根據在手機裝置中使用交換式電源供應器(Switch Mode Power Supplies, SMPS)來驅動射頻功率放大器(RF PA)的研究數據顯示，如果額外使用一組可調變偏壓式寬頻分碼多重存取(WCDMA)系統功率放大器與一組兩級全球行動通訊系統(GSM)功率放大器，能讓手機裝置在最佳效能下兼具最低的成本與最小的結構複雜度。本文將討論如何將交換式電源供應器(SMPS)應用在整合式使用者設備(UE)/手機平台中，藉以縮減體積的大小，以便擁有體積小、價格便宜、結構簡單的整合式功率放大器(Converged PA)。
SMPS最佳化功率放大器脫穎而出
首先，回顧一下能在射頻前端的應用中達到交換式電源供應器效率節能的WCDMA功率放大器的架構。根據過往的經驗，當使用交換式電源供應器後，能大幅提升可調變偏壓式WCDMA功率放大器的效能。圖1所示為一組功率供應器，其中包含了一組直流對直流(DC-DC)轉換器與一組具有可調變輸出電壓值分別為範圍從0.6～3.4伏特(V)及範圍從0.8～2.7伏特的低壓差穩壓器(LDO)。
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| 圖1 用於電源供應器的偏壓及Vcc控制器 |
相較於多重功率(低/中/高)模式WCDMA功率放大器的「增益步階」架構，圖1中使用交換式電源供應器的電路將有更好的節能效果。而從圖2中則可以看出，相較於一組具有可調變偏壓與可調變Vcc功率放大器的交換式電源供應器而言，圖2中經由增益步階功率放大器而產生的電池電流耗用較高。本測試使用了美國國家半導體(NS)的LM3245電源供應功率放大器(Supply Unit for Power Amplifiers, SuPA)來驅動WCDMA功率放大器。使用交換式電源供應器對於電能耗用的改善情形是業界有目共睹的。
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| 圖2 增益步階功率放大器與具有可調變偏壓及可調變Vcc功率放大器之交換式電源供應器SMPS(LM3245)的電池電流比較。 |
可調變偏壓WCDMA功率放大器效能佳
使用可調變偏壓WCDMA功率放大器的交換式電源供應器來取代使用多重增益步階WCDMA功率放大器具有許多的優勢，以下將逐一介紹：
毋須校準
多重增益步階模式WCDMA功率放大器的主要缺點，是在行動電話製造的過程中，需要額外的校準以補償因為UE跨越增益步階臨界值時所產生的相位偏移現象。而使用可調變偏壓式WCDMA功率放大器的交換式電源供應器的行動電話裝置，不須要額外校準，能降低製造的時間與成本。
降低功率放大器成本
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| 圖3 多重級模式WCDMA射頻功率放大器的增益以及射頻積體電路對功率放大器射頻輸出功率的增益 |
相對於多重增益步階模式WCDMA功率放大器，可調變偏壓式功率放大器由於減少元件複雜度且具有多個供應商來源，故具有較低的成本。除此之外，可調變偏壓式功率放大器在積體電路製程上的所需測試時間也較短。
降低射頻積體電路電流
圖3～4所示為多重增益步階模式WCDMA功率放大器及具有可調變偏壓式WCDMA功率放大器之交換式電源供應器，其射頻輸出功率與功率放大器以及射頻積體電路增益的曲線比較圖。在多重增益步階功率放大器中，功率模式切換過程會造成功率放大器增益驟降，使射頻積體電路的增益增加，以供應UE所需的輸出功率。然而，具有可調變偏壓式WCDMA功率放大器的交換式電源供應器不會有這種問題。特別在+16～+5dBm的輸出功率範圍中，採用電池供電的情況下，多重增益步階模式WCDMA功率放大器中射頻積體電路需要更高的增益，以便轉換為較高的電流。
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| 圖4 可調變偏壓式WCDMA射頻功率放大器的增益以及射頻積體電路對功率放大器射頻輸出功率的增益 |
在GSM的架構中，建議使用具有一組驅動器的兩級GSM功率放大器以及具有一組功率級的交換式電源供應器，而非使用多重增益步階模式GSM功率放大器。圖5所示為各種方法的電池電流圖；使用美國國家半導體LM3212的GSM模式交換式電源供應器，能大幅降低WCDMA功率放大器的電池電流大小。
簡易式兩級GSM功率放大器
具優勢
以下說明在交換式電源供應器中使用簡易式兩級GSM功率放大器取代複雜的多重增益步階模式GSM功率放大器的其他優點。
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| 圖5 使用增益步階式GSM功率放大器及使用兩級GSM功率放大器之(LM3212)交換式電源供應器的電池電流曲線比較 |
在WCDMA中，使用多重增益步階模式GSM功率放大器，在切換時將須要多次測試與多次校準，因此會增加UE行動電話裝置的製造時間。但如果在交換式電源供應器中使用簡易式(具有一組驅動器與一組功率級)GSM功率放大器，則可以降低成本、製造時間以及裝置的複雜度。
具有驅動器及功率級GSM功率放大器比多重增益步階模式GSM功率放大器便宜許多，原因在於GSM功率放大器的元件複雜度較高，而每一個增益步階都須經過測試，因此測試時間也比較長，這也將增加製造的成本。此外，市場上大多數的功率放大器供應商都能支援簡易式功率放大器的架構。
催生較小型的整合式功率放大器
近來，行動電話內部元件的整合度大幅增加。關於多模式射頻功率放大器的發展，已經將重心放在將WCDMA與GSM功率放大器整合為單一的功率放大器。不同的功率放大器供應商採用各自不同的作法來達成此目標。其中兩個較著名的解決方式分別為「複合式裝置」和「多模單鏈型裝置」。
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| 圖6 複合式多模整合式功率放大器 |
複合式功率放大器在一組封裝中具有四個功率放大器核心(圖6)。其中，降壓交換式電源供應器是以成對方式與此類放大器搭配使用。目前複合式功率放大器的體積可在7毫米×8毫米(56平方毫米)的大小內。可以驅動多模複合式功率放大器降壓交換式電源供應器的總面積，包含外加電感與電容被動元件約為14平方毫米(mm2)。
圖7所示為真正整合式功率放大器(多模單鏈裝置)，只包含兩組功率放大器核心，其中一組用在高頻帶，另一組用在低頻帶。另外，須要用到一組逐漸升壓/降壓的交換式電源供應器。市場調查顯示，此類型的功率放大器體積比複合式功率放大器還小。真正整合式功率放大器的目標面積大約在5毫米×8毫米(40平方毫米)，而降壓升壓交換式電源供應器的目標面積大約在20平方毫米。
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| 圖7 真正整合式多模整合功率放大器 |
這兩種功率放大器的效能不相上下，兩者最大的差異在於整體尺寸上的不同，降壓交換式電源供應器搭配複合式多模功率放大器的總面積約80平方毫米，而降壓升壓交換式電源供應器搭配真正整合式功率放大器的總面積約只有60平方毫米。
(本文作者任職於美國國家半導體)