CN102624339A - 一种串联结构包络线跟踪电源及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种串联结构包络线跟踪电源，包括A类线性放大器、输出电压控制电路和阶梯波电压产生单元，其中，输出电压控制电路包括采样电路、电压调节器、差分隔离信号传递电路和增益匹配电路；A类线性放大器的输出电压与阶梯波电压产生单元的输出电压相叠加形成输出电压，所述输出电压经过采样电路与参考电压相比较，其误差信号经过电压调节器调节，依次经由差分隔离信号传递电路和增益匹配电路传递至A类线性放大器，从而实现包络线跟踪电源输出电压的闭环调节。此结构可减小A类线性放大器输出电压的摆幅，提高包络线跟踪电源输出电压的变化范围。本发明还公开一种针对前述串联结构包络线跟踪电源的控制系统。

Description

一种串联结构包络线跟踪电源及其控制系统

技术领域

本发明属于通信及功率变换技术，特别涉及一种应用于无线通信基站供电系统的串联结构包络线跟踪电源及其控制系统。

背景技术

功率放大器(Power Amplifier，PA)在移动通信手机基站中承担着重要的作用，同时其功率消耗也达到基站功率的50％。传统的移动通信采用诸如频移键控和相移键控等数字调制方式，其PA的射频(Radio Frequency，RF)输入信号的包络线幅值是恒定的，采用恒定电压供电的非线性PA可以对信号实现高效的放大。然而，随着移动通信用户数量的迅猛增长以及人们对数据传输率要求的进一步提高，第三代(3rd Generation，3G)移动通信是发展的必然趋势。与传统方式不同，3G通信采用诸如正交相移键控和正交幅值调制等调制方式，数据脉冲的包络线不再恒定不变。若仍采用恒定电压为PA供电，则会产生较大的功率损耗，PA的效率仅为15％左右。因此，供电电压最好跟随RF输入信号包络线的变化而变化，即采用包络线跟踪技术(Envelope Tracking，ET)。据相关研究报道，对一个欧洲典型通信网络而言，3G通信时采用ET技术，将比传统供电方式每年节省28兆瓦的功率消耗和3000万美元的电费开支，并可减少11万吨的CO₂排放。

现阶段，国际电信联盟确定的3G主流无线接口标准主要有WCDMA，CDMA2000和TD-SCDMA三种，而无论采用哪种标准，其RF输入信号都具有多载波和非恒定包络的共同特点。因此，包络线跟踪电源具有广阔的应用前景和巨大的社会、经济价值，同时对保护环境和减弱温室效应也具有重要的现实意义。

由于ET电源所需跟踪的是RF信号的包络线，因此其必须满足高带宽(最高达几十MHz)的要求。而开关变换器直接跟踪变化幅值的参考信号时，开关频率往往需要达到参考信号频率的5～10倍，这限制了包络线跟踪电源跟踪带宽的提高。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种串联结构包络线跟踪电源，其采用阶梯波电压产生单元和A类线性放大器串联结构，其可以减小A类线性放大器输出电压的摆幅，提高包络线跟踪电源输出电压的变化范围。

本发明的另一目的，在于提供一种串联结构包络线跟踪电源的控制系统，针对包络线跟踪电源基本控制策略中闭环无法有效抑制阶梯波电压对输出电压影响的问题，采用阶梯波电压前馈方法，同时采用频率补偿方法扩展级联运放的等效级联带宽，保证前馈控制策略相对低频部分的实现；以及输出电压高频尖峰抑制方法以匹配阶梯波电压到输出电压间两条通路的传递函数，消除阶梯波电压中高频分量对输出电压的影响，从而提高跟踪电源输出电压的线性度及跟踪效果。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种串联结构包络线跟踪电源，包括A类线性放大器、输出电压控制电路和阶梯波电压产生单元，其中，输出电压控制电路包括采样电路、电压调节器、差分隔离信号传递电路和增益匹配电路；A类线性放大器的输出电压与阶梯波电压产生单元的输出电压相叠加形成输出电压，所述输出电压经过采样电路与参考电压相比较，其误差信号经过电压调节器调节，依次经由差分隔离信号传递电路的一个输入端和增益匹配电路传递至A类线性放大器，所述差分隔离信号传递电路的另一个输入端接地，从而实现包络线跟踪电源输出电压的闭环调节。

上述A类线性放大器包括调整管和直流偏置电源，所述调整管的栅极连接输出电压控制电路中增益匹配电路的输出端，其源极连接采样电路的输入端，而漏极连接直流偏置电源的正极，所述直流偏置电源的负极连接阶梯波电压产生单元的输出正端。

一种如前所述的串联结构包络线跟踪电源的控制系统，包括包含有频率补偿电路的阶梯波电压前馈电路和高频尖峰抑制电路，其中，阶梯波电压前馈电路的一个输入端接地，另一个输入端连接阶梯波电压产生单元的输出正端，所述阶梯波电压前馈电路的输出端连接差分隔离信号传递电路的接地端；高频尖峰抑制电路的一个输入端连接阶梯波电压产生单元的输出正端，另一个输入端接地，而所述高频尖峰抑制电路的输出正端连接A类线性放大器的参考地端，输出负端接地。

上述阶梯波电压前馈电路包括4个电阻和1个运算放大器，第一电阻的一端接地，另一端分别连接第二电阻的一端和运算放大器的反相输入端，而第二电阻的另一端连接运算放大器的输出端，并连接至差分隔离信号传递电路的接地端；第三电阻的一端连接阶梯波电压产生单元的输出正端，另一端分别连接第四电阻的一端和运算放大器的同相输入端，而第四电阻的另一端接地；所述频率补偿电路包括2个电阻和2个电容，第五电阻和第一电容串联后，并接在第一电阻的两端，第六电阻和第二电容串联后，并接在第三电阻的两端。

采用上述方案后，本发明与现有技术相比，其主要特点如下：

(1)线性放大器的输出电压叠加在阶梯波电压产生单元的输出电压之上，以阶梯波电压的输出正端作为线性放大器的参考地，并采用差分隔离信号传递电路进行不同参考地之间的控制信号传递；

(2)对跟踪电源采用前馈控制，包括阶梯波电压前馈电路、频率补偿电路和高频尖峰抑制电路，从而进一步提高输出电压的线性度及跟踪效果。

附图说明

图1是本发明包络线跟踪电源串联组合结构示意图；

图2是图1中差分隔离信号传递电路和增益匹配电路的具体电路结构图；

图3是不考虑运放带宽限制的系统控制框图；

图4是未加入前馈控制电路的输出电压波形图；

图5是加入阶梯波电压前馈后的系统控制框图；

图6是前馈控制电路结构示意图；

图7是加入前馈控制电路并考虑运放带宽限制的系统控制框图；

图8是加入前馈控制电路后的输出电压波形。

上述附图中的主要符号名称：Q₁为A类线性放大器的调整管，V_linear为其漏极偏置电压，v_{g_linear}为其栅极输入电压，v_{o_linear}为A类线性放大器的输出电压。v_{o_multi}是阶梯波电压产生单元的输出电压；R_L为负载电阻，v_ref是输出电压参考信号，v_o是最终输出电压，R_u和R_d是输出电压采样电路的分压电阻，v_{o_Gv}是电压调节器的输出电压，v_ff是前馈电路输出电压(无前馈时，接GND信号)。OP₁以及R₁，R₂分别为差分隔离信号传递电路的运算放大器和相应电阻，OP₂以及R₃，R₄分别为增益匹配电路的运算放大器和相应电阻；K₁和K₂分别是OP₁和OP₂的直流电压增益，G_v(s)是电压调节器的传递函数，G_lin(s)是A类线性放大器的电压传递函数，H(s)是输出电压采样系数；OP₃为阶梯波电压前馈电路&频率补偿电路的运算放大器，K₃为其直流电压增益，R_p、R_z、R_k和C_z分别为其外围电路中的电阻和电容；L和C分别是高频尖峰抑制电路的电感和电容，v’_{o_multi}是阶梯波电压经过高频尖峰抑制电路之后的电压；T₁、T₂和T₃分别是运算放大器OP₁、OP₂和OP₃的主极点常数，T_main是运算放大器级联通路中最低频率的主极点常数。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种串联结构包络线跟踪电源，包括A类线性放大器、输出电压控制电路和阶梯波电压产生单元，其中，输出电压控制电路包括采样电路、电压调节器、差分隔离信号传递电路和增益匹配电路，所述A类线性放大器的输出电压叠加在阶梯波电压产生单元的输出电压之上，并采用差分运算放大器件进行不同参考地之间的控制信号传递。

图1给出了包络线跟踪电源串联组合结构的示意图，图中A类线性放大器与阶梯波电压产生单元相串联，A类线性放大器的输出电压与阶梯波电压产生单元的输出电压相叠加组成最终的输出电压。包络线跟踪电源的参考信号为所需要跟踪的包络线信号，输出电压经过采样电路与参考电压相比较，其误差信号经过电压调节器调节，依次经由差分隔离信号传递电路和增益匹配电路传递至A类线性放大器中调整管Q₁的栅极，从而实现包络线跟踪电源输出电压的闭环调节。图2是所述差分隔离信号传递电路和增益匹配电路的电路连接结构示意图。图3给出了不考虑运放带宽限制时的系统控制框图，图中可以得到输出电压的频域表达式：

$v_o\left(s\right)=\frac{1}{H\left(s\right)}\frac{T\left(s\right)}{1+T\left(s\right)}\·v_{\mathrm{ref}}\left(s\right)+\frac{1}{1+T\left(s\right)}\·v_{o\_\mathrm{multi}}\left(s\right)---\left(1\right)$

式中环路增益T(s)＝G_v(s)·K₁·K₂·G_lin(s)·H(s)。

由式(1)可知，输出电压v_o(s)是参考信号v_ref(s)以及阶梯波电压v_{o_multi}(s)的函数。为使得输出电压很好地跟踪参考信号而不受阶梯波电压的影响，环路增益T(s)的幅值必须尽量取大。但是，由于v_{o_multi}(s)为阶梯波电压，其频率分量非常丰富，而环路增益T(s)的幅值无法满足所有频率范围内均远大于1的要求，因此无法得到期望的理想输出波形。图4给出了未加入前馈控制电路时的参考信号和输出电压波形。很明显，由于受到v_{o_multi}的影响，输出电压波形上出现了明显的尖刺。为使得输出电压很好地跟踪参考信号而不受阶梯波电压的影响，本发明还提供一种针对前述串联结构包络线跟踪电源的控制系统，如图6所示，所述控制系统包括阶梯波电压前馈电路、频率补偿电路和高频尖峰抑制电路。

其中，阶梯波电压前馈电路包含两条对称的串联支路，其一个输入端接地，该支路的另一端连接差分隔离信号传递电路的一端v_ff，替代原有的接地电路，另一个输入端连接阶梯波电压产生单元的输出电压v_{o_multi}，该支路的输出端接地；所述频率补偿电路包含两条相同的串联支路，两条串联支路均包含1个电阻和1个电容，电阻R_p和电容C_z串联后，再并联在电阻R_z的两端。

高频尖峰抑制电路的一个输入端连接阶梯波电压产生单元的输出电压v_{o_multi}，另一个输入端接地，而所述高频尖峰抑制电路的输出正端连接A类线性放大器中直流偏置电源的负极，输出负端接地。

图5给出了加入阶梯波电压前馈电路后的控制框图。其中，K₃＝1/(K₁K₂)。加入阶梯波电压前馈电路理论上可以完全消除v_{o_multi}对v_o的影响，但在实际电路中，由于运算放大器存在带宽限制，而这会对实际前馈方法的作用产生较大的影响。为解决这个问题，加入频率补偿电路以扩展运放级联通路的有效带宽；同时加入输出电压高频尖峰抑制电路以匹配阶梯波电压到输出电压间两条通路的传递函数，消除阶梯波电压中高频分量对输出电压的影响。图6给出了完整的串联结构包络线跟踪电源前馈控制电路图。图中阶梯波电压前馈电路&频率补偿电路部分的电压传递函数为：

$\frac{v_{\mathrm{ff}}\left(s\right)}{v_{o\_\mathrm{multi}}\left(s\right)}=\frac{R_k}{R_z\left|\right|[R_p+1/\left(C_{s}s\right)]}=\frac{R_k[(R_z+R_p)C_{z}s+1]}{R_z(R_p{C}_{z}s+1)}---\left(2\right)$

由式(2)可知，该表达式中包含直流增益为R_k/R_z，零点常数为(R_z+R_p)C_z，极点常数为R_pC_z。

图7给出了加入完整前馈控制电路后的系统控制框图，由图可得v_{o_multi}到v’_{o_multi}的传递函数以及v_{o_multi}到v_{o_linear}的传递函数：

$G_{\mathrm{LC}}=\frac{v_{o\_\mathrm{multi}}^{\′}}{v_{o\_\mathrm{multi}}}=\frac{(1+T)+T_{\mathrm{cas}\_c}\frac{\mathrm{sL}}{R_L}}{(1+T)(1+s^2\mathrm{LC})+\frac{\mathrm{sL}}{R_L}}---\left(3\right)$

$G_{\mathrm{vo}\_\mathrm{multi}-\mathrm{vo}\_\mathrm{lin}}=\frac{v_{o\_\mathrm{linear}}}{v_{o\_\mathrm{multi}}}=-\frac{T_{\mathrm{cas}\_c}(1+s^2\mathrm{LC}+\frac{\mathrm{sL}}{R_L})+T}{(1+T)(1+s^2\mathrm{LC})+\frac{\mathrm{sL}}{R_L}}---\left(4\right)$

其中，T_{cas_c}(s)为加入频率补偿电路后运放级联通路的传递函数，其表达式为：

$T_{\mathrm{cas}\_c}\left(s\right)=\frac{K_1{K}_2{K}_3(T_{\mathrm{main}}s+1)}{(T_{1}s+1)(T_{2}s+1)(T_{3}s+1)(0.1T_{\mathrm{main}}s+1)}---\left(5\right)$

T(s)的表达式为：

$T\left(s\right)=H\left(s\right)G_v\left(s\right)\frac{K_1{K}_2}{(T_{1}s+1)(T_{2}s+1)}---\left(6\right)$

式(3)和式(4)相加可得到v_{o_multi}到v_o的传递函数为：

$G_{\mathrm{vo}\_\mathrm{multi}-\mathrm{vo}}=\frac{v_o}{v_{o\_\mathrm{multi}}}=G_{\mathrm{LC}}+G_{\mathrm{vo}\_\mathrm{multi}-\mathrm{vo}\_\mathrm{lin}}=\frac{1-T_{\mathrm{cas}\_c}(1+s^2\mathrm{LC})}{(1+T)(1+s^2\mathrm{LC})+\frac{\mathrm{sL}}{R_L}}---\left(7\right)$

为了扩展运放级联通路的有效带宽，可将式(2)中相应的直流增益及零极点常数与图7中相对应，以补偿前馈通路中的主极点；同时合理选取LC参数，使得阶梯波电压到输出电压间两条通路的传递函数，即v_{o_multi}到v’_{o_multi}的传递函数和v_{o_multi}到v_{o_linear}的传递函数相匹配，即式(7)的幅值尽可能小，从而抑制阶梯波电压中高频分量对输出电压的影响。图8给出了加入完整前馈控制电路后的参考信号与输出电压波形，与图4形成鲜明对比，加入前馈控制电路以后基本消除了阶梯波电压对输出电压造成的影响，消除了输出电压上的高频尖刺，提高了输出电压的线性度。

本发明的具体实例如下，其主要性能参数如下：

参考信号v_ref：1V～3.2V正弦波；输出电压v_o：10V～32V正弦波；跟踪频率f_r：300kHz；负载电阻R_L：22Ω。

由以上描述可知，本发明提出的包络线跟踪电源串联组合结构和前馈控制方法具有如下优点：

(1)A类线性放大器的输出电压叠加在阶梯波电压产生单元的输出电压之上，以阶梯波电压的正输出端为参考地，减小了线性放大电路出输出电压的摆幅，具有较强的跟踪大摆幅信号的能力；

(2)引入阶梯波电压的前馈控制电路，抑制其对输出电压的影响；

(3)采用频率补偿方法扩展运放级联通路的有效带宽，同时采用输出电压高频尖峰抑制方法以匹配阶梯波电压到输出电压间两条通路间的传递函数，提高输出电压的线性度。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种串联结构包络线跟踪电源，其特征在于：包括A类线性放大器、输出电压控制电路和阶梯波电压产生单元，其中，输出电压控制电路包括采样电路、电压调节器、差分隔离信号传递电路和增益匹配电路；A类线性放大器的输出电压与阶梯波电压产生单元的输出电压相叠加形成输出电压，所述输出电压经过采样电路与参考电压相比较，其误差信号经过电压调节器调节，依次经由差分隔离信号传递电路的一个输入端和增益匹配电路传递至A类线性放大器，所述差分隔离信号传递电路的另一个输入端接地，从而实现包络线跟踪电源输出电压的闭环调节。

2.如权利要求1所述的一种串联结构包络线跟踪电源，其特征在于：所述A类线性放大器包括调整管和直流偏置电源，所述调整管的栅极连接输出电压控制电路中增益匹配电路的输出端，其源极连接采样电路的输入端，而漏极连接直流偏置电源的正极，所述直流偏置电源的负极连接阶梯波电压产生单元的输出正端。

3.一种如权利要求1所述的串联结构包络线跟踪电源的控制系统，其特征在于：包括包含有频率补偿电路的阶梯波电压前馈电路和高频尖峰抑制电路，其中，阶梯波电压前馈电路的一个输入端接地，另一个输入端连接阶梯波电压产生单元的输出正端，所述阶梯波电压前馈电路的输出端连接差分隔离信号传递电路的接地端；高频尖峰抑制电路的一个输入端连接阶梯波电压产生单元的输出正端，另一个输入端接地，而所述高频尖峰抑制电路的输出正端连接A类线性放大器的参考地端，输出负端接地。

4.如权利要求3所述的一种串联结构包络线跟踪电源的控制系统，其特征在于：所述阶梯波电压前馈电路包括4个电阻和1个运算放大器，第一电阻的一端接地，另一端分别连接第二电阻的一端和运算放大器的反相输入端，而第二电阻的另一端连接运算放大器的输出端，并连接至差分隔离信号传递电路的接地端；第三电阻的一端连接阶梯波电压产生单元的输出正端，另一端分别连接第四电阻的一端和运算放大器的同相输入端，而第四电阻的另一端接地；所述频率补偿电路包括2个电阻和2个电容，第五电阻和第一电容串联后，并接在第一电阻的两端，第六电阻和第二电容串联后，并接在第三电阻的两端。

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