CN1625076A - 移动通信***中的功率控制 - Google Patents

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CN1625076A CNA2004101023929A CN200410102392A CN1625076A CN 1625076 A CN1625076 A CN 1625076A CN A2004101023929 A CNA2004101023929 A CN A2004101023929A CN 200410102392 A CN200410102392 A CN 200410102392A CN 1625076 A CN1625076 A CN 1625076A
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Abstract

公开了一种用于控制模块功率的***和方法。信号处理***包括一个控制器和一个适配单元。该控制器按照对应于请求的发射功率的参考驱动电压来输出一个控制信号。该适应单元按照该控制信号控制驱动电压。放大器是按照该驱动电压驱动的。该请求的发射功率是从基站发射的。该控制器按照从该基站接收的功率计算输出功率。该控制器对应于该计算的输出功率确定该放大器的驱动电压。

Description

移动通信***中的功率控制
发明背景
1.发明领域
本发明涉及一种移动通信***，更具体而言，涉及一种用于控制供移动终端的PAM(功率放大器模块)的操作功率的***和方法。
2.相关领域的描述
在移动通信***中，存在对延长移动终端电池寿命的需要。在常规的移动终端中，终端的功率放大器模块(PAM)直接从电池提供。
参考图1，常规的移动终端包括负载开关单元11、控制器12、射频单元16、RF发射机13、PAM14、双工单元15、RF接收机16和天线单元17。
负载开关单元11提供作为PAM14驱动电压的电池电压。控制器12(例如，移动站调制解调器)接收已经在射频单元(RF Rx单元)16中放大或者频率变换的信号。控制器12通过闭环功率控制给RF发射机13发送一个相配的响应。RF发射机13接收控制器12的输出信号。输出信号被放大、频率变换和输出。PAM14放大RF发射机13的输出信号并将其输出。双工单元15分隔与发射和接收有关的频率。RF接收机16放大和频率变换经由双工单元15接收的信号。天线单元17从基站到移动终端进行发射和接收信号。负载开关单元11提供电池电压给PAM14。
参考图2，电池电压通常是大约3.0-4.2V。提供给PAM14的初始电压是4.2V，并且当电池的能量被完全用尽的时候，PAM14的电压被降低为3V。
参考图3，为了产生28dBm的最大输出功率，3.2伏的驱动电压产生增加40％功率的效率，和4.0伏的驱动电压产生增加32％功率的效率。因此，需要一种具有更低的驱动电压的改进控制器，使得功率放大器模块具有更高的效率，减少移动终端过热。
发明概述
本发明的特点和优点将在随后的描述中阐述，并且在某种程度上从描述中将变得更加清楚，或者可以通过实践本发明来理解。本发明的目的和其他的优点可以具体地通过尤其在此的成文的说明书和权利要求以及所附的附图中指出的结构来实现和获得。
本发明提出了一种用于在移动通信***中控制功率放大器模块的操作功率的***和方法。在该***中，控制器利用开关单元和DC/DC变换器电平来调整提供给功率放大器模块的电池功率。在一个实施例中，该控制器使用脉冲宽度调制信号作为控制信号去周期性地调整提供给该功率放大器模块的电池功率。
在一个实施例中，用于控制功率放大器模块(PAM)功率的***包括：一个用于在基站和移动终端之间发送和接收通信信号的天线单元，和一个用于分隔发射和接收频率的双工单元。一个RF接收单元放大和频率变换经由天线单元和双工单元接收的信号，和输出一个RF接收单元输出信号。
诸如移动站调制解调器的控制器接收该RF接收单元输出信号，并且对应于用于该功率放大器的驱动电压计算一个参考电压。该控制器给开关单元发送一个控制信号。
该***进一步包括一个DC/DC变换器，从该控制器接收一个控制信号。如果该电池电压变为等于由该控制器限定的输出电压，该DC/DC变换器将该电压降低为限定的输出电压。
另一方面，如果该电池电压大于该输出电压，那么该输出电压被提供给该功率放大器模块。一个RF发射机单元接收、放大和频率变换该控制器的输出信号，产生一个RF发射单元输出信号。该RF发射机单元输出信号被提供给该功率放大器模块。该功率放大器模块给该双工单元发送一个该RF发射单元的输出的放大版本。
在一个实施例中，控制器按照从基站接收的功率计算一个适宜的驱动电压。驱动电压被经由DC/DC变换器发送给功率放大器。在又一个实施例中，当电池电压被优化的时候，控制器发送一个控制信号去切断DC/DC变换器。开关单元被接通。电池的电压被提供给PAM。
本发明另外的特点和优点将在随后的描述中阐述，并且在某种程度上从描述中将变得更加清楚，或者可以通过实践本发明得到理解。应该明白，本发明的上文的一般描述下文的详细描述都是示范性和说明性的，并且按要求打算对发明提供进一步的说明。
对于那些本领域技术人员来说，从下列与附图有关的实施例的详细说明中，这些和其他的实施例也将变得不难是显而易见的，本发明不局限于公开的任何特定的实施例。
附图的简要说明
伴随的附图被包括以提供对本发明进一步的理解，并且被并入本说明书和构成本说明书的一部分，其举例说明本发明的实施例，并且与说明书一起可以起解释本发明原理的作用。
在不同的附图中，按照一个或多个实施例由相同的数字提及的本发明的特点、单元和方面表示相同的等效或者类似的特点、单元或者方面。
图1是说明常规的移动终端的方框图。
图2是说明用于常规的移动终端的PAM(功率放大器模块)的功率消耗的图形。
图3是说明按照一个驱动电压经由使用常规的移动终端的PAM的效率的表。
图4是说明在按照本发明的实施例的移动终端中控制PAM的操作功率的方框图。
图5是说明在按照本发明的实施例的移动终端中控制PAM的操作功率的方框图。
图6是表示按照本发明实施例产生脉宽调制(PWM)信号的图形。
图7是表示按照本发明的实施例与在参考电压电平方面的变化一致在输出电压方面的变化的表。
图8是说明在按照本发明的实施例的移动终端中PAM的功率消耗的图形。
图9是说明在按照本发明的一个实施例的移动终端的PAM中耗费的功率数据的表。
图10是说明使用本发明的***和方法与现有的移动终端相比较，基于驱动电压、温度和电池使用时间的移动终端的效率比较的表。
图11是说明按照本发明的***和方法的UTRAN的方框图。
优选实施例的详细说明
本发明涉及一种用于在移动通信***中控制功率放大器模块的操作功率的***和方法。本发明的***控制器提供了一种移动终端的过热和延长移动终端的电池使用时间的解决方案。虽然本发明是相对于功率放大器模块举例说明的，期待当从一个位置到另一个位置发送或者接收信号的时候，本发明可以在其想要提高功率效率的任何时候被使用。
参考图4，天线单元48在基站和移动终端之间发射和接收通信信号。双工单元46分隔发射和接收频率。在前述的***中，RF接收单元47放大、频率变换经由双工单元46接收的信号，和输出RF接收单元输出信号。控制器43(例如，移动站调制解调器)接收RF接收单元的输出信号，计算对应于适宜的输出电压(PAM驱动电压)的参考电压，并且发射相应的控制信号。
开关单元41从控制器43接收控制信号。当电池电压变为等于由控制器43限定的输出电压的时候，开关单元41被接通以提供作为功率放大器模块(PAM)45驱动电压的电池电压。DC/DC变换器42从控制器43接收控制信号。如果电池的电压大于该输出电压，DC/DC变换器42降低电池电压的电平为由控制器43限定的输出电压。降低的电压电平被提供给PAM45。
RF发射单元44接收、放大和频率变换控制器43的输出信号，以产生RF发射单元输出信号。一旦从开关单元41或者DC/DC变换器42接收到驱动功率，PAM45运行。PAM45放大和发送RF发射单元44的输出给双工单元。控制器43按照从基站接收的传输要求计算适宜的输出功率。控制器43对应于计算的输出功率经由DC/DC变换器42发送一个用于PAM45的驱动电压。
在一个例子中，PAM45的最高效率出现在3.4V的PAM驱动电压时，期望电压是由控制器43确定的。3.4V的输出电压可与电池电压相比较。如果电池的电压大于3.4V，控制器发送控制信号去断开开关单元41以防止提供大于3.4V的电池电压。在这个例子中，DC/DC变换器42被接通，以将电池的电压从大于3.4V降低到3.4V。电池的电压被提供给PAM45。在一个例子中，DC/DC变换器42经由PWM(脉宽调制)降低电池的电压到作为由控制器43确定的3.4V。
在另一个例子中，如果电池的电压等于输出电压3.4V，控制器43发送一个控制信号以断开DC/DC变换器42和接通开关单元41。电池电压被提供给PAM45。
参考图5，开关单元41包括：禁止电路41-1，用于确定是否按照控制信号提供一个PAM驱动电压；负载开关单元41-2，用于通过被禁止电路41-1接通来提供作为PAM驱动电压的电池电压；和比较单元41-3，用于比较电池电压和DC/DC变换器42的输出电压。
DC/DC变换器42包括差动放大器42-1、脉宽调制(PWM)控制器42-2、开关FET42-3、电感42-4、滤波器42-5和反馈单元42-6。
按照终端被放置的环境，由基站请求的发射功率是不同的。控制器43可以基于包括在经由天线48、双工单元46和RF接收单元47接收的信号的某些位中的信息识别发射功率。
一旦识别由基站请求的发射功率，控制器43输出控制信号。用于输出基站请求的发射功率所需的驱动电压被提供给PAM45。控制信号例如是数字信号，并且可以是脉宽调制(PDM)信号。
从控制器43输出的控制信号被输入到积分电路49。积分电路49变换控制信号为参考电压。参考电压对输出由基站请求的发射功率所需的驱动电压提供PAM。控制电压被提供给差动放大器42-1。参考电压具有模拟形式，并且积分电路49可以是D/A变换器。
一旦从积分电路49接收到该参考电压，差动放大器42-1按照参考电压比较经由反馈单元反馈的PAM驱动电压的电平与输出电压的电平。差动放大器42-1对应于比较结果输出差动放大信号给PWM控制器42-2。
参考图6，一旦接收到差动放大信号，PWM控制器42-2比较差动放大信号电平(A)和锯齿形脉冲(B)。PWM控制器42-2输出具有对应于差动放大信号的电平(A)的占空比的PWM信号(C)。通常，开关晶体管在开/关操作的过程中以均衡的频率，和以在开关晶体管是开期间的时间与开关晶体管工作的整个时间的比值来执行开/关操作。
PWM信号被输入到开关FET42-3，和开关FET42-3通过使用PWM信号接通内部开关设备。由于开关设备被接通而产生的输出电压被经由电感42-4和滤波器42-5作为PAM的驱动电压提供。当开关设备通过开关FET42-3被接通的时候，电感42-4储存能量。当开关设备被切断的时候，电感42-4起电源的作用，用于传送储存的能量给负载(PAM)。
从控制器43输出的控制信号的值和反馈信号的值之间的差距越大，差动放大信号(A)的电平越高。当差动放大信号的电平变得较高的时候，PWM信号的占空比相反地被按比例降低。开关FET42-3的输出电压被降低，因此，PAM45的驱动电压被降低。例如，PAM45的驱动电压可以被按照从控制器43输出的控制信号的值调整到目标值。
如果PWM信号的周期是“T”，在开关设备被接通期间的时间间隔是TON，并且电池电压是VBAT，开关FET42-3的输出电压VOUT可以如下表示为：
电池的电压VBAT和输出电压(PAM驱动电压)VOUT由比较单元41-3进行比较。当电池的电压和PAM驱动电压大致相等的时候，比较单元41-3立即停止驱动DC/DC变换器42。电池的电压VBAT被经由禁止电路41-1和开关单元41的负载开关单元41-2直接提供给PAM45。电压VBAT41是PAM45的驱动电压。禁止电路41-1是一个开关电路并且确定是否提供PAM驱动电压。
换句话说，DC/DC变换器42是逐步减低变换器，并且对于大于最佳电平的电池电压，DC/DC变换器42降低其以提供给PAM45。如果电池的电压被优化，DC/DC变换器停止其操作，以便电池的电压可以直接提供给PAM45。在电池电压被优化之后，如果电压太低，可以考虑一种用于提高电压到适宜的电平的方法，但是在那种情况下，需要递升的变换器。
参考图7，在控制器43识别由基站请求的发射功率之后，生成经由积分电路49输出的相应电平的参考电压，并且相应的输出电压被作为PAM45的驱动电压提供。
参考图8，注意到，在PAM中耗费的电流是相同的，并且在具有按照本发明用于控制PAM的操作功率的装置的移动终端中，提供给PAM的电压是3.4V～1V，比在相关技术(在图2中示出的)中的PAM电源电压低。因此，本发明允许PAM以低的功率消耗进行工作。
参考图9，应当注意到，较低的PAM驱动电压造成功率消耗降低。参考图10，由于本发明的移动终端是以比常规的移动终端更低的驱动电压驱动的，移动终端的温度是低的。因此，与常规的移动终端相比，移动终端的电池寿命被延长了。
在又一个实施例中，公开了一种用于控制功率的方法。方法包括：由控制器按照对应于请求的发射功率的参考驱动电压来输出一个控制信号；由用于放大器的适应单元按照控制信号控制驱动电压；和按照驱动电压驱动放大器。在一个例子中，基站可以请求用于移动终端的发射功率。
该方法进一步包括：按照从基站接收的功率计算输出功率，和对应于计算的输出功率确定放大器的驱动电压。方法还包括：由开关旁路按照控制信号驱动电压；和由变换器按照控制信号降低驱动电压。
在另一个实施例中，该方法进一步包括：使用比较单元比较驱动电压和参考驱动电压；按照比较结果施加驱动信号给开关和变换器；和当比较单元计算驱动电压和参考驱动电压变为相等的时候，接通开关和断开变换器。
以下是使用本发明的***和方法的移动通信网络的例子。
参考图11，UTRAN1100包括一个或多个无线电网络子***(RNS)1125。每个RNS1125包括无线电网络控制器(RNC)1123和多个由RNC管理的节点B(基站)1121。RNC1123处理无线电资源的分配和管理，并且相对于核心网络起接入点的作用。此外，RNC1123适合于执行本发明的方法。
节点B1121接收由终端的物理层经由上行链路发送的信息，和经由下行链路发送数据给终端。节点B1121起用于终端的UTRRAN1100的接入点或者发射机和接收机的作用。对于本领域技术人员来说将是显而易见的，可以容易地或者单独或者与外部支持逻辑相结合使用，例如处理单元或者其他的数据或者数字处理设备来实施移动通信设备。
作为一个例子，控制器是用于控制通信信号流动的***。该***包括：一个控制器，用于按照对应于请求的发射功率的参考驱动电压来输出控制信号；一个适应单元，用于按照该控制信号控制驱动电压；和一个按照该控制器驱动电压驱动的放大器。
对于本领域技术人员来说将是显而易见的，可以容易地或者单独或者与外部支持逻辑相结合使用，例如处理单元或者其他的数据或者数字处理设备来实施本发明的优选实施例。
虽然在移动终端的背景下描述了本发明，本发明还可以在任何一种使用移动设备的有线或者无线通信***中使用，诸如PDA和配备有有线和无线通信能力的便携式计算机。此外，对于描述本发明所使用的某些术语不应该限制于本发明范围的某些类型的无线通信***，诸如UMTS。本发明还可适用于其他的使用不同的空中接口和/或物理层的无线通信***，例如，TDMA、CDMA、FDMA、WCDMA等等。
优选实施例可以作为方法、装置或者使用标准程序和/或施工技术制造的产品来实施，以产生软件、程序包、硬件或者其任意的组合。在此处使用的术语“制造的产品”指的是以硬件逻辑(例如，集成电路片、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等等)实现的代码或逻辑，或者计算机可读介质(例如，磁存储介质(例如，硬盘驱动器、软盘、磁带等等)，光存储(CD-ROM、光盘等等)，易失的和非易失性存储器设备(例如，EEPROM、ROM、PROM、RAM、DRAM、SRAM、固件、可编程逻辑等等)。
在计算机可读介质中的代码是由处理器访问和执行的。其中优选实施例执行的代码可以进一步是经由传输介质或者经网络从文件服务器可访问的。在此情况下，其中代码被实现的制造的产品可以包括传输介质，诸如网络传输线、无线传输介质，信号经由空间、无线电波、红外信号等等传送。当然，那些本领域技术人员将理解，不脱离本发明的范围可以对这些结构进行很多的修改，而且制造的产品可以包括在本领域已知的承受介质任意的信息。
在附图中示出的逻辑实施例描述了作为以特定的顺序发生的特定的操作。在供选择的实施例中，某些逻辑操作可以以不同的顺序实施、修改或者除去，并且仍然实现本发明的优选实施例。此外，步骤可以被添加给以上所述的逻辑，并且仍然符合本发明的实施例。
上述的实施例和优点仅仅是示范性的，并且不应理解为限制本发明。当前的教导可以容易地应用于其他类型的装置。本发明的描述意图是说明性的，而不是限制权利要求的范围。对于那些本领域技术人员来说许多的替换、修改和变化将是显而易见的。因此，本发明不局限于在上文中详细描述那些明确的实施例。
在那些权利要求中，装置加功能从句意图是当执行列举的功能时覆盖在此处描述的结构，和不仅是结构上的等效，而且是等效的结构。此外，对于权利要求，应该明白，在下面进行描述的任何一个权利要求可以为了发明的目的被合并。

Claims (34)

1.在移动通信***中所一种用于控制提供给功率放大器模块的功率的***，包括：
一个用于在基站和移动终端之间互通信号的天线单元；
一个电耦合到该天线单元的双工单元，用于分隔该信号的发射频率与接收频率；
一个电耦合到该双工单元的RF接收单元和一个用于放大和频率变换该信号的控制器；
一个用于发送控制信号到开关单元和到DC/DC变换器的控制器；
一个电耦合到该控制器的开关单元，用于连接电池电压以按照该控制信号的值提供电源给该功率放大器模块；和
一个电耦合到该控制器的DC/DC变换器，用于按照该控制信号的值调整从电池发送给该功率放大器模块的电压电平。
2.根据权利要求1的***，其中该控制器接收该RF接收单元的输出信号，计算对应于适宜的输出电压的参考电压，和发送该控制信号。
3.根据权利要求2的***，其中该参考电压对应于用于发送功率放大器的输出信号期望电压电平。
4.根据权利要求1的***，其中该控制信号是数字信号。
5.根据权利要求1的***，其中该控制信号是脉宽调制信号。
6.根据权利要求1的***，其中如果该电池电压等于由该控制器确定的期望电压电平，该控制信号接通开关单元以提供作为驱动电压的电池电压给功率放大器模块。
7.根据权利要求1的***，其中如果电池的电压大于由控制器确定的期望电压电平，该DC/DC转换器降低该电池电压电平，并且该降低的电池电压被作为驱动电压提供给功率放大器模块。
8.根据权利要求1的***，进一步包括：
一个电耦合到该控制器和功率放大器模块的输入端口的RF发射单元，用于对该控制器的输出信号进行进行接收、放大、频率变换，以及输出RF发射机输出信号；和
该功率放大器模块电连接到该RF发射单元和双工单元，用于放大该RF发射机输出信号。
9.根据权利要求1的***，其中一旦从开关单元和DC/DC变换器的至少一个接收到驱动功率，该功率放大器模块运行。
10.根据权利要求1的***，其中该开关单元包括：
一个禁止电路，用于确定是否按照该控制信号提供该功率放大器模块的驱动电压；
一个电耦合到该禁止电路的负载开关单元，当由该禁止电路接通的时候，用于作为驱动电压提供该电池电压；和
一个电耦合到该禁止电路的比较单元，用于比较该电池电压和该DC/DC变换器的输出电压。
11.根据权利要求10的***，其中该禁止电路是用于确定是否提供该驱动电压给该功率放大器模块的开关电路。
12.根据权利要求10的***，其中该比较单元将电池电压与DC/DC变换器的输出电压比较，并且如果该电池电压大于该DC/DC变换器的输出电压，该比较单元将电池电压的电平降低到DC/DC变换器的输出电压，并且提供该DC/DC变换器的电压给该功率放大器模块。
13.根据权利要求11的***，其中当该电池电压变为等于该DC/DC变换器的输出电压的时候，该控制器停止DC/DC变换器的操作，并且直接提供该电池电压给该功率放大器模块。
14.根据权利要求1的***，其中该DC/DC变换器是递降的变换器。
15.根据权利要求1的***，进一步包括：
一个积分电路，用于从该控制器接收控制信号，变换该控制信号为参考电压，该参考电压用于以由基站请求的输出发射功率需要的电平来提供PAM驱动电压，并且输出该参考电压给该DC-DC变换器。
16.根据权利要求1的***，其中该DC/DC变换器包括：
一个差动放大器，用于接收从积分电路输出的参考电压，和输出差动放大信号；
一个电连接到该差动放大器的脉宽调制控制器，用于接收该差动放大信号和输出脉宽调制信号；
一个电连接到该脉宽调制控制器的开关FET，用于通过使用该脉宽调制信号接通内部开关设备和作为该PAM的驱动电压提供产生的输出电压；
一个电连接到该开关FET的电感，用于当该开关设备被接通的时候储存能量，和当该开关设备被断开的时候输送该储存能量；
一个电连接到该电感的滤波器，用于除去该输出电压的纹波或者噪声；和
一个反馈单元，用于反馈该功率放大器模块的驱动电压的电平给该差动放大器。
17.根据权利要求16的***，其中该差动放大器按照该参考电压将经由反馈单元发送的功率放大器模块的驱动电压电平与该输出电压电平比较，并且按照该比较结果输出差动放大信号。
18.根据权利要求17的***，其中该脉宽调制控制器比较该差动放大信号和锯齿形脉冲的电平，并且输出一个具有对应于该差动放大信号电平的占空比的PWM信号。
19.根据权利要求1的***，其中该控制器是设置在移动站中的调制解调器。
20.一种信号处理***，包括：
一个控制器，用于按照对应于请求的发射功率的参考驱动电压来输出控制信号；
一个适配单元，用于按照该控制信号控制用于放大器的驱动电压；和
该放大器是按照该驱动电压驱动的。
21.根据权利要求20的***，其中请求的发射功率是从基站发射的。
22.根据权利要求20的***，其中该控制器按照从该基站接收的功率计算输出功率，和对应于该计算的输出功率确定该放大器的驱动电压。
23.根据权利要求20的***，其中该适应单元包括：
一个用于按照该控制信号旁路该驱动电压的开关；和
一个用于按照该控制信号降低该驱动电压的变换器。
24.根据权利要求23的***，其中该适应单元进一步包括：
一个比较单元，用于比较该驱动电压和该参考驱动电压，并且按照该比较结果施加该驱动信号给开关和变换器。
25.根据权利要求22的***，其中当该驱动电压和参考驱动电压变为相等的时候，该比较单元接通开关和关闭该变换器。
26.一种用于信号处理的方法，包括：
由控制器按照对应于请求的发射功率的参考驱动电压来输出控制信号；
由适应单元按照该控制信号控制供放大器的驱动电压；和
按照该驱动电压驱动该放大器。
27.根据权利要求26的方法，进一步包括：从基站发射请求的功率。
28.根据权利要求26的方法，进一步包括：
按照从该基站接收的功率计算输出功率，和对应于该计算的输出功率确定该放大器的驱动电压。
29.根据权利要求26的方法，进一步包括：
按照该控制信号由开关旁路该驱动电压；和
按照该控制信号由变换器降低该驱动电压。
30.根据权利要求26的方法，进一步包括：
使用比较单元比较该驱动电压和该参考驱动电压；和
按照比较结果施加该驱动信号给开关和变换器。
31.根据权利要求30的方法，进一步包括：
当该比较单元确定驱动电压和参考驱动电压近似相等的时候，接通开关和断开变换器。
32.一种用于在移动通信***中无线电通信的网络，该网络包括：
至少一个发射机，用于发射通信信号给至少一个接收机；
一个控制器，用于按照对应于请求的发射功率的参考驱动电压来输出控制信号；
一个适应单元，用于按照该控制信号控制驱动电压；和
一个按照该驱动电压驱动的放大器。
33.根据权利要求32的***，其中该请求的发射功率是从基站发射的。
34.根据权利要求32的***，其中该控制器按照从该基站接收的该请求发射功率来计算输出功率，和对应于该计算的输出确定该放大器的驱动电压。
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