2부: 휴대전화의 진화와 모바일 컨버전스의 조건

높아진 무선 데이터 전송률에 대한 수요가 증가하면서 모바일 통신 시스템이 2세대에서 3세대로 이동하고 있다. 이렇게 높아진 시스템의 데이터 전송률로 인해 부가적인 모바일 폰의 무선 디자인상의 성능 제약이 발생할 수 있다.할당된 스펙트럼에서 가장 높은 대역폭 효율성을 얻기 위해서, 3세대 모바일 통신 시스템은 스펙트럼에 직교 위상 편이변조(Quadrature Phase Shift Keying), 8-위상 편이변조(8-Phase Shift Keying), 직교 진폭 변조(Quadrature Amplitude Modulation) 같은 효율적인 리니어 변조 회로를 사용한다.이러한 불규칙한 엔벨로프 변조 회로는 ACPR(Adjacent Channel Power Rejection)과 EVM(Error Vector Modulation)의 좋은 값을 유지하기 위해 전송 경로에서 리니어 파워 앰프가 필요하다. CDMA 애플리케이션을 위한 전형적인 리니어 RF 파워 앰프는 선형성 요구 수준을 맞추기 위해 클래스-A 구성을 사용한다. 클래스-A에 관한 테스트북은 1dB 압축 포인트에서 약 30%의 효율성을 갖는다. 1dB 압축 포인트 이하의 전력 레벨에서 동작된다면 클래스-A 앰프의 효율성은 떨어진다.3세대 변조의 선형성에 필요한 최대 동작 가능 포인트를 ‘백-오프(back-off)’라고 칭하며, 파워 앰프의 1dB 압축 포인트로부터 발생된 dB이다. 이러한 백-오프 상태는 신호의 크레스트 팩터 혹은 변조 회로의 감쇄 비율와 관련이 있다.IS-95 및 CDMA2000 시스템에서, RF 파워 앰프는 일반적으로 최고 전력 혹은 1dB 압축 포인트의 6dB에서 40dB 사이에서 동작된다.(이것은 1dB 압축 포인트에서는 10dB~40dB 사이에서 동작된다는 것을 의미한다.) 결과적으로, RF 파워 앰프는 대부분 매우 낮은 효율성의 상태에서 동작된다. 그러나 RF 파워 앰프는 핸드셋에서 가장 많은 전력을 소비하는 부품 중 하나이다.연구에 따르면, 일반적인 폰 동작 중에 배터리 에너지의 20%~40% 정도는 RF 앰프가 사용한다고 나타났다. 그렇다면, 모바일 폰에서 긴 배터리 수명 혹은 긴 ‘통화 시간’을 가능하게 하기 위해서 RF 파워 앰프의 전력 소비를 줄이는 것이 필수적으로 중요하다.이 글은 RF 파워 앰프의 효율성 증대를 위한 간단한 전력 트래킹 기술에 관한 것이다. 이 기술은 선형 (dB) RF 전력 검출기 및 DC-DC 컨버터 스위치 사용과 관련이 있다. 이렇게 확장된 회로는 DC-DC 컨버터를 통해 두 가지 다른 전압으로 RF 파워 앰프의 DC 서플라이 전압 VCC를 바꾸어 준다. RF 전력 검출기 LMV225는 RF 파워 앰프의 공급 전압을 결정한다. 상용 CDMA2000 RF 파워 앰프는 모바일 폰의 에너지 효율성을 증대시키기 위한 기술에 사용될 수 있다.RF 파워 앰프RF 파워 앰프는 이번 애플리케이션의 핵심이다. RF 전력 검출기는 DC-DC 컨버터와 함께 파워 앰프의 효율성을 증대시키는 회로를 설치하는데 사용된다. SK77152 같은 CDMA2000 파워 앰프는 시장에서 매우 대중적인 디바이스이다. 데이터시트에 기입된 1dB 압축 포인트 근사치에서 40% 이상 전력 효율성이 향상될 수 있다.그림 1은 CDMA RF 파워 앰프에서 두 가지 공급 전압 핀 VCC과 VBIAS을 보여주고 있다. 하나의 기준 전압 핀이 있으며, 일반적으로 VREF라 부른다. VREF는 모든 환경에서 2.85V에 맞춰져 있다. 파워 앰프는 VREF를 그라운드 레벨과 같게 설정하면 꺼질 수 있다. CDMA RF 파워 앰프 대부분이 고전력 모드, 저전력 모드 등 두 가지 동작 모드를 가지고 있기 때문에, VCONT 핀은 파워 앰프의 동작 모드에 맞추는데 사용된다. RF 출력 전력이 높은 레벨 일 때, CDMA RF 파워 앰프는 정확한 왜곡 성능을 유지시키기 위해 고전력 모드로 동작할 필요가 있다.CDMA RF 파워 앰프는 출력 신호 레벨이 비교적 낮다면 저전력 모드로 스위칭 될 수 있다. 그러나 신호 경로 위상 시프트가 두 가지 경로간의 차이가 발생하는 바라지 않던 부작용이 발생한다. 이것은 기저대역 프로세싱 및 정정 상의 문제를 일으킬 수 있다.그림 2 DC 공급 전압 VCC 및 VBIAS가 낮아질 때 CDMA RF 파워 앰프의 일반적인 POUT 대 PIN 성능을 보여주고 있다. 출력 RF 전력이 RF 파워 앰프의 DC 서플라이 전압을 줄임으로써 획득할 수 있다.PAEPAE(Power Added Efficiency) 혹은 DC에서 RF 효율성은 다음과 같이 정의된다. POUT-PINPAE = 契契契契契契·100% (1) PDCDC 전력 소비는 다음과 같다PDC=VCC·ICC (2)PA의 DC-RF 효율성의 최고값은 RF 파워 앰프 제조업자가 설정한 최고 출력 전력 레벨에서 발생하며, RF 파워 앰프 자체가 이러한 최고 전력 레벨에서 거의 동작되지 않는다. 그럼에도 불구하고, 최고 전력 효율성은 핸드셋에서 발열 제약에 대한 전력 분산을 최소화하는데 효과적인 역할을 한다. 다른 한편으로, RF 파워 앰프의 PAE는 RF 전력 출력이 낮아질 때 떨어진다.배터리를 사용하는 휴대전화에서, 그림 3에 묘사된 것과 같이 RF 전력 출력 확률 분포는 모바일 시스템의 평균 효율성 측정을 고려해야만 한다. 이러한 평균 효율성은 실제로 동작할 때 배터리 에너지를 유용한 송신기 전력으로 변환할 수 있는 모바일 시스템의 능력에 대한 진정한 지표이다.그림 3에서와 같이, 핸드셋에서 RF 파워 앰프는 항상 IS-95에서는 POUT=+15dBm 및 그 이하에서 동작하며 CDMA2000은 POUT=xdBm과 그 이하에서 동작된다. 그러므로 작은 신호 레벨에서 RF 파워 앰프의 PAE를 증가시키는 것이 필요하다.식 1과 식 2는 RF 파워 앰프의 공급 전압을 떨어뜨림으로써 DC 전력 소비 PDC가 감소될 수 있다는 것을 나타낸다.RF 파워 앰프의 PAE를 증가시키는 것은 매우 간단해 보일 수도 있지만, RF 파워 앰프의 공급 전압을 감소시키는 것에 고려되어야 할 주요한 사양이 몇 가지 있다. 이것에는 ACPR, EVM과 하나의 공급 전압 레벨에서 다른 것으로 스위칭하는 시간이 포함된다.인접 채널 전력 거부(ACPR)ACPR로 알려진 인접 채널 전력 거부는 전송된 주파수의 평균 전력에 대한 특정한 오프셋 주파수상의 평균 전력 비율로 정의된다. 표 1은 CDMA2000의 성능 요구수준을 나타낸다. ACPR이 CDMA2000처럼 IS-95나 IS-98 에어 인터페이스 표준이 공식적으로 필요로 하지 않는다고 해도, 표 1의 부품 사양을 맞추려면 핸드셋 RF 디자이너들이 검증하는데 여전히 필요하다. 좋지 않은 ACPR 값이 전송 경로가 선형에 충분하지 않도록 나타나면, RF 신호는 기지국의 수신기에 들어가기 전에 왜곡된다.CDMA2000의 RF 신호가 다른 채널 구성에서 다른 감쇄 엔벨로프를 보여주기 때문에, 높은 크레스트-팩터 RF 신호가 인접 주파수 채널에서 더 많은 간섭을 일으키게 된다. RF 파워 앰프를 테스트할 때, 높은 크레스트-팩터의 채널 구성이 계측상 가장 나쁜 조건에서 사용되어야 한다.전력 검출기RF 전력 검출기는 RF 출력 신호를 사용하며, 정류된 DC 전압을 생성시켜 DC-DC 컨버터나 스위치의 출력 전압을 결정한다.이번 애플리케이션에서, LMV225는 0dBm에서 -40dBm까지의 정교한 지수(linear-in-dB) 검출 범위를 제공하기 때문에 표본으로 선택되었다.핸드셋에서 RF 전력 컨트롤은 CDMA 시스템이 잘 동작할 수 있는 지를 검증하는데 필수적이다. 모든 사용자들이 동일한 무선 주파수 대역인 IS-95에서 1.25MHz를 공유하기 때문에, 이때 각각의 사용자들은 랜덤 잡음으로 다른 사용자에게 나타나게 된다. 따라서 개인 사용자들의 전력은 동일 무선 주파수 대역을 공유하는 다른 사용자들에게 불필요한 간섭을 일으키지 않도록 방지하는 세심한 컨트롤이 요구된다.제시된 애플리케이션 블록도에서 사용된 LMV225는 두 가지 다른 기능을 제공한다. 첫 번째 기능은 이전에 언급된 것처럼 출력 RF 제어에 관련된 것이다. 두 번째 기능은 RF 파워 앰프의 공급 전압 결정에 관한 것이다. 이 글의 두 번째 섹션은 LMV225의 두 번째 기능에 관한 것을 다루겠다.스위처 및 DC-DC 컨버터스위처(Switcher)는 핸드셋이 전체 배터리 전압 동작 범위를 사용할 수 있게 해, 핸드셋이 3V 혹은 그 이하에서 완전히 방전된 상태에 이를 때까지 최고 성능에서 동작할 수 있다.일반적으로, 이번 애플리케이션에서 사용된 스위처는 PWM(Pulse Width Modulation) 모드와 바이패스 모드를 가지고 있다. 스위처는 일반적으로 핸드셋의 효율성을 향상시키기 위해 PWM 모드에서 동작한다. PWM 모드에서, 프로그래머블 출력 전압은 VCON의 기능이다. 방정식 식 3은 프로그래머블 출력 (SW)과 LM3200
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