自去年9月三星推出厚度小于8mm的超薄手机，引发全球超薄旋风，超薄手机正在走向极至，但是前端的功率放大器(PA)模块及较高的外围无源元件已成为制约手机向超薄发展的主要障碍，因此，像RFMD、Skyworks、安华高、TriQuint、飞思卡尔等这些功率放大器厂商已将超薄手机作为重要的攻坚目标，他们已走在前面。比如Skyworks的HeliosII EDGE正是三星超薄直板机T519所采用的前端模块，而RFMD的RF3159线性EDGE功率放大器则是三星超薄滑盖手机SGH-D900所采用的PA模块。
三星的T519引发全球超薄旋风，对手机功率放大器尺寸提出更高要求。R88esmc
RFMD公司PA市场部Eric King说道：“RF3159的封装高度是1.4mm，两年前这是最薄的，但现在PA模块的最小厚度已是1.0mm。”而1.00mm的厚度也是目前这几家公司最薄的PA厚度。
更进一步，对于超薄手机，不仅需要PA超薄，而且对于PA的功耗要求也更高。Eric King指出：“小空间也意味着散热空间变小，而3G手机中40%的功耗仍然在器件的前端产生。”因此，功耗的控制是超薄手机中除了PA尺寸外，同样重要的问题。
当然，除了以上尺寸和功耗两大要解决的问题外，对于3G手机，特别是UMTS手机，对多频带的支持也是一个头痛的问题。“在UMTS手机中，采用什么频带仍有很大的不确定性。”安华高中国区经理李艇指出。
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王諴晞：Skyworks的负载不敏感(LIPA)技术已获得专利。 |
因此，正如Skyworkd公司大中国区高级总监王諴晞所述：“RF前端需要支持多个频率和运行模式、同时功率放大器还要求降低功耗和尺寸，这些都增加了PA复杂性。”下面我们将从以上三方面来讨论领先的PA厂商是如何为超薄手机减小空间的。
来自厚度的挑战和解决方案
据RFMD的Eric King分析，影响PA模块厚度的主要因素是层压板(在上面安装元件的小型PCB)、元件本身和塑料注塑。其次，底板上的有些无源元件具有很大的高度，以保持RF性能。例如，电池解耦元件通常会成为高度的限制因素，它常用来保证蜂窝标准所必需的高Q因数。
目前，1.00mm的PA厚度已是最先进的数字。安华高的李艇指出：“PA模块的最大高度最近几年一直稳步下降。2004年的时候，标准PA的厚度还是1.5mm。而仅仅三年之后，标准PA的最大厚度就下降到了1.2mm，降低了20%以上。虽然这种趋势仍在继续，但进一步降低厚度变得更加困难。”他表示，为了使PA变得更薄，可以从这几个方面着手：环氧树脂过模(overmold)材料的厚度可以降低、PCB的厚度可以降低、可以使所有的芯片与bump技术(倒装芯片)兼容。这些都要求对制造技术进行专门投资。通常不同的PA供应商，都进行了一些上述技术改进，并在实施其它一些改进。“使用新型PCB材料，或者采用比目前所用的更薄的基底，将能明显降低PA高度。”李艇表示，“但是，降低厚度的努力一定会因可能对RF性能造成影响而受到制约。”他提示。
安华高公司的独立PA，即没有与滤波器集成在一起的PA，目前尺寸是4×4毫米，正在向3×3毫米前进。“改进集成度要考虑的关键性能是电流消耗，特别是在低输出功率水平上的电流消耗。”他说道，“对于业内普遍使用的手机PA，CoolPAM架构可提供非常低的平均电流。”他特别强调，安华高提供的额外好处是，整合电流非常低的PA同时，采用了获奖的FBAR滤波技术，利用该技术可以实现最优的FEM解决方案。
除材料和工艺改进外，提升PA集成度是大家共同采用的方式。RFMD的Eric King表示，目前薄型手机的最大问题是PA模块和发射模块的集成。就PA模块来讲，目前正在把RF开关、外围匹配元件和功率探测器集成到基板上。这些元器件的集成提供了手机所需要的小薄占位面积需求。除了提高PA的集成度外，还需要把后端的其它器件集成到发射模块TXM，把post PA损耗降至最低，从而减少总体前端功耗。
但是他提示，在对PA集成时，这些模块的谐波性能是个挑战，因为目前开关与PA器件位于同一个基板上面。“RF7115是一个好榜样，它解决了这些谐波问题。”
此外，提供负载不敏感特性的PA也非常关键，因为它可以省去外围的隔离器，“而隔离器可能是整个设计中最高的器件。”Eric King表示。RFMD的宽带PA解决方案和Skyworks的Intera(tm)前端模块(FEM)都具有负载不敏感特性，而后者更是集成了完整的滤波器。王諴晞更是称：“Skyworks的负载不敏感(LIPA(tm))技术已获得了专利。”
在采用新材料、提升PA集成度的时候，一定不能以牺牲性能为代价，其中很重要的就是不能忽略了UMTS和EDGE手机对多种频带的要求，而事实上，这也是衡量PA性能的一个重要指标。
面对多频段需求，整合任务艰巨
目前在GSM/EDGE手机上全球存在四个主要频段，而在UMTS手机上更是存在9个主要频段。满足这些不同地区不同频段的需求是PA厂商除了减小尺寸和提升集成度外要面对的另一个重要问题。在这方面，飞思卡尔走在较前列，前不久它宣称新推出的RFX300-30射频前端可支持以上全部13种频段。而RFMD、安华高则有不同的做法。
Eric King表示：“我们在设计PA时采用了两种方案，以支持UMTS范围内的频率。”他解释道：通过窄带PA模块，面向频率支持已得到良好定义的UMTS地区(地区1、2和5)的多频手机；同时，他们也在研究用于支持全球多个地区的宽带PA模块。“两种设计方案之间的权衡是灵活性、性能和成本。”他同时解释了二者的区别：窄带PA模块方案是一种优化的线性PA、功率探测器和双工器的组合。这种方案是面向WCDMA市场的RFMD Artemis架构的一个变体。PA模块拥有两个数字控制功率模式，以在高输出功率下实现最佳的直线性，同时在较低的输出功率上优化电流消耗。这允许该PA模块满足HSDPA/HSUPA对PA模块严格的性能规格要求。它也允许用户在具体地区获得最佳的性能。但是，必须权衡前端设计的复杂性，因需要单刀九掷开关来提供多频支持，而且需要考虑解决方案的尺寸增大问题。
宽带解决方案PA系统是一个单频PA(地区1)或双频PA，能够支持多个地区(地区I, II, III, IV, V, VI, VIII, and IX)。该解决方案允许在同一平台上，通过重复使用PA模块对多个地区支持。宽带设计还使用DC-DC转换器来使PA最有效地使用电池提供的电能。宽带PA具有负载不敏感特性，允许不采用隔离器。该架构可使手机平台缩短上市时间和成本，同时不会牺牲性能。
在安华高方面，李艇表示他们正在集成方面采用双管齐下的策略：
安华高正在开发“by-band”FEM，在一个单一封装中包含一个发射滤波器、一个PA、一个耦合器(必要时可充当探测器)和一个双工器。其中，面向Band 1的By-band FEM用于使用最为广泛的UMTS频带。此外，安华高正在为北美市场开发一系列By-Band FEM：一种FEM用于Band 2，一种用于Band 5，一种用于Band 4。而且也在进行相关开发，以支持日本市场，包括一种用于Band 9的FEM。最后，还有一种用于目前的E-GSM频带Band 8的FEM。“下一阶段的集成工作将把这些By-Band FEM组合起来，手机厂商需要这样的整合。对于北美市场来说，把Band 2和5组合起来很有意义。对于其它市场，把Band 1和8组合起来似乎令人关注。”李艇说道。
不过，在考虑将这些不同频段的产品整合时，功耗问题是最令人头痛的问题了。
PA功率控制是超薄手机关键，厂商各使不同招术
在超薄手机中，由于散热空间小，对功耗的要求比普通手机更高。为此，各厂商在降低功耗的设计上都使出了绝招。
RFMD的Eric King指出：“PA模块的层压板由几层组成，信号在上面传输。当这些层由更薄的材料构成时，从一层到另外一层的耦合就可能发生。必须重视层压板设计以把它上面的器件耦合效应降至最低。这里可采用TxM模块，在这种模块中post PA耗损降至最小，从而减小前端整体功耗。”此外，他表示利用限流器、功率整平电路或者增加DC-DC转换器，可以降低PA中的Max Icc。RFMD有两个架构来实现功率的降低。
第一种架构是Vbatt追踪电路，随着电池电压的下降而降低Vramp水平。限流器集成到CMOS控制器之中，不需要来自用户的额外输入。在电路中，实现了一个反馈环路，把Vbatt与Vcc进行比较，并产生校正，以便降低Vramp。这防止开关晶体管进入饱和状态并诱发开关瞬时现象。除了Vbatt追踪电路，还有一个集成功率整平电路，对电路加以监控和限流。像Vbatt追踪电路一样，功率整平电路也被集成到CMOS控制器之中，而且不需要用户输入。
第二种架构是在RFMD的PowerStar(r)基础上进行改进。在下一代PowerStarII架构中，通过闭环方案改善了电压、温度和失配条件引起的功率变化。PowerStarII还采用了一个可变偏压方式，它以较低的功率水平实现了效率的最大化，并保证了足够的动态范围。总之，PowerStarII把集电极控制的优点与功率探测反馈相结合，以使功率变化最小化，同时优化功率效率，促进了PA解决方案的小型化和薄型化。
而在Skyworks方面，其被三星超薄手机采用的SKY77331功率放大器模块由GSM850/900 PA部件、DCS1800/PCS1900 PA部件、50Ω输入输出阻抗匹配电路、功率放大器控制(PAC)部分和一个集成耦合器构成。一个定制的CMOS IC提供内部PAC功能和接口电路。两个单独的HBT PA器件是在InGaP/GaAs裸片上制成的，这两个PA器件共享共同的电源端来分配电流。GaAs裸片、硅裸片和无源器件都安装在一个多层层压板基板上面，整个组件利用塑料overmold进行封装。RF输入与输出端口内部匹配到50Ω以减少四频设计的外部元件数量。这种双重PA模块的漏电流(最大10μA)极低，可使手机待机时间达到最长。
