CN106452369B - 基于功率放大器输出信号控制的高效包络跟踪电源及方法 - Google Patents

基于功率放大器输出信号控制的高效包络跟踪电源及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于功率放大器输出信号控制的高效包络跟踪电源及方法，包括数字控制模块、线性放大器和开关放大器；数字控制模块包括一个DAC，DAC的输出端连接线性放大器的输入端，线性放大器的输出端连接负载；数字控制模块提供一路控制信号输出给开关放大器，开关放大器的输出端连接负载。本发明通过开环控制克服了环路延时问题；通过算法控制，提高了开关放大器的电流比例，降低了线性放大器所需要提供的电流，使得线性放大器的静态功耗降低，优化了开关放大器的工作状态，提高了跟踪带宽。

Description

基于功率放大器输出信号控制的高效包络跟踪电源及方法
技术领域
本发明属于电源技术领域，特别涉及一种包络跟踪电源及控制方法，可以按所需负载变化输出电压或输出电流。
背景技术
包络跟踪电源的输出可以跟随所需信号变化而变化，通常应用于包络跟踪功率放大器电路中，其作用在于使功率放大器电源电压跟随所需要放大的信号功率变化，从而提高功率放大器的效率。传统跟踪复杂信号的电源的实现方法有模拟控制的混合电源和数字控制的多电平电源，电路拓扑结构分别如图1、图2所示。
模拟控制的混合电源使用开关放大器和线性放大器并联的结构，开关放大器由反相器与电感组成，线性放大器可为普通的运算放大器。基本的模拟控制混合电源需要一个开关放大器，其工作波形如图3中的(a)至图3中的(c)所示，开关放大器的电感不同会得到不同的跟踪波形。从图中可知电感越小则充放电斜率越大，开关放大器电流占总电流比例越高，因此电感越小，运放补偿电流越小，有利于提高整体效率。但如果电感过小，同等输出功率条件下，则会造成开关频率迅速上升，大幅降低开关放大器的效率，限制了包络跟踪电源整体效率的提高。模拟控制的混合电源跟踪带宽受限于线性放大器的带宽与整体环路的响应速度。快响应的运放静态功耗偏大，平均效率偏低，从而造成电源整体效率降低。线性放大器的跟踪带宽直接决定了电源跟踪带宽，因此若要提高电源跟踪带宽，则整体效率也会受到影响。此外，由于误差检测与判断逻辑需要一定的时间，延时会影响控制信号到达开关放大器的时间，当跟踪信号变化快时，环路无法及时响应变化，从而影响开关放大器的跟踪效果，也会降低电源整体效率，因此环路延时也限制了跟踪带宽。
基本的数字多电平电源通常会包含多个电源模块或使用一个电平转换模块来产生多个输出电压。图4中的(a)和图4中的(b)所示前两种方法是在工作时通过数字控制不同电平台阶的输出，台阶越多，跟踪的精度越高，但是增加台阶数量意味着电路模块数量的增加或电平转换模块的复杂度增加，往往会带来高硬件开销。图4中的(c)所示第三种方法利用偶数个开关放大器并联，当它们同时对负载充放电时，总波形随之上升或下降；当充放电动作两两相反时，电感电流两两抵消，总波形维持不变。这种方法可以实现所需输出电平，但是其根本方法是基于离散的电平台阶，不同台阶切换时信号变化的快慢由所有单元充放电能力之和决定。
数字多电平电源的电路结构是开环结构，使用数字电路直接控制后级电源，跟踪速度很快，但这类电源输出信号是台阶信号，台阶个数由子电源个数或电平转换模块复杂程度决定，若想增加跟踪精度则必须增加台阶个数。台阶个数越多，需要的电源模块越多或电平转换电路越复杂，会带来很大的硬件开销。
目前存在诸多基于两类基本结构的改进方案，比如：在数字多电平电源后串联或并联线性放大器或滤波器以提高跟踪精度；为模拟混合电源引入更完善的数字分析电路和多个开关放大器等等。但是目前的改进方法并没有很好地解决模拟混合电源的环路延时或数字多电平电源的高硬件开销等固有问题。因此如何在低硬件开销下实现高带宽、高精度、高效率是目前可变电源的主要问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于功率放大器输出信号控制的高效包络跟踪电源及方法，该电源可高效率跟踪宽带、高PAPR信号，以解决上述技术问题；本发明具有低硬件开销、高跟踪带宽、高跟踪PAPR、高跟踪精度、高工作效率的优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于功率放大器输出信号控制的高效包络跟踪电源，包括数字控制模块、线性放大器和开 关放大器；数字控制模块包括一个DAC，DAC的输出端连接线性放大器的输入端，线性放大器的输出端连接负载；数字控制模块提供一路控制信号输出给开关放大器，开关放大器的输出端连接负载。
进一步的，线性放大器包含反馈回路。
进一步的，还包括监测单元；监测单元检测负载的工作特征，反馈给数字控制模块。
基于功率放大器输出信号控制的高效包络跟踪电源的控制方法，包括以下步骤：
第一步、数字控制模块载入包络跟踪电源整个电路的初始参数；
第二步、数字控制模块对于包络跟踪电源需要输出的波形进行分析，得到特征参数，根据特征参数计算出开关放大器的控制策略并计算此策略下电源的跟踪效果，如果跟踪效果不满足设定的目标则继续进行开关放大器的控制策略优化，直至获得符合设定目标的控制策略为止；
第三步、分析输出到线性放大器的信号和输出到开关放大器的信号的延时特性，为两信号添加相应的延时，消除两信号间的延时；
最后，将跟踪波形和相应的开关控制信号分别输出到线性放大器和开关放大器。
进一步的，初始参数包括电路延时特性、开关放大器充放电斜率。
进一步的，设定目标为开关放大器提供电流占负载总电流比例。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：相比于传统模拟控制的混合电源，本发明通过开环控制克服了环路延时问题；通过算法控制，提高了开关放大器的电流比例，降低了线性放大器所需要提供的电流，使得线性放大器的静态功耗降低，优化了开关放大器的工作状态，提高了跟踪带宽。相比于传统数字控制的多电平电源，其跟踪精度因为有线性放大器的电流补偿而提高，本方法由于不需要大量增加电源单元提高电平台阶数量，因此降低了硬件开销。本设计保持了跟踪精度，并实现了跟踪带宽与跟踪效率的双重提升。
附图说明
图1为传统模拟控制的混合电源拓扑结构；
图2中的(a)和图2中的(b)为两种数字控制的多电平电源拓扑结构；
图3中的(a)、图3中的(b)和图3中的(c)为模拟控制混合电源中三种不同开关放大器电感所获得的波形；
图4中的(a)、图4中的(b)和图4中的(c)为数字控制多电平电源三种不同工作状态下的波形；
图5中的(a)至图5中的(c)为模拟控制混合电源改进后与未改进波形的对比图；
图6为本发明电路拓扑结构示意图；
图7为本发明控制信号产生流程图；
图8为传统模拟控制混合电源跟踪PAPR 8.8dB带宽20MHz的OFDM信号时总电流与开关电流仿真波形；
图9为本发明混合电源跟踪PAPR 8.8dB带宽20MHz的OFDM信号时总电流与开关电流仿真波形；
图10为传统模拟控制混合电源跟踪PAPR为8.8dB、带宽为20MHz的OFDM信号时，开关电流占比、开关频率与充放电斜率系数的关系示意图；其中，图10中的(a)为开关电流占比与充放电斜率系数的关系示意图；图10中的(b)为开关频率与充放电斜率系数的关系示意图；
图11为本发明混合电源跟踪PAPR为8.8dB、带宽为20MHz的OFDM信号时，开关电流占比、开关频率与充放电斜率系数的关系示意图；其中，图11中的(a)为开关电流占比与充放电斜率系数的关系示意图；图11中的(b)为开关频率与充放电斜率系数的关系示意图；
图12为传统模拟控制混合电源跟踪PAPR 9.4dB带宽100MHz的OFDM信号时开关电流占比、开关频率与充放电斜率系数的关系示意图；其中，图12中的(a)为开关电流占比与充放电斜率系数的关系示意图；图12中的(b)为开关频率与充放电斜率系数的关系示意图；
图13为本发明混合电源跟踪PAPR为9.4dB、带宽为100MHz的OFDM信号时，开关 电流占比、开关频率与充放电斜率系数的关系示意图；其中，图13中的(a)为开关电流占比与充放电斜率系数的关系示意图；图13中的(b)为开关频率与充放电斜率系数的关系示意图。
具体实施方式
请参阅图6所示，本发明一种基于功率放大器输出信号控制的高效包络跟踪电源，包括数字控制模块、线性放大器和开关放大器。数字控制模块包括一个DAC，DAC的输出端连接线性放大器的输入端，线性放大器的输出端连接负载；该线性放大器包含反馈回路；数字控制模块提供一路控制信号输出给开关放大器，开关放大器的输出端连接负载；监测单元检测负载的工作特征，反馈给数字控制模块。
本发明中开关放大器由数字控制模块直接控制，数字控制模块根据所要跟踪的信号提前计算控制信号，从而让开关放大器的总输出波形更逼近于所跟踪的波形，提高开关放大器电流占总电流的比例。在工作过程中，相比于模拟混合电源的开关放大器，本发明中的开关放大器能在开关频率相同的情况下有更好的跟踪效果；相比于数字多电平电源中的开关放大器，本发明能减少所需开关放大器个数，减小硬件开销。
本发明包络跟踪电源工作时波形与传统电路对比如图5中的(a)至图5中的(c)所示，可以看出本发明通过合理的规划，增大了开关放大器电流占总电流比例，并维持开关频率在合理区间内，从而提高电源整体效率。
本发明的电路拓扑结构如图6所示，采用线性放大器与开关放大器并联的混合电源结构，通过数字电路直接控制一个或多个开关放大器的工作状态，再利用线性放大器补偿开关放大器的跟踪误差。
开关放大器的控制利用了外部数字控制模块，数字控制模块可以提前分析将要跟踪的波形，预先获得合适的开关放大器控制策略，在整个电源工作时间内使开关放大器所能提供的有效电流达到最大化，降低线性放大器的补偿电流，提高整个***的效率。此外，采用开环控制 可以消除开关放大器控制信号和所跟踪信号之间的延时，避免信号间延时不匹配引发的非理想效应。
如图7所示，本发明一种基于功率放大器输出信号控制的高效包络跟踪电源的控制方法，包括：
第一步数字控制模块载入包络跟踪电源整个电路的初始参数，比如电路延时特性、开关放大器充放电斜率的组合等；
第二步数字控制模块对于包络跟踪电源需要输出的波形进行分析，得到特征参数，根据该特征参数计算出开关放大器的控制策略并计算此策略下电源的跟踪效果，如果跟踪效果不满足设定的目标则继续进行开关放大器的控制策略优化，直至获得符合设定目标的控制策略为止；设定目标为开关放大器提供电流占负载总电流比例；
第三步是分析输出到线性放大器的信号和输出到开关放大器的信号的延时特性，为两信号添加相应的延时，消除两信号间的延时；
最后，将跟踪波形和相应的开关控制信号分别输出到线性放大器和开关放大器。
图8与图9分别是传统模拟控制混合电源与本设计混合电源在跟踪PAPR为8.8dB、带宽为20MHz的OFDM信号时的总电流与开关电流波形对比，可以看到改进后的开关电流波形可以更接近总电流波形。
图10和图11分别显示了传统模拟控制混合电源和本设计在不同充放电斜率取值下开关放大器的电流比例α和开关频率的关系。可以看到传统电源在开关频率在30MHz附近时，开关电流所占比例为85％左右，而开关频率需要上升至60MHz左右才能将开关电流比例提升至93％附近。而本设计混合电源可以在开关频率大约为25MHz-30MHz时将开关电流比例提高至93％。在相同效率条件下，本设计可以提高开关放大器所能跟踪的信号带宽，从而拓展整体电源的跟踪带宽。当跟踪信号带宽增加后，开关放大器的频率也会增加，开关放大器的效率会随着频率 升高而迅速下降，影响到整体效率。图12与图13分别显示了传统模拟混合电源和本设计电源在跟踪PAPR为9.4dB、带宽为100MHz的OFDM信号时开关电流比例和开关频率关系，其中若要开关电流比例达到92％，则传统电源开关频率需要250MHz，本设计仅需120MHz。综上所述，本设计的电源提高了开关放大器的利用率，在跟踪低带宽或高带宽信号时均能比传统混合电源有更高的效率，并且随着跟踪信号带宽的增加，效率的优势会更加明显。在目前信号带宽不断增加、PAPR不断增大的背景下，本设计相比于传统结构有更大的优势。

Claims (5)

1.一种基于功率放大器输出信号控制的高效包络跟踪电源，其特征在于，包括数字控制模块、线性放大器和开关放大器；数字控制模块包括一个DAC，DAC的输出端连接线性放大器的输入端，线性放大器的输出端连接负载；数字控制模块提供一路控制信号输出给开关放大器，开关放大器的输出端连接负载；数字控制模块通过开环或前馈产生开关控制信号，控制开关放大器输出波形的幅度和相位，提高电源效率；
所述高效包络跟踪电源通过数字控制模块直接控制一个或多个开关放大器的工作状态，再利用线性放大器补偿开关放大器的跟踪误差；
数字控制模块对于包络跟踪电源需要输出的波形进行分析，得到特征参数，根据特征参数计算出开关放大器的控制策略并计算此策略下电源的跟踪效果，如果跟踪效果不满足设定的目标则继续进行开关放大器的控制策略优化，直至获得符合设定目标的控制策略为止。
2.根据权利要求1所述的基于功率放大器输出信号控制的高效包络跟踪电源，其特征在于，线性放大器包含反馈回路。
3.一种基于功率放大器输出信号控制的高效包络跟踪电源的控制方法，其特征在于，基于权利要求1或2所述的基于功率放大器输出信号控制的高效包络跟踪电源，包括以下步骤：
第一步、数字控制模块载入包络跟踪电源整个电路的初始参数；
第二步、数字控制模块对于包络跟踪电源需要输出的波形进行分析，得到特征参数，根据特征参数计算出开关放大器的控制策略并计算此策略下电源的跟踪效果，如果跟踪效果不满足设定的目标则继续进行开关放大器的控制策略优化，直至获得符合设定目标的控制策略为止；
第三步、分析输出到线性放大器的信号和输出到开关放大器的信号的延时特性，为两信号添加相应的延时，消除两信号间的延时；
最后，将跟踪波形和相应的开关控制信号分别输出到线性放大器和开关放大器。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，初始参数包括电路延时特性和开关放大器充放电斜率。
5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，设定目标为开关放大器提供电流占负载总电流比例。
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