具有极高效率的射频功率放大器方案

半导体

乍一看，线性稳压器似乎是射频功率放大器的完美解决方案，因为它们产生的噪声非常小，并且没有高频开关。因此，不会产生产生RF干扰的问题。然而，缺点是效率非常低并且这些部件昂贵且大，使得它们不适合对成本敏感的空间受限的移动应用。
替代方案是高性能开关DC/DC转换器。多年来，架构，半导体功率器件，无源元件，磁性元件和封装方面的改进使得德州仪器(ti)和Maxim Integrated Products等电源制造商能够开发专门针对RF功率进行优化的DC/DC转换器模块放大器(PA)。除了最大限度地减少射频干扰外，这些模块还可以产生非常低的噪声，并可以将输入电池电压(2.7至5.5 V)逐步降低至3.6 V或更低的精确输出电压，同时具有极高的效率和功率密度。最近的进展也使这些电源装置具有成本效益。
RF放大器的直流电源
传统上，通过通信系统的T/R开关驱动发射器部分天线的RF PA直接连接到移动设备的电池。然而，这种方法浪费了大量的能量，因为PA始终提供最大功率，而实际上大部分时间只需要其中的一小部分来可靠地确保无线语音和数据连接(图1)。

图1：向射频放大器提供直流电源的传统方式会导致大量浪费的能量。

图2：通过动态调整施加到RF功率放大器的直流电压，可以最大限度地减少能源浪费。
例如，当移动设备靠近运营商的基站时，PA的RF输出功率可能低于额定最大值。仅当移动设备远离基站并且输入RF信号较弱时才需要全最大输出。类似地，当移动设备空闲时，它不需要与活动模式中相同的DC电流量。为了减少这种不必要的功率浪费，放大器的直流工作电压必须根据所需的功率进行调整(图2)。
为了解决这个问题，TI开发了开关DC/DC转换器，可根据所需的RF输出功率动态调整输出电压。称为功率放大器(SuPA)的电源，该系列转换器可确保最佳的RF输出，从而最大限度地减少能源浪费并最大限度延长电池寿命，同时简化智能手机，平板电脑和机器对机器终端的散热设计。
针对单个锂离子电池为RF PA供电而优化的两个SuPA DC/DC转换器是LM3242和LM3243。两者均设计为根据所需的实际RF输出功率，将输入电压从2.7V降至5.5V，动态可调输出电压范围为0.4至3.6V。虽然LM3242支持高达1 A的负载电流并且兼容3G和4G应用，但LM3243提供独特的有源电流辅助和模拟旁路模式(ACB)功能。这样可以最大限度地减小电感器尺寸，而不会对整个电池电压和RF输出功率范围造成任何输出调节损失，直至掉电。 LM3243支持2G，3G和4G系统，可处理高达2.5 A的负载电流。例如，LM3242的输出电压是通过使用DC/DC转换器的VCON模拟输入引脚来设置的，用于控制RF PA的功率电平和效率，而无需使用任何外部反馈电阻。如图3所示，当VCON介于0.16和1.44 V之间时，使用公式计算输出
VOUT = 2.5 x VCON，

图3：使用VCON控制输入引脚将转换器的输出电压设置在0.4和3.6 V之间。
LM3242提供五种工作模式，具体取决于所需的电流。这些包括脉冲宽度调制(PWM)，ECOnomy(ECO)，旁路(BP)，休眠和关机。在PWM模式下，器件在中等至重负载范围内以6 MHz典型固定频率工作，并最大限度地减少RF干扰。在轻负载时，器件自动进入ECO模式，并以降低的开关频率运行。在ECO模式下，降低静态电流以延长电池寿命。在电池电量不足的情况下，旁路模式可将电压降低至低于50 mV(典型值)。该器件还具有休眠模式，该模式在VCON输入小于80 mV(10μs)时触发。最后，在关断模式下，设备关闭以将电池消耗降至0.1μA。
采用9焊球，无铅微型SMD，LM3242的高开关频率(6 MHz)仅允许使用三个微型表面贴装元件 - 一个电感器和两个陶瓷电容器。外部无源元件的选择，包括布局，将在产品数据表中详细说明(可以使用上面提供的链接访问Digi-Key网站上的产品页面)。
二合一
同样，为了为WCDMA或3G手机中的PA和RF收发器供电，Maxim Integrated Products优化了双降压转换器。它被指定为MAX8896，它集成了一个用于中低功率传输的高效PWM降压转换器，以及一个140mΩ典型旁路FET，可在高功率传输期间直接从电池为PA供电。第二个高效PWM降压转换器(OUT2)直接为高功率电源抑制比(PSRR)，低输出噪声，200 mA低压差(LDO)稳压器供电，为手机中的RF收发器供电。
快速切换允许使用小型陶瓷输入和输出电容，同时保持低纹波电压。集成了反馈网络，以减少外部元件数量和整体解决方案尺寸。如图4所示，OUT1使用由外部数模转换器(DAC)驱动的模拟输入来线性控制输出电压，以实现连续PA功率调整。在高占空比时，OUT1自动切换到旁路模式，通过低阻抗(140mΩ)MOSFET将输入连接到输出。

图4：这款双路降压DC/DC转换器经过优化，可为WCDMA手机中的PA和RF收发器供电。
OUT2是一款2 MHz固定频率降压转换器，能够以100%的占空比工作。输出精度在负载，线路和温度范围内为±2%。 OUT2的输出预设为3.1 V，为200 mA 2.8 V LDO供电，专为手机RF收发器部分所需的低噪声(16μVrms)，高PSRR(65 dB)操作而设计。
总之，在为RF PA和其他RF功能供电时，设计人员应选择专为这些应用而优化的DC/DC转换器。不建议将用于数字功能(如处理器和FPGA)的开关电源用于RF应用。