KR20030005783A - 이동 단말기용 고효율 전력증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동 단말기용 고효율 전력증폭기에 관한 것으로, 이동 단말기에서 최대출력 및 최대 사용빈도를 갖는 복수 영역에 대하여 해당 출력요구시 각 소자의 특성을 고려한 스위칭을 행하여 출력이 발생되도록 함으로써 그 효율을 증대시킨 이동 단말기용 고효율 전력증폭기를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 이동통신 단말기의 내부에 구비되어 각종 송/수신 데이터의 처리를 행하고, 전력 증폭제어를 위한 신호를 출력하는 PA-ON, PA-R0, PA-R1이 각각 형성된 MSM 칩과; 입력 및 출력신호를 이동 단말기 내부회로에 정합시키기 위한 입/출력 매칭부와; 상기 입력 매칭부의 후단에 접속되어 출력 전력을 증폭시키기 위한 제 1, 2 증폭기와; 상기 제 1 및 2 증폭기의 사이에 매개하여 PA 의 효율을 증대시키기 위하여 최대사용빈도 출력 및 최대 출력의 요구에 따라 제 2 증폭기를 스위칭시키고 제어하는 증폭기 매칭부와; 상기 MSM 칩의 출력단으로부터 신호를 인가받아 상기 제 1 및 2 증폭기에 대한 증폭비 제어 및 안테나 출력전력에 따른 전력제어를 행하는 증폭비 제어부로 구성되어 단말기 내부 회로에서 요구하는 각종 전력출력에 대하여 가변 스위칭됨으로써 최대 효율을 발생한다.

본 발명을 적용하면, 기존의 전력증폭기가 최대출력에서만 효율을 높일 수 있도록 설계되었던 전력증폭기를 Switching 방식을 복수지점 이상의 최적화 지점을 갖도록 변경 설계하여 소망하는 어느 출력에서도 최대효율을 갖도록 한 것으로 이동통신 단말기와 같은 경우 최대 사용빈도를 갖는 영역에서 최대 효율을 갖도록 설계하여 이동통신 단말기의 통화시간을 현재 1시간에서 최대 4시간 정도로 4배 이상 늘릴 수 있다는 효과가 있다.

Description

이동 단말기용 고효율 전력증폭기{HIGH-EFFICIENCY POWER AMPLIFIER FOR A MOBILE PHONE}

본 발명은 이동 단말기용 고효율 전력증폭기에 관한 것으로, 보다 상세하게 이동 단말기의 전력 증폭회로의 구조 변경으로 인하여 최대 전력효율을 발생시킬 수 있도록 한 이동 단말기용 고효율 전력증폭기에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 종래의 이동 단말기용 전력 증폭기는 도 1에 도시된 바와 같이 최대 출력 28dBm에서 최대 효율(약 30%)을 낼 수 있도록 설계되어 있고, 가장 많이 사용되는 16dBm 부근에서의 효율은 약 7%로 입력전력의 대부분이 열로 손실되었다.

그러나 이동통신 단말기와 같이 출력전력의 사용율이 도 2과 같은 분포를 보일 경우 실제 사용률이 높은 A 영역에서 전력부가효율이 떨어지는 문제점이 있다.

또한, 전력증폭기 효율 증대를 위해 동작점 이동 방식(DC-DC CONVERTER), SWITCHING방식 및 Bias control방식 등을 사용한다. 그러나 동작점 이동 방식이나 Bias control 방식은 Load Line(부하선)의 연속적인 변경으로 인하여 PA의 선형성을 유지하기 어려운 문제점이 있으며 DC-DC 변환기는 가격상등 및 크기의 증가 등의 문제점이 있으며 동작점 이동 방식은 효율증대의 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 이동 단말기에서 최대출력 및 최대 사용빈도를 갖는 복수 영역에 대하여 해당 출력요구시 각 소자의 특성을 고려한 스위칭을 행하여 출력이 발생되도록 함으로써 그 효율을 증대시킨 이동 단말기용 고효율 전력증폭기를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 실시예에 따른 conexant 사의 PA 효율 분포도,

도 2는 종래의 실시예에 따른 T-PA 시뮬레이션 곡선도,

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 이동 단말기용 고효율 전력증폭기의 구성을 도시한 블록구성도,

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 이동 단말기용 고효율 전력증폭기의 구성을 도시한 블록구성도,

도 5는 본 발명의 제 1 및 2 실시예에 따른 이동 단말기용 고효율 전력증폭기를 통해 구현된 전력증폭 효율도,

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이동 단말기용 고효율 전력증폭기의 히스테리시스 곡선을 나타내는 상태도,

도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 이동 단말기용 고효율 전력증폭기의 구성을 나타내는 블록구성도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100:증폭 제어회로, 110:입력매칭부,

120:제 1증폭기, 130:증폭기 매칭부,

140:제 2증폭기, 150:출력매칭부,

160:PA검출부, 170:증폭비제어부,

200:MSM칩.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 이동통신 단말기의 내부에 구비되어 각종 송/수신 데이터의 처리를 행하고, 전력 증폭제어를 위한 신호를 출력하는 PA-ON, PA-R0, PA-R1이 각각 형성된 MSM 칩과; 입력 및 출력신호를 이동 단말기 내부회로에 정합시키기 위한 입/출력 매칭부와; 상기 입력 매칭부의 후단에 접속되어 출력 전력을 증폭시키기 위한 제 1, 2 증폭기와; 상기 제 1 및 2 증폭기의 사이에 매개하여 PA 의 효율을 증대시키기 위하여 최대사용빈도 출력 및 최대 출력의 요구에 따라 제 2 증폭기를 스위칭시키고 제어하는 증폭기 매칭부와; 상기 MSM 칩의 출력단으로부터 신호를 인가받아 상기 제 1 및 2 증폭기에 대한 증폭비 제어 및 안테나 출력전력에 따른 전력제어를 행하는 증폭비 제어부로 구성된 것을 특징으로 하는 이동 단말기용 고효율 전력증폭기가 제공된다.

바람직하게, 상기 입력 매칭부와 제 1 증폭기사이에 그 일단이 접속되고, 그 타단은 상기 출력 매칭부의 후단에 접속되어 output 출력에 대한 선형성을 유지하기 위하여 PA를 검출하는 PA 검출부가 더 포함된 것을 특징으로 하는 이동 단말기용 고효율 전력증폭기가 제공된다.

보다 상세하게, 상기 제 2 증폭기는 상기 증폭기 매칭부의 스위칭에 의해 그 전력증폭비를 조절할 수 있도록 하나이상이 각각 병렬로 구성된 것을 특징으로 하는 이동 단말기용 고효율 전력증폭기가 제공된다.

또한, 상기 제 1 증폭기와 제 2 증폭기는 바이패스 라인에 의해 그 후단에 각각 접속된 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 제 2 증폭기의 스위칭 제어는 각 전력증폭비에 대한 기설정값에 따라 그 증폭비를 제어하는 알고리즘에 의해 제어될 수 있도록 할 수 있는 것을 특징으로 하는 이동 단말기용 고효율 전력증폭기가 제공된다.

더욱 바람직하게, 상기 제 2 증폭기의 스위칭 제어는 히스테리시스 곡선에 의해 스위칭될 수 있도록 할 수 있는 것을 특징으로 하는 이동 단말기용 고효율 전력증폭기가 제공된다.

이하, 본 발명에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 이동 단말기용 고효율 전력증폭기의 구성을 도시한 블록구성도이다.

이동 단말기는 상시 그 사용시에 그 이동 단말기 특성상 사용하는 최대출력과 최대사용빈도의 출력이 각각 상이하게 요구된다.

따라서, 본 발명에 따른 이동 단말기용 고효율 전력증폭기는 상기 이동 단말기의 내부에 구비되어, 각각의 증폭수단의 각 소자에 대한 스위칭을 최대 출력과 최대 사용빈도 영역으로 구분하여 각각 스위칭시킴으로써 그 효율을 배가시키기 위한 것이다.

보다 상세하게, 전력증폭기의 전력부가효율(PAE)은 PAE (%) = (출력 RF 전력- 입력 RF 전력)/입력 DC 전력 * 100 으로 나타낼 수 있는 바, 여기서 입력과 출력의 RF 전력이 고정되었을 때 효율은 입력 DC 전력이 작을 경우 커지게 된다. 본 발명은 이와 같은 원리를 이용하여 전력소모가 큰 소자와 작은 소자를 스위칭함에 의해 작은 DC 입력 전력으로 큰 출력을 낼 수 있도록 한 것이다.

도 3을 참조하면, 상기 이동 단말기용 고효율 전력증폭기는 그 내부에 MSM 칩(200)과, 증폭 제어회로(100)로 구성되는 바, 먼저 참조부호 200은 이동통신 단말기의 내부에 구비되어 각종 송/수신 데이터의 처리를 행하는 단말기 핵심부품인 Mobile Station Modem을 나타내며, 그 MSM 칩(200)에는 전력 증폭제어를 위한 신호를 출력하는 PA-ON, PA-R0, PA-R1이 각각 형성된다.

또한, 상기 증폭 제어회로(100)의 내부에는 입출력 매칭부 및 복수의 증폭기, 증폭 제어부 및 PA 검출부가 구비되는 바, 참조부호 110은 입력신호를 이동 단말기 내부회로에 정합시키기 위한 입력 매칭부(Input Match)를 나타낸다.

한편, 참조부호 120 및 140은 상기 입력 매칭부(110)의 후단에 접속되어 출력 전력을 증폭시키기 위한 제 1, 2 증폭기를 나타내며, 참조부호 130은 상기 제 1 및 2 증폭기(120, 140)의 사이에 매개하여 PA 의 효율을 증대시키기 위하여 최대사용빈도 출력 및 최대 출력의 요구에 따라 각각 해당 증폭기(120, 140)를 스위칭시키고 제어하는 증폭기 매칭부를 나타낸다.

참조부호 150은 상기 제 2 증폭기(140)의 후단에 접속되어 출력 신호를 정합시키기 위한 출력 매칭부(Output Match)를 나타낸다.

또한, 참조부호 160은 상기 입력 매칭부(110)와 제 1 증폭기(120)사이에 그 일단이 접속되고, 그 타단은 상기 출력 매칭부(150)의 후단에 접속되어 output 출력에 대한 선형성을 유지하기 위하여 PA를 검출하는 PA 검출부를 나타낸다.

참조부호 170은 상기 MSM 칩(200)의 출력단으로부터 신호를 인가받아 증폭비 제어 및 안테나 출력전력에 따른 전력제어를 행하는 증폭비 제어부를 나타낸다.

이때, 상기 제 2 증폭기(140)의 제어는 각 전력증폭비에 대한 기설정값에 따라 그 증폭비를 제어하는 알고리즘에 의해 제어될 수 있다.

상기한 구성으로 이루어진 이동 단말기용 고효율 전력증폭기는 Switching 방식을 이용하여 최대 전력소모영역(최대출력)과 최대 사용빈도 영역에서 그 요구에 따라 각각 스위칭되도록 함으로써 최대 효율을 갖도록 한다.

예컨대, 상기 이동 단말기를 통해 중계기와 호접속을 시도하거나 하여 그 이동단말기의 전력출력이 최대출력을 요구하는 시점이 도래되면, 상기 증폭비 제어부(170)는 안테나 출력전력에 따라 상기 제 1, 2 증폭기(120, 140)를 제어하여 기설정 출력을 유도한다.

그리고, 상기 증폭기 매칭부(130)는 상기 제 1 증폭기(120)의 출력전압을 인가받아 최대 출력이 발생되도록 상기 제 2 증폭기(140)로의 스위칭을 행한다.

이때, 상기 PA 검출부(160)는 상기 제 1 증폭기(120)와 출력 매칭부(150)의 사이에 매개하여 output 출력에 대한 선형성을 유지시킨다.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 이동 단말기용 고효율 전력증폭기의 구성을 도시한 블록구성도이다.

이를 참조하면, 상기 증폭기 매칭부(130)의 내부에는 상기 제 2 증폭기(140)를 스위칭하기 위하여 스위칭 알고리즘(135)이 도시되고, 그 후단에 적어도 하나이상의 제 2 증폭기(140, 145)가 도시된다.

이때, 상기 제 2 증폭기(140, 145)는 단지 복수개로 형성되는 것이 아니고, 적어도 하나이상 형성되는 것이 가능하며, 그에 대한 스위칭은 상기 증폭기 매칭부(130)내에 구비된 스위칭부(135)에 의해 이루어진다.

한편, 상기 증폭기 매칭부(130)는 스위칭에 대한 제어를 2bit 의 control 회로(R0, R1)로 제어할 수 있으며 고출력 (1, 1) 중출력 (1, 0) 저출력 (0, 0)에 의해 제어될 수 있게 되어 전력증폭기의 효율을 최대로 할 수 있다.

따라서, 적어도 하나이상의 상기 제 2 증폭기(140)의 스위칭 제어는 각 전력증폭비에 대한 기설정값에 따라 그 증폭비를 제어하는 상기 알고리즘(135)에 의해 제어될 수 있다.

도 5는 본 발명의 제 1 및 2 실시예에 따른 이동 단말기용 고효율 전력증폭기를 통해 구현된 전력증폭 효율도이다.

이를 참조하면, 본 발명에 따른 이동 단말기용 고효율 전력증폭기를 최대 출력과 중간출력에서 최대효율을 갖도록 기설계한 PA 의 Simulation 결과를 나타낸 것으로, 기존 PA에 비해 현저히 증가된 효율 특성을 보여주고 있다.

즉, 기존의 PA는 사용빈도에 대해 요구되는 전력 증폭 효율이 미비한 반면, 본 발명에 따른 이동 단말기용 고효율 전력증폭기의 경우에는 T-PA 곡선에서 나타난 바와 같이 충분한 전력 증폭 효율을 나타낸다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이동 단말기용 고효율 전력증폭기의 히스테리시스 곡선을 나타내는 상태도이다.

이를 참조하면, CDMA 시스템에서 스위칭동작시의 전력제어의 불안을 제거하기 위하여 도 6의 일례에서 보인 바와 같이 hystresis 곡선을 사용하여 전력제어할수 있도록 한다. 이때, 동 도면에서 A는 각기 상이한 출력에서의 이득(gain )차를 나타낸다.

도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 이동 단말기용 고효율 전력증폭기의 구성을 나타내는 블록구성도이다.

이를 참조하면, 본 발명에 따른 이동 단말기용 고효율 전력증폭기는 그 내부에 형성된 제 2 증폭기(140)를 적어도 하나이상으로 구비하고, 그에 대한 스위칭 제어를 상기 증폭기 매칭부(130)에서 행하도록 구성되는 것도 가능하지만, 도 7에 도시된 바와 같이, 제 1 증폭기(120)와 제 2 증폭기(140)를 바이패스(Bypass)하여 증폭 제어를 행하는 것도 충분히 가능하다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 이동 단말기용 고효율 전력증폭기는 단지 상기한 실시예에 한정되는 것이 아니라 그 기술적 요지를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변경이 가능하다.

예컨대, 상기 이동 단말기용 고효율 전력증폭기는 단지 이동 통신 단말기용으로만 이용되는 것이 아니고, 그 내부 회로의 특성에 따라 가변출력값이 요구되는 각종 전자제품에 충분히 사용 가능하다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 이동 단말기용 고효율 전력증폭기는 기존의 전력증폭기가 최대출력에서만 효율을 높일 수 있도록 설계되었던 전력증폭기를 Switching 방식을 복수지점 이상의 최적화 지점을 갖도록 변경 설계하여 소망하는 어느 출력에서도 최대효율을 갖도록 한 것으로 이동통신 단말기와 같은 경우 최대 사용빈도를 갖는 영역에서 최대 효율을 갖도록 설계하여 이동통신 단말기의 통화시간을 현재 1시간에서 최대 4시간 정도로 4배 이상 늘릴 수 있다는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 이동통신 단말기의 내부에 구비되어 각종 송/수신 데이터의 처리를 행하고, 전력 증폭제어를 위한 신호를 출력하는 PA-ON, PA-R0, PA-R1이 각각 형성된 MSM 칩과;

   입력 및 출력신호를 이동 단말기 내부회로에 정합시키기 위한 입/출력 매칭부와;

   상기 입력 매칭부의 후단에 접속되어 출력 전력을 증폭시키기 위한 제 1, 2 증폭기와;

   상기 제 1 및 2 증폭기의 사이에 매개하여 PA 의 효율을 증대시키기 위하여 최대사용빈도 출력 및 최대 출력의 요구에 따라 제 2 증폭기를 스위칭시키고 제어하는 증폭기 매칭부와;

   상기 MSM 칩의 출력단으로부터 신호를 인가받아 상기 제 1 및 2 증폭기에 대한 증폭비 제어 및 안테나 출력전력에 따른 전력제어를 행하는 증폭비 제어부로 구성된 것을 특징으로 하는 이동 단말기용 고효율 전력증폭기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 입력 매칭부와 제 1 증폭기사이에 그 일단이 접속되고, 그 타단은 상기 출력 매칭부의 후단에 접속되어 output 출력에 대한 선형성을 유지하기 위하여 PA를 검출하는 PA 검출부가 더 포함된 것을 특징으로 하는 이동 단말기용 고효율 전력증폭기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 증폭기는 상기 증폭기 매칭부의 스위칭에 의해 그 전력증폭비를 조절할 수 있도록 하나이상이 각각 병렬로 구성된 것을 특징으로 하는 이동 단말기용 고효율 전력증폭기.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 증폭기와 제 2 증폭기는 바이패스 라인에 의해 그 후단에 각각 접속된 것을 특징으로 하는 이동 단말기용 고효율 전력증폭기.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 증폭기의 스위칭 제어는 각 전력증폭비에 대한 기설정값에 따라 그 증폭비를 제어하는 알고리즘에 의해 제어될 수 있도록 할 수 있는 것을 특징으로 하는 이동 단말기용 고효율 전력증폭기.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 증폭기의 스위칭 제어는 히스테리시스 곡선에 의해 스위칭될 수 있도록 할 수 있는 것을 특징으로 하는 이동 단말기용 고효율 전력증폭기.