CN105896983A - 宽频带输出的包络线跟踪电源 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种宽频带输出的包络线跟踪电源，包括两路Buck变换器、AB类线性放大器和控制电路，AB类线性放大器和两路Buck变换器三者相互并联；AB类线性放大器的输出端与负载并联，第一Buck变换器的输出滤波电感直接与负载输入端连接，第二Buck变换器的输出滤波电感与AB类线性放大器的输出的正端相连，两路Buck变换器与AB类线性放大器的输出的负端分别接地；控制电路由逻辑门电路、两路电流控制器和第三迟滞比较器构成，其中两路电流控制器均由采样电路、放大电路和迟滞比较器构成；逻辑门电路由与门和非门构成。本发明采用两路Buck变换器并联向负载提供电流，减小线性放大器的输出电流的摆幅，提高***效率。

Description

宽频带输出的包络线跟踪电源

技术领域

本发明涉及一种宽频带输出的包络线跟踪电源，应用于无线通信设备的射频功率放大器供电，属于通信及功率变换的范畴。

背景技术

随着经济社会的发展，对数据通信传输速率的要求越来越高。为提高数据传输速率，现代无线通信采用了更为高效的数字调制技术，如正交相移键控，正交振幅调制等，来提高频谱的利用效率。这些调制技术的应用使得射频信号(Radio Frequency,RF)的包络由原来的恒定形式变成幅值无规则变化的形式。在无线通信领域为了保证功率放大器信号放大的线性度，常采用A/AB类放大电路。此类电路在放大非恒定包络的信号时的平均效率较低，这造成了大量的能源以热的形式耗散掉。为提高功率放大器的效率，包络线跟踪(EnvelopeTracking,ET)技术应运而生。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ET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。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轻温室效应也具有重要的现实意义。

在向***(4G)移动通信技术演进的过程中，信道带宽从第一代移动通信技术的kHz量级增长至MHz量级(4G TD-LTE技术标准下信道带宽为20MHz)，而且随着现代通信技术的进步，新的信号调制方式的产生及多载波技术的应用，信道带宽和信号峰均功率比呈不断增长趋势。如何跟踪大摆幅且高速变化的包络信号，对ET电源的设计提出了极大的挑战。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提出一种宽频带输出的包络线跟踪电源。

本发明的技术方案具体如下：

一种宽频带输出的包络线跟踪电源，包括两路Buck变换器、AB类线性放大器和控制电路，AB类线性放大器和两路Buck变换器三者相互并联；AB类线性放大器的输出端与负载并联，第一Buck变换器的输出滤波电感直接与负载输入端连接，第二Buck变换器的输出滤波电感与AB类线性放大器的输出的正端相连，两路Buck变换器与AB类线性放大器的输出的负端分别接地；控制电路由逻辑门电路、两路电流控制器和第三迟滞比较器构成，其中两路电流控制器均由采样电路、放大电路和迟滞比较器构成；逻辑门电路由与门和非门构成。

本发明的进一步设计在于：

采样电路是将电流信号转换成电压信号，可以采用变压器采样或电阻采样；放大电路是将采样电路得到的电压信号的幅值进行放大。

其中两路Buck变换器中，对于第一Buck变换器从结构简单、可靠性的角度，一个控制管可以采用二极管，另一个控制管为开关管，从提高变换器效率的角度也可以将二极管换成开关管，；第二Buck变换器中的二个控制管均采用开关管。

第一Buck变换器对应的第一电流控制器中迟滞比较器的滞环宽度小于第二Buck变换器对应的第二电流控制器中迟滞比较器的滞环宽度。

本发明与现有技术相比，其主要特点如下：

1、本发明中，AB类线性放大器输出与负载并联，第一Buck变换器的输出滤波电感直接与负载输入端连接，第二Buck变换器的输出滤波电感与AB类线性放大器的输出的正端相连，两路Buck变换器与AB类线性放大器的输出的负端分别接地。两路Buck变换器并联向负载提供电流，减小线性放大器的输出电流的摆幅，提高***效率。

2、宽频带输出的包络线跟踪电源的控制电路通过采样电流产生两路Buck变换器的驱动信号，使得第一Buck变换器和第二Buck变换器尽可能的提供负载电流，提高***的跟踪带宽和***效率。

3、第一Buck变换器对应的第一电流控制器中的迟滞比较器的滞环宽度小于第二Buck变换器对应的滞环宽度，两者提供负载电流中不同的分量，提高***的跟踪带宽；为避免第一Buck变换器和第二Buck变换器之间的环流，在第一电流控制器和第二电流控制器之间加入第三迟滞比较器，并在电流控制器之后加入逻辑门电路，进一步提高***效率。

附图说明

附图1(a)是宽频带输出的包络线跟踪电源的***结构示意图之一。

附图1(b)是宽频带输出的包络线跟踪电源的***结构示意图之二。

附图2(a)是对应附图1(a)的宽频带输出的包络线跟踪电源的控制电路。

附图2(b)是对应附图1(b)的宽频带输出的包络线跟踪电源的控制电路。

附图3(a)是电流控制器中的迟滞比较器的传输特性。

附图3(b)是第一电流控制器和第二电流控制器中迟滞比较器的传输特性。

附图4是在宽频带输出的包络线跟踪电源跟踪低频信号时第一电流控制器关键点波形。

附图5是在宽频带输出的包络线跟踪电源跟踪高频信号时第二电流控制器关键点波形。

附图6是第一Buck变换器和第二Buck变换器同时工作时的关键点波形。

附图7(a)是采样电路的实现形式之一。

附图7(b)是采样电路的实现形式之二。

上述附图中的主要符号名称：其中V_in是AB类线性放大器和Buck变换器的输入电压，v_ref是包络线跟踪电源的参考信号，D₁是第一Buck变换器的二极管，Q_i(i＝1,2,3,4)为第一Buck变换器和第二Buck变换器的开关管，L_f1和L_f2是滤波电感，R_o是负载电阻，i_sw1是第一Buck变换器的输出电流，i_sw2是第二Buck变换器的输出电流，i_lin1是负载电流与第一Buck变换器输出电流的差值，i_lin2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，Q_drin(n＝1,2,3,4)分别为开关管的驱动信号。S_i为迟滞比较器的输出，v_i为迟滞比较器的输入信号。h₁和h₂分别是第一Buck变换器和第二Buck变换器对应的第一电流控制器和第二电流控制器中迟滞比较器的滞环宽度。T_r是采样用的变压器，R_sam是采样用的电阻。

具体实施方式

实例一：

附图1给出了宽频带输出的包络线跟踪电源的***结构示意图。本发明的宽频带输出的包络线跟踪电源包括两路Buck变换器、AB类线性放大器及控制电路。两路Buck电路分为第一Buck变换器和第二Buck变换器。图1(a)和图1(b)的区别是，对于第一Buck变换器从结构简单、可靠性的角度，一个控制管可以采用二极管，从提高变换器效率的角度也可以将二极管换成开关管，另一个控制管为开关管；而且由于图1(b)中第一Buck变换器将二极管换成开关管，因此相对图1(a)来说，图1(b)的控制电路需要增加对该开关管的控制信号。AB类线性放大器输出与负载并联，第一Buck变换器和第二Buck变换器的输出滤波电感的一端各自与AB类线性放大器输出的正端相连，AB类线性放大器输出的负端接地。控制电路通过对负载电流与第一Buck变换器的差值电流i_lin1和AB类线性放大器的输出电流i_lin2采样，输出第一Buck变换器和第二Buck变换器中开关管的驱动信号。

实例二：

附图3(a)给出了迟滞比较器的输出特性，h为滞环比较器的滞环环宽，当滞环比较器输入信号v_i(i＝1,2)在滞环环宽内从小增大过程中，滞环输出S_i(i＝1,2)保持为1，直至v_i达到滞环上限h/2时，S_i变为0；当滞环比较器输入信号v_i(i＝1,2)在滞环环宽内从大减小过程中，滞环输出S_i(i＝1,2)保持为0，直至v_i达到滞环下限－h/2时，S_i变为1。特别的，附图3(b)给出了第一电流控制器和第二电流控制器中迟滞比较器的输出特性，其中虚线表示第一电流控制器的迟滞比较器的输出特性，实线表示第二电流控制器的迟滞比较器的输出特性。可以看出第一电流控制器中的迟滞比较器的滞环宽度h₁小于第二电流控制器中的迟滞比较器的滞环宽度h₂。

实例三：

附图2(a)和附图2(b)给出了宽频带输出的包络线跟踪电源的控制电路，由逻辑门电路、两路电流控制器和第三迟滞比较器构成。图2(a)给出了图1(a)电路所对应的控制电路图，第一电流控制器包括采样电路、放大电路和第一迟滞比较器；第二电流控制器包括采样电路、放大电路和第二迟滞比较器；两组电流控制器经第三迟滞比较器连接；其中第一电流控制器采样电流i_lin1，经过放大电路、第一迟滞比较器得到开关管Q₁的驱动信号Q_dri1；第二电流控制器采样电流i_lin2，经过放大电路、第二迟滞比较器得到控制信号S₂。为避免两路Buck变换器之间环流，第一电流控制器中放大电路的输出v₁经过第三迟滞比较器，得到控制信号S₃，作为逻辑门电路的输入。最终逻辑门电路的输出Q_dri2、Q_dri3即为第二Buck变换器的开关管驱动信号。于此类似，图2(b)给出了图1(b)电路所对应的控制电路图，其中第一电流控制器采样电流i_lin1，经过放大电路、第一迟滞比较器得到开关管Q₁的驱动信号Q_dri1，Q_dri1经过非门得到开关管Q₂的驱动信号Q_dri2；第二电流控制器采样电流i_lin2，经过放大电路、第二迟滞比较器得到控制信号S₂。为避免两路Buck变换器之间环流，第一电流控制器中放大电路的输出v₁经过第三迟滞比较器，得到控制信号S₃，作为逻辑门电路的输入。最终逻辑门电路的输出Q_dri3、Q_dri4即为第二Buck变换器的开关管驱动信号。

在设计Buck变换器电路参数时，希望第一Buck变换器和第二Buck变换器尽可能的提供负载电流，减小AB类线性放大器的电流。因此第一Buck变换器和第二Buck变换器的电流控制器中的迟滞比较器的滞环宽度的设计并不相同。第一电流控制器中迟滞比较器的滞环环宽要小于第二电流控制器中迟滞比较器的滞环环宽，保证两路Buck变换器能够各自以其最大输出能力向负载提供电流。此处以一具体值为例介绍滞环宽度的设计，第一电流控制器中迟滞比较器的控制环宽选择30％的最大负载电流，而第二电流控制器中迟滞比较器的控制环宽选择40％的最大负载电流：

$h_1=0.3\×I_{o\_max}=0.3\×\frac{V_{o\_max}}{R_o}---\left(1\right)$

$h_2=0.4\×I_{o\_max}=0.4\×\frac{V_{o\_max}}{R_o}---\left(2\right)$

其中V_{o_max}是最大输出电压，I_{o_max}是最大输出电流。

实例四：

附图4给出了在宽频带输出的包络线跟踪电源跟踪低频信号时第一电流控制器关键点波形。此时对于宽频带输出的包络线跟踪电源来说，只有AB类线性放大器和第一Buck变换器工作，而第二Buck变换器不工作。在t₀时刻负载电流与第一Buck变换器输出电流的差值电流i_lin1经过采样电路、放大电路得到的信号v₁等于第一电流控制器中第一迟滞比较器的滞环上限h₁/2，迟滞比较器的输出Q_dri1变为1，第一Buck变换器的开关管Q₁开通，Q_dri1取反得到第一Buck变换器开关管Q₂的驱动信号Q_dri2变为0，第一Buck变换器的输出电流i_sw1增大，电流i_lin1下降；在t₁时刻信号v₁等于第一迟滞比较器1的滞环下限－h₁/2，迟滞比较器的输出Q_dri1变为0，第一Buck变换器的开关管Q₁关断，Q_dri1取反得到开关管Q₂的驱动信号Q_dri2变为1，减小第一Buck变换器的输出电流i_sw1，电流i_lin1增大，之后的控制过程是类似的。

实例五：

附图5给出了在宽频带输出的包络线跟踪电源跟踪高频信号时第二电流控制器关键点波形。此时为提高宽频带输出的包络线跟踪电源的跟踪性能，除了AB类线性放大器和第一Buck变换器工作外，第二Buck变换器也开始工作，这里只给出了第二电流控制器关键点波形。在t₀时刻AB类线性放大器的输出电流i_lin2经过采样电路、放大电路得到的信号v₂等于第二电流控制器中的第二迟滞比较器的滞环上限h₂/2，第二迟滞比较器的输出S₂变为1，在t₂时刻信号v₂等于第二电流控制器中的第二迟滞比较器的滞环下限－h₂/2，S₂变为0；在t₁时刻信号v₁等于为避免两路Buck变换器环流而引入的第三迟滞比较器的滞环上限

h₂/2，第三迟滞比较器的输出S₃变为1，在t₃时刻信号v₁等于第三迟滞比较器的滞环下限－h₂/2，迟滞比较器的输出S₃变为0；则驱动信号Q_dri3在t₀～t₁时间为0、t₁～t₂时间内为1，驱动信号Q_dri4在t₀～t₁时间为0、t₃～t₄时间为1；第二Buck变换器的输出电流i_sw2的变化与驱动是对应的，之后的控制过程是类似的。

实例六：

附图6给出了第一Buck变换器和第二Buck变换器同时工作时的关键点波形。此时对于宽频带输出的包络线跟踪电源来说，AB类线性放大器、第一Buck变换器和第二Buck变换器都工作。输出电压能准确跟踪v_o是包络线跟踪电源的参考信号v_ref，由于第一Buck变换器的输出电流i_sw1的斜率小于负载电流斜率，第一Buck变换器的输出电流i_sw1只提供了负载电流中的直流分量；负载电流与第一Buck变换器输出电流的差值电流i_lin1仍然很大，第二Buck变换器的输出电流i_sw2减小了线性放大器的输出电流i_lin2。

实例七：

附图7(a)和附图7(b)给出采样电路的具体实现形式。图7(a)给出了使用变压器采样电流的原理图；图7(b)给出了使用电阻采样电流的原理图。

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：36V；

●电压参考信号v_ref：1V～2.6V正弦波；

●输出电压v_o：10V～26V正弦波；

●跟踪频率f_ref：100kHz～1MHz；

●负载电阻R_o：10Ω。

由以上描述可知，本发明提出的宽频带输出的包络线跟踪电源具有如下优点：

1、两个Buck变换器的输出滤波电感与AB类线性放大器的输出的正端相连，两路Buck变换器并联向负载提供电流，可以大幅度地减小线性放大器的输出电流的摆幅，提高***效率；

2、宽频段输出的包络线跟踪电源的控制电路，可以控制第一Buck变换器和第二Buck变换器提供负载电流的不同分量，提高***的跟踪带宽，同时可以避免两路Buck变换器之间的环流，进一步地提高***的效率。

3、宽频带输出的包络线跟踪电源中，第一Buck变换器和第二Buck变换器向负载提供的电流幅值不一样，在设计电路参数、选择开关管等方面，可以进行优化设计，降低成本、提高***效率。

Claims (4)

1.一种宽频带输出的包络线跟踪电源，包括两路Buck变换器、AB类线性放大器和控制电路，其特征是：AB类线性放大器和两路Buck变换器三者相互并联；AB类线性放大器的输出端与负载并联，第一Buck变换器的输出滤波电感直接与负载输入端连接，第二Buck变换器的输出滤波电感与AB类线性放大器的输出的正端相连，两路Buck变换器与AB类线性放大器的输出的负端分别接地；控制电路由逻辑门电路、两路电流控制器和第三迟滞比较器构成，其中两路电流控制器均由采样电路、放大电路和迟滞比较器构成；逻辑门电路由与门和非门构成。

2.根据权利要求1所述的宽频带输出的包络线跟踪电源，其特征是：其中两路Buck变换器中，第一Buck变换器的二个控制管中，一个控制管采用二极管或开关管，另一个控制管为开关管；第二Buck变换器中的二个控制管均采用开关管。

3.根据权利要求1或2所述的宽频带输出的包络线跟踪电源，其特征是：采样电路采用变压器采样或电阻采样。

4.根据权利要求1或2所述的宽频带输出的包络线跟踪电源，其特征是：第一Buck变换器对应的第一电流控制器中迟滞比较器的滞环宽度小于第二Buck变换器对应的第二电流控制器中迟滞比较器的滞环宽度。