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3G/3.5G手机中功率放大器专用电源解决方案

富士通微电子(上海)有限公司 产品经理 王韵



根据iSuppli公司预测,到2008年全世 界电源管理芯片销售额将上升至295亿美元。而2003年到2008年的年复合增长率将达到12.7%。 在2005年,虽然半导体行业本身出现大的调整,但在移动通信和消费电子产品的推动下,电源管理芯片依然增势强劲。随着3G的开始和3.5G脚步声不断临近,下一世代手机中集成的多媒体应用和新的信号发送方式为电源管理带来了新的课题。

十多年以来,以手机为主的移动通信产品高速发展。从初期采用模拟技术的大哥大,到如今采用各种数字通信标准的移动电话,通信技术的发展也推动硬件本身的不断技术提升。在3G手机开始广泛普及的时候,移动电话已经悄然发展到了第3代和3.5代。第3.5代(俗称3.5G)的手机中融入了更多的多媒体应用和更高的通信速度,耗电量也随之上升。而现有的锂电池也越来越无法满足手机多媒体和通信规格的要求。

现有的手机电池一般采用锂电池,容量约在900mA-1200mA左右。新的多媒体功能必将增加手机功耗,从而缩短电池续航时间。改变这一情况主要有两种手段,提升电池技术(如燃料电池等)和改善电源转换效率和降低功耗。而在燃料电池等高密度电池技术还无法实现大规模推广应用时,提升手机的电源管理成为唯一的选择。

2.5G和3G移动通讯终端之间,电源要求的最大区别主要来自功率放大器(PA)所需功率的不同。如何降低功耗,实现更优化的电池效率,延长电池续航时间?如何在高速通信实现高速响应?如何在与基站不同距离时智能切换不同发送功率?位于手机前端的功率放大器专用电源管理IC的作用愈发变得更加重要。

如何提高功率放大器用DC/DC的转换效率?首先,标准电压VREF输出对DC/DC的转换效率会产生很大的影响。依附于负载特性的VREF输出值精度越差,手机在信号发送时的损失就越大,从而导致电池效率的下降。MB39C018将标准电压VREF的DC/DC负载依存特性精度控制在1.24V±10mV(标准值) (0~800mA时),从而保证了稳定的电压供给,帮助手机信号发送效率大大提高。

其次,通过智能高速切换信号输出功率,也能够大幅提高电池续航时间。比如在CDMA模式当中,手机端根据与基站不同距离,自动切换信号输出功率。离基站距离远的时候,DC/DC提供大电压和大电流用以大功率发射信号,距离近的时候则反之。通过高速切换输出功率,从而有效实现延长电池寿命和续航时间。MB39C018 进阶时间仅为10μs(标准值),退阶也只需20μs(标准值),可以充分保证3G/3.5G手机高速切换的需求。

再次,除了降低功耗提高使用效率之外,频繁使用过程中如何降低对电池的损耗,也是提高锂电池续航能力的方法之一。突入电流(Bypass→DCDC,DCDC→Bypass启动时的峰值电流)会导致锂电池劣化,从而影响电池使用时间。MB39C018将这一峰值电流降低至1A以下,有效防止锂电池的劣化,是锂电池在长期反复使用过程中也能保持较好的续航能力。

MB39C018对应负荷电流800mA(图1),DC/DC输出电压退阶响应时间低于20μs(图2),可以说是支持3G/3.5G移动电话的DC/DC转换器IC。采用电流控制模式,负载突然变化时的响应速度优于电压控制模式,相位补偿时也不需要外置电阻和电容器。这样不但能减少元器件数目,也降低了工程师在制板的时间。并且,因为采用电流控制模式,所以不需要软启动和短路保护之类的保护功能。输出电压也可以利用DAC控制或内部基准电压,由电阻分压器设定。MB39C018还内置了温度保护功能和UVLO功能。

图1 负荷稳定度(略)

图2 DC/DC步长响应特性(略)

最适于移动电话的电源放大器、RF PC卡、数码相机等便携装置的内置电源。


特长

*高效率:96%(最大)

* 输出电流:DC/DC 800mA(最大)

旁 路FET…1A(最大)

* 输入电源电压范围:2.5V ~5.5V

*输出电压可变范围:0.7V~~3.6V

*工作频率:(标准)2MHz

*不需要Flyback二极管

*低压差工作:支持100% ON DUTY

照片1外观

*内置高精度基准电压源

1.24V±1.5% (25℃)

*关机模式时的消耗电流:1?A以下

*内置开关FET:

Pch MOS FET 0.3Ω(标准)

Pch MOS FET 0.2Ω(标准)

负荷电流和DC/DC输出电压特性

VIN=3.2V,Vout=2.7V

使DC/DC DC/DC输出电压按一定步长变化时的响应时间特性

IOUT=0mA(无负荷)VIN=3.7V VOUT=1.1←→2.7V Ta=+25℃

*内置旁路FET:

Pch MOS FET 0.08Ω(标准)

*电流型的输入:负荷过渡响应速度快

*内置温度保护功能

*包装:QFN24(0.4*4.0*0.85mm)

*无铅/符合RoHS指令的要求


电路结构

本产品由以下6个功能组成。

PWM Logic Control电路

用2MHz的切换频率使内置的Pch/Nch MOS FET进行同步整流工作时,进行控制。

Iout Comparator电路

从内置的Pch MOS FET检测到流向外部感应器的电流,比较峰值电流和ErrAmp的输出,对PWM Logic Control关闭内置的Pch MOS FET。

ErrAmp相位补偿电路

内置有ErrAmp的相位补偿电路,对本产品进行调节,使能进行最佳的工作。

VREP电路

用BGR(Band Gap Reference)电路生成高精度的基准电压。输出电压是1.24V(标准)。

旁路FET电路

引起DC/DC电源(VIN)和输出(Vo)的短路。在VREFIN电压达到1.33V以上时,本产品停止DC/DC工作,打开旁路FET。


保护电路

在接合部分的温度达到135℃(标准)时,过热保护电路同时关闭Nch和Pch的SW FET。虽然没有设置专用的过电流保护电路,但是因为采用电流型电压控制方式,所以一直监视和控制电流的峰值。

图3 应用举例(略)

支持第3.5代移动电话的电源放大器用电源

1 旁路FET 1A(最大)

2 切换频率:2MHz

转换效率:96%(最大)

3 锂电池

4 同步整流型降压电路

5 800mA(最大)

6 连接天线

7 基带芯片

8 电源放大器模块

※通过DAC在VREFIN端子上施加电压,可以像下面的公式那样设定输出电压。

图4 结构框图(略)

Vo=3*VREFIN
※VDD电压低于输
出电压设定值时,Pch-FET会固定为ON。

《世界电子元器件》2007.9
         
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