蜂窝射频功率放大器的包络跟踪电源芯片

本文重点介绍德州仪器 （TI） 的包络跟踪，这是一种用于提高 LTE 发射器 PA效率的新型电源管理技术。

移动设备功能在过去十年中发生了巨大变化，并随着社交媒体、音乐和视频流、游戏、云存储以及与其他设备的连接等应用程序而不断扩展。重新定义的用户体验需要长期演进 （LTE） 技术提供高数据速率。通过复杂的RF调制和更高的平均输出功率实现高数据速率，将传统RF功率放大器（PA）的效率降低到不可接受的水平，无论是对于现有智能手机设计的散热还是电池寿命。包络跟踪（ET） 是一种用于射频 PA 的新型电源管理技术，可提高效率、最大限度地减少热量产生并延长电池寿命。高数据速率和更长的电池寿命可提高整体 LTE 用户体验。

LTE 对射频 PA 效率的影响

LTE要求RF PA以更高的功率电平9dB至15dB传输，以保持足够的每比特能量。尽管LTE频谱效率有所提高，但传输的数据量越大，也需要更多的功率。

20 多个不同 LTE 频段的存在增加了开关、滤波器和调谐器网络的射频前端复杂性。PA到天线的损耗增加，这反过来又需要更多的PA输出功率。上行链路载波聚合进一步增加了未来RF前端的复杂性，延续了PA输出功率的上升趋势。大量的LTE频段需要多模多频段（MMMB）PA，其效率低于单频段PA。

LTE信号具有非常高的峰均功率比（PAR）。LTE使用单载波频分多址（SC-FDMA）进行上行链路通信。SC-FDMA调制PAR（6-7dB）高于W-CDMA（3-4 dB）和GSM（0dB）。请注意，在某些情况下，HSPA 可能具有高PAR，这会带来类似的 PA 效率挑战。

针对高PAR和高功率优化的RF PA晶体管在降低功率水平时效率要低得多，例如，当用户靠近基站或低数据速率传输期间。与3G和2G传统系统相比，这种低效率导致PA加热增加并缩短电池寿命。包络跟踪是一种RF PA电源管理技术，可以在任何频段或任何LTE带宽下通过高PAR信号提高高功率水平的系统效率。

包络跟踪电源管理

平均功率跟踪（APT）是一种广泛实施的方法，用于降低RF PA中不必要的功耗。连接在电池和PA电源电压（PAVCC）之间的高效DC/ DC转换器根据PA平均输出功率动态改变PA VCC。当PA输出功率低于最大值时，PA电源电压降低，提高PA效率。每当平均输出功率发生变化时，PA VCC中的调整就会发生。这可以是每个3G传输时隙或LTE帧一次。为了实现最低的系统级电流消耗，需要一个高转换效率的DC/DC转换器 。

不幸的是，APT没有解决LTE传输的关键挑战：高PAR和高平均输出功率。之所以存在这种限制，是因为在不牺牲线性度的情况下，无法在不牺牲线性度的情况下降低全输出功率下的平均PA VCC。包络跟踪使用动态PA VCC，跟踪RF调制幅度（瞬时输出功率电平）而不是平均输出功率电平。包络跟踪电源（ETPS）用作RF PA的动态电源，以3G / LTE调制的速度调整PAVCC，并优化每个时间点的RF PA效率。因此，ET提高了高平均输出功率下高PAR调制的效率。ETPS显著降低了最坏情况下的PA加热，恢复了PA线性度（增强ACLR），并且由于增强了PA效率和线性度，提高了最大平均输出功率能力。

图1显示了全功率RF PA的PAVCC（左图）和降低输出功率（右图）。在每种情况下，PA VCC的降低都与PA效率相关。

图 1：固定电压、APT 和 ET 的功率放大器电源电压

更高的效率

ET的主要优点是提高了PA效率。例如，在+28 dBm PA平均输出功率下，系统效率提高了23%以上（从30%APT提高到39%ET）（图2）。效率优势或提升，目前可扩展到低至+20 dBm的平均输出功率水平。随着系统组件的不断改进，ET提升将在更低的平均输出功率水平下实现。图2a显示了使用3.8V电池电压和25RB QPSK LTE信号以及工作在LTE频段1的原型ET MMMB RF PA进行系统效率测量。与APT工作相比，ET在+28 dBm下工作可将3.8V电池的电流降低125 mA以上。

图2：ET和APT系统效率（a）和线性度（b）的测量

减少热量

在用于图2的相同测量中，PA工作温度降低了20°C（图3）。PA加热的减少大大简化了手机和平板电脑等薄型小型设备的热设计。

图 3.使用热像仪在 POUT = +28 dBm 时测量的 APT 和 ET的 PCB 温度

高输出功率水平

一些 ET 电源（如 TI 的 LM3290/91）为 PA 提供优化的电源电压，即使 PA VCC 高于电池电压也是如此。图4显示，ET操作的PA输出功率比APT高3 dB。因此，不再需要放宽发射功率要求，即所谓的最大功率降低（MPR）。通过避免MPR，ET系统可以在所有情况下保持最大数据速率，即使在电池电压较低的情况下也是如此。随着新兴的低压电池和更复杂（损耗更高）的RF前端，这种能力变得越来越重要。

图4显示了使用3V电池电压和25RB QPSK LTE信号进行系统效率测量。使用原型 ET MMMB PA

图4：ET和APT系统 效率 比较

降低接收带噪声

在频分双工（FDD）系统中，FDD LTE的发送和接收路径同时工作，因此确保发射器产生的带外噪声不会降低接收器的灵敏度至关重要。虽然发射和接收电路在频率上是分开的，并由双工滤波器隔离，但发射和接收路径之间仍然存在耦合（通常约为–50 dB），要求对PA输出端的噪声进行限制。PA输出端的典型接收带噪声（RxBN）应低于–130 dBm/Hz。

包络信号计算的复杂性和ETPS噪声的增加使实现良好的RxBN变得复杂。ET 操作中的 RxBN 可以高于或低于 APT 操作中的 RxBN，具体取决于 LTE 操作条件，前提是噪声 ETPS 足够低。图5显示了在高功率电平下使用25RBBand1进行的测量。ET噪声水平仅比APT噪声高2-3 dB。ET总噪声低于–130 dBm/Hz，符合典型的ET系统要求。

提高线性度

具有高保真、高峰值电压ETPS 的 ETS 系统可以提高 PA ACLR 性能（图 2）。如果不需要，多余的ACLR性能可以很容易地用于提高系统效率，或者如果它由于天线不匹配而降级，则可以使用它来维持可接受的ACLR。

图 5：ET 和 APT 时的 PA 输出噪声

ET 与 APT：系统级实现

APT和ET系统在概念上是相似的。两者均由芯片组、PA 电源管理组件和 RF PA 组成（图 6）。两者都会随时间调整RF PA电源电压电平。但ET在RF调制带宽下工作，导致不同的系统级要求。本节介绍 ET 系统中的关键模块及其要求与 APT 实现。

ETPS

ET系统包括支持ET的收发器、针对ET优化的PA和ETPS。

支持ET的收发器必须生成3G/LTE RF信号，同时向ETPS提供相应的包络参考信号。ETPS 提供 PA 电源电压 PAVCC。由于包络参考信号的高带宽，它不能像在APT系统中那样使用MIPI RFFE接口进行传输。取而代之的是，采用了称为eTrakTM的差分模拟接口。（图 6）。eTrak 是MIPI®联盟的新标准，用于将具有ET功能的收发器连接到 EM，并被 主要平台供应商采用。收发器必须在包络信号和RF信号路径之间保持最佳时序对准，以防止PA线性度和输出噪声下降。

包络跟踪 PA 与平均功率跟踪 PA 不同。虽然可以使用正常的APT PA尝试ET，但这种尝试会受到性能限制，因为PA从未设计为在ET模式下运行。高速PA VCC调制需要低PA电源网络电容，以防止非线性并降低效率。许多 ET PA 具有相当平坦的插入阶段，并且依赖于 PA VCC。这样可以最大限度地减少信号失真，从而影响EVM，ACLR和RxBN。或者，相位和增益变化可以通过预失真技术进行补偿。第三，ET PA的线性增益必须相对于APT优化的PA增加，因为ET PA在大部分输出功率范围内以压缩方式工作，以提高PA效率。压缩增加了PA输出对PAVCC噪声馈通的敏感性。因此，需要一个非常低噪声的PA电源来保持PA输出噪声较低。这些属性在 APT PA 中不存在。

图 6：简化的 APT（左）和 ET（右）框图

PA电源电压和输入RF功率之间的关系会影响许多系统级性能指标。例如，PA电源电压与RF输入功率的比率越高，PA增益越高，PA电源噪声灵敏度越低，并影响ET线性度。因此，ET系统性能不仅仅是PA的功能。相反，它是所有系统组件和用于生成PAVCC波形的信号处理方法的功能。

ETPS 不断调节 PA 电源电压。这与APT DC/DC不同，后者仅在平均输出功率水平发生变化时才调整PA电源电压。这在调制器带宽、输出噪声和效率方面造成了显著的差异和设计挑战。

带宽

为了在不引入失真的情况下精确跟踪RF信号调制的幅度，需要一个带宽是RF调制带宽的一到两倍的电源。包络带宽取决于实际传输的信号。例如，所需的20 MHz至40 MHz LTE信号带宽是APT DC/DC转换器带宽的200倍以上。

ETPS输出噪声

ET PA在压缩模式下工作，具有非常小的电源旁路电容，并且比APT PA对电源噪声更敏感。为了满足 – 130 dBm/Hz 的 RxBN 系统要求，ETPS 输出噪声需要低于 –135 dBm/Hz（以 50 欧姆系统为基准）。对于ETPS来说，这是一个非常严格但可行的设计挑战。在APT系统中，RF DC/DC转换器的噪声要求更为宽松，因为APT PA电源上的大旁路电容会衰减PA电源噪声。

效率

ETPS的高带宽和低噪声特性必须与高效率相结合。虽然APT DC/DC可以达到95%的效率水平，但ETPS以较低的转换效率工作，以实现更高的带宽和更低的输出噪声性能要求。ETPS效率的降低（与APT DC/DC转换器相比）在系统级通过提高ET操作中的PA效率（与APT操作中的PA相比）进行补偿。ETPS效率要求在80%-90%的范围内。

包络跟踪电源支持平均功率跟踪

ET是一种当传输信号具有高平均输出功率和高PAR时为RF PA供电的有效方法。对于较低的平均PA输出功率水平，APT成为更有效的选择。因此，ETPS必须支持两种工作模式：ET和APT，如图7所示。

图 7：ETPS的 ET 和 APT 工作模式

在双模ETPS中，在APT和ET操作之间无缝切换的能力至关重要。否则，在更改工作模式时，RF输出信号将失真。图8显示了使用德州仪器LM3290/91ETPS从APT到ET再到APT模式的无缝过渡。芯片组通过MIPI RFFE接口控制转换，以确保系统与RF信号和传输帧或插槽同步。

图 8：EM 模式更改 APT-ET-APT

结论

包络跟踪是一种新的电源管理技术，可显著提高LTE发射器的PA效率。ET 提供更长的电池寿命和显著降低的 PA 工作温度。其他优点包括改进的线性度（ACLR），增强的输出功率能力以及 - 具有升压能力 - 在低电池电压下消除MPR。在低PA输出功率水平下，高性能平均功率跟踪是实现最佳整体系统效率的必要特性。因此，需要双模 ET/APTRF PA 电源管理解决方案。

ET的实施需要一个完整的生态系统：支持ET的芯片组，ET优化的PA以及支持APT和ET模式的高效，低噪声和高带宽ETPS。系统组件已经从领先的LTE组件供应商处获得，例如德州仪器的LM3290/91 ETPS。

关于作者

Juha Pennanen在奥卢大学获得了 M.Sc（EE）荣誉，学习领域 电信，模拟和RFIC设计。他曾在德州仪器公司担任系统工程经理。