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作者：TI公司 Xiaohu Qin、Seasat Liu 在手持設備中給射頻功放供電一直是一個比較難做的設計，因為一方面需要提高射頻功放的工作效率用來延長電池的工作時間，另一方面又不能在提高工作效率的同時降低功放的工作性能，所以必須為其提供一個滿足要求的高效直流電源。常規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使得功放的工作效率變得很低，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產品從工作機理上做了創新，采用平均功率跟蹤(Average Power Track)技術和包絡跟蹤技術(Envelop Tracking)優化了射頻功放工作時功率消耗，從而提高了功放的工作效率，延長了電池的工作時間。本文著重闡述平均功率跟蹤技術的工作原理和SuPA的應用設計，從而方便設計工程師能夠快速地理解和應用此項技術，實現高效的功放電源設計。 射頻功放的發展趨勢和特點 隨著數據業務的不斷增加，目前已經由2G向3G和4G轉移，所以要求功放承擔更多的任務，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的制式，同時還要滿足更高的工作效率從而保持電池的長時間續航能力，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。 包絡跟蹤技術(Envelop Tracking)及平均功率跟蹤技術(Average Power Track) 1. 包絡跟蹤技術 簡而言之，就是在功放的工作電壓與輸入的射頻信號之間建立聯系使之實時互相跟隨，從而提高功放的工作效率的技術，按照理論計算，相對直接使用電池的供電方式，它可以幫助系統節省65%的功耗，SuPA的新一代產品將會支持此模式。它的基本原理是：射頻處理單元和基帶處理單元根據射頻信號、功率等級和功放的自身特性參數計算出包絡信號(Envelop signal)，同時射頻、基帶單元中的差分DAC會提供一個模擬參考信號，ET電源(ETPS)會將包絡信號放大，然后送往PA，于此同時PA會將RF信號放大，使得RF信號和PA的工作電壓跟隨，最后功放將放大后的信號送給雙工器，雙工器會把帶寬以外的信號衰減掉，同時將有用的信號凸顯出來。 2. 平均功率跟蹤技術 這種方式又稱為自適應電壓調節方式(Adaptive Supply)，它是根據功放的預先輸出功率、結合功放的自身參數來自動調整功放的工作電壓的技術，按照理論計算，相對于電池直接供電模式，它可以幫助系統節省40%的電能。相對ET方式，APT使用和設計起來更加簡單和方便，SuPA當前產品主要支持這種模式。 
圖1：平均功率跟蹤(APT)模式，能量消耗區域，紅色部分為消耗區 APT模式的SuPA的優點 SuPA電源變換器與傳統的同步整流降壓型直流變換器的內部拓撲是一致的，沒有很大的不同，但是它的負載動態響應和主動負載電流輔助旁路控制(Active Current assist and Bypass)是做過優化的，因此它可以滿足當負載電壓和電流發生變化時可以快速響應，主動電流輔助旁路功能可以滿足當入口電壓瞬間下降或者負載電流瞬間增加時，可以將變換器迅速切換成類似負載開關模式，這樣做有兩個好處：第一，可以將電池能量快速提供給負載，滿足負載需求；第二，可以使用小尺寸、小電流電感，當負載電流超過電感的電流極限時，那么ACB功能開關V3就會進入工作模式，將額外的負載電流承擔過來提供給負載，無需再經過電感，所以可以使用小尺寸的電感，滿足超緊湊設計要求，這在實際應用設計中是非常重要的。 APT模式下SuPA的原理圖設計和關鍵功率器件設計：
圖2：LM3242的典型原理圖 圖2是LM3242的典型原理圖，為了清楚闡述功率器件設計過程，下面將分為兩大部分進行說明。 輸入、輸出電容設計考慮 從圖2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載供電，而這些負載的電源也是來自于DC/DC變換器，因此在電源總線就會疊加非常豐富的噪音；第二，來自于LM3242的自身開關噪音，它的開關噪音同樣會疊加在輸入端，因此可能會干擾總線上的其它負載芯片，所以實際設計時，入口還會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的電容也會用到，不同容值的電容所針對的最佳濾除頻率也是不一樣的，對于大容量的電容來說它可以濾除的頻率范圍相對來說窄一些，因為它的拐點頻率比較低，在拐點頻率之內，電容的阻抗是呈下降趨勢，也就是表現的是容性特質，但是拐點頻率之上，阻抗是呈上升特性，則表現的是電感特性，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，因為噪音頻率非常豐富，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出來的容性帶寬更寬一些，這主要是小尺寸的電容它的內部寄生電感量更小一些、同時它的有效容量更低一些，因此表現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。
圖3: 電容阻抗和頻率關系圖 輸出電感設計考慮： 功率電感的計算，一般可以參照下面公式進行計算
Vo：輸出電壓，D：Vo/Vin，Fsw：開關頻率，比如LM3242，開關頻率是6MHz；ΔIo：電感內部的紋波電流，可以取(0.2~0.5)Io 結論和主流射頻功放電源產品 當今的手持設備功能越來越豐富，因此對于手持設備的電源系統設計來說挑戰性越來越高，在滿足高性能的同時盡可能延長續航時間是電源設計的終極目標，本文所討論的SuPA 產品可以有效節省射頻單元的耗電量，盡可能把寶貴的能量留給其他應用處理器，有效提高設備的工作時間，目前德州儀器公司出品了一系列產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品滿足未來的4G應用。 |
