利用 SuPA（LM32XX）给手持设备射频功率放大器供电

1、简介

当前越来越多的手持设备要求满足尽可能长的工作时间，常用的方式是：一方面，优化系统软件，将不用的软件关掉以节省更多的电能，用来延长电池的工作时间，这在优化应用处理器的功率消耗非常有效;另一方面，优化系统的硬件设计，采用低功耗、高效率的电源管理单元，这在优化射频单元和应用处理器单元的功率消耗非常有效，SuPA 是专业用于射频单元里驱动功放的电源，除了继承 DC-DC 的高的工作效率的优点以外，它还采取了平均功率跟踪技术(APT)用以配合射频功放工作时不同功率对电压的需求，动态调整输出电压给功放供电，从而满足高效的工作效率。

2、什么是包络跟踪技术(Envelop Tracking)

简而言之，就是在功放的工作电压与输入的射频信号之间建立联系使之实时互相跟随，从而提高功放的工作效率的技术，按照理论计算，相对直接使用电池的供电方式，它可以帮助系统节省 65%的功耗，SuPA 的新一代产品将会支持此模式。它的基本原理是：射频处理单元和基带处理单元根据射频信号、功率等级和功放的自身特性参数(可以使用功放的查询表 Look Up Table 或者又被称为调理表 Shaping Table)计算出包络信号(Envelop signal)，同时射频、基带单元中的差分 DAC 会提供一个模拟参考信号， ET 电源(ETPS)会将包络信号放大，然后送往 PA，于此同时 PA 会将 RF 信号放大，使得 RF 信号和 PA 的工作电压跟随，最后功放将放大后的信号送给双工器，双工器会把带宽以外的信号衰减掉，同时将有用的信号凸显出来。图 1、图 2、图 3 描述这个过程中的信号调理过程。

3、什么是平均功率跟踪技术(Average Power Track)

这种方式又称为自适应电压调节方式(Adaptive Supply)，它是根据功放的预先输出功率、结合功放的自身参数(可以使用功放的参数查询表 Look-Up-Table)来自动调整功放的工作电压的技术，按照理论计算，相对于电池直接供电模式，它可以帮助系统节省 40%的电能。相对 ET 方式，APT 使用和设计起来更加简单和方便，

SuPA 当前产品主要支持这种模式。

4、射频功放的发展趋势和特点

随着数据业务的不断增加，目前已经由 2G 向 3G 和 4G 转移，所以要求功放承担更多的任务，因此要求功放具有更多工作模式和频率带宽满足不同地区的制式，同时还要满足更高的工作效率从而保持电池的长时间续航能力，因此为了满足这种要求，使用 ET 模式或者 APT 模式的射频电源就逐步成为趋势，以下图图示为例，它的射频电源单元可以支持 4 种带宽的 GSM/EDGE 模式。

5、SuPA 在射频单元中的位置

SuPA 是位于系统中的 RF 单元中给功放供电的位置，它在电池和功放之间，将电池电压根据基带单元和射频单元提供的功率信号以及配合功放的自身特性信号转换成功放的可以处于最优工作模式的工作电压，驱动功放工作在高效模式，达到节省电能的目的。

6、APT 模式的 SuPA 工作机理

1. UCC27201 datasheet, Texas Instruments Inc., 2008

2. LM5035 datasheet, Texas Instruments Inc., 2013

SuPA 电源变换器与传统的同步整流降压型直流变换器的内部拓扑是一致的，没有很大的不同，但是它的负载动态响应和主动负载电流辅助旁路控制(Active Current assist and Bypass)是做过优化的，因此它可以满足当负载电压和电流发生变化时可以快速响应，主动电流辅助旁路功能可以满足当入口电压瞬间下降或者负载电流瞬间增加时，可以将变换器迅速切换成类似负载开关模式，这样做有两个好处：第一，可以将电池能量快速提供给负载，满足负载需求;第二，可以使用小尺寸、小电流电感，当负载电流超过电感的电流极限时，那么 ACB 功能开关 V3 就会进入工作模式，将额外的负载电流承担过来提供给负载，无需再经过电感，所以可以使用小尺寸的电感，满足超紧凑设计要求，这在实际应用设计中是非常重要的。它的工作过程是：首先当开关管 V2 导通时，V1 是断开的，入口电源会给电感充电，此时电感两端的电动势是左边为“正”，右边为“负”，当电感充电完成后，V2 会断开，V1 会导通，此时电感上的两端电压会反向，变为左边为“负”，右边为“正”，于是电感中储存的能量会经过负载、V1 然后回流到电感的负极，此时的电感更像是一颗电池给负载供电。电感的充电和放电过程会周而复始的进行，于是就会源源不断的向负载提供连续的电流，它的数学表达式是：Vo=D*Vin，其中 D 是占空比，即 V2 导通的时间在整个开关周期内所占的比例。VCON 是用来接收来自射频处理芯片组或者基带芯片组的控制信号，这个信号会送进 SuPA 直流变换器控制单元，将输出电压和 VCON 电压信号按照 A 倍的系数进行转换，于是输出电压和 VCON 信号就会按照 A 倍的比率进行转换，即：Vo=A*VCON;当入口电压跌落或者负载电流意外增加时，造成变换器瞬间过流，于是就会开启主动电流辅助旁路功能(ACB)模式，V3 会将电池电压或者入口电源的电压调整后再接入系统，满足瞬间大负载电流需求，但是当入口电压进一步跌到与输出电压一致或者压差在 200mV 以内时，V3 就会立刻完全导通，进入真正的旁路模式，这是 SuPA 的独到的控制模式，比如 2G 的 PA 瞬态电流往往会超过 2A，于是旁路功能就会显得非常重要;在 3G 或者 4G 时，电流需求量不会很大，于是 SuPA就工作在单一的 DC-DC 转换模式，满足高效率要求。