CN100505492C - 并联设置的电源 - Google Patents

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Abstract

一种电源系统，包括第一开关式电源(1)和第二开关式电源(2)的并联电路，所述第一开关式电源(1)具有第一系统带宽(LB1)，所述第二开关式电源(2)具有覆盖比所述第一系统带宽(LB1)更高的频率的第二系统带宽(LB2)。所述第一开关式电源(1)被设定为提供第一最大输出功率(P1m)，所述第二开关式电源(2)被设定为提供比所述第一最大输出功率(P1m)小的第二最大输出功率(P2m)。控制电路(3)改变所述第一开关式电源(1)和所述第二开关式电源(2)的参考电压(Vr)，以获得所述并联电路的输出电压(Vout)的相应变化。

Description

并联设置的电源
技术领域
本发明涉及一种电源系统，一种包括电源系统和放大器的放大器，系统，以及一种包括电源系统和放大器的移动设备。
背景技术
WO 00/48306公开了功率放大器输出电平的控制。为该功率放大器生成可变的供电电压，其依赖于所需的输出电平。开关式转换器与线性稳压器(linear regulator)的串联组合为功率放大器生成变化的供电电压。开关式转换器高效地生成功率放大器所需大部分功率，并且可以或者可以不必捉供充分的精确控制以定义期望的功率包络(envelope)的斜坡(ramp)部分。线性稳压器阶段对开关式转换器的输出执行滤波功能，并且控制在TDMA(时分多址)突发期间的精确的功率包络调制(power-envelope modulation)。
发明内容
本发明的目的是提供一种替代电源系统，其能够响应控制信号高速地调节其输出电压并且具有较高的效率。
本发明的第一方面提供了一种电源系统。本发明的第二方面提供了一种放大器系统，其包括所述电源系统和本发明放大器。本发明的第三方面提供一种移动设备，其包括所述电源系统和所述放大器。在从属权利要求中定义了优选实施例。
根据第一方面的电源系统包括第一开关式电源和第二开关式电源的并联电路。第一开关式电源具有第一系统带宽并且被设定为提供第一最大输出功率。第二开关式电源具有比第一系统带宽更大的第二系统带宽，并且第二开关式电源被设定为捉供比第一最大输出功率小的第二最大输出功率。控制电路控制第一开关式电源和第二开关式电源的参考电压以获得所述并联电路的输出电压的相应变化。大部分功率可以由有效的、相对低频的第一开关式电源提供。由相对高频的第二开关式电源提供输出电压的快速转变，所述第二开关式电源相对较小，这是因为其仅须提供相对较小的功率。因此，可以为它们的任务来优化两个开关式电源，并且能够以高效率提供快速改变的输出电压。
事实上，在两个开关式电源上划分输出频率范围。低系统带宽并且高效的开关式电源负责提供达到其带宽的输出电压。高系统带宽的开关式电源负责提供输出电压的剩余的高频部分。
优选情况下，与功率放大器相组合来使用该电源系统，所述功率放大器必须提供具有随时间变化的振幅的输出信号，例如在无线通信设备(例如，蜂窝式电话、寻呼机、无限调制解调器等)的发射脉冲过程中。在这些无线通信设备中，放大器的输出信号是无线电频率信号。如果其电源电压根据所提供的功率而变化，则可以最小化RF放大器的功耗。通常，在这些移动应用中，包含在高频范围中的功率比包含在低频范围中的功率低得多。
应注意，US 6,130,526公开了一种相对较慢的开关式电源的装置，其与相对快速的线性稳压器并联，提供大部分输出功率。该现有技术未公开两个开关式电源被并联设置并且未公开这两个开关式电源必须满足根据第一方面的电源系统中的特殊要求以获得所期望的目的。此外，该现有技术不涉及一种系统，在该系统中，电源的参考电压被控制以获得输出电压的相应变化。相反，该电源装置具有固定的参考电压并且试图尽可能将输出电压保持为常数。
如果以反馈回路的结构设置所述开关式电源，则系统带宽是闭环带宽。
在根据本发明的实施例中，第一系统带宽覆盖从零到第一预定频率的频率范围，并且包括边界值。第二系统带宽覆盖从第二预定频率到第三预定频率的频率范围。所述第二预定频率是从以值零开始，以第一预定频率结束的范围中选择的。选择第三预定频率高于第一预定频率。
系统带宽的这种选择提供了一种第二开关式电源，其动作比第一开关式电源更快，并且因此能够提供输出功率的快速转变。使所述第一开关式电源比所述第二开关式电源更慢，从而使得其在这些快速转变的过程中不会提供功率。第一开关式电源可以被优化为最佳地提供较大的平均功率。第二开关式电源可以被优化为提供所需的较小的功率脉冲。
在根据本发明的实施例中，第一开关式电源工作于第一开关频率，第二开关式电源工作于比所述第一开关频率更高的第二开关频率。或者，第一开关式电源在具有第一上限的第一开关频率范围内工作。第二开关式电源工作在具有比所述第一上限更高的第二上限的第二开关频率范围内。此外，在这种方式中，应注意相对较慢的第一开关式电源可以被优化为最佳地提供较大的平均功率，并且第二开关式电源可以被优化为提供所需的相对较小的功率脉冲。
在根据本发明的优选实施例中，第一开关式电源包括：第一开关，第一电感器，以及第一控制器，该第一控制器接收参考电压以控制第一开关，从而通过所述第一电感器获得第一周期性电流。第二开关式电源包括：第二开关，第二电感器，以及第二控制器，该第二控制器接收参考电压以控制第二开关，从而通过所述第二电感器获得第二周期性电流。将第一周期性电流以及第二周期性电流提供给相同的负载。两个开关式电源都可以是降压转换器。
在根据本发明的实施例中，电源系统包括低通滤波器，其对提供给第一控制器的参考电压进行低通滤波，以防止第一开关式电源在参考电压的快速转变过程中提供大量功率。
在根据本发明的实施例中，所述电源系统包括高通滤波器或带通滤波器，其对提供给第二控制器的参考电压进行滤波，以便当未发生参考电压的快速转变时防止第二开关式电源提供大量功率。
在根据本发明的实施例中，电源系统包括延迟电路，其延迟提供给第二控制器的参考电压，以防止第二开关式电源提供本应该由较慢的第一开关式电源提供的大量功率。现在，在从参考电压的变化到第一开关式电源调整其输出电流时的反应这一期间出现的延迟被补偿，从而使得第一开关式电源能够为参考电压变化的低频部分提供功率。
将参考以下实施例，进一步说明本发明的这些及其他方面。
附图说明
图1显示两个开关式电源的并联电路的框图；
图2显示两个开关式电源的系统带宽的选择的例子；
图3显示两个开关式电源的工作频率的选择的例子；以及
图4显示两个开关式电源的并联电路的更详细的框图。
具体实施方式
图1显示两个开关式电源1和2的并联电路的框图。控制器3提供参考电压Vr。第一开关式电源1接输入电压Vin和参考电压Vr，并且向负载4提供输出电流I1。第二开关式电源2接收输入电压Vin和参考电压Vr，并且向负载4提供输出电流I2。输出电流I1和I2都被提供给负载4，其在该例子中是功率放大器4。功率放大器4接收供电电压Vo并且放大输入信号Vi以获得输出信号Va。因此，两个电源1和2接收相同的输入电压Vin并且提供相同的输出电压Vo，因此是并联设置的。
参考电压Vr的电平决定输出电压Vo的电平。因此，参考电平Vr的调节引起输出电压Vo的相应调节。为了优化功率放大器4的效率，连续地改变输出电压Vo的电平以最佳地匹配将由功率放大器4提供的输出功率。
图2显示两个开关式电源1和2的系统带宽的选择的例子。第一开关式电源1的系统带宽LB1覆盖从零到值BW1的频率范围。第二开关式电源2的系统带宽LB2覆盖从值BW2L到值BW2的频率范围。可以在从零到BW1的频率范围内选择值BW2L。选择值BW2高于值BW1。
因此，第一开关式电源1仅能对参考电压Vr的缓慢改变起反作用，而第二开关式电源2能够对参考电压Vr的快速改变起反作用。
图3显示两个开关式电源1和2的工作频率的选择的例子。或者，如果第一和第二开关式电源1和2都工作于固定的开关频率，那么选择第二开关式电源2的开关频率f2高于第一开关式电源1的开关频率fl。或者，如果第一和第二开关式电源都工作于可变频率，则第二开关式电源2的频率范围fr2将至少具有高于第一开关式电源1的频率范围fr1的子范围。图3显示频率范围fr1和fr2的部分重叠。第一频率范围fr1覆盖频率fr11至fr1u，并且第二频率范围fr2覆盖频率fr2I至fr2u。频率fr2I高于频率fr1I，并且频率fr2u高于频率fr1u。
图4显示两个开关式电源的并联电路的更详细的框图。
第一开关式电源1包括控制器10，开关S1和S3的串联电路以及电感器L1。开关S1和S3的串联电路被设置在输入电压Vin和地之间。电感器L1设置在开关S1和S3的接合点与输出节点No之间，以向输出节点No提供电流I1。
第二开关式电源2包括控制器20，开关S2和S4的串联电路以及电感器L2。开关S2和S4的串联电路被设置在输入电压Vin和地之间。电感器L2设置在开关S2和S4的接合点与输出节点No之间，以向输出节点No提供电流I2。
总电流1o被提供给负载1o，总电流1o的低频部分是电流11与12的和。负载Lo两端间的电压由Vo表示。在输出节点No和地之间连接平滑电容器C。控制器10接收参考电平Vr1并分别向开关S1和S3提供开关信号SC1和SC3。控制器20接收参考电平Vr2并分别向开关S2和S4提供开关信号SC2和SC4。分别基于参考电压Vr1和Vr2，以任何公知的方式控制开关S1、S3以及S2、S4的闭合时间和断开时间。
参考电压Vr1和Vr2都可以与参考电压Vr相同。如果开关式电源1是带宽受限制的，则仅仅变化的参考电压Vr的低频部分将由开关式电源1参照，并且开关式电源1将向负载Lo提供低频平均功率。因此，开关式电源1不必被设定为遵循参考电压Vr的快速瞬变，并且因此在优选情况下可以被设计用于以相对较低的开关频率提供相对较大的功率。如果开关式电源2具有固有特性从而使得其不遵循参考电压Vr的缓慢的改变，则由于没有参考电压Vr的改变或参考电压Vr的缓慢的改变，该开关式电源2将不会或者几乎不会对并联电路的输出功率做出贡献，但是将关注参考电压Vr的快速改变。因此，开关式电源2可以被优化用于向负载Lo突然提供相对较小的功率。开关式电源2较小并且可以以比较高的频率操作其。开关式电源1和开关式电源2都可以是降压转换器(buck converter)。如何设计具有上述特性的开关式电源是公知的。
如图4所示，电源系统可以还包括可选的低通滤波器5，其对参考信号Vr进行低通滤波以获得提供给控制器10的参考信号Vr1。电源系统还可以包括可选的滤波器6的串联电路，其对参考信号Vr进行滤波以获得已滤波的参考信号Vrf。电源系统还可以包括可选的延迟电路7，其延迟所述已滤波的参考信号Vrf以向控制器20提供参考信号Vr2。能够仅实现滤波器6或者仅实现延迟电路7来代替滤波器6和延迟电路7的串联电路。
并联设置的开关式电源1和2可以被模型化为两个并联的电压发生器，其分别提供电压Vlo和Vhi，电流11、12，并且分别具有输出阻抗Zlo、Zhi。优先地，提供给负载Lo的输出功率的可能的最大部分由电源1提供。以下将说明两个电源1和2将如何对参考电压Vr的改变作出反应。所提到的频率是改变的参考电压Vr的频率分量。
对于低于值BW1(参看图2，开关式电源1的系统带宽的上限)的频率，通过设计，第一开关式电源1的输出阻抗Zlo将比第二开关式电源2的输出阻抗Zhi小许多，因此由第一开关式电源1提供大部分输出功率。此外，通过设计，由第二开关式电源2提供的电流可以被限制到相对较小的值，因此限制了第二开关式电源2对输出功率的贡献。
对于介于值BW1和值BW2(参看图2，开关式电源2的系统带宽的上限)之间的频率，一方面由于减小的系统带宽，输出阻抗Zlo趋向于增大，另一方面由于平滑电容器C，输出阻抗Zlo趋向于减小。选择值BW2L(参看图2，开关式电源2的系统带宽的下限)，从而使得在BW2L至BW2的频率范围内提高第二开关式电源2的增益，因此输出阻抗Zhi比输出阻抗Zlo小许多。因此，在该频率范围内，主要由第二开关式电源2提供输出功率。可以以另一种方式获得在带宽BW2L至BW1之内的输出阻抗Zlo和Zhi的值的交换。
作为所述频率的函数的输出阻抗值Zhi和值Zlo的交换可以通过使用带通滤波器6来获得。该带通滤波器6使得开关式电源2在该滤波器6的通频带之内主要向负载提供功率，所述通频带最好为频率范围BW2L至BW2。在开关式电源1的实现中，其中对于高于值BW1的频率其输出阻抗Zlo增大，则所述滤波器6可以是低通滤波器。如果开关式电源2用作具有带宽BW2的低通滤波器，则具有从BW2L至无穷大的带宽的高通滤波器可以代替带通滤波器6。在开关式电源1的实现中，其中对于高于值BW1的频率其输出阻抗Zlo增大并且开关式电源2用作具有带宽BW2的低通滤波器，则所述带通滤波器6可以被省略。
延迟电路7补偿在从参考电压Vr到开关式电源1的输出电流I1的低频路径中引入的延迟，并且防止开关式电源2向输出负载Lo提供过大的功率。首先，更慢的开关式电源1将在更快的开关式电源2已经提供输出功率的低频部分之前，有机会提供输出功率的低频部分，这将减少总效率。然而，虽然低效，但是代替实现延迟电路7，可以限制开关式电源2的输出电流12。
延迟电路7可以适应于由于开关式电源1和/或2的非线性而导致的延迟变化。
根据本发明的并联设置的开关式电源可以被用作用于移动式应用的电源调节器。在这些应用中，电源调节器必须具有很短的瞬变时间，例如，对于EDGE(Enhanced Data rates for GSM Evolution，用于GSM发展的增强数据速率)为几微秒的量级，虽然大多数输出功率集中于很小的带宽。
已知许多使得能够对RF信号进行有效的和线性的放大的结构，例如极性环(Polar Loop)、包络消除及再生(EER)、包络再生(ER)、包络跟踪(ET)。所有这些结构需要具有高效率(>80％)和较大带宽(依赖于应用：从数百kHz到数+MHz)的电源调节器。
应该注意，上述实施例是用于说明而不是限制本发明，本领域的技术人员能够在不脱离所附权利要求的范围的情况下设计许多替代实施例。例如，虽然图4显示为具有两个串联设置的开关的开关式电源，但是也可以使用具有单个开关的开关式电源。
在权利要求中，置于圆括号之间的参考标记不应解释为限制所述权利要求。使用动词“包括”及其变化形式并不排除还存在除权利要求中所述的元素或步骤之外的其它元素或步骤。元素前面的冠词“一种”或“一个”不排除存在多个这种元素。可以通过包括多个不同元件的硬件来实现本发明，也可以通过适当编程的计算机来实现本发明。在列举了多个模块的装置权利要求中，这些模块中的多个模块可以体现为同一个硬件项目。在相互不同的从属权利要求中叙述特定方法并不表明不能使用这些方法的组合。

Claims (9)

1.一种电源系统，包括：
第一开关式电源(1)和第二开关式电源(2)的并联电路，所述第一开关式电源(1)具有第一系统带宽(LB1)，所述第二开关式电源(2)具有覆盖比所述第一系统带宽(LB1)更高的频率的第二系统带宽(LB2)，所述第一开关式电源(1)被设定为提供第一最大输出功率(P1m)，所述第二开关式电源(2)被设定为提供比所述第一最大输出功率(P1m)小的第二最大输出功率(P2m)，以及
控制电路(3)，用于改变所述第一开关式电源(1)和所述第二开关式电源(2)的参考电压(Vr)，以获得所述并联电路的输出电压(Vout)的相应变化。
2.如权利要求1所述的电源系统，其中，所述第一系统带宽(LB1)覆盖从零到第一预定频率(BW1)的频率范围，所述第二系统带宽覆盖从第二预定频率(BW2L)到第三预定频率(BW2)的频率范围，其中，所述第二预定频率(BW2L)是从以值零开始，以所述第一预定频率(BW1)结束的范围中选择的，并且其中，所述第三预定频率(BW2)被选择为高于所述第一预定频率(BW1)。
3.如权利要求1所述的电源系统，其中，所述第一开关式电源(1)被设置为工作在第一频率(f1)，或者在具有第一上限(fr1u)的第一开关频率范围(fr1)内工作，并且其中，所述第二开关式电源(2)被设置为工作在比所述第一开关频率(f1)高的第二开关频率(f2)，或者在具有比所述第一上限(fr1u)高的第二上限(fr2u)的第二开关频率范围(fr2)中工作。
4.如权利要求1所述的电源系统，其中
所述第一开关式电源(1)包括，第一开关(S1)，第一电感器(L1)，以及第一控制器(10)，该第一控制器(10)用于接收所述参考电压(Vr)以控制所述第一开关(S1)，以通过所述第一电感器(L1)获得第一周期电流(I1)，
所述第二开关式电源(2)包括第二开关(S2)，第二电感器(L2)，以及第二控制器(20)，该第二控制器(20)用于接收所述参考电压(Vr)以控制所述第二开关(S2)，以通过所述第二电感器(L2)获得第二周期电流(12)，其中，所述第一周期电流(I1)和所述第二周期电流(I2)被提供给相同的负载(Lo)。
5.如权利要求4所述的电源系统，其中，所述电源系统包括低通滤波器(5)，并且其中，所述参考电压(Vr)被经由所述低通滤波器(5)提供给所述第一控制器(10)。
6.如权利要求4所述的电源系统，其中，所述电源系统包括高通或带通滤波器(6)，并且其中，所述参考电压(Vr)被经由所述高通或带通滤波器(6)提供给所述第二控制器(20)。
7.如权利要求4所述的电源系统，其中，所述电源系统包括延迟电路(7)，并且其中，所述参考电压(Vr)被经由所述延迟电路(7)提供给所述第二控制器(20)。
8.一种放大器系统，其包括如权利要求1所述的电源系统和具有用于接收输出电压(Vo)的电源输入端的放大器(4)。
9.一种包括如权利要求8所述的放大器系统的移动设备。
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