CN101667775B - 变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变换器，其包括一包络检测单元、一沃尔什级数计算单元、一隔离驱动单元、一主功率拓扑单元和一滤波调节单元，该包络检测单元用于接收外部的通信调制信号并输出相应的包络信号到该沃尔什级数计算单元，该沃尔什级数计算单元根据接收到的包络信号计算得到对应的沃尔什基和对应的沃尔什系数到该主功率拓扑单元，该隔离驱动单元对所接收的沃尔什基进行过零检测和电气隔离后得到一系列的互补驱动信号并将该互补驱动信号输出到该主功率拓扑单元，该主功率拓扑单元用于输出与该沃尔什基和沃尔什系数对应的多电平中间电压，该滤波调节单元对该中间电压进行调节用来实现全带宽包络电压。本发明还涉及一种变换器控制方法。

Description

变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电源领域，特别是一种适用于通信基站和手持终端设备的利用沃尔什变换具有高效率的电源电压变换器及其控制方法。

背景技术

现代通信系统一般使用非恒定包络调制技术来实现高的谱效率。为了防止光谱散布到临近信道，就需要高线性度的射频功率放大器(RFPA)。传统方式下，使用峰值电压给功率放大器(功放)供电，功放能够实现非常高的线性度。然而，对于某一特定的输入功率，功率放大器有一个峰值效率，该效率是集合尺寸(例如电路元件和布线)、负载和供电电压的函数。利用峰值电平供电时，这些特性都是确定的。然而，由于功率放大器的输入信号具有一个较宽的动态范围，并不经常达到峰值电平，而是常常处在峰值电平以下，因此放大器的整体效率非常低。

为改善放大器效率，可以通过改变几何尺寸、负载和供电电压中的一个或者多个来实现，而改变器件和负载的技术对特殊的功率放大器拓扑具有较强的依赖性，且一般都会呈现射频问题。通过动态改变供电电压提高放大器效率是切实可行的方案，并使得该类产品的设计具有可重复性。

基于供电电压提高放大器效率的技术主要有包络消除与恢复技术和包络跟踪技术，而无论哪种技术都需要具有高效率、高带宽、高精度和高动态响应性能的包络跟踪电源。较为理想的电源方案是使用一组高效率的中间电源，按照一定的切换规则，得到所需的中间电压，中间电压再经过进一步调节，便得到期望的包络跟踪电压。

发明内容

为了解决现有技术电源效率低的问题，有必要提供一种改进电源效率的变换器。

还有必要提供一种上述变换器的控制方法。

其包括一包络检测单元、一沃尔什级数计算单元、一隔离驱动单元、一主功率拓扑单元和一滤波调节单元，该包络检测单元用于接收外部的通信调制信号并输出相应的包络信号到该沃尔什级数计算单元，该沃尔什级数计算单元根据接收到的包络信号计算得到对应的沃尔什基和对应的沃尔什系数到该主功率拓扑单元，该隔离驱动单元对所接收的沃尔什基进行过零检测和电气隔离后得到一系列的互补驱动信号并将该互补驱动信号输出到该主功率拓扑单元，该主功率拓扑单元用于输出与该沃尔什基和沃尔什系数对应的多电平中间电压，该滤波调节单元对该中间电压进行调节用来实现全带宽包络电压。

在本发明变换器中，该主功率拓扑单元包括一隔离电源模块组和一开关矩阵，该隔离电源模块组包括多个隔离电源模块，该开关矩阵包括多个开关单元，该隔离电源模块组和该开关矩阵相连接，该互补驱动信号是输出到该开关矩阵，该沃尔什系数输出到该隔离电源模块组。

在本发明变换器中，沃尔什基是连续的幅值大小为1或者-1的方波信号，而互补驱动信号则包括与沃尔什基大于零部分对应的第一驱动信号和与小于零部分对应的第二驱动信号。

在本发明变换器中，该隔离电源模块的组合按照沃尔什基序数的高低依次通过功率开关串联。

在本发明变换器中，该主功率拓扑可单元采用单电源单元的拓扑结构，其包括两组相同的拓扑结构用来完成功率拟合，两组拓扑结构中对应的驱动脉冲控制信号完全互补，且每一个单电源单元结构中的两个驱动脉冲信号也完全互补。

在本发明变换器中，该主功率拓扑单元还可采用双电源单元的拓扑结构，每一双电源单元包括二输出的中间电压值相等且连接极性相反的隔离电源模块，以及二驱动控制信号互补的开关。

在本发明变换器中，该主功率拓扑单元也可采用桥式电源单元的拓扑结构，每一桥式单元包括一隔离电源模块，其根据互补驱动控制信号输出二极性相反的中间电压。

一种变换器控制方法，包括提供一变换器，包括多个用于产生多个中间电压的单元结构；对通信信号进行包络检测；对包络检测得到的信号包络做沃尔什变换，得到拟合误差最小的有限组沃尔什基及其对应的基系数，其中一组沃尔什基与基系数在一个单元结构中严格对应；沃尔什基经过零检测等方法处理后作为一个单元结构中功率开关的驱动信号；与其对应的沃尔什基系数作为该单元结构中电源模块的参考输入从而得到每个电源模块的期望输出电压。

在本发明变换器控制方法中，该多个电源模块相互隔离，可通过沃尔什基系数的变化对电源电压进行实时修正。

相较于现有技术，本发明变换器及其控制方法实现了获得与包络信号具有最小误差的多电平输出电压，实现包络信号的功率拟合。由于拟合误差的大小直接决定了中间多电平电压与期望包络跟踪电压之间误差电压的峰值平均比的大小，从而影响RFPA系统整体效率的高低，因此本发明变换器及其控制方法能够实现最大的整体效率。因此，本发明变换器及其控制方法采用基于沃尔什变换的切换规则，利用该规则实现高效率中间电压变换。

附图说明

图1是本发明变换器一较佳实施方式的原理框图。

图2是图1所示变换器的沃尔什基和互补驱动信号的信号示意图。

图3是本发明变换器另一较佳实施方式的方框示意图。

图4是图1所示主功率拓扑单元第一实施方式的电路结构示意图。

图5是图1所示主功率拓扑单元第二实施方式的电路结构示意图。

图6是图1所示主功率拓扑单元第三实施方式的电路结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明变换器及其控制方法的实施方式作进一步说明。

请参阅图1，是本发明变换器一较佳实施方式的原理框图。该变换器10包括一包络检测单元11、一沃尔什级数计算单元12、一隔离驱动单元13、一主功率拓扑单元20和一滤波调节单元14。该主功率拓扑单元20包括一隔离电源模块组30和一开关矩阵40。该隔离电源模块组30包括多个隔离电源单元，该开关矩阵40包括多个开关单元。该隔离电源模块组30和该开关矩阵40相连接。

该包络检测单元11用于接收外部的通信调制信号并输出相应的包络信号到该沃尔什级数计算单元12。该沃尔什级数计算单元12根据接收到的包络信号输出对应的沃尔什基到该隔离驱动单元13和对应的沃尔什系数到该主功率拓扑单元20的隔离电源模块组30。该隔离驱动单元13对所接收的沃尔什基进行过零检测和电气隔离后得到一系列的互补驱动信号，并将该互补驱动信号输出到该主功率拓扑单元20的开关矩阵40。该主功率拓扑单元13用于根据该沃尔什基和沃尔什系数输出多电平中间电压。该滤波调节单元14是中间电压变换的后继环节，用来实现全带宽包络电压。

请同时参阅图2，是图1所示变换器10的沃尔什基和互补驱动信号的信号示意图。由图2可知，沃尔什基是连续的幅值大小为1或者1的方波信号，而互补驱动信号则包括与该沃尔什基大于零部分对应的一第一驱动信号和与小于零部分对应的一第二驱动信号。其中，上述第一驱动信号对应该沃尔什基大小为1时其幅值大小为1，对应该沃尔什基大小为-1时其幅值大小为0。上述第二驱动信号对应该沃尔什基大小为1时其幅值大小为0，对应该沃尔什基大小为-1时其幅值大小为1。

本发明变换器及其控制方法是利用功率拓扑来完成包络信号的沃尔什级数表示实现多电平中间电压输出。该主功率拓扑单元13的拓扑结构中隔离电源模块的组合按照沃尔什基序数的高低依次通过功率开关串联。

时间函数f(t)用沃尔什级数来表示：

$f\left(t\right)=a_0\mathrm{Wal}(0,t)+\underset{n=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n\mathrm{Wal}(n,t)$ 其中，

$\left\{\begin{array}{c}{a}_0=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}f\left(t\right)\×\mathrm{Wal}(0,t)\mathrm{dt}\\ a_n=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}f\left(t\right)\×\mathrm{Wal}(n,t)\mathrm{dt}\end{array}\right..$

例如，一个随时间变化的包络，可由4阶沃尔什级数表示，沃尔什基可表示为Wal(n，t)，n＝0、1、2、3，对应的沃尔什系数表示为a0、a1、a2、a3。在附图拓扑中，隔离电源模块输出的电压值DC1、DC2、DC3、DC4分别等于a0、a1、a2、a3，而对应沃尔什基Wal(n，t)，n＝0、2、3、4，构成的驱动信号用来控制DC1~DC4所在单元结构的功率开关。事实上，在随时间连续变化的曲线拟合中，常常利用傅里叶级数来进行，但是傅里叶级数是由一组完备的三角函数基组成的，无法得到多电平(阶梯形)的曲线拟合。而与傅里叶级数相当的沃尔什级数可用来表示一组有序的矩形波，可以证明，用一组多电平电压波形来拟合一个已知波形，利用沃尔什级数进行拟合的误差最小。

上述沃尔什级数计算单元12可以采用FPGA芯片编程实现。请同时参阅图3，是本发明变换器另一较佳实施方式的方框示意图，其中隔离电源模块1-4中隔离输出母线上电压可以是15V，分别通过对应的DC/DC降压成12V和5V两路输出。可调电源输出模块1-4接收来自沃尔什级数计算单元输出沃尔什基系数，并且分别输出中间电压到负载，该负载可以是任意阻性负载。

由于功率放大器输入信号的带宽非常高，直接利用单体DC/DC变换器及其衍生结构得到包络跟踪输出电压并不理想，较好的方案是在较高的效率下获得带宽较低的多电平(阶梯形)中间输出电压，然后在该电压基础上进行自适应调节，从而获得满足信号带宽的包络跟踪输出电压。

请参阅图4，是图1所示主功率拓扑单元13第一实施方式的电路结构示意图。图4中所示是单电源单元结构的主功率拓扑结构，该主功率拓扑单元13包括16个功率开关管S00~S15和8个隔离电源模块DC1~DC4以及DC1′~DC4′。该16个开关管对应16个控制信号g00~g15。该多个开关管S00~S15每两相邻开关管为一组，分为8个单电源单元。该多个驱动控制信g00~g15来自该隔离驱动单元13。每个单电源单元输出一中间电平，8个单电源单元共输出8个不同的中间电平。在该主功率拓扑单元13第一实施方式中，单电源单元结构包括两组相同的拓扑结构来完成功率拟合，两组拓扑结构中对应的驱动脉冲控制信号完全互补(如g00与g08互补)，且每一个单电源单元结构中的两个驱动脉冲信号也完全互补(如g00与g01互补)

请参阅图5，是图1所示主功率拓扑单元13第二实施方式的电路结构示意图。图5中所示是双电源单元结构的主功率拓扑结构。该主功率拓扑单元13包括S00~S07共8个开关管，g00~g07共8个驱动控制信号输入，输出8个不同的中间电平。其中，S00和S01，S02和S03，S04和S05，S06和S07分别为四个基本单元。在该主功率拓扑单元13第二实施方式中，每一双电源单元结构中的两个隔离电源模块的输出电压值相等，但连接极性相反，只需要8个功率开关管，较单电源单元结构减小一半。每一基本双电源单元中的两个开关的驱动控制信号是互补的，如g00与g01互补，正好对应沃尔什基构成一组互补驱动脉冲。

请参阅图6，是图1所示主功率拓扑单元13第三实施方式的电路结构示意图。图5中所示是桥式单元结构的主功率拓扑结构。该主功率拓扑单元13包括第一~第四桥式单元。其中，第一桥式单元包括一隔离电源模块DC1、四个开关管S41、S42、S43和S44。该开关管S41和S44串联连接在该隔离电源米快DC1两端，且该开关管S42和S43串联连接在该隔离电源模块DC1两端。该开关管S41和S44构成的串联支路和该开关管S42和S43构成的串联支路并联。第二桥式单元包括一隔离电源模块DC2、四个开关管S31、S32、S33和S34。该开关管S31和S34串联连接在该隔离电源米快DC2两端，且该开关管S32和S33串联连接在该隔离电源模块DC2两端。该开关管S31和S34构成的串联支路和该开关管S32和S33构成的串联支路并联。第三桥式单元包括一隔离电源模块DC3、四个开关管S21、S22、S23和S24。该开关管S21和S24串联连接在该隔离电源米快DC3两端，且该开关管S22和S23串联连接在该隔离电源模块DC3两端。该开关管S21和S24构成的串联支路和该开关管S22和S23构成的串联支路并联。第四桥式单元包括一隔离电源模块DC4、四个开关管S11、S12、S13和S14。该开关管S11和S14串联连接在该隔离电源米快DC4两端，且该开关管S12和S13串联连接在该隔离电源模块DC4两端。该开关管S11和S14构成的串联支路和该开关管S12和S13构成的串联支路并联。

在该主功率拓扑单元13第三实施方式中，该开关管S41和S43接收控制信号g06，该开关管S42和S44接收控制信号g07，该开关管S31和S33接收控制信号g04，该开关管S32和S34接收控制信号g05，该开关管S21和S23接收控制信号g02，该开关管S22和S24接收控制信号g03，该开关管S11和S13接收控制信号g00，该开关管S12和S14接收控制信号g01。并且，g00和g01、g02和g03、g04和g05、g06和g07分别为四对互补驱动控制信号。

以上实施方式均以8个中间电平输出为例，事实上该主功率拓扑单元13内的开关管和隔离电源模块的数量可根据需要和电路组合设置。

由于中间输出电压与期望输出的包络电压之间存在误差，要使系统的整体效率较高，不仅要求中间电压变换器具有较高的效率，还要求误差的峰值平均比尽可能小。使用上述任意一种拓扑方案与沃尔什切换规则配合都可以实现最优的中间电压，请参阅图7，曲线C1为放大器输入信号包络，而曲线C2为变换器输出的多电平中间电压。因此，上述三种实施方式的主功率拓扑结构均能实现高效率的功率变换。

本发明变换器控制方法包括：

提供一变换器，包括多个用于产生多个中间电压的单元结构；

对通信信号进行包络检测；

对包络检测得到的信号包络做沃尔什变换，得到拟合误差最小的有限组沃尔什基及其对应的基系数，其中一组沃尔什基与基系数在一个单元结构中严格对应；

沃尔什基经过零检测等方法处理后作为一个单元结构中功率开关的驱动信号；

与其对应的沃尔什基系数作为该单元结构中电源模块的参考输入从而得到每个电源模块的期望输出电压，其中，由于每个电源模块相互隔离，因此可通过沃尔什基系数的变化对电源电压进行实时修正。

本发明变换器及其控制方法实现了获得与包络信号具有最小误差的多电平输出电压，实现包络信号的功率拟合。由于拟合误差的大小直接决定了中间多电平电压与期望包络跟踪电压之间误差电压的峰值平均比的大小，从而影响RFPA系统整体效率的高低，因此本发明变换器及其控制方法能够实现最大的整体效率。因此，本发明变换器及其控制方法采用基于沃尔什变换的切换规则，利用该规则实现高效率中间电压变换。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种变换器，其特征在于：包括一包络检测单元、一沃尔什级数计算单元、一隔离驱动单元、一主功率拓扑单元和一滤波调节单元，该包络检测单元用于接收外部的通信调制信号并输出相应的包络信号到该沃尔什级数计算单元，该沃尔什级数计算单元根据接收到的包络信号计算得到对应的沃尔什基和对应的沃尔什系数到该主功率拓扑单元，该隔离驱动单元对所接收的沃尔什基进行过零检测和电气隔离后得到一系列的互补驱动信号并将该互补驱动信号输出到该主功率拓扑单元，该主功率拓扑单元用于输出与该沃尔什基和沃尔什系数对应的多电平中间电压，该滤波调节单元对该中间电压进行调节用来实现全带宽包络电压。

2.如权利要求1所述的变换器，其特征在于：该主功率拓扑单元包括一隔离电源模块组和一开关矩阵，该隔离电源模块组包括多个隔离电源模块，该开关矩阵包括多个开关单元，该隔离电源模块组和该开关矩阵相连接，该互补驱动信号是输出到该开关矩阵，该沃尔什系数输出到该隔离电源模块组。

3.如权利要求1所述的变换器，其特征在于：沃尔什基是连续的幅值大小为1或者－1的方波信号，而互补驱动信号则包括经过零检测得到的与大于零部分对应的第一驱动信号和与小于零部分对应的第二驱动信号。

4.如权利要求2所述的变换器，其特征在于：该隔离电源模块的组合按照沃尔什基序数的高低依次通过功率开关串联。

5.如权利要求1所述的变换器，其特征在于：该主功率拓扑单元可采用单电源单元的拓扑结构，其包括两组相同的拓扑结构用来完成功率拟合，两组拓扑结构中对应的驱动脉冲控制信号完全互补，且每一个单电源单元结构中的两个驱动脉冲信号也完全互补。

6.如权利要求1所述的变换器，其特征在于：该主功率拓扑单元还可采用双电源单元的拓扑结构，每一双电源单元包括二输出电压值相等且连接极性相反的隔离电源模块，以及二驱动控制信号互补的开关。

7.如权利要求1所述的变换器，其特征在于：该主功率拓扑单元也可采用桥式电源单元的拓扑结构，每一桥式单元包括一隔离电源模块，其根据互补驱动控制信号输出二极性相反的中间电压。

8.一种变换器控制方法，包括：

提供一变换器，包括多个用于产生多个中间电压的单元结构；

对通信信号进行包络检测；

对包络检测得到的信号包络做沃尔什变换，得到拟合误差最小的有限组沃尔什基及其对应的基系数，其中一组沃尔什基与基系数在一个单元结构中严格对应；

沃尔什基经过零检测方法处理后作为一个单元结构中功率开关的驱动信号；与其对应的沃尔什基系数作为该单元结构中电源模块的参考输入从而得到每个电源模块的期望输出电压。

9.如权利要求8所述的变换器控制方法，其特征在于：该多个电源模块相互隔离，可通过沃尔什基系数的变化对电源电压进行实时修正。

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