選擇合適功放來緩解LTE設(shè)備電量饑渴

目前，現(xiàn)代智能手機和高吞吐量4G網(wǎng)絡(luò)的功能與設(shè)計已遠超好幾年前。然而，實現(xiàn)出色的移動寬帶體驗并不是一件容易的事。今天的智能手機必須包含大量的功能，包括高清晰屏幕、高分辨率攝像頭、揚聲器、各種連接選項和快速的處理器。 這給手機設(shè)計帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)，設(shè)計師們必須千方百計尋找在手機內(nèi)減小三維尺寸的方法。因此，設(shè)計師們轉(zhuǎn)而尋求RF元件制造商的幫助，以期獲得實現(xiàn)更高集成度和/或更高效率的方法。

支持多模多頻要求增加RF前端空間

隨著設(shè)備多媒體功能的增加成為設(shè)計的趨勢所在，RF部分對于頻段和模式的需求也在增加。世界范圍內(nèi)對LTE的采用要求制造商需要在移動設(shè)備的RF部分增加頻段數(shù)目及相關(guān)的元件。這就給RF設(shè)計師帶來了極大的壓力，他們需要開發(fā)出具有更高集成度的新型解決方案來減少多模式多頻段RF元件的空間需求。

LTE網(wǎng)絡(luò)在世界范圍內(nèi)的部署通常是在現(xiàn)有的3G WCDMA/HSPA網(wǎng)絡(luò)上進行“覆蓋”。許多LTE網(wǎng)絡(luò)首先在國際大都市區(qū)域被使用，在覆蓋區(qū)域內(nèi)還包含WCDMA、HSPA和HSPA+網(wǎng)絡(luò)。為了提高針對移動用戶的持續(xù)數(shù)據(jù)服務(wù)，LTE手機及其他設(shè)備必須能夠在LTE信號強度變低的時候切換至3G網(wǎng)絡(luò)，然后在另一地點時重新連接至LTE網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)在許多4G智能手機支持2G GSM/EDGE、3G WCDMA/HSPA+以及兩個或更多的LTE頻段，已經(jīng)是平常的事了。

3G和4G模式下功放的電流消耗

多模式和多頻段的使用不僅增加了對RF前端空間的需求，還降低了電池續(xù)航時間。移動設(shè)備的RF功率等級由設(shè)備所處環(huán)境中的信噪比(SNR)和網(wǎng)絡(luò)要求決定。典型的工作功率等級從手機搜尋網(wǎng)絡(luò)時的+23dBm到手機在有極好SNR區(qū)域內(nèi)工作時的-20dBm或更低。

由GSM協(xié)會在其TS09程序中頒布的測量電池續(xù)航時間的功耗分布是在典型WCDMA網(wǎng)絡(luò)中計算3G設(shè)備采用不同功率等級發(fā)射的相對時間的實用指南（圖1）。TS09分布顯示移動設(shè)備在許多不同輸出功率等級典型的概率，最大的可能性發(fā)生在低功耗和中等功耗區(qū)。

圖1：TS09 TX功率分布特性。

對于該Tx功率分布來說，在低功耗等級優(yōu)化功放的電流消耗對于延長電池的續(xù)航時間或幫助減小電池的尺寸非常重要。此類優(yōu)化首先由ANADIGICS采用其HELP?（低功率下的高效率）功放成功實現(xiàn)。此類功放采用先進的電路設(shè)計技術(shù)及功放增益模式來有效增加低功率和中等功率模式下的效率（圖2）。

圖2：ALT6701 Pout與效率的關(guān)系。

LTE網(wǎng)絡(luò)對移動設(shè)備提出了不同的要求。當CDMA和WCDMA網(wǎng)絡(luò)要求電話大部分時間在功率回退下使用，而LTE網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸時通常要求短脈沖的高功率RF發(fā)射。由于功放大部分時間在高功率模式下運行，因此所消耗的電流將比TS09上所示的功耗要高（圖3）。

圖3：LTE TX功率分布特性。

更大的電池容量將使LTE智能電話有更長的工作時間。在擁有更多高端智能電話的今天，電池在尺寸和重量上都是其中唯一一個最大的元件。因此，許多移動設(shè)備制造商都在反復檢查RF前端，尋找提高效率的方法，以便設(shè)計師能夠通過減小電池尺寸來節(jié)約空間和成本。

獲得3G和4G功放的高效率

要設(shè)計一個在高功率模式下具有高效率和低電流消耗的功放并不是件容易的事情，因為先進的無線通信對于輸出功耗和線性增益都有要求。為了實現(xiàn)高效率，ANADIGICS功放設(shè)計師采用創(chuàng)新科技在不同的功率等級創(chuàng)造更高效的放大鏈路。 WCDMA和LTE設(shè)備需要不同的功放結(jié)構(gòu)（圖4）。 ANADIGICS HELP4?功放針對低功率、中等功率和高功率模式進行了優(yōu)化，為固定的電源提供世界級的效率和比TS09 WCDMA功率分布更低的平均電流。

圖4：ANADIGICS專有功放結(jié)構(gòu)。

ANADIGICS的ProEficient?功放采用不同的架構(gòu)設(shè)計，可以在高功率模式下?lián)碛懈叩男?。新的ProEficient?功放能在高功率模式下實現(xiàn)更長的數(shù)據(jù)應用，提供更出色的效率，在中等功率模式下提供更長的通話時間（圖5）。該性能無需DC/DC轉(zhuǎn)換器就能實現(xiàn)，能將RF前端的空間要求最小化，降低電流消耗，讓制造商能夠延長電池續(xù)航時間或降低電池容量。

為實現(xiàn)更為卓越的空間節(jié)省，ANADIGICS的新ProEficient?系列功率放大器也同樣采用雙頻段配置。與現(xiàn)有單頻段解決方案相比，這些新型器件通過結(jié)合兩個采用緊湊型3 mm × 4 mm封裝的獨立ProEficient 功率放大器，將PCB空間降低了33%，并且它們能提供與單頻段ProEficient 功率放大器相同的效率，從而再次降低了電池消耗。

圖5：ProEficient效率(待機時)。

同樣，低功率模式下的效率也沒有被忽略，因為對于大部分LTE設(shè)備來說，能夠在WCDMA/HSPA模式下工作一段時間非常重要。ANADIGICS的新ProEficient設(shè)計將高功率輸出效率提高了7%，有效地在高LTE功率時降低了電池電流消耗。ANADIGICS的ProEficient?功放經(jīng)過優(yōu)化，在低功率和中等功率下無需SMPS就能實現(xiàn)業(yè)界領(lǐng)先的效率，此類功放還可以與APT一起使用，來幫助提供更低的電流消耗。

圖6：新型ProEficient二級結(jié)構(gòu)。

平均功率跟蹤技術(shù)(APT)是一種用來提高RF前端低輸出功率和中等輸出功率時效率的技術(shù)。依托于基帶精確的算法，DC/DC轉(zhuǎn)換器的高效，APT就能在不同的TX信號幅度下都保證PA的高效率運行。提高的效率降低了RF的電流需要，允許設(shè)計師們使用更小的電池。

HELP4設(shè)計仍然能夠在固定電池電源的情況下，提供3G TS09 Tx功率分布中最低的平均功耗，但是新的ProEficient架構(gòu)在功放電源采用DC/DC轉(zhuǎn)換器的平均功耗追蹤技術(shù)(APT)下效率更加出色。

APT增加了電話設(shè)計的復雜性，要求更多的計算功耗和額外的PMIC功能，因此不適合所有的設(shè)計價格點。工廠校準也更加復雜，因為電壓必須與校準算法中的頻率、增益和溫度一起考慮。 這樣，這些用于實施SMPS的額外元件的成本可能會快速增加。如果將所有額外元件考慮在內(nèi)，則用戶在實現(xiàn)DC/DC轉(zhuǎn)換器時，完整功率放大器解決方案的成本幾乎是獨立式單頻段功率放大器的兩倍。因此，整個RF部分的物料清單成本會增加。

明智地選擇功放

現(xiàn)代的LTE智能電話給設(shè)計師帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。功能和設(shè)計目標繼續(xù)集中在效率和空間要求上。并且，這些要求通過電池容量都互相關(guān)聯(lián)。因此，選擇能幫助減小整個電池續(xù)航時間的功放至關(guān)重要。過去，這通常通過選擇在低功率和中等功率等級效率較高的功放來實現(xiàn)。今天，這可以通過選擇在所有功率等級都具有出色效率的功放來實現(xiàn)。

為了幫助設(shè)計師實現(xiàn)具有前沿功能、長電池續(xù)航時間的輕薄智能手機的目的，顯然功放需要在所有工作條件下提供出色的性能。這包括在高功率模式下達到高效率的能力，同時在不依靠DC/DC轉(zhuǎn)換器的情況下在低功率和中等功率模式下也能提供高效率。這為設(shè)計師提供了最大的靈活性，設(shè)計師可以決定怎樣為他們的設(shè)備采用最佳的RF前端解決方案。