在智能手机屏幕越做越大的同时，用户对视频、游戏等各类APP使用也越来越频繁，这就对电池电量的续航时间提出了更高的要求。增加电池容量和减小各元件的功耗是手机设计者必须要考虑的问题。手机射频前端（Radio Frequency Front End, RFFE）消耗了手机电池续航能力的15% ~ 40%，而射频前端中功率放大器（Power Amplifier, PA）的耗电量尤其大，因而降低功率放大器的功耗是解决电池续航的关键技术。功率放大器常用的供电技术有两种：一种是使用固定电源供电；另一种是包络跟踪技术（Envelop Track, ET）提供动态变化的电源。
图1 图片来源：罗格施瓦茨, R&S
包络跟踪技术的秘密
传统的功放使用固定电源供电，当功放输入信号变化时，电源信号固定不变。由于需要满足高功率信号的线性要求，PA的电源电压值较高，对于相对较小的功率信号，多余的电压部分会以热量的形式被浪费，从而降低了PA的能量效率。
包络跟踪是一种动态电源技术，功放的供电电源随输入信号的包络变化，也就是说包络放大器需要根据射频信号的包络幅度来决定功率放大器的供电电源。当输入信号较小时，采用低电压供电；输入信号较大时，采用高电压供电。使得功率放大器在不同的输入信号时供电电压不同，进而降低功耗。
图2 手机收发原理图
由图2可以看到，在整个手机收发系统中，存在多个PA以支持不同的无线通信标准和频带。由于射频信号通常具有较大的带宽，因此包络芯片也需要支持相应的带宽，同时它还需要具有较高的效率来保证整个PA系统的高效率。包络芯片的高线性度可以减小PA线性放大时需要预留的电源电压差值以提高PA的效率。那么，什么样的电源架构可以用于包络芯片呢？
比较常见的手机电源模块主要有线性稳压器和开关稳压器。因为具有宽带宽、低输出纹波、且能适配功率放大器较高的线性度要求等优势，线性电源调制器可用于产生功放电源，以获得良好的带内外频谱特性。然而，线性电源调制器在输出低电压时，效率很低。开关电源变换器（通常为Buck变换器）在很宽的输出电压范围内有着很高的效率，缺点是其产生输出纹波较大。开关电源的带宽在开关频率的范围内（大约为1MHz量级），带宽较窄，如果要达到更大的带宽就需要增加开关频率，会影响效率。由此可见，单独采用线性电源或开关电源的方式难以满足整个PA系统的高效率、宽带宽、高线性要求。
结合两种电源结构的特点，混合型结构的电源模块被应用在包络技术中。混合式包络跟踪芯片结合了线性电源调制器和开关变换器，其中线性电源调制器提升了线性度和带宽，开关变换器提升了效率，因此可以实现效率、带宽和线性度的良好折衷。
图3 包络芯片原理图
图3是一种混合式包络芯片的结构。包络芯片接收指示了射频信号的包络信号，并基于包络信号能实现自适应动态电源输出，进而为PA提供电源电压。PA的电源电压紧密地追踪随时间变化的射频信号，因此PA电源电压与射频信号包络之间的差异小，只产生很小的功率浪费。
高通包络跟踪芯片概览
在历年发布的诸多国产旗舰手机中，我们都能看到高通每一代包络芯片的身影。芯愿景在分析高通公司的QET5100芯片时，发现QET5100芯片中主要包含了BUCK变换器、BOOST变换器、线性放大器等模块。线性放大器通过接收来自处理器的信号，产生包络信号。线性放大器模块与BUCK变换器共同产生电源输出，为功率放大器供电。
图4 高通QET5100芯片架构图
图5 高通包络芯片集合
在QET5100之前我们看到高通公司的包络芯片都是单芯片结构。而在小米11手机中，我们发现，高通的包络方案同时使用了QET6100和6110双芯片结构。在使用骁龙8Gen1平台的Moto edge X30手机中，我们发现第7代包络芯片延续使用了双芯组合，而且使用了CSP封装将两颗管芯紧密的封装在一起。
图6 小米11中的包络芯片
图7 Moto edge X30中的包络芯片
手机芯片设计师在节省电力、提高功率效率等方面不断做出包络技术的改进，并应用到各厂家的手机产品中，芯愿景也将一如既往地持续跟踪分析这些芯片。如果您对包络电源芯片的更多技术细节感兴趣，欢迎来电咨询。
