스마트폰 통신을 위한 무선 회로 (RF 회로) 에서 전력 소비를 줄이기 위한 기술 개발도 활발하다. 피크 전력의 경우 무선 주파수 회로만 약 2W 의 전력을 소비하기 때문에 공간을 많이 줄일 수 있기 때문입니다.
송신기가 신호를 증폭시키는 데 사용하는 전력 증폭기 (PA) 는 RF 회로에서 가장 많은 전력을 소비합니다. 터미널이 기지국에서 멀리 떨어져 있을 때 신호 최고점은 즉시 약 1.5W 를 소비합니다 (그림 18). 따라서 무선 회로에서 전력 증폭기의 전력 소비량을 줄이는 방법이 관심의 초점이 되었다.
그림 18: RF 회로 대책
스마트폰의 무선 회로 중 전력 증폭기 (PA) 가 소비하는 전력이 가장 크다. 예를 들어 LTE 의 출력이 23dBm 인 경우 한 개만 증폭하면 즉시 약 1.5W 의 전력 (A) 을 소모합니다. 따라서 무선 주파수 회로의 전력 소비량을 줄이려면 주변 기술 (B) 을 통해 PA 의 효율성을 높이고 손실을 줄이는 것이 중요합니다. (그림 18: (a) 본 잡지는 오스트레일리아 뉴사우스웨일스 대학과 영국 누길라의 데이터를 근거로 제작되었다
전력 소비량 감소의 핵심은 PA 의 전력 추가 효율을 높이고 주변 기술의 전력 소비량을 줄이는 것입니다 (그림 18(b)).
* PAe (power addressed efficiency) = 전원 공급 장치에 로드된 DC 전력에 대한 pa 의 실제 출력 신호 전력 (출력 신호 전력에서 입력 신호 전력 값을 뺀 값) 의 비율을 나타냅니다.
PA 의 전력 추가 효율성은 사용하는 통신 모드에 따라 달라집니다. 예를 들어 GSM 통신 회로에 사용되는 PA 는 50% 이상의 효율을 얻을 것으로 예상되며 W-CDMA 모드에 사용되는 PA 는 약 40% 입니다. LTE 의 경우 완전히 최적화되지 않았기 때문에 최대 효율성은 약 35% 에 불과합니다. 즉, LTE 터미널에서 PA 에 사용되는 입력 전력의 65% 이상이 낭비됩니다 (열로 변환 등). ).
다중 주파수 차단 효율 향상
앞으로 LTE 스마트폰의 주류가 될 PA 는 전력 부가효율을 높이기가 매우 어렵다. 그 이유는 다중 주파수 추진 때문이다.
세계 각지에서 사용할 수 있도록 LTE 스마트폰에는 국제 로밍 기능이 표준으로 제공됩니다. 따라서 무선 주파수 회로는 여러 주파수 (다중 주파수) 를 지원해야 합니다. PA 및 필터와 같은 RF 회로의 개별 구성 요소를 지원되는 주파수 수에 따라 설치하면 구성 요소 수가 증가하여 설치 면적과 비용이 증가합니다. 이를 피하기 위해 LTE 터미널의 주류는 하나의 패키지로 여러 주파수를 지원할 수 있는 다중 주파수 제품입니다 (그림 19). "많은 터미널 업체들은 주로 무선 주파수 회로에서 다중 모드 다중 주파수 부품을 사용할 계획입니다." (무라타 제작소 전무 이사, 모듈사업본부 부본 부장 중도 귀진)
그림 19: 다중 주파수 제품으로 설치 면적 감소
다중 주파수 전력 증폭기 (PA) 를 사용하면 지원되는 주파수 대역 수가 증가해도 설치 면적이 증가하지 않습니다. (본 사이트는 미쓰비시 모터 자료에 근거하여 제작합니다)
무라타 다중 주파수 PA 는 단일 주파수 (단일 주파수) 제품에 비해 효율성을 높이기가 쉽지 않습니다. 지원되는 증폭 주파수 대역이 많을수록 전력 추가 효율성이 향상되기 어려우므로 트레이드 오프에 속합니다 (참고 1).
주 1) 다중 주파수 PA 는 일반적으로 광대역 증폭 회로를 사용하며 특정 주파수 대역에서 증폭 특성을 가진 단일 주파수 PA 에 비해 효율이 떨어지기 쉽습니다.
봉투 추적 기술 공개
LTE 터미널에서 다중 주파수 PA 의 효율성을 높이는 기술로서 입력 PA 의 전원 전압을 세밀하게 제어하는' 포락선 추적' 에 많은 관심이 쏠리고 있습니다.
포락선 추적은 PA 전원 전압을 동적으로 조정하는 기술입니다. 이전에는 평균 전력 추적 방법을 사용하여 PA 의 전원 전압을 1 슬롯 단위로 전환하여 신호를 전송했습니다. 포락선은 신호 진폭 (신호 전력) 을 추적하고 출력 시 가장 효율적인 전원 전압을 선택할 수 있도록 작은 슬롯 내에서 전원 전압을 전환합니다 (그림 20).
그림 20: 신호 파형 추적 및 전압 정밀 제어
전압 제어, 평균 전력 추적 및 포락선 추적을 사용하지 않는 타임라인 신호 파형 다이어그램입니다. 분홍색 선은 전압 수준을 나타내고 분홍색 영역은 발열 (과도한 전력 소비) 을 나타냅니다. (사진은 nugira 회사 자료에 따라 본지에서 제작합니다. ) 을 참조하십시오
PA 의 전력 추가 효율성은 전원 전압과 송신 전력에 따라 달라지므로 송신 전력에 따라 전원 전압을 전환할 수 있다면 항상 이상적인 상태에서 최대 효율 지점을 선택하여 중복 전력 소비량을 줄일 수 있습니다. 이 기술의 조합으로 다중 주파수 증폭기의 비효율적인 단점을 보완했다.
포락선 추적을 구현하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 가장 일반적인 방법은 입력 신호 파형에서 진폭 모양을 추출한 다음 원하는 바이어스 신호를 PA 에 입력하는 것입니다 (그림 2 1). 이 시점에서 최적의 바이어스 전압을 로드하도록 설계된 제어 IC 는 유럽 및 미국 벤처 기업에서 개발했습니다.
그림 2 1: 엔벨로프 추적 제어 회로
바이어스 신호 파형은 입력 신호 파형에 의해 생성되고 입력 전력 증폭기 (PA) 의 전원 전압은 바이어스 신호 파형에 의해 세부적으로 제어됩니다. 전원 전압은 PA 의 출력에 따라 달라지므로 가장 효율적인 전압으로 구동할 수 있습니다. (사진은 미쓰비시 모터의 자료에 근거하여 본지에서 제작한다. ) 을 참조하십시오
전력 소모량을 대폭 줄이다
예를 들어 영국 Nujira 에서 제공하는 포락선 추적 제어 IC 를 사용하면 사용하지 않을 때보다 전력 소비량을 40 ~ 55% 줄일 수 있습니다 (그림 22). "큰 동적 범위의 LTE 는 W-CDMA 에 비해 전력 소비량을 더욱 낮출 수 있습니다." (Nujira 의 현장 애플리케이션 관리자인 Tamas Vlasits).
그림 22: 엔벨로프 추적의 효과
Nujira 의 포락선 추적 제어 IC' NCT-L1100' 은 4mm 정사각형의 BGA (A) 에 캡슐화되어 있습니다. 23dBm 출력 시 W-CDMA, HSUPA 및 LTE 무선 회로의 전력 소비량. 포락선 추적 기술의 도입으로 PA 의 전력 소비량이 크게 감소했습니다. LTE 는 전력 소비량을 55% 낮출 수 있습니다 (b). (사진은 nugira 회사 자료에 따라 본지에서 제작합니다. ) 을 참조하십시오
포락선 추적을 위한 제어 IC 는 PA 와 RF 트랜시버 IC (또는 베이스밴드 처리 LSI) 사이에 삽입됩니다. 제어 IC 는 MIPI (Mobile Industry Processor Interface) 표준을 준수하는 칩 간 인터페이스를 통해 제어됩니다.
주 2) MIPI 제휴 2011111작업 그룹 설립, 봉투 추적 전용 인터페이스 표준 개발 RF 트랜시버 IC 또는 베이스밴드 처리 LSI 에서 포락선 신호를 송수신하는 데 사용되는 신호선 표준은 미리 정해져 있습니다.
포락선 추적 제어 IC 분야에서 더욱 주목받는 또 다른 회사는 미국 Quantum 입니다. 이 회사는 자체 개발한 기술을' qBoost' 라고 부르며 PA 제조업체와 협력하여 이 기술의 적용 범위를 확대할 계획이다. 이 회사에 따르면 이 기술을 사용하면 전기의 추가 효율을 약 50% 까지 높일 수 있다고 한다.
Quantance 는 미쓰비시 모터와 협력하고 있습니다. 얼마 전 미쓰비시 모터는 크기가 3mm 에 불과한 PA 를 발표해 6 개의 밴드를 확대할 수 있다. 엔벨로프 추적 기술과 함께 사용한다고 상상해보십시오. 조합하면 최대 효율이 40% 가 됩니다 (그림 23).
그림 23: 6 개의 주파수 대역을 지원하여 40% 의 효율성을 보장합니다.
미쓰비시 모터가 개발한 GaAs PA 사이즈는 3mm×3mm× 1mm(a) 에 불과합니다. 1.7g ~ 2 GHz 의 6 개 대역 중 최대 40% 의 추가 전력 효율 (b) 을 제공합니다. (사진은 미쓰비시 모터의 자료에 근거하여 본지에서 제작한다. ) 을 참조하십시오
향후 무선 IC 를 설치할 계획입니다.
포락선 추적 기술은 이러한 전용 제어 IC 를 지원할 수 있을 뿐만 아니라 가까운 시일 내에 무선 송수신기 IC 에 내장될 수도 있습니다. 후지쯔 반도체는 20 12 년 5 월 초부터 샘플을 공급할 예정이며, 다중 모드 다중 주파수 송수신기 IC "MB86l11A" 에는 포락선 추적 제어 기능이 있습니다. 포락선 추적 제어 기능을 갖춘 업계 최초의 RF 트랜시버 IC 입니다. 또 스마트폰 칩셋 업무에 종사하는 대기업들 (예: 고통) 도 표준 기술을 고려하고 있는 것 같다.
그러나 포락선 추적에도 문제가 있습니다. 전원 전압의 고속 전환으로 인해 신호의 왜곡 특성이 악화되고 인접한 채널의 누설 전력 소비량이 증가할 수 있습니다. 해결 방안으로, 리사전자는 전송 신호를 미리 왜곡 (사전 왜곡) 하여 악화를 줄였으며, 리사전자는 "유사한 보상 기술을 탐구할 필요가 있다" 고 판단했다.
구성 요소 자체의 효율성을 향상시킵니다.
일부 제조업체는 PA 구성 요소 자체의 특성을 개선하여 효율성을 높이고 전력 소비량을 줄이고자 합니다. 예를 들어 20 12 년 2 월 말 미국 RF Micro Devices 는 PA' 매우 효율적인 PA' 를 발표하여 LTE 전송의 전력 추가 효율을 약 42 ~ 44% 로 높였습니다.
주 3) W-CDMA 의 주파수 대역 1, 2,3,4,5,8,lte 의 주파수 대역 4,7, 1 1 을 확대하는 데 사용할 수 있습니다
또한 후지쯔 반도체는 20 1 1 연말부터 다중 주파수 PA 를 공급하기 시작했으며 후지쯔 연구소와 공동으로 개발한 고내압 트랜지스터' EBV-Transistor' 를 사용하여 효율성을 높였습니다. CMOS 프로세스를 사용하여 설계된 PA 로, W-CDMA 및 HSPA 에서 사용되는 세 개의 밴드 확대를 하나의 패키지로 지원할 수 있습니다 (그림 24). 후지쯔 반도체에 따르면 고주파 사용 중 저출력 시 효율성이 매우 높다.
그림 24: 후지쯔의 CMOS PA 는 3 개의 주파수 대역을 지원합니다.
후지쯔 반도체가 개발한 CMOS PA 는 단일 칩을 사용하여 대역 I (2. 1 GHz), V (850 MHz) 및 VII (1.7 GHz) 의 W-CDMZ 를 확대합니다. 크기는 4 mm× 3.5 mm× 0.7 mm 입니다.
반사파 감소 및 전력 소비량 감소
또한, 반사파를 줄이기 위해 아이솔레이터를 삽입하는 것과 같이 PA 에 힘쓰는 대신 무선 주파수 회로의 주변 기술을 도입하여 전력 소비를 줄이는 경우도 있습니다.
아이솔레이터는 단방향 신호 만 전달하는 구성 요소입니다. PA 와 안테나 사이에 아이솔레이터를 삽입하면 신호가 안테나 쪽에서 거꾸로 들어오는 것을 방지할 수 있습니다.
최근 스마트폰 안테나는 일반적으로 기체 측면에 설치돼 사용자가 잡는 방식에 따라 안테나 임피던스가 크게 달라질 수 있다. 따라서 무선 주파수 발사 기회는 임피던스 불일치를 발생시켜 PA 의 출력 신호가 반사파로 반환되어 신호 대 잡음비를 악화시킵니다.
반사가 많을수록 PA 의 송신 전력이 커질수록 전력 소비량이 증가할 수 있습니다. 아이솔레이터를 삽입하면 반사파를 제거하여 전력 소비량을 줄일 수 있습니다.
아이솔레이터를 사용하면 구성 요소 수가 증가합니다. 그래서 대부분의 해외 단말기 업체들은 채택하기를 꺼린다. 그러나 개발자는 무선 주파수 회로 전력 소비 감소에 대한 관심이 높아지면서 해외 터미널 제조업체의 수도 증가할 것으로 예상하고 있습니다. 예를 들어, 아이솔레이터 개발 업체 중 하나인 무라타 제작은 PA, 필터 및 아이솔레이터 (안정기) 를 하나의 패키지로 통합하고 공급을 시작하는 PA 모듈을 개발했습니다 (그림 25). 이 회사는 통합을 통해 제품 규모를 줄이고 이 장점을 활용하여 일본 내외의 단말기 업체에 적극적으로 판매하고 있습니다.