CDMA/WCDMA 셀 방식 무선 표준에 사용된 전력 앰프는 직접 배터리로 구동하는 방식을 사용해 왔다. 이 방법은 시스템 구현이 쉽지만 리니어 전력 앰프 특성에 따른 전송 전력 스펙트럼 전반에서 비효율적이라는 단점이 있다.셀 방식 무선 표준은 CDMA-1의 14.4kbps로 시작하여 CDMA2000/WCDMA에서의 2Mbps로 증가된 전송 속도와 더불어 발전해 왔다. 이와 별도로, 무선 서비스 제공업체들은 가입자당 평균 매출을 높이기 위해 3G 전화기와 번들로 제공하는 서비스 수를 늘렸다. 이와 함께 용량이 비슷하거나 약간 더 큰 배터리로 통화 시간과 배터리 수명이 향상될 것으로 기대하고 있다. 이에 따라 엔지니어들은 시스템 설계에서 새로운 과제에 직면하게 됐다. 시스템 설계자는 전화 기판의 모든 구성품에 대한 전력을 매우 신중하게 조사해야 한다. 직접 배터리의 전력으로 구동되는 RF PA(전력 앰프)가 전력 예산 측면의 주요 관심사이다.CDMA 및 WCDMA에 사용된 변조 방식은 일정하지 않은 진폭 포락선을 보이는 진폭 변조 신호를 발생시킨다. 신호 무결성과 추가 스펙트럼 재성장을 유지하기 위해 리니어 전력 앰프가 필요하다.하지만 전력 앰프는 이득 압축에서 작동할 때 효율적이므로 전력 효율이 저하되는 단점이 있다. 요구되는 선형성을 충족하기 위해 작동 시 전송 전력이 전력 앰프의 압축점으로부터 뒤로 밀려나면서 전반적인 효율 저하를 가져온다. 핸드셋이 전송 모드로 작동 중일 때 PA의 고질적인 비효율성으로 인해 RF 전력이 전체 전력 공급의 65%까지 소모한다.이 같은 이유로 시스템의 효율을 크게 증가시킬 자기 벅 컨버터로 구동하기에 가장 이상적인 대상이 바로 리니어 PA이다. 전력 부가 효율, 즉 PAE(Power-Added Efficiency)가 전력 앰프의 성능 효율의 핵심 성능 척도이다.PAE (%) = ( POUT - PIN) / PdcDC-DC 컨버터(PA 전력공급 레귤레이터)의 핵심은 분모인 Pdc 인수를 감소시키는 일이다. PA를 직접 배터리에 연결하면 ‘Pdc=Vbatt*Ibatt’이고 PA 전력공급 레귤레이터를 통해 구동될 경우 ‘Pdc=Vo*Io’이다. 이제 PAE 증가를 위해 Vbatt 및 Ibatt에 비해 Vo 및 Io를 낮춰야 하는 과제를 안고 있다. 이 문제는 보다 낮은 전송 RF 전력 수준에서 PA 전력공급 레귤레이터의 출력 전압을 내림으로써 해결된다.그 결과 Io(PA에 의해 유도된 전류)는 감소하며, DC-DC 컨버터 고유의 높은 효율 때문에 배터리로부터 유도되는 입력 전류는 훨씬 낮아진다.전력공급 레귤레이터를 사용 시 PA 구동을 위한 전력 절약이 미치는 영향을 이해하기 위해서는 변조 방식에 대한 전력 확률 프로필(그림 2 참조)을 고려해야 한다. 이 프로필은 도시와 시골 지역에서 서로 다르다.인접 채널 전력/누출비 ACPR(Adjacent Channel Power /leakage Ratio) 사양을 유지하기 위해 전송 전력 레벨이 변화하기 때문에 그림 3과 같이 DC-DC 컨버터의 출력 전압에도 변동이 있어야 한다. 배터리 전류 절약 효과는 0dBm~20dBm 전력 레벨에서 50mA 정도까지 가능한다. 그림 2는 PA가 대부분의 시간 동안 이 전력 레벨로 작동함을 보여준다.전송 전력 레벨이 증가할 때 DC-DC 컨버터의 전압을 바꿔야 하는 이유는 무엇일까? 그 답은 ACPR 비를 유지하기 위해 전압 변동이 필요하기 때문이다. ACPR은 전력 앰프의 왜곡을 특성화하고 인접한 무선 채널이나 시스템을 간섭하는 데 사용된다.ACPR은 근접 무선 채널 혹은 시스템에 간섭을 주는 경향이 있는 파워앰프와 기타 시스템의 왜곡 특징이 있다.이것은(ACPR) 몇 가지 오프셋 주파수에서 측정된PSD(Power -Spectral Density) 대비 주 채널의 PSD 비율로 정의된다.그림 5에서 POUT의 증가에 따라 PA로 공급되는 전압이 증가하지 않을 경우 ACLR 사양이 충족되지 못함을 알 수 있다. WCDMA의 시스템 차원 사양(3GPP)은 -34dBc이며, 온도 및 장치 변동에 따른 충분한 여유를 유지하기 위해 사용되는 ACLR 값은 -38dBc이다.RF 전력 앰프 구동을 위한 주요 벅 컨버터 요구 사항RF PA를 구동하는 벅 컨버터는 특수한 기능을 보유하며 디지털 코어 프로세서를 구동하는 벅 컨버터와 상당히 다르다.이러한 차이는 스위칭 FET ON 저항, 전류 한계, 과도 특성, 그리고 PFM/PWM, 시동 시간, 대기 전류 및 강하 동작과 같은 작동 모드 등의 특성과 매개변수로 인해 발생한다. 다음 예에서 이러한 차이점을 보여준다.●광범위한 출력 전압 및 로드 범위 전반의 높은 효율예: LM3205의 효율은 96% (높은 RF 전력) VIN = 4.2V, Vo = 3.4V, Io = 400 mA LM3205의 효율은 87% (낮은 RF 전력) VIIN=3.9V, Vo=1.5V, Io = 100 mA.●동적 출력 전압 조정 예: LM3205에서 출력 전압은 Vcon 핀을 사용하여 0.8V ~ 3.6V 범위에서 조정할 수 있다. Vcon에서 Vo로의 전압 이득은 2.5이다.●30μs 출력 Slew Rate 및 안정화(Vcon 조정이 완료되어야 하는 모든 667μs 전송 주기의 시작점에서 50μs) WCDMA 아키텍처에서는 기지국의 요구에 따라 667μs마다 ±1dB씩 전송 전력이 조정된다.●낮은 전압강하 및 낮은 리플, 100% 듀티 사이클에 근처에서예: Low RDSON PFET 140mΩ(LM3205) 또는 바이패스 FET(LM3204)가 낮은 드롭아웃 전압을 제공하고, 펄스 스킵 방식은 100% 듀티 사이클에 근처에서도 낮은 리플을 제공한다.●낮은 출력 전압을 위한 낮은 듀티 사이클 작동예: 0.8V 출력전압을 위해 최소 가동 시간이 50ns, 10% 듀티 사이클로 동작이 가능하고, VIN 범위에 따라 그이하의 동작 가능하다.●높은 스위칭 주파수예: 2MHz 스위칭 주파수는 크기가 작은 외부 부품의 사용할 수 있도록 지원하며 스펙트럼 방출 요구 사항을 충족한다.●전송 ON/OFF에 대한 시간 마스크를 충족하는 빠른 켜기 시간예: LM3203의 켜기 시간은 Vo=3.4V의 경우 EN=낮음에서 높음으로 전환되는 데 필요한 시간은 50μs이다.100% 듀티 사이클 대 바이패스 모드벅 컨버터가 100% 듀티 사이클로 작동할 때 드롭아웃 전압은 다음과 같다.드롭아웃 전압=(RON,P + RL) ● Io,여기서 RON,P은 PFET의 RDSON이고, RL은 유도자 DCR이다. 바이패스 FET를 갖는 PA 전력공급 레귤레이터의 경우 바이패스 모드에서의 드롭아웃 전압은 다음과 같다.드롭아웃 전압 = (RON,BYP) ● Io,여기서 RON,BYP은 바이패스 FET의 RDSON입니다. 바이패스 FET는 자동 또는 수동으로 켤 수 있다. 그림과 같이 바이패스 모드가 제공하는 주된 장점은 보다 낮은 드롭아웃 전압이다. 즉, 통화 시간 연장과 전화기의 배터리 부족으로 인한 작동 중단점을 낮춘다는 장점이 있다. 낮은 DCR 유도기와 낮은 RDSON PFET를 사용하는 방법도 있다.응용 회로 예예에서는 필요한 출력 전력 레벨에 따라 출력 전압을 설정하는 참조 테이블 구조(Lookup Table Scheme)가 베이스밴드에 있다.결론DC-DC 컨버터는 휴대용 통신 장치에서 RF PA 시스템 효율을 증대시키고 배터리의 수명을 연장하여 보다 많은 기능을 더할 수 있도록 지원한다.RF 전력 앰프의 구동에 관한 자세한 내용을 보려면 www.national. com/onlineseminars에서 제공하는 Mathew Jacobs의 온라인 세미나를 참조하십시오.
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