CN102624231A - 一种并联结构包络线跟踪电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种并联结构包络线跟踪电源，包括开关变换器、AB类线性放大器和全前馈控制电路，其中，开关变换器采用Buck变换器或同步整流Buck变换器，全前馈控制电路包括电流采样电路、电流调节器、比例微分前馈电路、反相器、加法器、PWM调制器和驱动电路；电流采样电路检测AB类线性放大器的输出电流，并将其与电流基准信号进行比较，将误差信号送入电流调节器；比例微分前馈电路的输出信号经过反相器，与电流调节器的输出信号由加法器进行加法运算后送入PWM调制器，再经由驱动电路得到开关变换器的驱动信号。此结构主要针对开关Buck变换器与AB类线性放大器，采用输出电压全前馈的控制方法，提高***效率。

Description

一种并联结构包络线跟踪电源

技术领域

本发明属于通信及功率变换领域，特别涉及一种应用于无线通信基站供电***的并联结构包络线跟踪电源。

背景技术

身处信息时代，人们对信息的依赖程度越来越大，随时随地取得迅速可靠的通信，即所谓的移动通信，成为人们不断追求的目标。移动通信技术发展至今经历了三个阶段：第一代移动通信***使用模拟式频分多址技术，这在1980年代是一项具有重大意义的革新。但模拟式通信***容量相对较小，业务类型也比较单一，仅限于语音服务，因此在经历了短暂的辉煌后迅速被第二代移动通信所取代。从第二代开始，移动通信技术采用数字化的处理方式，它克服了传统模拟式的缺点，***容量得到扩大，并且可以支持一定速率的数据传输。其中典型的频移键控和相移键控采用矩形数据脉冲，其射频(Radio Frequency，RF)信号的包络线是恒定的，此时采用非线性的功率放大器(Power Amplifier，PA)可以对信号实现高效的放大。但是，这类“恒包络”的调制方式所导致的频谱延展将占用较大的频带，因此它们比较适合低数据率和相对宽松的频带要求场合。随着移动通信用户的迅猛增长，现有的***容量已不能满足要求。同时，人们对数据传输率要求的进一步提高以及数据传输类型的多样化等要求也促成了第三代(3G)移动通信的产生。以正交相移键控和正交幅值调制为典型代表，第三代移动通信采用整形化的数据脉冲，需要对数据波形的幅值和相位同时进行调制。同时，与多载波技术相结合，数据脉冲的包络线不再恒定不变。若此时仍然使用恒定电压为PA供电，则会产生较大的功率损耗，降低整个***的效率。例如，对手机基站而言，PA占用着其中50％的功率使用量，而其恒压供电时效率只有15％左右，这造成了极大的能源浪费。因此，较优化的供电策略应该是电源电压幅值跟随RF输入信号包络线的变化而变化，即采用包络线跟随供电方式。据相关研究报道，对一个包含20000个基站的欧洲典型通信网络而言，在3G通信时采用包络线跟随的供电方式，将比传统的供电方式每年节省28MW的功率消耗和3000万美元的电费开支，并可减少11万吨的CO2排放量。

现阶段，国际电信联盟确定的3G主流无线接口标准主要有WCDMA，CDMA2000和TD-SCDMA三种，而无论采用哪种标准，其RF输入信号都具有多载波和非恒定包络的共同特点。因此，包络线跟踪电源具有广阔的应用前景和巨大的社会、经济价值，同时对保护环境和减弱温室效应也具有重要的现实意义。

基于前述分析，本发明人针对包络线跟踪电源技术进行深入研究，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种并联结构包络线跟踪电源，其主要针对开关变换器与AB类线性放大器，采用输出电压全前馈的控制方法，提高***效率。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种并联结构包络线跟踪电源，包括开关变换器、AB类线性放大器和全前馈控制电路，其中，开关变换器采用Buck变换器或同步整流Buck变换器，全前馈控制电路包括电流采样电路、电流调节器、比例微分前馈电路、反相器、加法器、PWM调制器和驱动电路；电流采样电路检测AB类线性放大器的输出电流，并将其与电流基准信号进行比较，将误差信号送入电流调节器；比例微分前馈电路的输出信号经过反相器，与电流调节器的输出信号由加法器进行加法运算后送入PWM调制器，再经由驱动电路得到开关变换器的驱动信号。

上述开关变换器采用同步整流Buck变换器，包括两个开关管和一个电感，所述第一开关管的漏极用于输入电压，源极分别连接第二开关管的漏极和电感的一端，所述第二开关管的源极接地，电感的另一端用于输出电压，该电感的另一端还经由一负载电阻接地；所述电感的另一端与AB类线性放大器的输出端连接。

上述开关管为MOSFET或三极管。

上述变换器采用Buck变换器，包括一个开关管、一个二极管和一个电感，所述开关管的漏极用于输入电压，源极分别连接二极管的阴极和电感的一端，所述二极管的阳极接地，电感的另一端用于输出电压，该电感的另一端还经由一负载电阻接地；所述电感的另一端与AB类线性放大器的输出端连接。

采用上述方案后，本发明与现有技术相比，其主要特点如下：采用输出电压全前馈控制方法，完全消除输出电压对线性放大器输出电流的影响，大幅减小线性放大器输出电流的有效值，提高***效率。

附图说明

图1是并联结构包络线跟踪电源的***结构示意图及全前馈控制电路图；

图2是未加入全前馈控制电路的***控制框图；

图3是未加入全前馈控制电路的主要工作波形；

图4是加入全前馈控制电路的***控制框图；

图5是全前馈控制电路的主要工作波形。

上述附图中的主要符号名称：其中V_in是Buck变换器的输入电压，Q₁、Q₂为开关管，L是滤波电感，R_L是负载电阻。i_sw是Buck变换器的输出电流，i_line是AB类线性放大器的输出电流，i_o是负载电流，v_o是输出电压，i_ref是全前馈控制电路的电流基准信号。v_e是电流调节器的输出电压，v_c是调制波电压。Q_{1_dr}和Q_{2_dr}分别为开关管Q₁和Q₂的驱动信号。R₁、R₂、R₃、R₄为比例微分前馈电路中的电阻，C₁为其中的电容。R₅、R₆为加法器电路中的电阻。H_i是AB类线性放大器的电流采样系数，K_PWM是PWM调制器的传递函数。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的实现过程进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种并联结构包络线跟踪电源，包括开关变换器、AB类线性放大器和全前馈控制电路，其中，开关变换器主要是指Buck变换器或同步整流Buck变换器两种类型，本实施例中是以同步整流Buck变换器为例进行说明的；本发明主要是由AB类线性放大器控制输出电压，保证输出电压的线性度；采样AB类线性放大器的输出电流，并与基准电流进行比较，以脉宽调制(PWM)方式调节Buck变换器或同步整流Buck变换器的占空比，控制开关动作，让其提供绝大部分的负载功率；同时引入全前馈控制电路，消除输出电压对AB类线性放大器输出电流的影响，提高***效率。

配合图1所示，所述AB类线性放大器采用电压源型输出，其作用是控制输出电压波形。当开关电源的电流不足以提供负载电流时，AB类线性放大器提供不足部分电流；反之，当开关电源的电流大于负载电流时，其吸收多余部分电流。

所述全前馈控制电路包括电流采样电路、电流调节器、比例微分前馈电路、反相器、加法器、PWM调制器和驱动电路，其中，电流采样电路检测AB类线性放大器的输出电流i_line，将它与电流基准信号i_ref进行比较，其误差信号送入电流调节器；比例微分前馈电路的输出信号经过反相器，与电流调节器的输出信号由加法器进行加法运算后送入PWM调制器，从而得到两路驱动信号Q_{1_dr}和Q_{2_dr}，当i_line大于i_ref时，电流调节器的输出v_e减小，则加法器的输出v_c变大，使Buck变换器Q₁管的占空比变大，以提供更多的负载电流，从而使i_line减小；反之，如果i_line小于i_ref，则使Buck变换器的占空比变小，i_line相应增大。电流控制的目的是使i_line尽量小，由于i_sw+i_line＝i_o，而在纯阻性负载条件下，i_o由AB类线性放大器所控制的输出电压v_o所确定。因此i_line尽量小，意味着i_sw幅值和相位都能很好地拟合i_o，即实现由Buck变换器提供绝大部分负载功率，而AB类线性放大器只处理纹波电流的目的，从而大幅提高***效率。因此这里将i_line的基准i_ref设置为零。

图2给出了未加入前馈控制电路的***控制框图，其中H_i为电流采样系数，G_ci(s)为电流调节器的传递函数，K_PWM为PWM调制器的传递函数，其表达式为：

$K_{\mathrm{PWM}}=\frac{V_{\mathrm{in}}}{V_m}---\left(1\right)$

式中，V_in为输入电压，V_m为锯齿波的幅值。根据图2可得AB类线性放大器输出电流i_line的频域表达式为：

$i_{\mathrm{line}}\left(s\right)=\frac{1}{H_i}\frac{T_i}{1+T_i}\·i_{\mathrm{ref}}\left(s\right)+\frac{\frac{1}{R_L}+\frac{1}{\mathrm{sL}}}{1+T_i}\·v_o\left(s\right)---\left(2\right)$

其中，T_i＝(H_i·G_ci·K_PWM)/(sL)，为环路增益，s表示在复频域内运算，即sL表示电感L在复频域内的阻抗。

由式(2)可知,v_o到i_lin的传递函数，也即AB类线性放大器闭环负载导纳的表达式为：

$Y\left(s\right)=\frac{i_{\mathrm{lin}}\left(s\right)}{v_o\left(s\right)}=\frac{\frac{1}{R_L}+\frac{1}{\mathrm{sL}}}{1+T}\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{Y}_{\mathrm{Ld}}\left(s\right)+Y_{\mathrm{sw}}\left(s\right)---\left(3\right)$

其中，

$Y_{\mathrm{Ld}}\left(s\right)=\frac{1/R_L}{1+T}---\left(4\right)$

$Y_{\mathrm{sw}}\left(s\right)=\frac{1/\mathrm{sL}}{1+T}---\left(5\right)$

对AB类线性放大器而言，负载电阻和Buck变换器并联在其输出端，可以看成是它的两个负载。因此，Y_Ld(s)和Y_sw(s)实际上是分别由负载电阻和Buck变换器部分引起的负载导纳。

图3给出了为未加入全前馈控制电路时的关键工作波形。很明显，由于负载导纳Y_Ld(s)和Y_sw(s)的存在，Buck变换器的输出电流i_sw滞后于负载电流i_o一个较大的相位，这使得AB类线性放大器输出电流i_line中包含一个较大的基波电流分量，严重影响了***的效率。为了消除AB类线性放大器负载导纳的影响，分别引入输出电压比例前馈和微分前馈，将AB类线性放大器的负载导纳减小为零。

图4给出了加入全前馈控制电路的***控制框图，由图可得到AB类线性放大器电流的频域表达式：

$i_{\mathrm{line}}\left(s\right)=\frac{1}{H_i}\·\frac{T_i\left(s\right)}{1+T_i\left(s\right)}\·i_{\mathrm{ref}}\left(s\right)---\left(6\right)$

显然，此时输出电压不再对线性放大电路电流产生影响。

图5给出了加入全前馈控制电路后的关键工作波形，与图3形成鲜明对比，Buck变换器的输出电流i_sw幅值和相位都能很好拟合地负载电流i_o。此时AB类线性放大器只承担i_sw中的高频开关纹波电流，有效值大大减小。因此，***效率可以得到大幅提高。

本发明的具体实例如下，其主要性能参数为：

输入直流电压V_in：20V；

电压参考信号v_ref：1V～3V正弦波；

输出电压v_o：5V～15V正弦波；

跟踪频率f_r：100kHz；

Buck变换器开关频率.f_s：1MHz；

负载电阻R_L：3Ω。

需要说明的是，在本实施例中，全前馈控制电路中的驱动电路共输出两路驱动信号Q_{1_dr}和Q_{2_dr}，分别实现对开关管Q₁和Q₂的控制，但是在实际实施中，所述的开关管Q₁可采用MOSFET或三极管等开关器件，开关管Q₂除了可以采用MOSFET或三极管等开关器件外，更可使用二极管，所述二极管在连接时，阳极对应开关管Q₂的源极位置，而二极管的阴极则对应开关管Q₂的漏极位置，此时驱动电路只需生成一路针对开关管Q₁的驱动信号即可。

由以上描述可知，本发明提出的一种并联结构包络线跟踪电源的全前馈控制方法具有如下优点：

(1)引入输出电压的比例前馈和微分前馈，可以将线性放大器的负载导纳减小为零，即可以抑制输出电压对线性放大器输出电流的影响，大大减小线性放大器输出电流的有效值，提高***效率；

(2)全前馈方法的前馈项系数设计灵活，可以针对不同的应用场合对前馈系数进行灵活调整。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种并联结构包络线跟踪电源，其特征在于：包括开关变换器、AB类线性放大器和全前馈控制电路，其中，变换器采用Buck变换器或同步整流Buck变换器，全前馈控制电路包括电流采样电路、电流调节器、比例微分前馈电路、反相器、加法器、PWM调制器和驱动电路；电流采样电路检测AB类线性放大器的输出电流，并将其与电流基准信号进行比较，将误差信号送入电流调节器；比例微分前馈电路的输出信号经过反相器，与电流调节器的输出信号由加法器进行加法运算后送入PWM调制器，再经由驱动电路得到开关变换器的驱动信号。

2.如权利要求1所述的一种并联结构包络线跟踪电源，其特征在于：所述开关变换器采用同步整流Buck变换器，包括两个开关管和一个电感，所述第一开关管的漏极用于输入电压，源极分别连接第二开关管的漏极和电感的一端，所述第二开关管的源极接地，电感的另一端用于输出电压，该电感的另一端还经由一负载电阻接地；所述电感的另一端与AB类线性放大器的输出端连接。

3.如权利要求2所述的一种并联结构包络线跟踪电源，其特征在于：所述开关管为MOSFET或三极管。

4.如权利要求1所述的一种并联结构包络线跟踪电源，其特征在于：所述开关变换器采用Buck变换器，包括一个开关管、一个二极管和一个电感，所述开关管的漏极用于输入电压，源极分别连接二极管的阴极和电感的一端，所述二极管的阳极接地，电感的另一端用于输出电压，该电感的另一端还经由一负载电阻接地；所述电感的另一端与AB类线性放大器的输出端连接。

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