KR100654565B1 - 이동통신 단말기의 전력증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동 단말기에서 사용되는 전력 증폭기에 관한 것으로, 본 발명에 따른 전력 증폭기는, 배터리의 임계 전압(Vth)에서 인접채널전력비율(ACPR)이 최소한의 필요마진을 가지도록 튜닝된 전력 증폭부; 배터리의 입력 전압이 임계 전압보다 크거나 같은 경우 배터리의 전원을 전력 증폭부에 공급하는 스위치부; 및 배터리의 입력 전압이 임계 전압보다 작은 경우 배터리 전원을 소정의 전압만큼 높아지도록 변환하여 전력 증폭부에 공급하는 컨버터부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이에 따라 평균 전류 소모를 줄이고 실제 사용할 수 있는 배터리 용량을 늘려 이동 단말기의 통화시간을 증가시킬 수 있다.

전력 증폭기, power amplifier

Description

이동통신 단말기의 전력증폭기{Power Amplifier of mobile communication terminal}

도 1은 전력 증폭기에서 사용되는 인접채널전력비율(ACPR)의 개념을 설명하기 위한 참고도,

도 2는 배터리 방전에 따른 전압의 변화를 도시한 그래프,

도 3은 본 발명에 따른 전력 증폭기의 블록구성도의 일 예,

도 4a 및 4b는 본 발명에 따른 전력 증폭기를 적용한 이동 단말기의 통화시간 이득을 계산하기 위한 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 전력 증폭부 110: 스위치부

120: 컨버터부

본 발명은 이동통신 단말기에 사용되는 전력 증폭기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리의 평균 소모전력을 줄여주는 효율적인 전력 증폭기에 관련된다.

이동통신 단말기는 무선으로 통신을 하기 때문에 송신 신호의 전력 증폭 (power amplifier)이 반드시 필요하다. 이를 위해 이동통신 단말기의 안테나 바로 전단에는 송신할 고주파(RF) 신호의 전력을 증폭하는 전력 증폭기가 반드시 구비되어 있다.

일반적으로 이동통신 단말기의 실제 사용시간은 전력 증폭기의 효율에 따라 결정된다. 그러나 종래의 이동통신 단말기의 전력증폭기는 소모전류가 많아 그 효율이 떨어지는 문제점이 있었다. 따라서 이동통신 단말기의 실제 사용시간을 늘리기 위한 단말기 설계에서 전력증폭기의 소모전류를 줄이는 것은 매우 중요한 사항이다.

현재 전력증폭기의 소모전류를 줄이는데 있어서 가장 큰 장애는 주어진 인접채널전력비율(Adjacent Channel Power Ratio: 이하 ACPR 이라 약칭한다) 규격을 만족시키면서 소모전류를 줄여야 한다는 것이다.

도 1은 전력 증폭기에서 사용되는 인접채널전력비율(ACPR)의 개념을 설명하기 위한 참고도이다.

도 1을 참조하면, 인접채널전력비율(ACPR)은 CDMA 방식에서 전력 증폭기의 선형성 규격으로서, 자기채널인 1.23MHz에서의 전력과 인접채널인 30KHz에서의 전력의 비율로 정의된다. 즉, 중심 대역폭의 전력을 합산한 후에 옵셋 주파수의 대역폭만큼의 전력을 구해서 나누어 주는 방법이 된다. 예를들면, ± 885KHz, ± 1.25MHz, ± 1.98MHz와 같은 옵셋 주파수 대역폭에서 인접채널전력비율(ACPR)을 측정하게 된다. 다른 채널과의 간섭으로 인한 잡음을 줄이기 위해서는 일정한 인접채널 전력비율(ACPR)을 만족하여야 한다.

따라서, 전력증폭기의 소모전류를 줄이되, 인접채널전력비율(ACPR) 규격을 만족시키면서 소모전류를 줄여야 한다. 그러나 기술적으로 전력증폭기의 소모전류와 인접채널전력비율(ACPR) 사이에는 트레이드오프(tradeoff) 관계가 존재한다. 즉, 배터리 전압이 낮을수록 인접채널전력비율(ACPR)이 나빠지기 때문에 실제 설계에 있어서는 3.4V 내외의 저전압 상태에서 인접채널전력비율(ACPR)의 규격을 만족시키는 한도에서만 소모전류를 줄일 수 있다.

여기서 저전압을 3.4V로 설정한 이유는 일반적으로 단말기 배터리의 전압이 3.4V이면 그 용량이 95% 이상 소모된 상태이고 이때 대부분의 단말기는 자동으로 전원을 오프 시키기 때문이다. 이와 같이 단말기 전원을 자동으로 오프 시키는 배터리 전압을 컷오프(cutoff) 전압이라고 한다. 만약에 컷오프 전압을 3.4V 이상으로 한다면 전압이 높아지는 만큼 인접채널전력비율(ACPR)에 여유가 생기고 이를 소모전류의 감소로 트레이드오프 시킬 수 있다. 그러나 컷오프 전압을 높인 만큼의 배터리 용량을 사용할 수 없으므로 그 이득은 제한적이라는 문제점은 여전히 존재한다.

따라서, 전술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는, 인접채널전력비율(ACPR) 규격을 만족시키면서 동시에 배터리의 평균 소모전력을 줄여주는 효율적인 전력 증폭기를 제공하는 것이다.

본 발명에 따라 전술한 기술적 과제는, 이동통신 단말기에 사용되는 전력 증 폭기에 있어서, 배터리의 임계 전압(Vth)에서 인접채널전력비율(ACPR)이 최소한의 필요마진을 가지도록 튜닝된 전력 증폭부; 배터리의 입력 전압이 제1 모드인 경우 배터리의 전원을 전력 증폭부에 공급하는 스위치부; 및 배터리의 입력 전압이 제2 모드인 경우 배터리 전원을 소정의 전압만큼 높아지도록 변환하여 전력 증폭부에 공급하는 컨버터부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기에 의해 달성된다.

제1 모드는 임계 전압보다 크거나 같은 경우이고, 제2 모드는 임계 전압보다 작은 경우인 것이 바람직하다.

또한, 배터리의 만충 전압과 임계 전압사이에서 발생하는 전력이득이 임계 전압보다 낮은 전압에서 컨버터부를 사용함으로써 발생하는 전력 손실보다 크도록 임계 전압을 설정하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 다른 분야에 따르면 전술한 기술적 과제는, 배터리의 임계 전압(Vth)에서 인접채널전력비율(ACPR)이 최소한의 필요마진을 가지도록 튜닝된 전력 증폭부; 배터리의 입력 전압이 제1 모드인 경우 배터리의 전원을 전력 증폭부에 공급하는 스위치부; 및 배터리의 입력 전압이 제2 모드인 경우 배터리 전원을 소정의 전압만큼 높아지도록 변환하여 전력 증폭부에 공급하는 컨버터부를 포함하며, 제1 모드는 임계 전압보다 크거나 같은 경우이고, 제2 모드는 임계 전압보다 작은 경우인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기를 구비하는 것을 특징으로 하는 이동 단말기에 의해 달성된다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설 명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명에 따른 전력 증폭기 및 주변 매칭 회로 설계시에 인접채널전력비율(ACPR) 규격을 컷오프 전압(Voff), 예를 들면 3.4V가 아닌 그 이상의 임계전압(Vth), 예를들면 3.6V에 맞춤으로써 전력 증폭기의 소모전류를 줄일 수 있다. 또한, 배터리 전압이 임계전압(Vth)이하가 되는 경우에는 전력증폭기의 전원을 배터리로부터 직접 공급하는 대신 업 컨버터를 사용하여 임계전압 이상으로 변환하여 공급한다. 이에 따라 전류의 소모를 줄이면서 동시에 인접채널전력비율(ACPR) 규격을 만족시킬 수 있다.

업 컨버터를 사용함으로 인해 임계전압(Vth)이하에서는 그 효율이 기존의 전력 증폭기보다 다소 떨어지지만, 임계전압 이상에서의 전류 소모를 줄임으로써 얻는 이득이 임계전압 이하에서 업 컨버터를 사용함으로 인한 손실보다 훨씬 크기 때문에 전체적으로 전류 소모를 줄일 수 있다. 이는 배터리의 에너지가 대부분 높은 전압 구간에 밀집되어 있기 때문이다.

도 2는 배터리 방전에 따른 전압의 변화를 도시한 그래프이다.

도 2를 참조하면, 4.2V 리튬-이온 배터리의 경우 높은 전압 구간, 즉 4.2V - 3.6V 구간에서 배터리 총 에너지의 90% 이상이 밀집되어 있는 것을 알 수 있으며, 이 구간에서 전력 증폭기의 전류 소모를 줄일 수 있다. 그러나, 3.6V 이하의 전압 구간에서는 배터리의 에너지가 급격히 감소하여 전력 증폭기의 전류 소모가 급격히 증가한다. 이하에서는 이와 같이 배터리의 에너지가 급감하기 시작하는 경계점의 전압을 임계 전압(Vth)이라 한다.

종래의 전력 증폭기의 경우 임계전압과 컷오프 전압(Voff) 사이의 구간, 즉 3.6V - 3.4V의 구간에서 별다른 조치 없이 전력 증폭기를 사용함으로써, 전류의 소모가 많은 대신 전력 증폭의 효율이 매우 떨어지는 문제점이 있었다. 본 발명은 이와 같은 전압과 배터리 용량의 특성을 이용하여 전력 증폭의 효율이 매우 떨어지는 임계 전압 이하 구간에 대하여 배터리 전원을 그대로 공급하는 대신, 업 컨버터를 이용하여 승압함으로써, 전류의 소모를 줄이고 전력 증폭기의 효율을 높이는 것을 특징으로 한다.

보다 구체적으로, 도 3은 본 발명에 따른 전력 증폭기의 블록구성도의 일 예이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전력 증폭기는, 전력 증폭부(100), 스위치부(100) 및 컨버터부(120)를 구비한다.

전력 증폭부(100)는 인접채널전력비율(ACPR) 규격이 배터리 임계 전압(Vth)에서 최소한의 필요 마진을 가지고 만족되도록 설계된다. 스위치부(100)는 입력되는 배터리 전압이 임계전압 이상인 경우, 즉 Vmax - Vth인 경우 배터리 전원을 직접 전력 증폭부(100)에 공급한다. 도 2에 도시된 바와 같이 전압이 높은 구간에는 에너지가 밀집되어 전류 소모가 적기 때문이다. 한편, 컨버터부(120)는 입력되는 배터리 전압이 임계전압 미만인 경우, 즉 Vth - Voff인 경우 배터리 전원을 Vth+a로 승압하여 전력 증폭부(100)에 공급한다. 도 2에 도시된 바와 같이 전압이 낮은 이 구간에는 에너지가 급감하여 전류 소모가 많기 때문에 일정한 전압이상으로 승압하여 전류 소모를 줄이는 것이다.

여기서, Vmax는 배터리의 최대 전압을, Voff는 이동 단말기의 전원을 오프 시키는 컷오프 전압을 의미한다. 전력 증폭부(100)는 전력 증폭 수단 자체 및 주변 매칭 회로를 모두 포함하는 개념이다. 임계 전압(Vth)은 반복적인 통화시간 테스트를 통해 평균적으로 통화시간이 최대화 되도록 정할 수 있다.

다시 도 3을 참조하면, PA_ON은 전력 증폭부(100)를 켜야(turn on)할 때 HIGH가 되고 그렇지 않은 경우 LOW가 되는 논리 신호이다. 전력 증폭부를 켜야 하는 때는 이동 단말기가 송신해야 하는 경우, 즉 Tx 신호를 쏘아야 하는 경우를 가리킨다. UPC_ON은 컨버터부(120)를 켜야 할 때 HIGH가 되고 그렇지 않은 경우 LOW가 되는 논리신호이다. 즉, 배터리 전압이 임계 전압(Vth) 이상이면 LOW가 되고 임계전압(Vth) 미만이면 HIGH가 되는 논리신호이다. 이 두 신호는 AND 게이트(112)를 거쳐 Load switch(111)의 enable 핀으로 입력된다. Load switch(111)는 enable 핀에 HIGH가 입력되는 경우 배터리 전원을 전력 증폭부(100)에 그대로 전달한다.

한편, PA_ON 신호와 UPC_ON 신호는 또 다른 AND 게이트(122)를 거쳐 Up converter(121)의 enable 핀으로 입력된다. Up converter(121)는 enable 핀에 HIGH가 입력되는 경우 배터리의 전원을 Vth+a로 승압하여 전력 증폭부(100)에 공급한다.

즉, 본 발명에 따른 전력 증폭기가 켜지면, 배터리 만충(배터리 전압은 Vmax)된 후 그 전압이 임계전압(Vth)이 될 때까지 그 전원을 배터리로부터 직접 공급받고(PA_ON=HIGH, UPC_ON=LOW), 또한 임계전압(Vth)에서 인접채널전력비율(ACPR)이 최소한의 필요 마진을 가지도록 튜닝되어 있기 때문에 기존의 전력 증폭기에 비하여 높은 효율을 가지게 된다. 배터리 전압이 임계전압(Vth) 미만으로 떨어지게 되면 본 발명에 따른 전력 증폭기는 컨버터부(120)를 통해 승압된 전원을 공급받게(PA_ON=HIGH, UPC_ON=HIGH)되어 보다 전류소모를 줄일 수 있다. 물론 컨버터부(120)를 사용함으로써 다소 전력 손실이 발생하지만, 이는 전력 증폭부(100)를 배터리 전압이 임계전압(Vth)일 때 인접채널전력비율(ACPR)이 최소한의 필요마진을 만족하도록 튜닝함으로써 얻어지는 전력 이득에 비해 상대적으로 매우 적다. 따라서, 전체적으로는 전류 소모를 줄이면서 동시에 인접채널전력비율(ACPR) 규격을 만족시키는 효율적인 전력 증폭기를 구현할 수 있다.

도 4a 및 4b는 본 발명에 따른 전력 증폭기를 적용한 이동 단말기의 통화시간 이득을 계산하기 위한 그래프이다. 통화시간은 배터리 용량을 평균소모전류로 나눈 값(S/I)으로 계산할 수 있다.

도 4a는 종래의 전력 증폭기를 사용하는 경우, 도 4b는 본 발명에 따른 전력 증폭기를 사용한 경우의 통화시간을 계산하기 위한 그래프이다. 두 그래프를 이용하여 본 발명을 적용했을 때의 통화시간 이득(G)을 계산하면 다음과 같다.

여기서, Vbatt: 배터리 전압

S1: 4.2>Vbatt>Voff에서 배터리가 가진 용량

S2: 4.2>Vbatt>Vth에서 배터리가 가진 용량

S3: Vth>Vbatt>0에서 배터리가 가진 용량

I1: Vbatt = Voff에서 ACPR 규격이 최소한의 마진을 가지고 만족되도록 튜닝된 전력 증폭부의 통화시 평균 소모전류. 이 때 평균 소모전류는 통화시 전력 증폭부의 출력의 확률 조건에 따라 다를 수 있다.

I2: Vbatt = Vth에서 ACPR 규격이 최소한의 마진을 가지고 만족되도록 튜닝된 전력 증폭부의 통화시 평균 소모전류(I1 > I2)

A: 컨버터부의 효율(0 < A < 1)

G: 본 발명을 적용한 경우 통화시간 이득

다시 도 4a 및 도 4b를 비교해 보면, 종래의 전력 증폭기를 사용한 경우 컷오프 전압까지만 사용하고 단말기가 꺼짐으로 해서 실제 통화에 사용할 수 있는 배터리 용량은 S1 영역 만큼이다. 반면, 본 발명에 따른 전력 증폭기를 사용하는 경 우 컨버터부(120)를 구비함으로써 컷오프 전압에 제한 받지 않아 실제 통화에 사용할 수 있는 배터리 용량은 S2 + S3 영역만큼으로 종래에 비해 더 많아 진다. 또한, 종래 평균 소모전류보다 본 발명의 평균 소모전류가 컨버터부(120)에 의해 승압된 전원을 사용함으로써 더 작아진다(I1 > I2). 따라서, 본 발명에 따른 전력 증폭기는 실제 사용할 수 있는 배터리 용량은 커지고, 평균 소모전류는 작아져서, 배터리 용량을 평균 소모전류로 나누어 계산되는 통화시간은 종래에 비해 더 길어지게 된다.

이를 달리 표현하면, (배터리 전압 Vth일 때 ACPR 규격이 최소한의 필요 마진을 가지고 만족되도록 전력 증폭부를 튜닝함으로써 배터리 전압 Vmax~Vth사이에서 발생하는 전력 이득) - (Vth이하에서 컨버터부(120)를 사용함으로써 발생하는 전력 손실) 만큼의 전력이득을 얻을 수 있고, 이동통신 단말기 사용 시간이 증가된다.

또한, 전력 증폭부(100)를 제외한 모든 부품들의 최소 공급 전압은 3V 이하로써 현재 대부분의 이동단말기들이 채택하고 있는 컷오프 전압 3.4V보다 낮고 이 전압은 전력증폭기의 ACPR 규격에 의해서 제한 받은 것이다. 따라서 본 발명의 전력 증폭기 구조를 사용한다면 이동통신 단말기의 컷오프 전압을 전력 증폭기에 의해 제한 받을 필요 없이 3.4V 이하로 정할 수 있고 컷오프 전압이 낮아진 만큼 추가적으로 이동통신 단말기의 사용 시간을 늘릴 수 있다.

본 발명에 따른 전력 증폭기는 이동통신 단말기 등을 비롯하여 보다 긴 사용시간을 위해 저 전력 전력증폭기를 사용해야 하는 모든 분야에 이용할 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 인접채널전력비율(ACPR) 규격을 만족시키면서 동시에 배터리의 평균 소모전력을 줄여주는 효율적인 전력 증폭기가 제공된다.

즉, 본 발명에 따른 전력 증폭기는, 인접채널전력비율(ACPR) 규격이 배터리 임계 전압(Vth)에서 최소한의 필요 마진을 가지고 만족되도록 튜닝되고 임계 전압 이하에서는 컨버터부(120)를 이용하여 승압된 전원을 공급함으로써, 평균 소모전류가 작아지고, 이동 단말기의 컷오프 전압이 전력 증폭기에 의해 제한받지 않게 됨에 따라 실제 사용할 수 있는 배터리 용량은 커진다. 이에 따라 배터리 용량을 평균 소모전류로 나누어 계산되는 통화시간은 종래에 비해 훨씬 길어지게 된다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

1. 이동통신 단말기에 사용되는 전력 증폭기에 있어서,

   배터리의 임계 전압(Vth)에서 인접채널전력비율(ACPR)이 최소한의 필요마진을 가지도록 튜닝된 전력 증폭부;

   상기 배터리의 입력 전압이 제1 모드인 경우 상기 배터리의 전원을 상기 전력 증폭부에 공급하는 스위치부; 및

   상기 배터리의 입력 전압이 제2 모드인 경우 상기 배터리 전원을 소정의 전압만큼 높아지도록 변환하여 상기 전력 증폭부에 공급하는 컨버터부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 모드는 상기 임계 전압보다 크거나 같은 경우인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제2 모드는 상기 임계 전압보다 작은 경우인 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
4. 제1항에 있어서,

   상기 배터리의 만충 전압과 상기 임계 전압사이에서 발생하는 전력이득이 상기 임계 전압보다 낮은 전압에서 상기 컨버터부를 사용함으로써 발생하는 전력 손실보다 크도록 상기 임계 전압을 설정하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.

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