Cómo optimizar el diseño de circuitos de RF
En los circuitos inalámbricos (circuitos RF) utilizados para las comunicaciones con teléfonos inteligentes, el desarrollo tecnológico destinado a reducir el consumo de energía también es muy activo. Esto se debe a que, en términos de potencia máxima, sólo el circuito de RF consume aproximadamente 2 W de potencia, por lo que todavía hay mucho margen de reducción.
El amplificador de potencia (PA) utilizado por el transmisor para amplificar la señal es el que consume la mayor potencia del circuito de RF. Cuando el terminal está lejos de la estación base, el momento pico de la señal consumirá aproximadamente 1,5 W (Figura 18). Por lo tanto, en los circuitos de radiofrecuencia, cómo reducir el consumo de energía de los amplificadores de potencia se ha convertido en el centro de atención.
Figura 18: Contramedidas del circuito de RF
Entre los circuitos de RF de los teléfonos inteligentes, el amplificador de potencia (PA) consume la mayor energía. Por ejemplo, cuando la salida de LTE es de 23 dBm, el amplificador de potencia por sí solo consume alrededor de 1,5 W de potencia (A) en un instante. Por lo tanto, para reducir el consumo de energía del circuito de radiofrecuencia, es muy importante mejorar la eficiencia del PA y reducir la pérdida a través de la tecnología periférica (B). (Figura 18: (a) Esta publicación se basa en datos de la Universidad de Nueva Gales del Sur en Australia y Nujira en el Reino Unido)
La clave para reducir el consumo de energía es mejorar la eficiencia energética añadida de la PA y reducir el consumo de energía de las tecnologías periféricas (Figura 18(b)).
*Eficiencia de potencia agregada (PAE) = representa la relación entre la potencia de la señal de salida real del PA (el valor de restar la potencia de la señal de entrada de la potencia de la señal de salida) y la potencia de CC cargada por la fuente de alimentación. suministrar.
La eficiencia de energía agregada de PA varía según el modo de comunicación utilizado. Por ejemplo, se espera que los PA utilizados en circuitos de comunicación GSM alcancen una eficiencia superior al 50%, mientras que los PA utilizados en modo W-CDMA alcanzan un máximo de alrededor del 40%. En cuanto a LTE, debido a que no está completamente optimizado, la eficiencia máxima es solo de alrededor del 35%. Es decir, más del 65% de la potencia de entrada utilizada para PA en terminales LTE se desperdicia (convertida en calor, etc.).
Mejora de la eficiencia del bloqueo multifrecuencia
Para lo que será el futuro de los PA convencionales en los teléfonos inteligentes LTE, es extremadamente difícil mejorar la eficiencia de la energía agregada. La razón radica en la promoción de la multifrecuencia.
Para poder ser utilizados en todo el mundo, los smartphones LTE vienen de serie con capacidades de roaming internacional. Por lo tanto, los circuitos de RF deben admitir múltiples frecuencias (multifrecuencia). Si los componentes individuales de los circuitos de RF, como PA y filtros, se instalan de acuerdo con la cantidad de frecuencias admitidas, la cantidad de componentes aumentará, lo que resultará en un aumento en el área de instalación y el costo. Para evitar esta situación, la corriente principal de los terminales LTE es utilizar productos multifrecuencia que puedan admitir múltiples frecuencias en un solo paquete (Figura 19). “Muchos fabricantes de terminales tienen la intención de utilizar principalmente componentes multimodo y multifrecuencia en circuitos de radiofrecuencia” (Takaju Nakajima, director ejecutivo de Murata Manufacturing Co., Ltd. y subdirector de la División de Negocios de Módulos).
Figura 19: Reducción del área de instalación mediante productos multibanda
Si se utiliza un amplificador de potencia (PA) multibanda, el área de instalación no aumentará incluso si el número de aumenta el número de bandas de frecuencia admitidas. (Este sitio se basa en datos de Mitsubishi Electric)
En comparación con los productos de banda única (frecuencia única), no es fácil mejorar la eficiencia de los PA multifrecuencia de Murata. Cuantas más bandas de frecuencia de amplificación se admitan, más difícil será mejorar la eficiencia de la potencia añadida, lo cual es una relación de compensación (Nota 1).
Nota 1) El PA multifrecuencia generalmente utiliza un circuito de amplificación de banda ancha y, en comparación con un PA de frecuencia única con características de amplificación en una banda de frecuencia específica, el valor de eficiencia es propenso a disminuir.
Se presenta la tecnología de seguimiento de envolvente
Como tecnología para mejorar la eficiencia de los PA multifrecuencia en terminales LTE, se ha desarrollado el "seguimiento de envolvente" que controla con precisión el voltaje de suministro de energía del PA de entrada. recibió mucha atención.
El seguimiento de envolvente es una tecnología que ajusta dinámicamente el voltaje de la fuente de alimentación del PA. Anteriormente, el método de "seguimiento de potencia promedio" se utilizaba para conmutar el voltaje de suministro de energía del PA en unidades de 1 intervalo de tiempo para transmitir señales. El seguimiento de envolvente rastrea la amplitud de la señal (potencia de la señal) y cambia los voltajes de suministro en intervalos de tiempo más pequeños para seleccionar el voltaje de suministro más eficiente para la transmisión en la salida (Figura 20).
Figura 20: Seguimiento de las formas de onda de la señal y control preciso del voltaje.
Diagrama de forma de onda de señal en eje de tiempo de control libre de voltaje, seguimiento de potencia media y seguimiento de envolvente. La línea rosa indica el nivel de voltaje y el área rosa indica calefacción (consumo excesivo de energía). (La imagen fue producida por esta revista basada en la información de Nujira Company).
La eficiencia de energía agregada del PA depende del voltaje de la fuente de alimentación y de la potencia de transmisión, por lo que si el voltaje de la fuente de alimentación se puede cambiar De acuerdo con la potencia de transmisión, siempre puede estar en el estado ideal. Seleccione el punto de máxima eficiencia para reducir el consumo de energía redundante. Mediante el uso combinado de esta tecnología se compensan las desventajas de la baja eficiencia de los amplificadores de potencia multifrecuencia.
Existen muchas formas de implementar el seguimiento de sobres. El método más común es extraer la forma de la amplitud de la forma de onda de la señal de entrada y luego alimentar la señal de polarización deseada al PA (Figura 21). En ese momento, empresas de riesgo europeas y estadounidenses desarrollaron circuitos integrados de control diseñados para cargar voltajes de polarización óptimos.
Figura 21: Circuito de control de seguimiento de envolvente
La forma de onda de la señal de polarización es generada por la forma de onda de la señal de entrada, y el voltaje de la fuente de alimentación del amplificador de potencia de entrada (PA) se controla con precisión mediante la forma de onda de la señal de polarización. El voltaje de suministro cambia según la salida del PA, por lo que puede funcionar con el voltaje más eficiente. (Las imágenes fueron producidas por esta publicación con base en información de Mitsubishi Electric.
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Reducir significativamente el consumo de energía
Por ejemplo, usar el circuito integrado de control de seguimiento de envolvente proporcionado por la empresa británica Nujira puede reducir el consumo de energía entre un 40% y un 55% en comparación con no usarlo ( Figura 22). "En comparación con W-CDMA, LTE con un amplio rango dinámico puede reducir aún más el consumo de energía" (Tamas Vlasits, gerente de aplicaciones de campo en Nujira).
Figura 22: El efecto del seguimiento de envolvente
El control de seguimiento de envolvente IC "NCT-l 1100" de Nujira está empaquetado en un BGA cuadrado de 4 mm (A). Consumo de energía de los circuitos W-CDMA, HSUPA y LTE RF a una salida de 23dBm. La introducción de la tecnología de seguimiento de envolvente reduce en gran medida el consumo de energía de la megafonía. LTE puede reducir el consumo de energía en un 55% (B). (La imagen fue producida por esta revista basándose en la información de Nujira).
El CI de control utilizado para el seguimiento de la envolvente se inserta entre el PA y el CI del transceptor de RF (o LSI de procesamiento de banda base). El IC de control se controla a través de una interfaz entre chips que cumple con el estándar MIPI (Interfaz de procesador industrial móvil).
Nota 2) La Alianza MIPI estableció un grupo de trabajo en 2011 11 para formular un estándar de interfaz dedicado para el seguimiento de sobres. Los estándares de línea de señal para transmitir y recibir señales envolventes desde circuitos integrados de transceptores de RF o LSI de procesamiento de banda base están predeterminados.
Otra empresa que ha llamado más la atención en el campo del control de seguimiento de sobres IC es Quantum de Estados Unidos. La compañía denominó a su tecnología de desarrollo propio "qBoost" y planea cooperar con los fabricantes de PA para ampliar el alcance de aplicación de esta tecnología. Según la empresa, con esta tecnología se puede aumentar la eficiencia adicional de la electricidad hasta aproximadamente un 50%.
Quantance colabora con Mitsubishi Electric. No hace mucho, Mitsubishi Electric lanzó un PA con un tamaño de sólo 3 mm cuadrados, que puede amplificar 6 bandas. Imagínese usar esto junto con la tecnología de seguimiento de sobres. La combinación garantiza una eficiencia máxima del 40% (Figura 23).
Figura 23: Soporta 6 bandas de frecuencia, asegurando un 40% de eficiencia.
El tamaño del GaAs PA desarrollado por Mitsubishi Electric es de sólo 3 mm×3 mm×1 mm(a). En las seis bandas de frecuencia de 1,7 ga 2 GHz, la eficiencia energética adicional puede alcanzar hasta el 40% (b). (La imagen fue producida por esta revista basándose en información de Mitsubishi Electric).
Está previsto que esté equipado con un circuito integrado de radiofrecuencia en el futuro.
La tecnología de seguimiento de envolvente no solo puede ser compatible con los circuitos integrados de control dedicados mencionados anteriormente, sino que también puede integrarse en circuitos integrados de transceptores de RF en un futuro próximo. Está previsto que Fujitsu Semiconductor comience a suministrar muestras a principios de mayo de 2012. El transceptor IC de RF multimodo y multifrecuencia "mb86l 11A" está equipado con una función de control de seguimiento de envolvente. Este es el primer transceptor IC de RF de la industria con control de seguimiento de envolvente. Además, los grandes actores del negocio de los chipsets para teléfonos inteligentes, como Qualcomm, parecen estar considerando también tecnologías estándar.
Sin embargo, el seguimiento de sobres también presenta problemas. Debido a la conmutación de alta velocidad del voltaje de la fuente de alimentación, las características de distorsión de la señal se deteriorarán y el consumo de energía de fuga de los canales adyacentes puede aumentar. Como solución, Renesas Electronics reduce el deterioro distorsionando la señal de transmisión por adelantado (predistorsión), y Renesas Electronics cree que "existe la necesidad de explorar una tecnología de compensación similar".
Mejorar la eficiencia del propio componente.
Algunos fabricantes pretenden aumentar la eficiencia mejorando las características del propio componente de PA, reduciendo así el consumo de energía. Por ejemplo, a finales de febrero de 2012, RF Micro Devices en los Estados Unidos lanzó el PA "PA de eficiencia ultraalta", que puede aumentar la eficiencia de energía agregada de la transmisión LTE a aproximadamente 42 a 44%.
Nota 3) Se puede utilizar para amplificar las bandas de frecuencia W-CDMA 1, 2, 3, 4, 5, 8 y las bandas de frecuencia LTE 4, 7, 11, 13, 17, 18, 20, 266.
Además, Fujitsu Semiconductor comenzó a suministrar PA multibanda a finales de 2011, mejorando la eficiencia mediante el uso del transistor de alto voltaje "EBV-Transistor" desarrollado conjuntamente con Fujitsu Laboratories. Este es un PA diseñado utilizando un proceso CMOS que puede admitir la amplificación de las tres bandas de frecuencia utilizadas por W-CDMA y HSPA a través de un solo paquete (Figura 24). Según Fujitsu Semiconductor, la eficiencia es muy alta cuando se utiliza salida media y baja a altas frecuencias.
Figura 24: El CMOS PA de Fujitsu admite 3 bandas de frecuencia.
El CMOS PA desarrollado por Fujitsu Semiconductor utiliza un chip para amplificar W-CDMA/HSPA en las bandas de frecuencia I (2,1 GHz), V (850 MHz) y VII (1,7 GHz). Las dimensiones son 4 mm × 3,5 mm × 0,7 mm.
Reduce las ondas reflejadas y reduce el consumo de energía
Además, también hay casos en los que se reduce el consumo de energía introduciendo tecnología periférica de circuitos de RF en lugar de trabajar en el PA, como por ejemplo insertando Aisladores para reducir las ondas reflejadas.
Un aislador es un componente que solo transmite señales en una dirección. Si se inserta un aislador entre el PA y la antena, puede evitar que entren señales desde el lado de la antena en la dirección opuesta.
Últimamente, las antenas de los teléfonos inteligentes generalmente se instalan en el costado del fuselaje. La impedancia de la antena variará mucho dependiendo de la forma en que el usuario la sujete. Por lo tanto, el transmisor de RF producirá una falta de coincidencia de impedancia, lo que provocará que la señal de salida del PA regrese como una onda reflejada, deteriorando la relación señal-ruido.
Cuantas más reflexiones, mayor será la potencia de transmisión del PA, lo que conducirá a un mayor consumo de energía. La inserción de un aislador elimina las ondas reflejadas, reduciendo así el consumo de energía.
El uso de aisladores dará como resultado un aumento en el recuento de componentes. Por lo tanto, la mayoría de los fabricantes de terminales extranjeros no están dispuestos a adoptarlo. Sin embargo, los desarrolladores esperan que con el creciente enfoque en reducir el consumo de energía de los circuitos de RF, también aumente el número de fabricantes de terminales en el extranjero. Por ejemplo, Murata Manufacturing Co., Ltd., una de las empresas de desarrollo de aisladores, ha desarrollado un módulo de PA que integra el PA, el filtro y el aislador (estabilizador) en un solo paquete y ha comenzado a suministrarlo (Figura 25). La empresa ha reducido la escala de sus productos mediante la consolidación y está utilizando esta ventaja para comercializar activamente a fabricantes de terminales en Japón y en el extranjero.