专利名称：一种降低手机射频功耗的电路及方法
技术领域：
本发明涉及移动通信技术，尤其涉及一种降低手机射频功耗的电路及方法。
技术背景码分多址(CDMA) /宽带码分多址(WCDMA)是第三代通讯标准，满 足了高速数据传输，在CDMA/WCDMA系统中，手机完全靠手机电池供电， 为了满足IS95/3GPP扩频标准中规定的严格的线性和邻信道功率抑制比 (ACPR)指标，手机需要采用高线性度的A类或AB类射频(RF)功率放大 器(射频功率放大器)，图1为CDMA/WCDMA系统中，手机的一种典型射频 功率放大器示意图，如图1所示，射频功率放大器需要两路电源电压Vw和Vcc，其中，Vref为功率放大器的基极提供偏置，Vee为功率放大器的集电极提供偏置， 且基极偏置电压Vref和集电极偏置电压Vce均为恒定值，在最大射频输出功率Po-28dBm时，这类射频功率放大器的功效(射频功率放大器E)只有35%, 射频输出功率较低时功效更低，实际应用中，在语音模式下，射频功率放大器并 非工作在连续;f莫式，这是由于用户没有通话时，手^L工作时间为50%或1/8， 所以，在语音模式下无需考虑手机发热问题，然而，在数据模式下，射频功率 放大器在数据传输结束之前始终保持连续工作状态，较低的射频功率放大器 效率和连续的射频功率放大器工作状态会大量消耗电池能量，且消耗电池电量所产生的内部功耗会导致手机过热。 发明内容有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种降低手机射频功耗的电路及方 法，能够节省电池能量、緩解手机发热问题。为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的一种降低手机射频功耗的电路，包括基带处理芯片、驱动放大器和射频 功率》文大器，其中，所述基带处理芯片，用于根据射频功率放大器的射频输出功率向驱动放大 器输出基极参考电压；所述驱动放大器，用于对基带处理芯片输出的基极参考电压配置增益后， 输出至射频功率放大器的基极；所述射频功率放大器，用于对射频输入进行放大后输出。一种降低手机射频功耗的电路，包括电池、基带处理芯片、DC-DC模块 和射频功率;^丈大器，其中，所述电池，用于为DC-DC模块供电；所述基带处理芯片，用于根据射频功率放大器的射频输出功率向DC-DC 模块输出集电极电压大小控制信号；所述DC-DC模块，用于根据来自基带处理芯片的集电极电压大小控制信 号进行DC-DC降压转换后，输出至射频功率放大器的集电极；所述射频功率》文大器，用于对射频输入进行放大后输出。所述基带处理芯片还用于向DC-DC模块输出高功率控制信号；所述DC-DC模块还用于根据所述高功率控制信号，直接将电池提供的电 压输出至射频功率;^文大器的集电极。一种降低手4几射频功耗的电路，包括基带处理芯片、驱动放大器、电池、 DC-DC模块和射频功率访文大器，其中，所述基带处理芯片，用于根据射频功率放大器的射频输出功率向驱动放大 器输出基极参考电压，以及根据射频功率放大器的射频输出功率向DC-DC模 块输出集电极电压大小控制信号；所述驱动》文大器，用于对基带处理芯片输出的基极参考电压配置增益后， 输出至射频功率放大器的基极；所述电池，用于为DC-DC模块供电；所述DC-DC模块，用于根据来自基带处理芯片的集电极电压大小控制信号，对电池电压进行DC-DC降压转换后，输出至射频功率放大器的集电极； 所述射频功率-文大器，用于对射频输入进行放大后输出。 所述基带处理芯片还用于向DC-DC模块输出高功率控制信号； 所述DC-DC模块还用于根据所述高功率控制信号，直接将电池提供的电压输出至射频功率放大器的集电极。一种降低手机射频功耗的方法，包括基带处理芯片根据射频功率放大器的射频输出功率，调整射频功率^:大器的基极偏置电压和/或集电极偏置电压。 所述基带处理芯片根据射频功率放大器的射频输出功率，调整射频功率放大器的基极偏置电压为基带处理芯片根据射频功率放大器的射频输出功率向驱动放大器输出基极参考电压；驱动放大器对基带处理芯片输出的基极参考电压配置增益后，输出至射频 功率放大器的基极。所述基带处理芯片根据射频功率放大器的射频输出功率，调整射频功率放 大器的集电极偏置电压为基带处理芯片根据射频功率放大器的射频输出功率向DC-DC模块输出集 电极电压大小控制信号；DC-DC模块根据来自基带处理芯片的集电极电压大小控制信号，对电池电 压进行DC-DC降压转换后，输出至射频功率放大器的集电极。设置高功率控制阈值，该方法还包括基带处理芯片对射频功率放大器进 行高功率控制，具体为电池电压低于高功率控制阈值时，基带处理芯片向DC-DC模块输出高功 率控制信号；DC-DC模块根据所述高功率控制信号，直接将电池提供的电压输出至射频 功率放大器的集电极。本发明降低手机射频功耗的电路及方法，根据射频功率放大器射频输出功 率实时调整手机射频功率放大器的基极偏置电压和/或集电极偏置电压，降低射频功率放大器功耗。。由于本发明在保证手机与基站之间正常通信且其射频功率放大器的线性指标和ACPR满足规范要求的同时，通过适当降低基极偏置电压 和/或集电极偏置电压降低射频功率放大器的射频输出功率，从而能够提高射频 功率放大器功效、节省电池能量、且能緩解手机发热问题。
图1为CDMA/WCDMA系统中，手机的一种典型射频功率放大器示意图；图2为本发明一种降低手机射频功耗的电路结构示意图；图3为本发明另一种降低手机射频功耗的电路结构示意图；图4为本发明再一种降低手机射频功耗的电路结构示意图；图5为对应于图2所示降低手机射频功耗的电路的处理流程示意图；图6为对应于图3所示降低手机射频功耗的电路的处理流程示意图。
具体实施方式
本发明的基本思想是根据射频功率放大器射频输出功率实时调整手机射 频功率放大器的基极偏置电压和/或集电极偏置电压，降低射频功率放大器功 耗。下面结合附图对^t术方案的实施作进一步的详细描述。在CDMA/WCDMA系统中，射频功率放大器的射频输出功率并非始终保 持在最大值，为了优化蜂窝容量，即基站能够同时处理的传输量，每部手机需 要控制其射频输出功率，以侵"基站对于每部手机保持相同的有效接收信噪比。 从大多数手机在给定区域平均射频输出功率的概率分布看，CDMA/WCDMA手 机在郊区的平均射频输出功率为+10dBm,在市内的平均射频输出功率为 十5dBm。因此，改善射频功率放大器效率的目标应该定位于+5dBm至+10dBm, 而不是最大射频输出功率。现有技术中，当射频输出功率为零时，Vref和Vcc的典型值为Vre产3.0V、Vcc = 3.4V，射频功率放大器本身消耗电流为100mA。如果将Vref从3.0V降至2,9V，静态电流将降低20mA。由此可见，通过减小V^可有效降低射频功 率放大器的静态电流，图2为本发明一种降低手机射频功耗的电路结构示意图， 如图2所示，本发明一种降低手机射频功耗的电路包括基带处理芯片21、驱 动放大器22和射频功率放大器23，其中，
基带处理芯片21,用于根据射频功率放大器23的射频输出功率向驱动放 大器输出基极参考电压；
驱动放大器22,用于对基带处理芯片21输出的基极参考电压配置增益后， 输出至射频功率放大器23的基极；
射频功率放大器23，用于对射频输入进行放大后输出。
另外，在典型的手机设计中，射频功率放大器的Vcc直接由单节Li+电池 提供，因此，Vcc工作电压的范围为3.2V至4.2V。如上所述，^L率统计表明 CDMA/WCDMA的射频功率放大器大多数时间工作在+5dBm至+10dBm的 射频输出功率，在这样的功率等级下，可以在不降低射频功率放大器线性指标 的前提下降低射频功率放大器的集电极偏置电压Vcc，以达到降低功耗的目的。 图3为本发明另一种降低手机射频功耗的电路结构示意图，如图3所示，本发 明另一种降低手机射频功耗的电路包括电池31、基带处理芯片32、 DC-DC 模块33和射频功率放大器34，其中，
电池31，用于为DC-DC模块供电；
基带处理芯片32，用于根据射频功率放大器35的射频输出功率向DC-DC 模块33输出集电极电压大小控制信号；
DC-DC模块33,用于根据来自基带处理芯片31的集电极电压大小控制信 号，对电池31电压进行DC-DC降压转换后，输出至射频功率放大器34的集 电极；
如图3所示，DC-DC模块33 —般包括差分放大器331、脉冲宽度调制 (PWM)模块332、与PWM模块直接相连的P沟道金属-氧化层-半导体-场效 晶体管(P-FET) 333、与PWM模块直接相连的N沟道金属-氧化层-半导体-场效晶体管(N-FET) 334、储能电感335、稳压滤波电容336、电阻337和电阻338。其中，基带处理芯片32具体输出集电极参考电压至差分放大器331的 同相输入端，差分》文大器331的输出端连4妄PWM才莫块332, PWM才莫块332连 接P-FET 333和N-FET 334的栅极，P-FET 333的源极与电池31相连、漏极与 储能电感335的一端相连，N-FET 334的漏极与P-FET 333的漏极相连、源极 接地，储能电感335的另一端与稳压滤波电容336的一端相连，稳压滤波电容 336的另一端接地，电阻337和电阻338串联后并在稳压滤波电容336的两端， 电阻337和电阻338之间的电压输出至差分放大器331的反相输入端。DC-DC 模块的降压转换原理为现有技术，在此不作详细描述。
射频功率》文大器34,用于对射频输入进行放大后输出。
基带处理芯片31还用于向DC-DC模块33输出高功率控制信号；
DC-DC模块33还用于根据所述高功率控制信号，直接将电池提供的电压 输出至射频功率放大器34的集电极。
如图3所示，除P-FET 333外，DC-DC模块还包括一 P-FET 339,其栅极 与基带处理芯片32相连，源极与电池31相连。手机上一般设置有高功率控制 阈值，当电池31电压低于高功率控制阈值时，基带处理芯片32会向P-FET339 输出高功率控制信号，P-FET 339导通，从而直接将电池提供的电压输出至射 频功率放大器34的集电极，电池31电压不低于高功率控制阈值时，基带处理 芯片31不向P-FET 339输出高功率控制信号，P-FET 339截止，从而电池31 提供的电压经过降压转换后输出至射频功率放大器34的集电极。
当然，也可以同时调整基极偏置电压和集电极偏置电压，以更大程度地减 小射频输出功率，图4为本发明再一种降低手机射频功耗的电路结构示意图， 如图4所示，本发明再一种降低手机射频功耗的电路包括基带处理芯片41、 驱动放大器42、电池43、 DC-DC模块44和射频功率放大器45,其中，
基带处理芯片41，用于根据射频功率放大器45的射频输出功率向驱动放 大器42输出基极参考电压，以及根据射频功率放大器45的射频输出功率向 DC-DC模块44输出集电极电压大小控制信号；
驱动放大器42，用于对基带处理芯片41输出的基极参考电压配置增益后，输出至射频功率放大器45的基极；
电池43,用于为DC-DC模块44供电；
DC-DC模块44，用于根据来自基带处理芯片41的集电极电压大小控制信 号，对电池电压进行DC-DC降压转换后，输出至射频功率放大器45的集电极；
如图4所示，DC-DC模块44 一般包括差分放大器441、脉冲宽度调制 (PWM)模块442、与PWM模块直接相连的P沟道金属-氧化层-半导体-场效 晶体管(P-FET) 443、与PWM模块直接相连的N沟道金属-氧化层-半导体-场效晶体管(N-FET) 444、储能电感445、稳压滤波电容446、电阻447和电 阻448。其中，基带处理芯片41具体输出集电极参考电压至差分放大器441的 同相输入端，差分放大器441的输出端连接PWM模块442， PWM模块442连 接P-FET 443和N-FET 444的栅极，P-FET 443的源极与电池43相连、漏极 与储能电感445的一端相连，N-FET444的漏极与P-FET443的漏极相连、源 极接地，储能电感445的另一端与稳压滤波电容446的一端相连，稳压滤波电 容446的另 一端接地，电阻447和电阻448串联后并在稳压滤波电容446的两 端，电阻447和电阻448之间的电压输出至差分方文大器441的反相输入端。 DC-DC模块的降压转换原理为现有技术，在此不作详细描述。
基带处理芯片41还用于向DC-DC模块44输出高功率控制信号；
DC-DC模块44还用于根据所述高功率控制信号，直接将电池43提供的电 压输出至射频功率放大器45的集电极。
如图4所示，除P-FET 443夕卜，DC-DC模块还包括一 P-FET 449,其栅极 与基带处理芯片相连，源极与电池43相连。手机上一般设置有高功率控制阈值， 当电池43电压低于高功率控制阈值时，基带处理芯片41会向P-FET 449输出 高功率控制信号，P-FET 449导通，从而直接将电池提供的电压输出至射频功 率放大器45的集电极，电池43电压不低于高功率控制阈值时，基带处理芯片 41不向P-FET449输出高功率控制信号，P-FET449截止，从而电池43提供的 电压经过降压转换后输出至射频功率放大器45的集电极。
图5为对应于图2所示降低手才几射频功耗的电路的处理流程示意图，如图5所示，图2所示降低手机射频功耗的电路的处理流程为
步骤51:基带处理芯片根据射频功率放大器的射频输出功率向驱动放大器 输出基极参考电压。
这里，基带处理芯片一般通过其中的数模转换器(DAC)调节Vw。在调 节时，要4呆i正射频功率放大器的线性指标和ACPR满足#见范要求，实际应用中， 可以通过多次试验,根据试验数据给出支持每级射频输出功率的最小Vref电压， 在V^不小于给出的支持每级射频输出功率的最小Vref电压的前提下，可利用
射频功率》丈大器的基带处理芯片动态控制Vref,另外，还可以采取较筒单的另 一种方式，即分级控制结构，例如，简单地采用两级Vref控制结构时，可以设
置低功率模式对应射频输出功率小于10dBm的情况，高功率模式对应射频输出 功率大于10dBm的情况，低功率模式和高功率模式分别对应各自的基极偏置参 考电压，以供射频功率放大器处于相应的模式时对其射频输出功率进行控制。
步骤52:驱动放大器对基带处理芯片输出的基极参考电压配置增益。
步骤53:驱动放大器将配置增益后的电压输出至射频功率放大器的基极。
图6为对应于图3所示降低手机射频功耗的电路的处理流程示意图，如图 6所示，图3所示降低手机射频功耗的电路的处理流程为
步骤61:基带处理芯片根据射频功率放大器的射频输出功率向DC-DC模 块输出集电极电压大小控制信号。
试验数据表明，在P条低射频功率放大器集电极偏置(低至0.6V)的情况下， 手机可以始终保持与基站之间的正常通信，所以，可以在保持手机与基站之间 通信且其射频功率放大器的线性指标和ACPR满足规范要求的同时，采用专门 设计的高效DC-DC模块为射频功率放大器集电极提供变化的偏置电压。
步骤62: DC-DC模块根据来自基带处理芯片的集电极电压大小控制信号， 对电池电压进行DC-DC降压转换。
这里，DC-DC模块对电池电压进行DC-DC降压转换时，必须能够快速响 应控制信号，对射频功率放大器的集电极电压进行控制。通常，DC-DC模块的 输出电压应该在30ms内达到其目标电压的90%,跟随基带处理芯片才莫拟控制电压、即集电极电压大小控制信号的变化，DC-DC模块一般工作在较高的开 关频率，以减小电感的物理尺寸。
步骤63: DC-DC模块将降压转换后的电压输出至射频功率放大器的集电极。
当然，也可以同时调整基极偏置电压和集电极偏置电压以降低射频功率放 大器的射频输出功率，对调整基极偏置电压和集电极偏置电压的先后顺序不作 限制。
为了在低电池电压下保证大功率输出，即为了在保证射频功率放大器线性 指标的前提下提供28dBm的射频输出功率，射频功率放大器制造商建议Vcc的 最小电压为3.4V。为了在3.4V电压下保持35。/。的PAE,还需要高达530mA的射 频功率放大器集电极电流，数据获取原理如下
28dBm射频输出功率1028mW= 631mW
所需射频功率放大器功率(VccxIcc)为631mW/(PAE/100)= 1803mW
3.4V Vcc时所需的Icc为Icc = 1803mW/3.4V = 530mA
要保证3.4V的Va:和530mA的ICC, DC-DC模块要求输入和输出电压之间 有一定的裕量，如果DC-DC模块内部与脉冲宽度调制模块相连的p沟道 MOSFET (P-FET)的导通电阻为0.4Q,电感电阻为0.1Q，则元件串联后将产生 的压差为(0.4Q+0.1Q)x530mA=265mV，当电池电压降至3.665V以下时， DC-DC转换器将无法支持3.4V的输出，这种情况下，最好将射频功率放大器的 集电极直接与电池短路，以便充分利用Li+电池的能量。
通常，在储能电感和DC-DC模块内部与脉冲宽度调制模块相连的P-FET的 两端并联一个旁路P-FET。这个旁路P-FET (内置或外置)在大功率模式下直接 将电池电压接到射频功率^t大器的集电极，为了解决高射频输出功率和低电池 电压问题，这种旁^^普施是必需的。
优化PAE的最佳方案是连续调节射频功率放大器的集电极偏置，这种方案 需要工厂校准和调试软件，以确保集电极偏置连续变化时射频功率放大器具有 良好的线性度和ACPR指标。另一个折衷方案是按照若干等级设置偏置电压，通常为2级或4级。例如， 一个4级的偏置设置系统，Vcc电压可能设置为 Vbatt(电池电压)、1.5V、 1.0V和0.6V。该系统的整体效率接近连续控制射频 功率放大器集电极偏置的系统效率，对于低功率和中等功率模式，电感只需要 支持低于150mA的峰值电流。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
权利要求
1、一种降低手机射频功耗的电路，其特征在于，该电路包括基带处理芯片、驱动放大器和射频功率放大器，其中，所述基带处理芯片，用于根据射频功率放大器的射频输出功率向驱动放大器输出基极参考电压；所述驱动放大器，用于对基带处理芯片输出的基极参考电压配置增益后，输出至射频功率放大器的基极；所述射频功率放大器，用于对射频输入进行放大后输出。
2、 一种降低手机射频功耗的电路，其特征在于，该电路包括电池、基带 处理芯片、DC-DC模块和射频功率放大器，其中，所述电池，用于为DC-DC模块供电；所述基带处理芯片，用于根据射频功率放大器的射频输出功率向DC-DC 模块输出集电极电压大小控制信号；所述DC-DC模块，用于根据来自基带处理芯片的集电极电压大小控制信 号进行DC-DC降压转换后，输出至射频功率放大器的集电极；所述射频功率放大器，用于对射频输入进行放大后输出。
3、 根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述基带处理芯片还用于向 DC-DC模块输出高功率控制信号；所述DC-DC模块还用于根据所述高功率控制信号，直接将电池提供的电 压输出至射频功率放大器的集电极。
4、 一种降低手机射频功耗的电路，其特征在于，该电路包括基带处理芯 片、驱动放大器、电池、DC-DC模块和射频功率放大器，其中，所述基带处理芯片，用于根据射频功率放大器的射频输出功率向驱动放大器输出基极参考电压，以;^才艮据射频功率放大器的射频输出功率向DC-DC模块输出集电极电压大小控制信号；所述驱动放大器，用于对基带处理芯片输出的基极参考电压配置增益后，输出至射频功率放大器的基极；所述电池，用于为DC-DC模块供电；所述DC-DC模块，用于根据来自基带处理芯片的集电极电压大小控制信 号，对电池电压进行DC-DC降压转换后，输出至射频功率放大器的集电极； 所述射频功率放大器，用于对射频输入进行放大后输出。
5、 根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述基带处理芯片还用于向 DC-DC模块输出高功率控制信号；所述DC-DC模块还用于根据所述高功率控制信号，直接将电池提供的电 压输出至射频功率放大器的集电极。
6、 一种降低手机射频功耗的方法，其特征在于，该方法包括基带处理芯 片根据射频功率放大器的射频输出功率，调整射频功率放大器的基极偏置电压 和/或集电极偏置电压。
7、 根据权利要求6所述的降低手机射频功耗的方法，其特征在于，所述基 带处理芯片才艮据射频功率放大器的射频输出功率，调整射频功率放大器的基极 偏置电压为基带处理芯片根据射频功率放大器的射频输出功率向驱动放大器输出基极 参考电压；驱动放大器对基带处理芯片输出的基极参考电压配置增益后，输出至射频 功率放大器的基极。
8、 根据权利要求6所述的降低手机射频功耗的方法，其特征在于，所述基 带处理芯片根据射频功率i文大器的射频输出功率，调整射频功率放大器的集电 极偏置电压为基带处理芯片根据射频功率放大器的射频输出功率向DC-DC模块输出集 电极电压大小控制信号；DC-DC模块根据来自基带处理芯片的集电极电压大小控制信号，对电池电 压进行DC-DC降压转换后，输出至射频功率放大器的集电极。
9、 根据权利要求6所述的降低手机射频功耗的方法，其特征在于，设置高功率控制阈值，该方法还包括基带处理芯片对射频功率放大器进行高功率控 制，具体为电池电压低于高功率控制阈值时，基带处理芯片向DC-DC模块输出高功 率控制信号；DC-DC模块根据所述高功率控制信号，直接将电池提供的电压输出至射频 功率放大器的集电极。
全文摘要
本发明公开一种降低手机射频功耗的电路，包括基带处理芯片、驱动放大器和射频功率放大器；本发明还公开一种降低手机射频功耗的电路，包括电池、基带处理芯片、DC-DC模块和射频功率放大器；本发明还公开一种降低手机射频功耗的电路，包括基带处理芯片、驱动放大器、电池、DC-DC模块和射频功率放大器，此外，本发明相应地公开一种降低手机射频功耗的方法，包括基带处理芯片根据射频功率放大器的射频输出功率，调整射频功率放大器的基极偏置电压和/或集电极偏置电压，从而在保证手机与基站之间正常通信且其射频功率放大器的线性指标和满足ACPR规范要求的同时，节省电池能量、且缓解手机发热问题。
文档编号H04W52/02GK101605388SQ20091008923
公开日2009年12月16日 申请日期2009年7月9日 优先权日2009年7月9日
发明者陈寿炎 申请人:中兴通讯股份有限公司