CN102075149B - 多相交错并联射频功率放大器功率包络跟踪电源 - Google Patents

多相交错并联射频功率放大器功率包络跟踪电源 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多相交错并联射频功率放大器功率包络跟踪电源，包括对射频信号进行检波的包络检波电路、对包络信号进行放大的线性放大电路、控制所述线性放大电路供给射频功率放大器电流的多相交错并联同步BUCK电路、根据所述线性放大电路输出的电流驱动控制所述交错并联同步BUCK电路的开关变换控制电路，所述包络检波电路对输入的射频信号进行检波后输入到线性放大电路进行线性放大，所述开关变换控制电路根据所述线性放大电路输出的电流产生多相驱动脉冲控制所述多相交错并联同步BUCK电路，以使所述线性放大电路供给射频功率放大器的电流尽量小。

Description

多相交错并联射频功率放大器功率包络跟踪电源
技术领域
本发明涉及一种射频功率放大器供电电源，尤其涉及一种多相交错并联射频功率放大器功率包络跟踪电源。
背景技术
    高线性、高效率的射频功率放大器（RadioFrequency Power Amplifier，射频功率放大器，简称“RFPA”）不仅是***移动通讯***（4G）和高分辨率电视（High Definition Television，高分辨率电视，简称“HDTV”）***所用的以正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Modulation,正交频分复用, 简称“OFDM”）为代表的多载波调制技术（Multi－Carrier Modulation，多载波调制，简称“MCM”）的关键基础器件之一，也是国内外射频功率放大技术近20年来持续努力追求的目标。MCM要求更高的载波频率、更宽的频带，同时其还要求在高信号峰值/均值(PAR)情况下，收/发信号依然有高的线性度。目前，国内外主要采用Class-A或Class-AB类射频功率放大器来实现小失真、高线性度的放大，但是Class-A类、Class-AB类结构的功率放大器效率天生较低，加之无线通讯数据量的时间分布极不均匀，射频放大器更多的时候是在小负荷下工作，因此，射频功率放大器的实际运营效率极为低下，常不超过15%。这不仅造成无线终端电池持续供电时间短、不便长期使用问题，也造成无线通讯基站的RFPA发热严重、性能降级、易损、体积大、基站耗电严重、运行成本高等问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：构建一种多相交错并联射频功率放大器功率包络跟踪电源，克服现有技术中射频功率放大器运营效率低的技术问题。
本发明的技术方案是：构建一种多相交错并联射频功率放大器功率包络跟踪电源，包括对射频信号进行检波的包络检波电路、对包络信号进行放大的线性放大电路、控制所述线性放大电路供给射频功率放大器电流的多相交错并联同步BUCK电路、根据所述线性放大电路输出的电流驱动控制所述交错并联同步BUCK电路的开关变换控制电路，所述包络检波电路对输入的射频信号进行检波后输出到所述线性放大电路进行线性放大，所述开关变换控制电路根据所述线性放大电路输出的电流输出多相驱动脉冲控制所述多相交错并联同步BUCK电路，以使所述线性放大电路供给射频功率放大器的电流尽量小。
本发明的进一步技术方案是：所述交错并联同步BUCK电路包括功率半导体开关Mn、功率半导体开关Dn、电感Ln，所述功率半导体开关Mn的源极与所述功率半导体开关Dn的漏极连接，功率半导体开关Mn的漏极与输入直流电源线Vdd连接，功率半导体开关Mn的门极与开关变换控制电路输出的驱动信号线连接，功率半导体开关Dn的源极接0V参考电平，功率半导体开关Dn的门极与开关变换控制电路输出的驱动信号线连接，电感Ln连接所述功率半导体开关Mn的源极和所述功率半导体开关Dn的漏极，其中n为交错并联同步BUCK电路的相序数。
本发明的进一步技术方案是：所述线性放大电路包括运算放大电路A、功率放大管T1、功率放大管T2、反馈电阻RA1及反馈电阻RA2，所述运算放大电路A输出端接功率放大管T1和功率放大管T2的门极，所述功率放大管T1与功率放大管T2互补串接，所述反馈电阻RA1和反馈电阻RA2串接，反馈电阻RA1与反馈电阻RA2的连接点也同运算放大电路A的负输入极连接。
本发明的进一步技术方案是：所述开关变换控制电路向所述多相交错并联同步BUCK电路输出的多相驱动脉冲中各相驱动脉冲使用错开相位或频率的方法进行输出控制。
本发明的进一步技术方案是：所述开关变换控制电路包括线性放大器An、滞环比较器Pn、电阻Rn，所述线性放大器An的输出端接所述滞环比较器Pn的负输入极，所述电阻Rn的两端分别连接所述线性放大器An的正输入极和负输入极，所述各个滞环比较器Pn的阀值不同，其中n为交错并联同步BUCK电路的相序数。
本发明的进一步技术方案是：所述开关变换控制电路包括线性放大器An、PID( Proportional-Integral-Derivative，比例积分微分，简称“PID”)调节器PIDn、PWM比较器PWMn、电阻Rn，所述线性放大器An的输出端接所述PID调节器PIDn的负输入极，所述 PID调节器PIDn的输出端接所述PWM比较器PWMn的负输入极，所述电阻Rn的两端分别连接所述线性放大器An的正输入极和负输入极，其中n为交错并联同步BUCK电路的相序数。
本发明的进一步技术方案是：所述各相交错并联同步BUCK电路采用固定工作频率、相位相差360度/N的三角波进行PWM控制脉冲的产生。其中N为交错并联同步BUCK电路的总相数。
本发明的进一步技术方案是：所述多个电感Ln为分立式电感或共用磁芯的集成电感。
本发明的进一步技术方案是：所述功率半导体开关Dn的为MOS管或快速恢复二极管中任一种。
本发明的进一步技术方案是：所述开关变换控制电路和所述交错并联同步BUCK电路采用隔离驱动的方式。
本发明的技术效果是：构建一种多相交错并联射频功率放大器功率包络跟踪电源，本发明使用了多相交错式并联同步BUCK电路作为主功率变换的核心拓扑，将电路的工作频率最大提高到单相同步BUCK电路的N倍（N为相数，N≥2），降低了对功率器件开关速度参数的要求。本发明是依据包络跟踪方法（Envelope following/Envelope tracking），可对Class-A、Class-AB类射频放大器实现根据其输入射频信号幅值大小，动态调节功率射频晶体管上所加的供电电压幅值，从而大大提高RFPA运营的效率，同时保持高线性的功能。
附图说明
图1为本发明多相交错并联RFPA功率包络跟踪电源的原理结构图。
图2为本发明多相交错并联RFPA功率包络跟踪电源的一种实施方式电路图。
图3为本发明多相交错并联同步BUCK电路结构图。
图4为本发明多相交错并联RFPA功率包络跟踪电源的另一种实施方式电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。
如图1所示，本发明的具体实施方式是：构建一种多相交错并联射频功率放大器功率包络跟踪电源，包括对射频信号进行检波的包络检波电路、对包络信号进行放大的线性放大电路、控制所述线性放大电路供给射频功率放大器电流的多相交错并联同步BUCK电路、根据所述线性放大电路输出的电流驱动控制所述交错并联同步BUCK电路的开关变换控制电路，所述包络检波电路对输入的射频信号进行检波后输入到所述线性放大电路进行线性放大，所述开关变换控制电路根据所述线性放大电路输出的电流输出多相驱动脉冲控制所述多相交错并联同步BUCK电路，以使所述线性放大电路供给射频功率放大器的电流尽量小。本发明的具体实施例中，所述开关变换控制电路向所述多相交错并联同步BUCK电路输出的多相驱动脉冲中各相驱动脉冲使用错开相位或频率的方法进行输出控制。
本发明的具体实施例中，所述交错并联同步BUCK电路包括功率半导体开关Mi、功率半导体开关Dn、电感Ln，所述功率半导体开关Mn的源极与所述功率半导体开关Dn的漏极连接，功率半导体开关Mn的漏极与输入直流电源线Vdd连接，功率半导体开关Mn的门极与开关变换控制电路输出的驱动信号线连接，功率半导体开关Dn的源极接0V参考电平，功率半导体开关Dn的门极与开关变换控制电路输出的驱动信号线连接，电感Ln连接所述功率半导体开关Mn的源极和所述功率半导体开关Dn的漏极，其中n为交错并联同步BUCK电路的相序数。具体实施例中，所述多个电感Ln为分立式电感或共用磁芯的集成电感；所述功率半导体开关Dn的为MOS管或快速恢复二极管中任一种；所述开关变换控制电路和所述交错并联同步BUCK电路采用隔离驱动的方式。
本发明的具体实施例中，所述线性放大电路包括运算放大电路A、功率放大极T1、功率放大极T2、反馈电阻RA1及反馈电阻RA2，所述运算放大电路A输出端接功率放大极T1和功率放大极T2的门极，所述反馈电阻RA1和反馈电阻RA2串接。
具体实施过程为：输入射频信号首先被包络检波器检波，随后该包络信号即控制宽带线性放大电路高速、高精度地输出动态变化的电压，该电压即为RFPA所需电压。开关变换控制电路根据线性放大电路的输出电流i1，控制交错并联同步BUCK电路的驱动脉冲，使线性放大电路给RFPA供给的电流i1尽可能的小，即使RFPA负载电流i0的大部分由多相交错并联同步BUCK开关电路的输出电流i2提供。这样就结合了线性模拟电路的高速与线性的优点以及开关变换电路效率高的优点，实现了高速度，高效率、高精度的RFPA供电电压的输出。
如图2所示，本发明的优选实施方式是：所述开关变换控制电路包括线性放大器An、滞环比较器Pn、电阻Rn，所述线性放大器An的输出端接所述滞环比较器Pn的负输入极，所述电阻Rn的两端分别连接所述线性放大器An的正输入极和负输入极，所述各个滞环比较器Pn的阀值不同，其中n为交错并联同步BUCK电路的相序数。
如图2所示，具体实施过程为：输入射频信号通过包络检测器D产生需要放大的包络信号，该包络信号由线性放大器A（Linear Amplifier）的正端输入，经线性功率放大后，产生RFPA所需要的电压信号Vout。该电压输出后，作用在负载RFPA上形成负载电流i0。负载电流i0经电流采样电阻Rout后，被放大器Aout比例变换，形成对应于i0/N电流的电压，该电压继而送给N个同步BUCK电路作为参考指令电流信号，其中N为交错并联同步BUCK电路的总相数。。每一相BUCK的实际输出电流也类似地通过采样电阻与比例变换处理后，形成相应的该相输出电流信号。参考指令电流信号与每相BUCK的输出电流信号再经滞环比较器进行比较，形成BUCK电路的开通、关断控制信号。该开通、关断信号经隔离驱动电路后，送给BUCK的开关管M和D，即可调节BUCK电路中电感的电流，使其快速地跟随i0/N电流。通过使各相BUCK电路的滞环比较器的滞环阈值不同，就可以使各相的开关频率不同，从而各相间形成随机相位交错。这样，N相同步BUCK电路合起来，就达到了等效开关频率倍增的目的，其整体输出电流i2即可快速地跟随i0变化，并使线性放大环节A输出的电流i1大大降低，从而实现高效、精密射频包络跟踪电源的功能。多相交错并联同步BUCK电路结构图如图3所示。
如图4所示，本发明的优选实施方式是：所述开关变换控制电路包括线性放大器An、PID调节器PIDn、PWM比较器PWMn、电阻Rn，所述线性放大器An的输出端接所述PID调节器PIDn的负输入极，所述 PID调节器PIDn的输出端接所述PWM比较器PWMn的负输入极，所述电阻Rn的两端分别连接所述线性放大器An的正输入极和负输入极，其中n为交错并联同步BUCK电路的相序数。
如图4所示，这种实施方式的结构与图2实施方式的主电路结构相同，区别仅在于开关变换控制电路的结构不同。具体工作过程如下：参考指令电流信号i0/N与各相BUCK电路的输出电流信号先经过PID调节，形成误差控制信号，该误差控制信号又与固定频率的三角波信号经PWM比较器比较，形成BUCK电路的开通、关断控制信号。该开通、关断信号隔离驱动BUCK的开关管M和D，调节电感的电流，使其快速地跟随i0/N电流。通过使各相的三角波信号频率相同而相位相差360°/N，就可以使各相形成等相位交错。这样，N相同步BUCK电路合起来，就达到了N倍等效开关频率的目的，其整体输出电流i2快速跟随i0变化，使线性放大环节A输出电流i1大大降低，实现高效、精密射频包络跟踪电源的功能。
本发明和以往的RFPA包络跟踪电源电路相比，采用了基于多相交错式并联同步BUCK电路的拓扑，在开关功率器件工作频率有限的条件下将等效工作频率最高提升到了单相的N倍，这样满足了大功率、高效率的要求，同时保持高速率、准确的跟踪性能。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种多相交错并联射频功率放大器功率包络跟踪电源，其特征在于：包括对射频信号进行检波的包络检波电路、对包络信号进行放大的线性放大电路、控制所述线性放大电路供给射频功率放大器电流的多相交错并联同步BUCK电路、根据所述线性放大电路输出的电流驱动控制所述多相交错并联同步BUCK电路的开关变换控制电路，所述包络检波电路对输入的射频信号进行检波后输入到所述线性放大电路进行线性放大，所述开关变换控制电路根据所述线性放大电路输出的电流产生多相驱动脉冲控制所述多相交错并联同步BUCK电路，以使所述线性放大电路供给射频功率放大器的电流尽量小；
所述多相交错并联同步BUCK电路由N个同步BUCK电路并联构成，其中第k相同步BUCK电路包括功率半导体开关Mk、功率半导体开关Dk、电感Lk，所述功率半导体开关Mk的源极与所述功率半导体开关Dk的漏极连接，所述功率半导体开关Mk的漏极与输入直流Vdd连接，所述功率半导体开关Mk的门极与所述开关变换控制电路输出的第k路驱动信号线连接，功率半导体开关Dk的源极接0V参考电平，所述功率半导体开关Mk的门极经串联的反相器与功率半导体开关Dk的门极连接，所述电感Lk一端连接所述功率半导体开关Mk的源极和功率半导体开关Dk的漏极，另一端经电流采样电阻Rk连接到所述线性放大电路的输出端；
所述开关变换控制电路由N个结构相同的子控制电路构成，其中第k个子控制电路包括线性放大器Ak、滞环比较器Pk、电流采样电阻Rk，所述电阻Rk串接在所述第k相同步BUCK电路的输出电感Lk和所述线性放大电路输出端之间，且所述电阻Rk两端也分别连接所述线性放大器Ak的正输入极和负输入极，起到对所述第k相同步BUCK电路输出电流的采样作用，所述线性放大器Ak的输出端连接所述滞环比较器Pk的负输入端，所述多相交错并联结构射频功率放大器功率包络跟踪电源的输出电流信号采用电流采样电阻Rout和线性放大器Aout组合的方式来获得，所述电阻Rout两端分别连接线性放大器Aout的正输入极和负输入极，所述电阻Rout采样后的输出电流信号由所述线性放大器Aout缩减N倍后送入所述滞环比较器Pk的正输入端，第k相同步BUCK电路的输出电流信号通过所述电阻Rk和所述线性放大器Ak比例变换处理后获得，所述多相交错并联结构射频功率放大器功率包络跟踪电源的输出电流信号与所述第k相同步BUCK电路的输出电流信号再经所述滞环比较器Pk进行比较，形成第k相同步BUCK电路的开通、关断控制信号，该开通、关断控制信号经隔离驱动电路后，送给所述半导体开关Mk的门极，进而调节电感Lk的电流，所述各子控制电路的滞环比较器Pk的阈值不同，从而所述各相同步BUCK电路间形成随机相位交错；其中N为所述多相交错并联同步BUCK电路的总相数，k为交错并联同步BUCK电路的相序数，
1≤k≤N。
2．一种多相交错并联射频功率放大器功率包络跟踪电源，其特征在于：包括对射频信号进行检波的包络检波电路、对包络信号进行放大的线性放大电路、控制所述线性放大电路供给射频功率放大器电流的多相交错并联同步BUCK电路、根据所述线性放大电路输出的电流驱动控制所述多相交错并联同步BUCK电路的开关变换控制电路，所述包络检波电路对输入的射频信号进行检波后输入到所述线性放大电路进行线性放大，所述开关变换控制电路根据所述线性放大电路输出的电流产生多相驱动脉冲控制所述多相交错并联同步BUCK电路，以使所述线性放大电路供给射频功率放大器的电流尽量小；
所述多相交错并联同步BUCK电路由N个同步BUCK电路并联构成，其中第k相同步BUCK电路包括功率半导体开关Mk、功率半导体开关Dk、电感Lk，所述功率半导体开关Mk的源极与所述功率半导体开关Dk的漏极连接，所述功率半导体开关Mk的漏极与输入直流Vdd连接，所述功率半导体开关Mk的门极与所述开关变换控制电路输出的第k路驱动信号线连接，功率半导体开关Dk的源极接0V参考电平，所述功率半导体开关Mk的门极经串联的反相器与功率半导体开关Dk的门极连接，所述电感Lk一端连接所述功率半导体开关Mk的源极和功率半导体开关Dk的漏极，另一端经电流采样电阻Rk连接到所述线性放大电路的输出端；
所述开关变换控制电路由N个结构相同的子控制电路构成，其中第k个子控制电路包括线性放大器Ak、比例积分微分调节器PIDk、PWM比较器PWMk、电流采样电阻Rk，所述电阻Rk串接在所述第k相同步BUCK电路的输出电感Lk和所述线性放大电路输出端之间，且所述电阻Rk的两端也分别连接所述线性放大器Ak的正输入极和负输入极，起到对所述第k相同步BUCK电路输出电流的采样作用，所述线性放大器Ak的输出端接所述比例积分微分调节器PIDk的负输入极，所述多相交错并联结构射频功率放大器功率包络跟踪电源的输出电流信号采用输出电流采样电阻Rout和线性放大器Aout组合的方式来获得，所述电阻Rout两端分别连接线性放大器Aout的正输入极和负输入极，所述电阻Rout采样后的输出电流信号由所述线性放大器Aout缩减N倍后送入所述比例积分微分调节器PIDk的正输入端，第k相同步BUCK电路的输出电流信号通过所述电阻Rk和所述线性放大器Ak比例变换处理后获得，所述多相交错并联结构射频功率放大器功率包络跟踪电源的输出电流信号与所述第k相同步BUCK电路的输出电流信号先经过所述比例积分微分调节器PIDk调节，形成误差控制信号，所述比例积分微分调节器PIDk的输出端接所述PWM比较器PWMk的负输入极，所述PWM比较器PWMk的正输入端接三角波，所述误差控制信号与三角波信号经PWM比较器PWMk比较，形成所述第k相同步BUCK电路的开通、关断控制信号，该开通、关断信号经隔离驱动电路后，送给所述半导体开关Mk的门极，从而调节电感Lk的电流，所述各相同步BUCK电路的三角波信号频率相同而相位相差360°/N，从而所述各相同步BUCK电路间形成相位交错；其中N为所述多相交错并联同步BUCK电路的总相数，k为交错并联同步BUCK电路的相序数，1≤k≤N。
3．根据权利要求1或2所述的多相交错并联射频功率放大器功率包络跟踪电源，其特征在于：所述线性放大电路包括运算放大电路A、功率放大管T1、功率放大管T2、反馈电阻RA1及反馈电阻RA2，所述运算放大电路A正输入端连接所述包络检波电路的输出端，所述运算放大电路A输出端接功率放大管T1的门极和功率放大管T2的门极，所述功率放大管T1与功率放大管T2互补串接，所述功率放大管T1源极与功率放大管T2漏极相连并连接至所述多相交错并联同步BUCK的输出端，所述功率放大管T1漏极连接输入直流Vdd，所述功率放大管T2源极连接0V参考电平，所述反馈电阻RA1和反馈电阻RA2串接，反馈电阻RA1与反馈电阻RA2的连接点与运算放大电路A的负输入极连接，反馈电阻RA1的另一端与所述线性放大电路的输出端相连接，反馈电阻RA2的另一端与0V参考电平相连接。
4．根据权利要求1或2所述的多相交错并联射频功率放大器功率包络跟踪电源，其特征在于：所述功率半导体开关Dk为MOS管或快速恢复二极管中任一种。
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