KR20060111047A

KR20060111047A - 전력 증폭기의 구동 전압 제어 장치

Info

Publication number: KR20060111047A
Application number: KR1020050033338A
Authority: KR
Inventors: 오재현
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2005-04-21
Filing date: 2005-04-21
Publication date: 2006-10-26

Abstract

본 발명은 이동 통신 단말기의 전력 증폭기에서 출력되는 송신전력의 변화를 검출하여, 그 전력 증폭기에 인가되는 구동 전압을 적정한 레벨로 조절함으로써, 전력 증폭기의 전력 소모 효율을 향상시켜 배터리 사용 시간을 증가시킬 수 있도록 하는 전력 증폭기의 구동 전압 제어 장치에 관한 것으로, 이동 통신 단말기의 전력 증폭기(PAM)에서 출력되는 송신전력을 검출하는 검출수단과; 상기 검출수단에서 출력되는 전압을 이용해, 상기 전력 증폭기의 송신전력에 따른 적절한 구동전압을 생성하여, 그 전력 증폭기에 인가하는 가변 구동전압 출력수단을 포함하여 구성함으로써 달성할 수 있다.

Description

전력 증폭기의 구동 전압 제어 장치{DRIVE VOLTAGE CONTROL APPARATUS FOR POWER AMP MODULE}

도 1은 종래 이동 통신 단말기의 전력 증폭기 및 주변 회로의 구성을 보인 블록도.

도 2는 본 발명에 따른 이동 통신 단말기의 전력 증폭기 구동 전압 제어 장치 및 그 주변 회로의 구성을 보인 블록도.

도 3은 상기 도2에서 검출전압 레벨 변환부의 개략적인 구성을 보인 회로도.

도 4는 상기 도3의 회로를 시뮬레이션하여 고전력 검출기의 전압 오프셋 조정 결과를 그래프로 보인 예시도.

도 5는 본 발명에 따라 전력 증폭기(PAM)의 출력전력 변화에 따른 가변 구동전압 출력부의 입/출력전압 관계를 테이블로 보인 예시도.

도 6은 상기 도5에서 있어서 테이블의 값들을 그래프로 시각화하여 보인 예시도.

도 7은 종래 구동 방식에 의한 전력 증폭기의 효율과 본 발명의 구동 방식에 의한 전력 증폭기의 효율을 비교한 예시도.

도 8은 종래와 본 발명에 따른 각 채널별 전력 증폭기의 효율을 송신전력에 따라 테이블로 비교하여 보인 예시도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

101 : 고전력 검출기 102 : 이동국 모뎀

103 : 고주파 처리부 104 : 전력 증폭기

201 : 검출전압 레벨 변환부 202 : 가변 구동전압 출력부

본 발명은 이동 통신 단말기의 전력 증폭기 효율을 증대시키기 위한 것으로, 특히 이동 통신 단말기의 전력 증폭기에서 출력되는 송신전력의 변화를 검출하여, 그 전력 증폭기에 인가되는 구동 전압을 적정한 레벨로 조절함으로써, 전력 증폭기의 전력 효율을 향상시켜 단말기의 배터리 사용 시간을 증가시킬 수 있도록 하는 전력 증폭기의 구동 전압 제어 장치에 관한 것이다.

도1은 종래 이동 통신 단말기의 전력 증폭기 및 주변 회로의 구성을 보인 블록도이다.

일반적으로, 이동 통신 단말기에서는 비교적 높은 전력을 송신할 때, 이동국 모뎀(MSM : Mobile Station Modem)(102)으로 현재의 송신전력 레벨을 알려주는데, 그와 같은 송신전력 레벨을 알려주는 회로가 고전력 검출기(HDET : High Power Detector)(101)이다.

상기 고전력 검출기(101)는 전력 증폭기(PAM : Power Amp Module)(104)의 다음 단에서 송신 전력을 커플링(Coupling)하여 신호를 생성한다.

상기 도1에는 도시하지 않았으나, 커플링하는 방법으로는 지향성 커플러를 사용하는 방법과 전력 증폭기의 출력단에 커패시터를 접속하는 방법이 있다.

상기 전력 증폭기(104)는 다른 소자와 집적해서 쓰기엔 너무 열이 많아서 잡음원이 되기 때문에 보통 별도의 칩이나 모듈로 사용되며, 칩 위에 MMIC Die와 입출력 매칭, 기본 바이어스 소자들을 집적하여 만든 것으로, 시스템에 장착될 때 복잡한 매칭과정 없이 바로 사용할 수 있도록 구성된다.

상기 도1에서, 고주파 처리부(103)는 이동국 모뎀(102)에서 출력되는 기저대역 신호를 처리하여 전력 증폭기(104)를 통해 고주파 출력하기 위한 회로부로서, 그 구성과 동작은 기존의 일반적인 구성과 다르지 않으므로 그에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

그런데, 상기 전력 증폭기(104)는 그 구동전압으로 도1에 도시된 바와 같이, 부하 스위치(Load Switch)(105)를 통해 배터리 전원(약 3.7V)이 그대로 인가되도록 구성되어 있다.

즉, 종래의 경우 낮은 송신전력을 요구하는 주파수 영역에서도, 배터리 전원을 그대로 전력 증폭기의 구동전압으로 인가하도록 구성되어 있기 때문에, 전력 증폭기(104)의 전력 소모 효율이 많이 떨어져 배터리가 빨리 소모되고, 그 만큼 통화 가능 시간도 짧아지는 문제점이 있다.

또한, 종래 고전력 검출기 회로의 경우 상당히 민감하게 동작하여, 그 출력값의 범위가 0.2V ~ 1.4V로 매우 좁기 때문에, 이동국 모뎀에서 그 값을 받아 처리함에 있어서 조그만 노이즈에도 큰 영향을 받을 수 있는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것 으로, 이동 통신 단말기의 전력 증폭기에서 출력되는 송신전력의 변화를 검출하여, 그 전력 증폭기에 인가되는 구동 전압을 적정한 레벨로 조절함으로써, 전력 증폭기의 전력 소모 효율을 향상시켜 배터리 사용 시간을 늘리고, 그에 따라 통화 가능 시간도 증가시킬 수 있도록 하는 전력 증폭기의 구동 전압 제어 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 고전력 검출기(HDET)의 출력 오프셋을 원하는 전압레벨 범위로 조절하여 출력할 수 있도록 함으로써, 작은 노이즈에도 민감하게 반응하던 이동국 모뎀을 안정적으로 동작시킬 수 있도록 하는 전력 증폭기의 구동 전압 제어 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 이동 통신 단말기의 전력 증폭기(PAM)에서 출력되는 송신전력을 검출하는 검출수단과; 상기 검출수단에서 출력되는 전압을 이용해, 상기 전력 증폭기의 송신전력에 따른 적절한 구동전압을 생성하여, 그 전력 증폭기에 인가하는 가변 구동전압 출력수단을 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 전력 증폭기(PAM)에 인가되는 구동 전압을 DC-DC 컨버터를 통해 인가하고, 또한, 고전력 검출기(HDET)에서 출력되는 전압의 오프셋을 원하는 전압 레벨 범위로 조절하여 출력하게 하고, 그 출력전압을 상기 DC-DC 컨버터의 입력 전압(Vin(DC-DC))으로 입력함으로써, 상기 전력 증폭기에서 출력되는 송신전력에 따른 적정한 구동전압이 그 전력 증폭기에 인가되도록 하여 전력 증폭기의 전력 효율 을 향상시키고, 또한, 고전력 검출기의 전압 출력범위를 원하는 전압 레벨로 넓게 조정함으로써 민감하게 반응하던 이동국 모뎀을 안정적으로 동작시킬 수 있도록 하기 위한 장치의 제공을 요지로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도2는 본 발명에 따른 이동 통신 단말기의 전력 증폭기 구동 전압 제어 장치 및 그 주변 회로의 구성을 보인 블록도로서, 도1의 구성과 비교할 때, 전력 증폭기(PAM)의 구동 전압을 인가하는 구성에 많은 차이가 있다.

즉, 종래의 경우 전력 증폭기(104)의 구동 전압으로 배터리 전압(3.4V ~ 3.7V)이 그대로 입력되었으나, 본 발명에서는 전력 증폭기(104)의 송신전력에 따라 가변 구동전압 출력부(202)에서 1.4V ~ 3.4V 까지 적절히 조절된 전압이 인가된다.

본 발명의 실시예에서 상기 가변 구동전압 출력부(202)는 DC-DC 컨버터로 구성한다. 상기 DC-DC 컨버터(가변 구동전압 출력부)는 고전력 검출기(101)의 출력전압을 입력전압(Vin(DC-DC))으로 사용하는데, 그 입력전압에 대하여 3배 정도의 전압을 고전압 증폭기(104)로 출력한다.

통상적으로, 상기 고전력 검출기(101)는 0.2V ~ 1.4V까지 송신전력에 비례한 전압을 출력할 수 있다.

그런데, 상기와 같이 고전력 검출기의 전압 출력범위가 매우 좁기 때문에, 그 출력전압을 이동국 모뎀(102)에 바로 인가하게 될 경우 송신전력 변화에 따른 고전력 검출기의 출력전압 변화에 대응하기가 힘들다. 또한, 상기 고전력 검출기의 최소 출력전압이 0.2V로 매우 작기 때문에, 그 출력전압을 도2에서 가변 구동전압 출력부(202)에 바로 인가하게 될 경우 정상적인 구동이 힘들어진다.

따라서, 본 발명에서는 고전력 검출기의 출력전압을 검출전압 레벨 변환부(201)에 입력하여, 고전력 검출기(101)의 전압 오프셋(DC offset)을 원하는 전압레벨 범위(예:가변 구동전압 출력부의 구동에 적합한 전압레벨 범위)로 조정하여 출력한다.

도3은 상기 검출전압 레벨 변환부(201)의 개략적인 구성을 보인 회로도로서, 이에 도시된 바와 같이 저항(R3)을 통해 고전력 검출기(101)의 출력전압(V_HDET)을 입력받고, 상기 저항(R3)에 병렬 연결된 저항(R1,R2)에 의해, 상기 저항(R1)을 통해 인가되는 2.85V의 구동전압(V_dc)과 고전력 검출기(101)의 출력전압(V_HDET)을 분배하여, 그 분배전압(V_div)을 가변 구동전압 출력부(202) 및 이동국 모뎀(102)에 인가하도록 구성된다.

이때, 상기 분배전압(V_div)의 출력범위는 상기 구동전압(V_dc) 및 저항(R1 ~ R3)값을 통해 조정할 수 있으며, 출력전압의 오프셋을 0.5V ~ 1.5V 로 변환하고자 할 경우, 도3의 실시예와 같이 저항(R1)을 '180kΩ', 저항(R2)을 '240kΩ', 저항(R3)을 '560Ω'으로 설정하고 구동전압(V_dc)을 2.85V로 설정한다.

상기 도3의 회로를 키르히호프 전류 법칙을 이용하여 노드(node)의 전류를 분석하면,

이고,

,

이므로,

가 된다.

따라서, 상기 수학식을 분배전압(V_div)에 관해 전개해 보면 다음 수학식 1과 같이 된다.

여기서, V_dc, R1, R2, R3 값은 이미 알고 있는 고정된 값이고, 고전력 검출기의 출력전압(V_HDET)은 0.2V ~ 1.5V 까지 가변되는 값이므로, 그 값들을 상기 수학식 1에 대입하면 그에 따른 분배전압(V_div)이 출력되는 것이다.

물론, 다른 전압레벨 범위로 오프셋을 설정하고자 할 경우에는 상기 각 소자에 대한 설정값을 변경함으로써 조절 가능하다.

도4는 상기 도3의 회로를 시뮬레이션하여 고전력 검출기의 전압 오프셋(DC offset) 조정 결과를 그래프로 표시한 도면으로서, 본래의 고전력 검출기(101)의 출력전압이 0.2V ~ 1.4V 범위의 전압이라고 할 때, 그 값을 가변 구동전압 출력부(202)를 구동할 수 있는 0.5V ~ 1.5V 범위의 전압으로 변환된 결과를 나타낸다.

상기와 같이 검출전압 레벨 변환부(201)를 통해 원하는 전압레벨 범위로 조정된 출력전압을 가변 구동전압 출력부(202)에 입력함으로써, 전력 증폭기(104)의 구동에 필요한 1.4V ~ 3.4V 까지의 전원을 만들어 출력하고, 또한, 상기 0.5V ~ 1.5V 범위의 전압을 이동국 모뎀(102)에도 인가함으로써, 이동국 모뎀이 송신전력 변화에 대응하여 보다 안정적으로 동작할 수 있도록 한다.

한편, 상기 가변 구동전압 출력부(202)의 입/출력 전압과 전력 증폭기(104)의 송신전력과의 관계는 도5의 표에 구체적으로 도시되어 있으며, 도6은 그 관계를 그래프로 표시한 도면이다.

상기 도5와 도6을 참조하면, 전력 증폭기의 송신전력(output power(dBm))이 10dBm 일 경우, 고전력 검출기(101)를 통해 0.8V의 검출 전압이 가변 구동전압 출력부(202)로 입력되고, 그 입력전압에 따라 가변 구동전압 출력부(202)는 2.5V의 전압을 전력 증폭기(104)로 출력하는 것이다.

즉, 본 발명은 전력 증폭기(104)의 송신전력에 따른 고전력 검출기(101)의 출력을 이용하여 가변 구동전압 출력부(202)를 제어하는 것으로, 전력 증폭기의 전원을 선형적으로 제어하여 충분한 인접채널전력비(ACPR)를 확보하면서 전력 효율을 최대로 증가시키는 특징이 있다.

또한, 상기 가변 구동전압 출력부(202)의 기능 중 바이패스(Bypass) 모드를 적절히 이용하여, 가변 구동전압 출력부의 출력 레벨보다 배터리 전원의 레벨이 더 떨어질 경우에만, 배터리 전원을 직접 전력 증폭기에 인가하도록 함으로써 효율을 더 증대시킬 수 있도록 한다.

다음, 검출전압 레벨 변환부(201)는 상기 고전력 검출기(101)의 출력 전압을 원하는 적절한 전압으로 바꾸어 가변 구동전압 출력부(202)에 입력하기 위한 것이다.

즉, 상기 고전력 검출기(101)에서 출력되는 전압을 직접 가변 구동전압 출력 부(202)에 입력할 경우, 그 가변 구동전압 출력부에서 원하는 레벨의 전압이 출력되지 않기 때문에, 원하는 전압 레벨을 출력할 수 있도록 고전력 검출기의 출력 레벨을 적절히 바꾸어 인가하는 것이다.

따라서, 상기 검출전압 레벨 변환부(201)는 전력 증폭기에서 출력되는 송신전력과, 그때 전력 증폭기(104)에 인가할 가변 구동전압 출력부(202)의 출력전압을 생성하기 위해, 도3에 도시된 바와 같이 간단한 분압회로를 구성하여 적용할 수 있으며, 다른 방법으로는 상기 가변 구동전압 출력부(202)에 입력할 전압을 테이블로 저장해 두고, 마이크로 프로세서(미도시)를 통해 대응하는 전압을 출력하도록 구성할 수도 있다.

이상으로, 상기 가변 구동전압 출력부(202)를 통해 조절된 전압이 전력 증폭기(104)에 인가되는 것 자체로 전력 증폭기는 20% ~ 30%의 전력 효율이 향상된다.

예컨대, 도1과 같이 부하 스위치(105)를 통해 배터리 전압이 전력 증폭기(104)에 인가되는 경우와, 도2와 같이 가변 구동전압 출력부(202)를 통해 송신전력에 따라 조절된 전압이 전력 증폭기에 인가되는 경우를 도7을 참조하여 비교해 보면, 본 발명의 경우 각 채널에 대하여 16dBm 이하에서 전력부가효율(PAE : Power Added Efficiency)을 2배 이상 증가시킬 수 있음을 확인할 수 있다.

상기 전력부가효율(PAE)의 계산은 다음 수학식2와 같이 구할 수 있다.

여기서, RF Pout : 송신(출력)전력, RF Pin : 입력 전력

상기 각 채널에 대한 전력 증폭기의 효율을 표로 정리하면 다음 도8에 도시된 바와 같다.

상기 도8을 참조하면, 송신 전력이 16dBm 이상인 경우에는 효율에 큰 차이가 없지만, 16dBm 이하에서는 2배 이상의 큰 효율 차이가 발생함을 알 수 있으며, 이는 이동 통신 단말기에서 가장 많이 사용하는 전력 레벨에서 소모되는 전류를 많이 줄일 수 있음을 의미한다.

상기와 같이, 종래에는 전력 증폭기에 배터리 전원을 직접 인가함으로써, 최소 전력(Min Power)과 최대 전력(Max Power)이 필요한 경우, 전력 증폭기의 전력 효율이 많이 떨어져 배터리의 전력이 빨리 소모되는 단점이 있었으나, 본 발명에서는 수신레벨에 따른 전력 증폭기의 송신전력에 맞추어 전력 증폭기에 인가되는 전원을 조절하기 때문에 20% 이상의 전력 효율을 증대시켜 통화시간을 증가시킬 수 있도록 한다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조로 설명하였다. 여기서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명 전력 증폭기의 구동 전압 제어 장치는 고전력 검출기에서 출력된 전압을 이용하여 가변 구동전압 출력부의 출력전압을 제어함으로써, 전력 증폭기의 송신전력에 따른 구동 전압으로 전력 증폭기를 제어할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 전력 증폭기(PAM)에 인가되는 구동 전압을 가변 구동전압 출력부를 통해 송신전력에 맞게 조절하여 인가함으로써, 전력 증폭기의 전력 효율을 향상시켜 배터리의 소모 전력을 절약할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 이동 통신 단말기에서 가장 많이 사용하는 16dBm 이하의 전력 레벨에서 최대 2배 이상의 전력 효율을 증대시킴으로써, 단말기의 소모 전류를 줄여 통화 시간을 증가시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 고전력 검출기의 전압 출력범위를 검출전압 레벨 변환부를 통해, 상기 고전력 검출기의 출력전압을 이용하는 장치에 따라 원하는 전압 레벨로 조정함으로써, 고전력 검출기의 전압 오프셋을 넓게하여 이동국 모뎀과 같이 출력전압에 민감하게 반응하던 장치를 안정적으로 동작시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims

이동 통신 단말기의 전력 증폭기(PAM)에서 출력되는 송신전력을 검출하는 검출수단과;

상기 검출수단에서 출력되는 전압을 이용해, 상기 전력 증폭기의 송신전력에 따른 적절한 구동전압을 생성하여, 그 전력 증폭기에 인가하는 가변 구동전압 출력수단을 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 전력 증폭기의 구동 전압 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 검출수단을 통해 검출된 전압을 상기 가변 구동전압 출력수단에 입력할 전압으로 변환하기 위한 검출전압 레벨 변환수단을 더 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 전력 증폭기의 구동 전압 제어 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가변 구동전압 출력수단은 DC-DC 컨버터로 구성하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기의 구동 전압 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 가변 구동전압 출력수단은 DC-DC 컨버터의 출력 레벨보다 배터리 전원의 레벨이 더 떨어질 경우, 바이패스(Bypass) 모드로 전환되게 하여 배터리 전원이 직접 전력 증폭기에 인가될 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 전력 증폭기의 구동 전압 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 가변 구동전압 출력수단에서 생성하는 구동전압은,

상기 검출수단의 검출전압 레벨이 송신전력에 비례하여 0.2V ~ 2V 사이의 값을 출력할 경우, 그 검출전압에 따라 전력 증폭기의 구동에 필요한 1.4V ~ 3.4V 사이의 전압을 출력하도록 구성한 것을 특징으로 하는 전력 증폭기의 구동 전압 제어 장치.
제2항에 있어서, 상기 검출전압 레벨 변환수단은, 송신전력 검출수단의 출력전압(V_HDET)을 입력받기 위한 제1 저항과; 상기 제1 저항에 구동전압(V_dc)을 입력받는 제2 저항과, 일측이 접지된 제3 저항을 병렬 연결한 분압회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기의 구동전압 제어 장치.
제6항에 있어서, 상기 검출전압 레벨 변환수단은, 상기 제2 저항을 통해 인가되는 구동전압(V_dc)과, 상기 송신전력 검출수단의 출력전압(V_HDET)을 분배한 전압(V_div)을 출력하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전력 증폭기의 구동전압 제어 장치.
제6항에 있어서, 상기 검출전압 레벨 변환수단을 통한 송신전력 검출수단의 출력 오프셋을 0.5V ~ 1.5V로 변환할 경우, 제1 저항을 '560Ω', 제2 저항을 '180kΩ', 제3 저항을 '240kΩ'으로 설정하고, 구동전압(V_dc)을 2.85V로 설정하여 구성하 는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기의 구동전압 제어 장치.