MAX1820開關模式電源經過優化，可提高WCDMA手機的傳輸效率。通過動態降低Vcc裕量 在功率放大器（PA）中，電池電流在低于最大發射功率的所有功率水平下都會顯著降低。MAX1820的設計專門針對該應用進行了優化。

隨著第三代（3G）蜂窩電話計劃推出的臨近，手機設計人員一直在忙于開發新的解決方案，以滿足高速數據傳輸的需求。其中最大的需求是軟件、屏幕技術、數據處理帶寬和保持合理的電池壽命。在第二代（3G）純語音低數據速率手機中，需求沒有那么大，因此可以進行許多簡化并節省成本。例如，典型2G手機的發射功率放大器（PA）直接由電池供電，但效率不理想。在2G手機中，高速數據的傳輸需要增加帶寬和天線功率;因此，需要更有效的解決方案來保持較長的電池壽命。目前，一種在手機制造商中廣受青睞的架構需要使用高度專業化的降壓型DC-DC開關穩壓器為PA供電。

使用開關穩壓器的原理是，PA的電源電壓裕量可以動態調整，以勉強適應PA中的RF信號幅度（見圖1）。通過使用開關穩壓器有效地實現這一點，當工作在低于峰值發射功率時，可以最大程度地節省功耗。由于只有當手機離基站和傳輸數據非常遠時才需要峰值功率，因此總體功耗節省是巨大的。如果PA電源電壓可以在足夠寬的動態范圍內有效變化，則可以使用固定增益線性PA，從而無需單獨的偏置控制信號（如目前用于2G手機）。當然，偏置控制信號仍可用于增加控制程度，一些手機制造商正在積極追求這種拓撲結構;然而，W-CDMA技術的領導者之一堅持認為偏差控制是不必要的。

圖1.開關穩壓器（MAX1820）動態調節W-CDMA功率放大器（PA）的電源。通過有效地調整PA的電源裕量以匹配PA的發射功率，大大減少了能源浪費，并延長了手機的電池壽命。

系統性能的另一個主要考慮因素是降壓型開關穩壓器所需的特殊特性。要了解這些要求，必須首先根據PA的負載曲線進行研究。一家大型手機制造商提供了圖2，這是雙極性、固定增益、W-CDMA功率放大器的負載曲線。在峰值發射功率下，PA需要3.4V電源軌，消耗300mA至600mA電流。在最低發射功率下，靠近基站且僅傳輸語音，PA在電源電壓為30.0V至4V時僅消耗1mA電流。這相當于PA功耗最大為2040mW，最小功耗為12mW。

圖2.固定增益、雙極性、W-CDMA功率放大器的典型負載曲線具有重要的阻性成分。電源電壓和電流從 0mA （4mW） 時的 30.12V 到 3mA （4mW） 時的 600.2040V 不等，典型的語音傳輸在 1mA （5mW） 時約為 150.225V，典型的高速數據傳輸在 2.5V/400mA （1000mW）。

對于開關穩壓器來說，將這種類型的PA作為負載進行優化并非易事。Maxim開發了MAX1820、W-CDMA、蜂窩電話、降壓穩壓器以滿足這些要求。以下是MAX1820區別于其他開關穩壓器的具體特性：

寬負載下的高效率如果沒有高效率，使用開關穩壓器的費用就不再合理;因此，高效率和省電是MAX1820設計的主要因素（見圖3）。在數據傳輸過程中（約500mW至2040mW），MAX0的PFET電源開關的15.1820Ω低導通電阻可提供高達93%的效率。在語音傳輸（約12mW至500mW）中，MAX1820的內部0.2Ω NFET同步整流器和3.3mA （強制PWM模式下）低電源電流可提供約85%的效率。雖然85%的效率可能看起來不是很高，但在恒定1MHz開關時，對于輕負載效率來說，這是一個出色的性能，如圖3所示的低轉換器功率損耗所示。這種性能可歸因于精心設計和使用亞微米幾何形狀制造，以實現給定FET導通電阻下的低柵極電容。

動態輸出電壓調整輸出電壓需要在3.4V至0.4V之間調節。為此，MAX1820上的模擬控制引腳REF由數模轉換器（DAC）驅動。由于DAC的輸出電壓范圍不會擴展到3.4V，因此轉換器從REF到OUT的電壓增益為1.76V。

快速 30μs 輸出壓擺率和建立在W-CDMA系統架構中，發射功率根據基站的要求每1微秒向上或向下調整666dB。此外，手機可以每10毫秒進入或退出數據傳輸模式，對應于大規模的發射功率變化。所有發射功率電平變化需要在50μsec內完成;但是，開關穩壓器改變PA電源功率所需的時間小于此時間，以適應基帶和DAC中的任何系統延遲。因此，MAX1820專門設計用于在不到30μsec的時間內轉換和建立輸出電壓，即使電壓和電流滿量程變化也是如此。由于輸出必須快速擺動，MAX1820的輸出電容限制為4.7μF，使得穩定開關更具挑戰性。4.7μF 電容器的另一個優點是，低 ESR 陶瓷型可提供約 5mVpp 的低輸出紋波。降壓型穩壓器的另一個問題出現在需要快速降低發射功率時，例如退出數據模式時。在這種情況下，MAX1820反轉電感電流并降低輸出電壓，以保持30μsec的建立時間。如果不這樣做，PA的線性度將隨著其電源電壓自行緩慢衰減而變化。此外，該技術通過將輸出電容上先前存儲的能量傳輸回MAX1820輸入端的電池來節省功耗。

穩定的 9.5% 至 100% PWM 占空比和低壓差假設手機由單個鋰離子電池供電，開關穩壓器的預期輸入電壓范圍為4.2V至2.7V。由于需要恒定的固定頻率開關以獲得可預測的噪聲頻譜和低輸出紋波，因此當電池充滿電在1820.9V和所需的PA電源電壓為5.4V時，MAX2的強制PWM工作在低至0.4%占空比時保持穩定。就其本身而言，這并不難;但結合相反的極端，即放電電池和大功率數據傳輸，占空比也必須完全擴展到100%和低壓差操作。為了獲得極低的壓差，MAX1820的PFET尺寸略大，導通電阻非常低，為0.15Ω。假設電感中的串聯電阻為0.1Ω，則在150mA負載下，組合壓差僅為600mV，在較輕負載下則成比例地更低。根據手機制造商的說法，當電池放電到3.4V以下時，數據傳輸范圍會有所縮小是可以接受的。消除這一限制需要昂貴、效率較低的降壓-升壓穩壓器，這可能是另一篇文章的主題。

1MHz 開關和同步MAX1820具有內部1MHz振蕩器，用于控制PWM開關頻率。在MAX1820的定義階段，以較快的頻率運行被認為是減小外部元件尺寸的一種手段，但效率會降低到不可接受的水平。如前所述，利用固定頻率PWM可提供可預測的噪聲頻譜和低輸出紋波。MAX1820的1MHz內部時鐘也相對精確，容差僅為±20%;但是，為了與手機中的系統時鐘精確同步，MAX1820包括一個13分頻時鐘頻率合成器，可以饋送10MHz至16MHz的低幅度正弦波。

圖3.MAX1820降壓型開關穩壓器經過優化，在電池消耗最高的數據傳輸過程中實現最高效率。1MHz 的恒定固定頻率開關可提供低輸出紋波和噪聲，同時在語音傳輸過程中仍保持相對較高的效率和低功率損耗。

由于MAX1820的獨特性能，目前3G手機設計活動廣泛采用這種系統架構。隨著使用降壓型開關穩壓器為W-CDMA PA供電的效率優勢得到證實，這種拓撲結構可能會被更多的3G標準和各種終端設備采用，有助于實現小型、功能豐富的數據手機和無線移動計算的承諾。

審核編輯：郭婷