功率分析仪原理,平均功率跟踪技术的工作原理和SuPA的应用设计

给手持设备中的射频功率放大器供电一直是一个比较困难的设计，因为一方面需要提高射频功率放大器的工作效率来延长电池的工作时间，另一方面又不可能在提高工作效率的同时降低功率放大器的工作性能，所以需要提供一个满足要求的高效DC电源。常规的方式是将功放的供电端直接与电池相连进行供电，但这种工作方式会使功放的工作效率非常低，无法满足高效率、低功耗的要求。德州仪器(ti)推出的SuPA(功率放大器电源)系列DC/DC产品在工作机制上进行了创新。采用平均功率跟踪技术和包络跟踪技术优化射频功率放大器的功耗，从而提高放大器的工作效率，延长电池的工作时间。本文重点介绍平均功率跟踪技术的工作原理和SuPA的应用设计，以便设计工程师能够快速了解和应用这一技术，实现功率放大器的高效电源设计。

随着数据业务的不断增加，已经从2G向3G、4G转移，要求功率放大器承担更多的任务。因此，要求功率放大器具有更多的工作模式和频率带宽，以满足不同地区的标准，同时还应满足更高的工作效率，以维持电池的长期寿命。因此，为了满足这一要求，在et模式或APT模式下使用射频电源逐渐成为一种趋势。

包络跟踪技术和平均功率跟踪技术。

1.包络跟踪技术，简而言之，就是在功放的工作电压和输入射频信号之间建立联系，使两者实时跟随，从而提高功放工作效率的技术。根据理论计算，它可以帮助系统比直接电池供电模式节省65%的功耗，SuPA的新一代产品将支持这种模式。其基本原理是：射频处理单元和基带处理单元根据射频信号、功率电平和功率放大器的特性参数计算出包络信号，同时射频和基带单元中的差分DAC会提供一个模拟参考信号，ET电源(ETPS)将包络信号放大后送到PA，同时功率放大器会对射频信号进行放大，使射频信号与功率放大器的工作电压一致，最后功率放大器将放大后的信号送到双工器。

2.平均功率跟踪技术又称自适应供电，是一种根据功放预输出功率和自身参数自动调整功放工作电压的技术。据理论计算，与电池直接供电方式相比，可帮助系统节电40%。与ET模式相比，APT更简单，使用和设计更方便。SuPA目前的产品主要支持这种模式。

图1:平均功率跟踪(APT)模式，能耗区域，红色部分为能耗区域。

APT模式下SuPA的优势

SuPA功率变换器的内部拓扑结构与传统的同步整流buck DC变换器相同，但其负载动态响应和有源电流辅助及旁路控制得到了优化，因此在负载电压和电流变化时能够快速响应。有功电流辅助旁路功能可以在入口电压瞬间下降或负载电流瞬间增大时，快速将变换器切换到类负载切换模式，具有两个优点：一是可以快速向负载提供电池能量，满足负载需求；其次，可以使用小尺寸、低电流的电感。当负载电流超过电感的电流限制时，ACB功能开关V3将进入工作模式，额外的负载电流将被接管并提供给负载，而不经过电感，因此可以使用小尺寸的电感来满足超紧凑设计的要求，这在实际应用设计中非常重要。

APT模式下SuPA的原理图设计和关键功率器件设计：

图2:2:lm 3242的典型原理图

图2是LM3242的典型原理图。为了清楚地解释功率器件的设计过程，下面将分为两部分。

从图2可以看出，输入电容由1nF和10uF组成。这样做的原因是可以滤除不同频率的噪声。输入端的噪声可以来自两部分：一是来自输入端电源总线的噪声，比如总线也给其他负载供电，这些负载的功率也来自DC/DC变换器，所以会在电源总线上叠加非常丰富的噪声；其次，来自LM3242的开关噪声也会叠加在输入端，因此可能会干扰总线上的其他负载芯片。所以在实际设计中，入口会需要更多不同电容值的电容来满足滤波不同噪声频率的要求，比如10pF或者100pF的电容，不同电容值的电容的最佳滤波频率也是不同的。对于大容量电容来说，它能滤波的频率范围比较窄，因为它的拐点频率比较低。在拐点频率以内，电容的阻抗呈下降趋势，即呈现容性特性，但在拐点频率以上，阻抗呈上升特性，呈现感性特性，因此不再具有滤波作用，这就是为什么需要匹配不同电容值的电容，因为噪声频率非常丰富。具有电容的电容器不可能滤除宽带中的所有噪声。另外需要注意的是，同样电容，同样耐压的小尺寸电容表现出更宽的电容带宽，这主要是因为小尺寸电容的内部寄生电感更小，有效电容更低，所以其特点是滤除噪声的带宽更宽。从图中可以看出，电容小但尺寸更小的电容可以滤除更宽的噪声带。

图3:电容阻抗与频率的关系图

输出电感设计考虑：

功率电感的计算一般可以参考以下公式。

Vo:输出电压，D: VO/vin，Fsw:开关频率，如LM3242，开关频率为6 MHzIo:电感内部的纹波电流，可以是(0.2~0.5)Io。

结论和主流射频电源产品

如今的手持设备功能越来越多，设计手持设备的电源系统也越来越具有挑战性。在满足高性能的同时尽可能延长电池寿命是电源设计的终极目标。本文讨论的SuPA产品可以有效节省射频单元的功耗，尽可能将宝贵的能量留给其他应用处理器，有效提高器件的工作时间。目前，德州仪器已经生产了一系列产品，以满足不同射频功率放大器的要求，如LM3242、LM3243、LM3262、LM3263，以及支持升压和降压的产品，以满足未来的4G应用。