3G手機的使用率越來越高，越來越豐富的功能被整合到同一隻手機中。如今手機已擁有更多的多媒體應用，也因此將會對手機電池的續航力造成相當大的挑戰。如何降低新一代手機零組件的耗電量以延長通話時間...
3G手機的使用率越來越高，越來越豐富的功能被整合到同一隻手機中。如今手機已擁有更多的多媒體應用，也因此將會對手機電池的續航力造成相當大的挑戰。如何降低新一代手機零組件的耗電量以延長通話時間，不僅是手機零件供應商的重要使命，同時也是手機設計工程師所持續追求的目標。
手機的功率放大器(PA)一直是手機中最耗電的零件，適當的降低PA平均耗電流，能顯著提高通話的時間。本文將介紹新一代手機PA設計的概念，在手機中、低功率輸出時僅啟用PA第一級，而在需要高功率輸出時則將PA後級開啟。此概念設計不但能降低平均消耗電流，亦能簡化控制電路設計。搭配手機在實際系統中輸出功率的機率分配曲線，可使手機在有限電量條件下擁有更長通話時間。
線性度的好壞會直接反映到手機測試的規格上，CDMA中的ACPR(Adjacent Channel Power Ratio)或WCDMA中的ACLR(Adjacent Channel Leakage Ratio)，無論在任何的正常(Normal)或特殊條件(Extreme condition)之下都必須符合規範。
所謂的PAE(Power Added Efficiency，附加功率效率)即是指由Power Supply取得的DC功率轉換成附加在PA的RF功率的效率百分比。
(詳細公式請見新通訊55期9月號)
傳統的3G PA設計概念強調在高輸出功率模式下PAE越高越好。舉例來說，傳統的CDMA PA在輸出功率28dBm時可達到40%左右的附加功率效率，但在中、低功率輸出時卻會降得很低。
但是在新一代的PA設計概念中，不僅在提高最大輸出功率時的PAE，同時更強調無論在高、中或低輸出功率時，能夠提供更長的通話時間。如果能夠適當的調整PA的增益、輸出功率的能力及前級PA的線性度，除了能夠降低平均消耗電流外，同時可以延長通話時間。
在CDMA或WCDMA功率放大器的偏壓控制方面也有兩種：Analog control與Digital control。一般類比控制偏壓較複雜的多，因為在手機基頻晶片中，輸出數位電壓準位比輸出類比偏壓準位容易而簡單。
除了控制方式不同外，增益的平坦度及變化量也會影響到手機的輸出功率校正(TX power calibration)的難易度，希望增益的變化量相對於頻率的變化量越平坦越好，校正也越準確。最新的3G功率放大器設計皆採用Digital control數位電壓準位偏壓方式。
在大部分的條件下，強調提升最大輸出功率的效率僅能些微地提升通話時間，我們從圖1的CDMA系統中手機實際運作的輸出功率分配圖，就可以很容易地得到答案。
無論是在都會區(Urban)或者是在郊區(Suburban)，手機使用機率最高時的輸出功率，都集中於-10dBm～+10dBm的中階功率(mid/low power range)，反而以往一直強調最大輸出功率的機會，僅僅發生在郊區的少部分時間。因此改善高輸出功率時(high power range)的PAE對系統通話時間的提升並不顯著。若能有效提升使用機率最高時的中間輸出功率(Medium power range，-10dBm～+10dBm)的附加功率效率PAE，必定能延長手機的通話時間；而提升效率的方法有很多，最直接的辦法就是降低該輸出功率時的耗電流。
圖1的下圖同時指出不同型式PA在中、低輸出功率時的消耗電流差異。傳統的功率放大器擁有比Smart或Analog形式的放大器更高的消耗電流，原因在於傳統的功率放大器在高或中、低輸出功率時的增益幾乎是固定值。在Smart PAM中透過數位的偏壓調整方式將中、低輸出功率的增益稍微降低，如此僅能微幅降低中、低輸出功率的消耗電流，對於通話時間的提升效果不顯著。而在Analog控制的功率放大器中，以類比的電壓改變放大器在低輸出功率時的增益，但由於增益會隨著偏壓的大小而改變，因此對於輸出功率的控制必須使用較複雜的電路來實現。有別於一般的功率放大器設計，CoolPAM的第1代或第2代放大器設計採用特殊數位控制的開關以及適當的增益調整，不但能夠實際地降低中、低輸出功率的消耗電流，同時還能降低靜態電流(Idle Current)。
關係式1 平均消耗電流與通話時間的相關性
Average current =∫(PDF × current) dp
Talk time D\ average current –1
Note：PDF=probability distribution function
(如圖1所示)
同樣的，我們以關係式1來說明，所謂平均的消耗電流，即是PA在某一輸出功率時的消耗電流與發生該輸出功率所發生的機率相乘，並將輸出功率從-50dBm到+28dBm所計算到的值全部相加(積分)，即為平均電流(Average Current)。因此平均電流的概念同時也包含了輸出功率機率分配的意義。由關係式中我們可以知道，越低的平均電流所代表的意義就是更長的通話時間，於是新一代的3G PA設計概念即在設法提高中間輸出功率時的效率，以及降低中間輸出功率時的消耗電流，以便能有效降低平均消耗電流。
傳統與最佳化3G PA設計概念
傳統PA與最佳化PA的設計概念可以簡單的從圖2中分辨出來。傳統的PA設計中往往採用的是固定增益(Fixed Gain)的方式，當在高輸出功率時，一般PA在輸出功率28dBm時可以達到將近40%的效率；然而當手機的輸出功率要求在16dBm時僅僅8%～10%的PAE。而在線性度上面，當PA的輸出功率越大時，受到PA特性的影響，線性度ACPR亦越來越差；我們不難發現，中間功率或者是低輸出功率時的ACPR值事實上仍有很大的餘量(Margin)。但超過最大輸出功率時，ACPR值會衰減得非常快，甚至超出規格的要求。
而最佳化3G PA的設計概念是將輸出的增益分成2種等級，當要求在高輸出功率時則採用高增益(High Gain)的偏壓，當要求在中、低輸出功率時則採用低增益(Low Gain)的偏壓方式。透過這種改變增益的方式，可以讓手機在系統運作時的平均消耗電流降低很多，因此中、低功率時(Mid/Low power)的PAE也可以從傳統的8%～10%提升到20%左右。而在線性度上面，由於在中、低輸出功率時ACPR值本身有很多的餘量，因此雖然改變中、低功率增益後使得線性度變差，但仍不至於造成超出規格的現象。
旁路級間放大器(Stage-bypass Amplifier)的實現方式其實很簡單，由圖3中的高輸出功率模式(High-power mode)及低輸出功率模式(Low-power mode)來說明。當手機被要求輸出在高輸出功率時，並聯於第2級PA旁的開關打開，兩級串聯的功率放大器同時運作，則輸出功率可高達28dBm。然而當手機被要求輸出在中、低功率時，並聯於第2級PA旁的開關閉合，同時把供應到第2級PA的偏壓也關閉。由此一來，在中、低功率輸出時僅需啟動第1級的PA，除了使PA整體消耗電流變小外，PA增益亦隨著變小，如此便可降低中、低輸出功率時的消耗電流。這樣的旁路級間放大器控制方式，要求第1級的PA須有能力滿足中、低輸出功率時的線性度及輸出功率規格。
然而在開關設計上面亦有多種變化，常見的是透過電晶體當作開關，但電晶體開關同樣須消耗部分電流，以致於無法做到最省電。安捷倫科技則是以CoolPAM技術改善了以往必須採用電晶體當開關的缺點，採用阻抗變化方式來取代以往的電晶體開關，達到開關目的卻沒有消耗電流的缺點。
由圖4中我們不難看出，新一代PA的設計在平均消耗電流上，比傳統的PA或者一般3G的PA無論在都會區或在郊區都低了很多，這也就是使用新一代PA的手機能比早期的手機通話時間更長的主要原因。
具體的平均電流差異，可以透過計算PA的單點輸出功率消耗電流配合機率分配函數乘積求得，傳統PA的典型平均電流參考值在郊區約為135mA，而在都會區約為118mA；而旁路級間3G PA的平均電流則可降到約27mA，甚至更低。如果以850mA/H容量的電池來計算通話時間，假設基頻晶片的耗電流平均為200mA，傳統PA的通話時間在郊區約為152分鐘，而在都會區約為160分鐘；而安捷倫的CoolPAM PA(摒除一般電晶體開關消耗額外電流的缺點)通話時間約為224分鐘，比傳統PA在都會區約多64分鐘。