中心議題：

• 麵向2G至3.5G蜂窩移動設備的高效RF功率管理解決方案

解決方案：

• FAN5904與基帶處理器和功率放大器配合工作

大家是否注意到人們對移動設備
，尤其是對智能手機的著迷程度到了何種地步？人們在用智能手機進行網絡衝浪
、查收和編寫電子郵件、玩網絡遊戲或者更新社交網絡等活動。所有這些活動
，外加撥打語音電話，都要消耗電池的能量，從功率放大器(PA)到顯示器和內核芯片組
，它們要消耗大量的能量。最終
，鋰離子電池的體積也隻能適當增加，以保證智能手機不至於過於笨重。

但(dan)是(shi)卻(que)有(you)幾(ji)種(zhong)方(fang)式(shi)可(ke)以(yi)讓(rang)用(yong)戶(hu)感(gan)到(dao)滿(man)意(yi)，避(bi)免(mian)經(jing)常(chang)為(wei)智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)充(chong)電(dian)，或(huo)者(zhe)在(zai)不(bu)適(shi)當(dang)時(shi)間(jian)電(dian)池(chi)電(dian)能(neng)耗(hao)盡(jin)的(de)現(xian)象(xiang)出(chu)現(xian)。智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)中(zhong)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)消(xiao)耗(hao)的(de)功(gong)率(lv)大(da)約(yue)占(zhan)總(zong)體(ti)30%
，在網絡覆蓋情況較差的區域
，這個比率會高達70%。一般要求智能手機和手機具有兼容前幾代蜂窩網絡協議的能力

，現今大多數手機均具有所謂的 HEDGE-enabled功能，這意味著它們能夠支持HSUPA、HSDPA、WCDMA、EDGE

、GPRS和GSM。換言之，3.5G(HSUPA 和HSDPA)手機支持3G(WCDMA)和2G(EDGE、GPRS和GSM)技術。目前市場上還有支持CDMA2000 1x EV-DO和TD-SCDMA等3G蜂窩技術的其它手機
，它們也消耗大量功率。

不論是3G還是2G
，功率放大器都會消耗大量功率，所以需要一種有效的方法來獲得更長的通話/工(gong)作(zuo)時(shi)間(jian)。不(bu)論(lun)是(shi)在(zai)進(jin)行(xing)語(yu)音(yin)通(tong)話(hua)
，還(hai)是(shi)將(jiang)數(shu)據(ju)從(cong)手(shou)機(ji)發(fa)送(song)到(dao)基(ji)站(zhan)
，功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)均(jun)要(yao)消(xiao)耗(hao)功(gong)率(lv)。在(zai)接(jie)收(shou)效(xiao)果(guo)較(jiao)差(cha)的(de)區(qu)域(yu)，則(ze)需(xu)要(yao)更(geng)高(gao)的(de)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)水(shui)平(ping)，這(zhe)就(jiu)意(yi)味(wei)著(zhe)更(geng)高(gao)的(de)功(gong)率(lv)消(xiao)耗(hao)。對(dui)於(yu)3G功率放大器和 GSM/EDGE功率放大器模塊(PAM)的EDGE部分而言，不僅需要特定水平的輸出功率，還要求具有足夠的線性度，以確保向基站發送信號的保真度。

對於功率放大器外圍的技術，已經開發出兩種有效方法：DC-DC轉換器和包絡跟蹤。第一種方式是更為流行的解決方案，飛兆半導體公司用於 2G/3G功率放大器的6W
、3MHz/6MHz降壓轉換器FAN5904就針對這種應用。該產品是為了支持GSM/EDGE PAM和3G/3.5G PA而專門設計
，因為在手機中線路板空間十分珍貴

，設計人員無需再使用兩個獨立的降壓轉換器。FAN5904支持從WCDMA到HSUPA+，以及世界流行的CDMA200 1x EV-DO等3G無線標準。此外，該器件還支持中國的3G標準TD-SCDMA，以及用於更高數據傳輸率的TD-SCDMA信號調製下的HSUPA。隨著兼容GSM/EDGE、支持TD-SCDMA的“TEDGE”手機的出現
，FAN5904將是一種理想的解決方案。

FAN5904與(yu)基(ji)帶(dai)處(chu)理(li)器(qi)和(he)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)配(pei)合(he)工(gong)作(zuo)，以(yi)達(da)到(dao)降(jiang)低(di)功(gong)耗(hao)的(de)目(mu)的(de)。基(ji)帶(dai)芯(xin)片(pian)組(zu)將(jiang)會(hui)根(gen)據(ju)從(cong)基(ji)站(zhan)接(jie)收(shou)到(dao)的(de)信(xin)息(xi)來(lai)設(she)定(ding)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)水(shui)平(ping)，然(ran)後(hou)將(jiang)其(qi)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)
，以(yi)便(bian)FAN5904可以為功率放大器供電。

表1所示為針對某個HEDGE手機的WCDMA和HEDGE端口

，如何配置查找表(LUT)的例子。該表格針對Avago的3G功率放大器
，分為高、中和低功率模式三個主要部分。其它功率放大器因結構不同而具有不同的設置。高、中和低功率模式分區下各列內容為該模式下的輸出功率及其相應的VCON 電壓
，這些電壓是基帶處理器生成的電壓，通知FAN5904為功率放大器提供正確的輸出電壓，獲得特定的輸出功率。GSM和EDGE則需要不同的查找表。


基帶處理器能夠針對輸出功率水平，動態調節功率放大器的電源電壓，從而降低功率放大器消耗的電流。這樣便得到兩種重要結果：一是降低了電源電壓和電流，使得散熱減少
；二是延長了智能手機的通話時間和數據使用時間。在高輸出功率或者大電流負載情況下，FAN5904會以6MHz的PWM模式工作，但在要求“中”或“低”輸出功率時，它會自動轉換至脈衝頻率調製(PFM)模式。在PFM模式下
，轉換器以更低的開關頻率工作，以保持更高的效率。圖2和圖3針對WCDMA (語音和數據)信號調製的DG90功率分布函數，顯示使用與未使用FAN5904的3G功率放大器的性能。對於語音通話，FAN5904在大部分時間工作於PFM模式，因為根據DG09曲線，PFM模式占用的時間少於輸出功率高於18dBm時間的10%。恰恰相反的是，為了保證接收器的信噪比，在數據傳送模式下則要求保證更高的“每bit能量”
，所以在數據傳送模式下
，輸出功率為16dBm或者以上的時間占據33%。

圖1和圖2顯示了在不同輸出功率條件下一個3G PA分別在語音和數據傳輸模式下有、無FAN5904時所使用的工作時間的分析。在PA電源電壓設定在鄰近信道功率比（ACPR）為-39dBc時的值時
， WCDMA的ACPR可以改善到-43dBc，但是電流消耗將會增加
，導致效率降低。


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表2顯示了圖1和圖2的結果，以及功率放大器隻工作於高功率模式下相應的分鍾數。在HSUPA
、CDMA200 1x EV-DO和TD-SCDMA等不同信號調製模式下，電流消耗和通話時間都有類似的改善。這裏把高功率模式工作的通話/數據使用時間一起顯示的原因是：xinjishubujindedaolegengduodefenzhongshu
，congshejijiaodulaikan，yijianhualexiaozhungongzuo。danggonglvfangdaqijuyouduozhonggonglvmoshishi

，gujianbixushiyingheshicongyigedengjiqiehuandaoxiayigedengji，yinweizaizhenggeshuchugonglvfanweinei，meigegonglvfangdaqidemeizhonggonglvmoshidoucunzaidutedeVPA-POUT 曲線。由於現在大多數手機都支持至少三個頻段，這意味著滿足要求的係統中可能有三種3G功率放大器，所以增加了複雜程度。在處於一種功率模式的功率放大器中使用FAN5904
，可以消除模式切換帶來的複雜性

，更快地進行功率放大器校準，因為需要的校準點較少。這樣就縮短了測試/校準的時間，並且降低了製造成本，同時簡化了設計過程。

一個時常被忽視,但(dan)經(jing)常(chang)遭(zao)到(dao)抱(bao)怨(yuan)的(de)參(can)數(shu)是(shi)耗(hao)熱(re)問(wen)題(ti)。在(zai)手(shou)持(chi)電(dian)話(hua)貼(tie)近(jin)頭(tou)部(bu)進(jin)行(xing)通(tong)話(hua)，使(shi)用(yong)手(shou)機(ji)網(wang)上(shang)衝(chong)浪(lang)或(huo)者(zhe)玩(wan)在(zai)線(xian)網(wang)絡(luo)遊(you)戲(xi)時(shi)手(shou)機(ji)發(fa)熱(re)
，大(da)多(duo)數(shu)用(yong)戶(hu)會(hui)因(yin)此(ci)而(er)感(gan)到(dao)煩(fan)惱(nao)。問(wen)題(ti)的(de)關(guan)鍵(jian)在(zai)於(yu),設計人員在設計手機時必需將這一因素考慮在內。圖4所示為某3G功率放大器的熱成像，其中
，(a)為使用FAN5904來供電；(b)為直接與電池連接；(c)為電池以4.2V電壓充電。使用FAN5904時，在滿輸出功率情況下，功率放大器的溫度幾乎不可能達到50?C，在(b)和(c)的情況下，溫度很容易達到50?C和65?C，使用一段時間後，手機會很快發熱。在數據卡應用中，尤其是3G USB調製解調器卡開始流行，熱耗散
，或者說實現熱耗散最小化變得十分重要。USB卡不能像手機那樣有效地散熱，因為它的體積非常小。由於3G調製解調器主要用於數據，功率放大器在大部分時間運行於“發熱”狀態。減少這種熱量的最有效方式是使用諸如FAN5904的降壓轉換器。


FAN5904的一個關鍵特性是,支持3G功率放大器的6MHz開關頻率和支持GSM/EDGE功率放大器模塊的 3MHz開關頻率，可以使用小體積的電感和電容。FAN5904使用1008規格(2.5mm x 2.0mm)的0.47?H電感，分別使用10?F 0603和2.2?F 0603電容作為輸入和輸出電容，實現占位麵積很小的PCB解決方案
，並且沒有影響降壓轉換器的效率。

另(ling)一(yi)個(ge)常(chang)常(chang)被(bei)遺(yi)忘(wang)的(de)參(can)數(shu)是(shi)瞬(shun)態(tai)響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian)。當(dang)需(xu)要(yao)在(zai)不(bu)同(tong)電(dian)壓(ya)之(zhi)間(jian)進(jin)行(xing)跳(tiao)變(bian)，以(yi)便(bian)為(wei)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)提(ti)供(gong)合(he)適(shi)的(de)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)時(shi)，對(dui)各(ge)種(zhong)無(wu)線(xian)協(xie)議(yi)而(er)言(yan)，瞬(shun)態(tai)響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian)變(bian)得(de)尤(you)為(wei)重(zhong)要(yao)。FAN5904以6MHz的頻率進行切換時
，具有非常短的10?s響應時間 (如圖5所示)，完全滿足時隙間隔為25?s的WCDMA規範和IOPC 6.4.2規範要求。
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在輸出功率需要從低水平變到高水平，或者從啟動開始
，瞬態響應時間為10?s。duiyujiangyawenyaqieryan
，guanjianshishigonglvfangdaqimanzuzhexieguifanyaoqiu，bimianchuxiantonghuazhongduanhuozhetonghuayuyinzhiliangbuliangdeqingkuang。youyuyonghuzaibutongdequyuyidong，xinhaofugaiqingkuanghuohaohuohuai，suiranruci，tonghuazhongduanxianxiangshiyonghusuobunengrongrende。duiyuGSM/EDGE模式，FAN5904能夠在5?s內完成電壓之間的跳變，滿足GSM規範。圖6所示為用於WCDMA和GSM /EDGE發送器的FAN5904時序圖。


在使用降壓轉換器時
，我們關心的是開關頻率如何影響RF性能，RF工程師極不願意添加一個會對RF信號保真度(發送和接收兩個方麵)造成潛在影響的器件。如前所述，FAN5904采用PWM或PFM模式工作，分析顯示，兩者均不會對RF性能造成影響。圖7(a)所示為28.5dBm信號的發送CW(關閉調製以顯示接近中心的尖刺)，以及距右側6MHz的標記1。FAN5904產生的假性音調（spurious tones）水平很低，使得尖刺低於噪聲本底。圖7(b)所示為開啟調製時的尖刺水平。這種尖刺很小
，遠遠低於Tx遮蔽水平。FAN5904具有6MHz 開關頻率的一個優勢在於該頻率遠離信號頻率
，並且位於5MHz的帶寬之外，轉換成位於WCDMA信號兩側的2.5MHz頻率。


或許在PFM模式下，我們更加關注的是尖刺會在哪裏進入信號調製。通過進一步查看圖8(a)，在CW模式中

，尖刺仍然在-40dBc以下
，在8 (b)中，更重要的是該尖刺處於WCDMA調製遮蔽之下。


表3列出了所測量的0dBm 和-45dBm (圖8中VPA 值接近VOUT_DCDC )輸出功率的EVM，比較使用電源和FAN5904為3G功率放大器供電的情況。兩列數值之間的差異很小，這清楚表明信號保真度的變化不大
，不會影響RF 性能，遠在WCDMA極限數值之下。

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為了進一步了解降壓轉換器帶來的噪聲/尖刺情況，根據3G功率放大器自身的噪聲輸出，對接收頻段內的噪聲進行了測量和比較。圖9顯示在28.5dBm的最高輸出功率下，來自FAN5904的尖刺水平實際上遠遠低於功率放大器的噪聲水平，表4顯示

，來自FAN5904 的噪聲在-131.8dBm/Hz處最大，但仍然遠遠低於功率放大器自身的-90dBc。RF工程師可以放心
，FAN5904在PWM和PFM模式工作時不會對蜂窩和其它RF頻譜的發送和接收頻段造成幹擾。

最後一個重要特性是，FAN5904控製GSM/EDGE功率放大器模塊的能力在於將RF功率管理解決方案從 FAN5904分離出來。在GSM/EDGE模式下

，FAN5904具有3A的設計峰值極限電流
，因而能夠控製電流高達2A的功率放大器模塊。在GSM /EDGE模式下
，由於電流負載更大
，FAN5904總是以PWM方式工作，因為GSM和EDGE信號較3G信號具有更高的輸出功率水平，因此它以 3MHz的頻率進行開關。3MHz是合適的開關頻率，因為它位於WCDMA通道帶寬之外，但是仍然可以使用小電感和小電容來處理更大電流負載，並使效率維持在高達95%的水平。人們可能要問，為什麼在該模式下不使用6MHz，這在設計上是不可行的
，因為較大的電流負載會使開關損耗更高，小型化解決方案帶來的好處在效率方麵得不到補償。圖10和圖11顯示，在蜂窩設備處於GSM或EDGE模式下，使用FAN5904可將電流降低100mA。
總之，FAN5904是針對2G到3.5G無線協議功率放大器而設計，並管理和滿足該功率放大器的嚴格功率要求。本文重點討論了WCDMA，值得注意的是，FAN5904能夠支持CDMA2000 1x EV-DO，以及在中國出現且快速發展的3G標準TD-SCDMA。該gai器qi件jian能neng夠gou幫bang助zhu蜂feng窩wo設she備bei製zhi造zao商shang大da幅fu降jiang低di功gong耗hao，從cong而er降jiang低di係xi統tong溫wen度du
，延yan長chang使shi用yong時shi間jian，以yi滿man足zu用yong戶hu避bi免mian頻pin繁fan地di為wei電dian池chi充chong電dian等deng要yao求qiu。畢bi竟jing，沒mei有you用yong戶hu願yuan意yi使shi用yong一yi個ge總zong是shi需xu要yao充chong電dian
、發熱的智能手機，或者在打重要電話時發生掉電的智能手機。