端解决方案。

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