CN101872208A - 一种电源调制器及电源调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电源调制器及电源调制方法，包括：隔离电源、幅值产生电路和控制器，隔离电源和幅值产生电路分别为N(N＞1)个，每个隔离电源与一个对应的幅值产生电路连接，各幅值产生电路的输出端串联，控制器分别与每个幅值产生电路连接，其中：隔离电源向幅值产生电路输出参考供电信号；控制器接收待跟踪参考信号，根据该待跟踪参考信号的幅值，确定各幅值产生电路的输出电信号的幅值，并向各幅值产生电路发送控制信号；幅值产生电路在接收到控制信号后，采用参考供电信号，根据控制信号输出电信号，各幅值产生电路串联输出。本发明可通过较少的输入电源实现较高的输出信号跟踪精度，并可同时优化器件损耗。

Description

一种电源调制器及电源调制方法
技术领域
本发明涉及电源技术，尤其涉及一种电源调制器及电源调制方法。
背景技术
在电子装置中，有多种场合需要电压调制，其中较为典型的一种是射频功率放大器的供电装置。为应对用户对通讯带宽需求的不断提高，通讯系统的调制方式变得越来越复杂，由此带来的一个突出问题就是射频功率放大器的效率低下，已成为提高整个通讯系统效率的瓶颈。
对于线性功率放大器，为保证线性度，在传统直流供电方式下，供电电压需高于射频信号峰值电压。在射频信号幅值较低的时候，功率放大器同时承受较高电压和负载电流，因此效率较低。
功率放大器的平均效率取决于射频信号的功率峰均比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)。为了在有限频带内获得最大通讯带宽，现代通讯系统都使用了非恒定包络(振幅)信号且具有较高峰均比的调制方式。例如，WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access，宽带码分多址接入)系统中调制信号的峰均比为6.5dB～7.0dB，而下一代网络LTE(Long Term Evolution，长期演进)及WiMax(全球微波互联接入)使用的OFDMA(Orthogonal Frequency-Division Multiple Access，正交频分复用接入)系统，峰均比则更是高达9.0dB～9.5dB，导致了功率放大器平均效率的低下。
功率放大器功率的低下还带来了一系列其他问题，如增加功放体积及重量，更高的散热环境要求等，使得整个系统的应用及维护成本上升。因此，改善功率放大器的效率具有很大的实际意义。
在现有文献和技术中，依赖供电技术的功率放大器效率改善方案主要为：包络分离和恢复(Envelope Elimination and Restoration，EER)及包络跟踪(Envelope Tracking，ET)供电。两种方案都需要对功放供电电源的输出电压进行动态调制。
包络分离与恢复技术利用恒定包络信号可以通过非线性功率放大器进行高效放大的特性，将待放大射频信号分离为包络信号与相位调制信号，通过包络跟踪电源给非线性功率放大器供电，还原出放大的射频信号。由于非线性功率放大器放大后的信号幅值由功放供电电压决定，因此，该方法对包络跟踪电源的跟踪精度要求较高，否则会影响放大射频信号的线性度。
包络跟踪供电方式采用线性功率放大器，通过跟踪包络信号动态调节供电电压，进而提高线性功率放大器的效率，对包络跟踪电源的精度要求相对较低，另有数字预失真(Digital Pre-Distortion，DPD)等方法提高功放的线性度。
包络信号跟踪电源调制器对带宽要求较高。现代通讯系统中射频包络信号具有较高的带宽，例WCDMA单载波为5MHz，4载波为20MHz。由于线性调节电源的效率较低，通常需要高带宽的开关电源辅助，以达到效率和带宽的优化平衡。
如图1所示，传统脉宽调制方式(PWM)的开关电源(Class-S)由于需要接电感103、电容104等耦合器件，其带宽受开关器件的开关频率限制较大，实际应用时，开关频率通常是带宽的5倍以上。此外，对于图1所示的常用降压型电路，开关管压降需高于输出电压的峰值，造成开关损耗的进一步增加，因此，在高带宽应用中高频器件的选择和开关损耗都是较大的问题。
如图2所示，交错方式的多相开关电路并联方案，可有效降低各相电路的开关频率，但其开关损耗问题与单相电路相同，并且增加电路复杂性，存在因此带来的各相电流不平衡问题，造成导通损耗的进一步增加。在跟踪射频包络信号等复杂信号时，各相电流的不平衡问题控制也更困难。
如图3所示，通过切换多路输入电压的Class-G方式，可通过选通第一开关管306、第二开关管307或第三开关管308，从多个直流电压源中选择一个输出电压，输出多级电压的方式可有效降低开关频率，并且无需电感、电容等耦合器件，带宽可以提高，通过切入高效的第一直流电压源301、第二直流电压源302和第三直流电压源303，其效率也较高。但其可输出电压的级数与输入电压源的数目相同，因此，跟踪精度较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种电源调制器及电源调制方法，实现通过较少的输入电压达到较高的跟踪精度。
为解决上述技术问题，本发明的一种电源调制器，包括：隔离电源、幅值产生电路和控制器，隔离电源和幅值产生电路分别为N(N＞1)个，每个隔离电源与一个对应的幅值产生电路连接，各幅值产生电路的输出端串联，控制器分别与每个幅值产生电路连接，其中：
隔离电源向幅值产生电路输出参考供电信号；
控制器接收待跟踪参考信号，根据该待跟踪参考信号的幅值，确定各幅值产生电路的输出电信号的幅值，并向各幅值产生电路发送控制信号；
幅值产生电路在接收到控制信号后，采用参考供电信号，根据控制信号输出电信号，各幅值产生电路串联输出。
进一步地，幅值产生电路为M幅值产生电路，输出M种幅值的电信号，其中，M＞1。
进一步地，隔离电源输出的参考供电信号为M0～N-1×X，其中，X为基准电信号。
进一步地，幅值产生电路为半桥型电路或全桥型电路。
进一步地，控制器确定各幅值产生电路的输出电信号的幅值，并发送控制信号的过程包括：
预先确定与待跟踪参考信号的不同幅值对应的各幅值产生电路输出的电信号的幅值，确定各幅值产生电路在输出不同幅值的电信号时该幅值产生电路的开关器件的开闭状态信息；
根据所接收到的待跟踪参考信号的幅值，查询开关器件的开闭状态信息，按照该查询到的开闭状态信息向幅值产生电路发生控制信号。
进一步地，该电源调制器还包括隔离偏置电源；
隔离偏置电源串联在隔离电源中，用于调节幅值产生电路串联输出的直流偏置电压。
进一步地，该电源调制器还包括线性调节器；
线性调节器的电源端子与幅值产生电路的串联输出连接，线性调节器的输入端接收待跟踪参考信号，线性调节器的输出端与负载连接，用于补偿幅值产生电路的串联输出与待跟踪参考信号之间的误差。
进一步地，该电源调制器还包括线性调节器；
线性调节器采用独立供电，线性调节器的输入端接收待跟踪参考信号，线性调节器的输出端与幅值产生电路的串联输出串行连接，用于补偿幅值产生电路的串联输出与待跟踪参考信号之间的误差。
进一步地，一种电源调制方法，包括：
隔离电源向幅值产生电路输出参考供电信号，隔离电源和幅值产生电路分别为N(N＞1)个，每个隔离电源与一个对应的幅值产生电路连接，各幅值产生电路的输出端串联；
控制器接收待跟踪参考信号，根据该待跟踪参考信号的幅值，确定各幅值产生电路的输出电信号的幅值，并向各幅值产生电路发送控制信号；
幅值产生电路在接收到控制信号后，采用参考供电信号，根据控制信号输出电信号，各幅值产生电路串联输出。
进一步地，幅值产生电路为M幅值产生电路，输出M种幅值的电信号，其中，M＞1；
隔离电源输出的参考供电电压为M0～N-1×X，其中，X为基准电信号。
综上所述，本发明的电源调制器输出的电信号由多个幅值产生电路输出的电信号叠加而成，由隔离电源向幅值产生电路输出参考供电信号，可以对隔离电源的输出进行权重配置，如采用二进制权重，即隔离电源的输出为1×X、2×X、4×X...2N-1×X等，可实现N路输入电源输出2N组电信号的功能，或采用三进制权重，即隔离电源的输出为1×X、3×X、9×X...3N-1×X等，可以实现N路输入电源输出3N组电信号的功能，本发明可通过较少的输入电源实现较高的输出信号跟踪精度，并可同时优化器件损耗，提高转换效率，而且开关速度最高的开关管对应权重最低的输入电信号，可有效优化开关损耗和器件的选型，相对于现有电源调制器技术，具有跟踪精度高，带宽与效率优化和电路简单等特点。
附图说明
图1为现有技术中的一种开关电源示意图；
图2为现有技术中交错并联的多相开关电路示意图；
图3为现有技术中多路输入电源切换方式示意图；
图4为本实施方式电源调制器的结构示意图；
图5为本实施方式采用M幅值产生电路时的结构示意图；
图6为本实施方式第一示例的结构示意图；
图7为本实施方式第二示例的结构示意图；
图8为本实施方式第三示例的示意图；
图9为本实施方式控制器控制幅值产生电路的方法的流程图；
图10为本实施方式控制器采用ADC的示例的示意图；
图11为本实施方式的一种控制信号及跟踪电压波形示意图；
图12为本实施方式采用隔离偏置电源时的结构示意图；
图13为本实施方式的一种跟踪电压波形示意图；
图14为本实施方式的另一种跟踪电压波形示意图；
图15为本实施方式一种采用线性调节器的结构示意图；
图16为本实施方式另一种采用线性调节器的结构示意图。
具体实施方式
本实施方式中通过隔离电源提供各种隔离的参考供电信号，控制器接收待跟踪参考信号，确定各组幅值产生电路的输出电信号的幅值，向各组幅值产生电路输出控制信号，幅值产生电路接收控制器发出的控制信号，采用隔离电源的参考供电电信号产生输出电信号幅值，各组输出电信号幅值叠加组成最终输出电信号。本实施方式适用于对输出电压有跟踪调制要求的供电、功率放大场合、功率放大器的供电装置及有源滤波等应用。
本实施方式可以设置不同输出权重的隔离电源，幅值产生电路输出不同幅值的电信号，控制器根据待跟踪参考信号的幅值，选通一组或多组幅值产生电路输出，组合得到最接近待跟踪参考信号的输出。通过权重分配，可实现通过最少的输入电源得到最多的不同幅值的输出，提高跟踪精度，同时减少开关管等器件的数量，并可实现开关速度最高的开关管对应权重最低的输入电压，有效优化开关损耗和器件的选型。
下面结合附图对本实施方式进行详细说明。
图4为本实施方式的电源调制器，包括：隔离电源、幅值产生电路和控制器，隔离电源和幅值产生电路为N(N＞1)个，隔离电源与幅值产生电路一一对应连接，各幅值产生电路的输出端串联，控制器分别与每个幅值产生电路连接。
图4中以三个隔离电源为例，第一隔离电源401、第二隔离电源402和第三隔离电源403，分别输出参考供电信号，如电压1、电压2和电压N，电压1、电压2和电压N分别输出给对应的第一幅值产生电路407、第二幅值产生电路408和第三幅值产生电路409。控制器415根据待跟踪参考信号，确定各幅值产生电路的输出电信号(如电压)的幅值，并向各幅值产生电路发送控制信号。各幅值产生电路采用隔离电源的输出电压根据控制信号，分别产生幅值为幅值1、幅值2和幅值N的电压，各幅值产生电路的电压串联后为负载413供电。
图5是本实施方式幅值产生电路为能够产生M种幅值的M幅值产生电路，M＞1，隔离电源按照权重输出电压的方案，其中：
第一幅值产生电路407、第二幅值产生电路408和第三幅值产生电路409均为M幅值产生电路，可以根据对应的隔离电源输入的参考电压输出M种幅值的电压。由此分配第一隔离电源401的输出电压为M0×X，第二隔离电源402的输出电压为M1×X，第三隔离电源403的输出电压为MN-1×X，X为基准电压表示最小电压精度，例如，X可以取待跟踪参考信号幅值峰值除以输出电压的幅值数MN。也可以将第三隔离电源403的输出电压配置为M0×X，第一隔离电源401的输出电压配置为MN-1×X，在此，并不对具体隔离电源的输出电压的进行限定。
图6为本实施方式的一种N＝3，M＝2的示例，即采用3个隔离电源和3个2幅值产生电路，其中，3个隔离电源可以采用独立电源，也可以采用图6中的带3路变压器隔离输出的隔离电源，各路隔离输出电压分别为1×X、2×X和4×X；幅值产生电路可由图中的半桥型电路实现，其中，如第一幅值产生电路407包括开关器件，开关器件为开关管或二极管，其中开关管可以是Mosfet、IGBT和双极性晶体管等。若第一开关管6051导通第二开关管6052关断，第一幅值产生电路407输出幅值为1×X的电压，若第一开关管6051关断第二开关管6052导通，第一幅值产生电路407输出电压为0。以此类推，第二幅值产生电路408输出电压的幅值可以为0或2×X，第三幅值产生电路409输出电压的幅值可以为0或4×X。因为幅值产生电路的输出端串联，所以控制器415根据待跟踪参考信号控制各开关管的通断，可以实现0～7×X共8组幅值的输出电压，精度为1×X。例如，控制第一幅值产生电路407输出1×X，第二幅值产生电路408输出0，第三幅值产生电路409输出4×X，实现串联输出5×X幅值的输出电压。
图7是本实施方式的一种N＝3，M＝3的示例，即采用3个隔离电源和3个3幅值产生电路。其中，3个隔离电源可以采用独立电源，也可以采用图7中的带3路变压器隔离输出的隔离电源实现，各路隔离输出电压分别为1×X、3×X和9×X，其中第一幅值产生电路407、第二幅值产生电路408和第三幅值产生电路409采用3幅值产生电路，可以由图中的全桥型电路实现，其中，如第一幅值产生电路407包括：开关管或二极管，其中开关管可以是Mosfet、IGBT和双极性晶体管等。若第三开关管7051和第六开关管7054导通第四开关管7052和第五开关管7053关断，则第一幅值产生电路407输出电压为-1×X，若第三开关管7051和第六开关管7054关断第四开关管7052和第五开关管7053导通，则第一幅值产生电路407输出电压为+1×X。若第三开关管7051和第四开关管7052同时导通，或者第五开关管7053和第六开关管7054同时导通，则第一幅值产生电路407输出电压为0。以此类推，第二幅值产生电路408的输出电压可以为0、-3×X和+3×X，第三幅值产生电路409的输出电压可以为0、-9×X和+9×X。控制器415根据待跟踪参考信号控制各开关管的通断，可实现-13×X～+13×X共27组幅值的输出电压，精度为1×X。本例中由于可能有负电流的产生，各隔离电源的输出级可能使用图中所示的同步整流(第八开关管7011和第九开关管7012)方式。
本实施方式中，各个幅值产生电路不一定相同，图8是混合2幅值产生电路和3幅值产生电路的示例，其中第一幅值产生电路407为2幅值产生电路，第二幅值产生电路408和第三幅值产生电路409为3幅值产生电路。
图9是本实施方式中控制器对幅值产生电路进行控制的方法，包括：
901：控制器接收待跟踪参考信号；
902：控制器根据接收到的待跟踪参考信号的幅值的大小，确定各路幅值产生电路需要输出的电压的幅值；
确定各幅值产生电路输出的电压的幅值时，预先确定与所述待跟踪参考信号的不同幅值对应的各幅值产生电路输出的电信号的幅值，确定各幅值产生电路在输出不同幅值的电信号时该幅值产生电路的开关器件的开闭状态信息；根据所接收到的待跟踪参考信号的幅值，查询所述开关器件的开闭状态信息，按照该查询到的开闭状态信息向所述幅值产生电路发生控制信号。
例如，可以采用查表法，表1为针对图6所示的实施例的一种查表方式，根据待跟踪参考信号的幅值的区间，查表1可得到各幅值产生电路的控制信号，其中控制信号1表示上管(第二开关管6052、第八开关管6062、第十开关管6072)导通，(第一开关管6051、第七开关管6061、第九开关管6071)关断。控制信号0表示上管关断，下管导通。此外，也可以通过十进制转二进制的方法实现，其中二进制结果的最低位为第一幅值产生电路407的控制信号，第2位为第二幅值产生电路408的控制信号，第3位为第三幅值产生电路409的控制信号。本实施方式的控制并不限定如上具体方式，满足各幅值产生电路的输出电压相加最接近于待跟踪参考信号的控制方式均可。
表1
Figure BSA00000159985600091
903：控制器向各幅值产生电路输出控制信号。
其中，所述控制器可以为DSP，FPGA和CPLD等数字控制，也可以是比较器等实现的模拟控制。
图10是针对图6的实施方式采用ADC(模拟数字转换器)实现控制器415，其中ADC的最低加权位(Least Significant Bit，LSB)输出控制最低权重的第一幅值产生电路407，最高加权位(Most Significant Bit，MSB)输出控制最高权重的第三幅值产生电路409。
图11为图10的实施方式的控制信号波形示意图，1101为本实施方式的电源调制器的输出电压，1102为待跟踪参考信号，最低加权位LSB的输出1103为第一幅值产生电路407的控制信号，最高加权位的输出1105为第三幅值产生电路409的控制信号。图中控制信号为高电平时表示上管导通，下管关断。控制信号为低电平时则上管关断，下管导通。由此可见，频率最高的控制信号1103对应权重最低的第一幅值产生电路407，由于开关器件的开关损耗跟开关频率及开关管承受的平方成正比，此配置可有效优化开关型电路的开关损耗和器件选型。
图12为在图10的实施方式的基础上在隔离电源中串联一路隔离偏置电源1202，可以根据需要调节电源调制器输出的直流偏置电压。由于隔离偏置电源1202输出电压的不同，图12所示电源调制器输出的跟踪波形可以如图13或图14所示。图13中，电源调制器输出电压1302高于待跟踪参考信号1301，可满足功放供电中供电电压高于被放大信号幅值的要求。图14中，电源调制器输出电压1402介于待跟踪参考信号1301上下，可通过滤波器等方式输出电压接近于待跟踪参考信号。
为提高跟踪精度，图15为本实施方式的电源调制器与线性调节器结合的一种实施例，本实施方式的线性调节器的电源端子与幅值产生电路的串联输出连接，幅值产生电路输出电压1502供电给线性调节器1501，线性调节器的输入端接收待跟踪参考信号，线性调节器1501的输出1503供电给负载413。通过调节偏置电源1202可使本实施方式的幅值产生电路输出电压1502高于待跟踪参考信号，保证线性调节器正常工作。线性调节器可以通过反馈1504来提高跟踪精度。线性调节器可能用于补偿图13所示的输出电压与待跟踪参考信号之间的误差。
图16为本实施方式的电源调制器与线性调节器结合的另一种实施例，线性调节器1601采用独立供电1602和1603，线性调节器输出1605与幅值产生电路的输出串行连接，给负载供电。线性调节可以通过引入反馈1604来提高跟踪精度。线性调节器可能用于补偿图14所示电源调制器的输出电压与待跟踪参考信号之间的误差。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电源调制器，包括：隔离电源、幅值产生电路和控制器，所述隔离电源和幅值产生电路分别为N(N＞1)个，每个隔离电源与一个对应的幅值产生电路连接，各幅值产生电路的输出端串联，所述控制器分别与每个幅值产生电路连接，其中：
所述隔离电源向所述幅值产生电路输出参考供电信号；
所述控制器接收待跟踪参考信号，根据该待跟踪参考信号的幅值，确定各幅值产生电路的输出电信号的幅值，并向各幅值产生电路发送控制信号；
所述幅值产生电路在接收到所述控制信号后，采用所述参考供电信号，根据所述控制信号输出电信号，各幅值产生电路串联输出。
2.如权利要求1所述的电源调制器，其特征在于：
所述幅值产生电路为M幅值产生电路，输出M种幅值的电信号，其中，M＞1。
3.如权利要求2所述的电源调制器，其特征在于：
所述隔离电源输出的参考供电信号为M0～N-1×X，其中，X为基准电信号。
4.如权利要求3所述的电源调制器，其特征在于：
所述幅值产生电路为半桥型电路或全桥型电路。
5.如权利要求4所述的电源调制器，其特征在于，所述控制器确定各幅值产生电路的输出电信号的幅值，并发送控制信号的过程包括：
预先确定与所述待跟踪参考信号的不同幅值对应的各幅值产生电路输出的电信号的幅值，确定各幅值产生电路在输出不同幅值的电信号时该幅值产生电路的开关器件的开闭状态信息；
根据所接收到的待跟踪参考信号的幅值，查询所述开关器件的开闭状态信息，按照该查询到的开闭状态信息向所述幅值产生电路发生控制信号。
6.如权利要求1所述的电源调制器，其特征在于，该电源调制器还包括隔离偏置电源；
所述隔离偏置电源串联在所述隔离电源中，用于调节所述幅值产生电路串联输出的直流偏置电压。
7.如权利要求1或6所述的电源调制器，其特征在于，该电源调制器还包括线性调节器；
所述线性调节器的电源端子与所述幅值产生电路的串联输出连接，所述线性调节器的输入端接收所述待跟踪参考信号，所述线性调节器的输出端与负载连接，用于补偿所述幅值产生电路的串联输出与所述待跟踪参考信号之间的误差。
8.如权利要求1或6所述的电源调制器，其特征在于，该电源调制器还包括线性调节器；
所述线性调节器采用独立供电，所述线性调节器的输入端接收所述待跟踪参考信号，所述线性调节器的输出端与所述幅值产生电路的串联输出串行连接，用于补偿所述幅值产生电路的串联输出与所述待跟踪参考信号之间的误差。
9.一种电源调制方法，包括：
隔离电源向幅值产生电路输出参考供电信号，所述隔离电源和幅值产生电路分别为N(N＞1)个，每个隔离电源与一个对应的幅值产生电路连接，各幅值产生电路的输出端串联；
控制器接收待跟踪参考信号，根据该待跟踪参考信号的幅值，确定各幅值产生电路的输出电信号的幅值，并向各幅值产生电路发送控制信号；
所述幅值产生电路在接收到所述控制信号后，采用所述参考供电信号，根据所述控制信号输出电信号，各幅值产生电路串联输出。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述幅值产生电路为M幅值产生电路，输出M种幅值的电信号，其中，M＞1；
所述隔离电源输出的参考供电电压为M0～N-1×X，其中，X为基准电信号。
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