CN104883139A - 一种用于包络跟踪系统的双开关电源调制器 - Google Patents

一种用于包络跟踪系统的双开关电源调制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于包络跟踪系统的双开关电源调制器，属于集成电路领域，主要解决了包络跟踪功率放大器现有技术中存在的电源调制器的效率偏低，不能较好的满足系统要求的问题。本发明提供的电源调制器采用双开关变换器结构，包括线性放大器级、主开关变换器级及补偿开关级，将输出电流合并为整个电源调制器的输出信号，为射频功放供电。本发明通过加入补偿开关级对线性级输出的电流进行补偿，减少低效率的线性放大器输出电流，实现系统整体效率的提高。

Description

一种用于包络跟踪系统的双开关电源调制器
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种用于包络跟踪系统的双开关电源调制器。
背景技术
包络跟踪技术是提高功率放大器在处理高峰均功率比信号时效率的有效手段，电源调制器是包络跟踪系统中的核心部件，其效率对包络跟踪系统的整体效率具有重要影响。传统电源调制器大多采用线性放大器-开关变换器混合式结构，该种结构具有较好的线性度，同时结构简单成本较低，但效率偏低，不能很好满足系统要求。因此发明创造一种用于包络跟踪系统的高效率电源调制器结构为实际所需。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于包络跟踪系统的高效率电源调制器，主要解决现有技术存在的电源调制器效率偏低，不能较好的满足系统要求的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于包络跟踪系统的双开关电源调制器，其结构如图1所示，包括线性放大器级1、主开关变换器级2、补偿开关级3及电阻R1，所述线性放大器级1包括运算放大器U1、场效应管M1及场效应管M2，所述主开关变换器级2包括滞回比较器U2、驱动电路U3、开关U4及电感L1，所述补偿开关级3包括电阻R2、电容C1、滞回比较器U5、与门U6、驱动电路U7、开关U8及电感L2；
所述场效应管M1的源极与电源VDD连接，其漏极与场效应管M2的漏极相连，其栅极及场效应管M2的栅极均连接于运算放大器U1的输出端，场效应管M2的源极接地；输入信号Vin从运算放大器U1的正相输入端输入，运算放大器U1的负相输入端与场效应管M1的漏极连接；
所述电阻R1的一端记节点X与场效应管M1及M2的漏极相连，其另一端记节点Y与所述双开关电源调制器的输出端连接；
所述滞回比较器U2的两个输入端分别与电阻R1的两端连接，其输出端与驱动电路U3的输入端连接；驱动电路U3的输出端与开关U4的一端连接，所述开关U4的另一端通过电感L1与所述双开关电源调制器的输出端连接；所述开关U4的一端与电源VDD连接；
所述电阻R2的一端与节点X连接，其另一端与电容C1连接，电容C1的另一端接地；所述滞回比较器U5的两个输入端分别与电阻R2的两端连接，其输出端连接于与门U6的一个输入端；与门U6的另一个输入端与驱动电路U3的输入端连接，其输出端与驱动电路U7的输入端连接；开关U8的一端与驱动电路U7的输出端连接，其另一端通过电感L2与所述双开关电源调制器的输出端连接；所述开关U8的一端与电源VDD连接。
由于控制电压V1与V3的驱动能力较弱，驱动电路U3与U7的作用分别为提高控制电压V1与V3带负载的能力，使其能够驱动后级开关U4与U8。特别地，如果开关U4与U8为高电平导通、低电平断开，则驱动电路U3与U7的作用仅为提高控制电压V1与V3的驱动负载能力，而不改变控制电压V1与V3的逻辑电平；反之，如果开关U4与U8为低电平导通、高电平断开，则驱动电路U3与U7的作用除提高控制电压V1与V3的驱动负载能力外，还需对控制电压V1与V3进行反相，即使其逻辑电平反转。
进一步的，驱动电路U3及U7可采用数个反相器级联的结构，如图2所示。如果开关U4与U8为高电平导通、低电平断开，则应采用图2中的结构1，即级联反相器的个数为偶数个；如果开关U4与U8为低电平导通、高电平断开，则应采用图2中的结构2，级联反相器的个数为奇数个。
与现有技术相比，本发明具有以下有益结果：
(1)本发明提供的用于包络跟踪的双开关电源调制器方案在维持线性度、输出功率等参数合理的情况下，采用双开关级(主开关级与补偿开关级)结构，有效改善了电源调制器的效率，且结构设计巧妙，所使用元器件较少，成型后体积小巧，符合实际需求；
(2)本发明中，补偿开关级的作用为尽可能多的补偿总输出电流与主开关级提供电流的差值，即尽可能减少低效率的线性级输出的电流，从而提高电源调制器的整体效率；
(3)本发明通过对控制环路的巧妙设计，使得最终输出电流由三部分组合而成，第一部分为主开关级提供的直流与低频电流分量，其具有高效率但相对低的带宽；第二部分是线性级提供的高频电流分量，其具有低效率但相对大的带宽；第三部分是补偿开关级提供的补偿电流，其效率低于主开关级但仍远高于线性级；因此补偿开关级有效的减少了线性级提供的电流，使得整个电源调制器，乃至整个包络跟踪系统的效率得到提高，提高效率效果良好。
附图说明
图1为本发明提供的双开关电源调制器的电路原理图；
图2为本发明提供的双开关电源调制器中驱动电路的电路原理图。
具体实施方式
为了解决用于包络跟踪系统的电源调制器效率偏低的问题，本发明提供一种采用双开关变换器结构、提高系统整体效率的电源调制器，其通过加入补偿开关级对线性级输出的电流进行补偿，减少低效率的线性放大器输出电流，实现效率的提高，其主要构成以下部分：
线性放大器级，由一个高增益带宽积的运算放大器与一个AB类推挽输出级组成，其能够获得较大带宽与较好的线性度，同时具有良好的负载驱动能力和一定的电流输出能力；
主开关变换器级，由一个高速滞回比较器、驱动级和一个开关输出级组成，其具有良好的直流与低频电流输出能力；
补偿开关级，由控制采样电路、高速滞回比较器、逻辑控制电路、驱动级和一个开关输出级组成，其具有一定的较高频电流输出能力；
三者的输出电流合并为整个电源调制器的输出信号，为射频功放供电。
实施例
本实施例结构如图1所示，该电源调制器包括：线性放大器级(图1中的1区)、主开关变换器级(图1中的2区)，以及补偿开关级(图1中的3区)，I1、I2、I3和Iout指输出节点的电流流向。图1中X节点电压跟随输入电压Vin变化，电阻R1阻止很小，输出节点Y的电压近似等于节点X电压，其由线性级1决定。
当有输入时，X节点电压跟随输入电压Vin变化，线性级1在X节点输出电流到输出节点Y，这些电流在电阻R1两端形成一个电压差，比较器U2感知这一电压差输出控制电压V1为高电平，经过驱动级U3控制开关U4导通。电感L1的作用为一个积分器，使得当开关U4导通时主开关级2输出的电流随时间增加。当输入电压减小或主开关级2输出的电流超过负载需要的电流时，多余的电流由Y节点向X节点流入线性级1，使得电阻R1两端电压差极性反转，比较器U2感知极性反转后输出控制电压V1变为零，经过驱动级U3控制开关U4关断；即主开关级2提供大部分低频和直流电流分量I2。当I2<Iout时，线性级1向Y节点提供电流I1；当I2>Iout时，线性级1吸收掉多余的电流-I1。
补偿开关级3对主开关级2输出的电流I2和电源调制器的总输出电流Iout进行检测，当总输出电流Iout与主开关级电流I2差值为正值，且该差值在增大时补偿开关级3输出电流，反之则补偿开关级关断，此过程由R2和C1组成的控制采样电路来控制。其具体过程为：
当总输出电流Iout与主开关级电流I2差值为正值时，线性级1开始在X节点输出电流I1流向输出端节点Y，这些电流在电阻R1两端形成一个正的电压差，比较器U2感知这一压差输出电压V1为高电平；若I1增大，则一部分电流流经R2为电容C1充电，这些电流在电阻R2两端形成一个正的电压差，比较器U5感知这一压差输出电压V2为高电平；V1与V2经过与门U6后得到输出电压V3为高电平，再经过驱动级U7使得开关U8导通，输出补偿电流。即V1为高电平说明总输出电流Iout与主开关级电流I2差值为正，V2为高电平说明该差值在增大。反之，当电压V1与V2中任何一个为零时，电压V3为零，开关U8关断，补偿开关级不输出电流。

Claims (4)

1.一种用于包络跟踪系统的双开关电源调制器，其特征在于，包括线性放大器级(1)、主开关变换器级(2)、补偿开关级(3)及电阻(R1)，所述线性放大器级(1)包括运算放大器(U1)、场效应管(M1)及场效应管(M2)，所述主开关变换器级(2)包括滞回比较器(U2)、驱动电路(U3)、开关(U4)及电感(L1)，所述补偿开关级(3)包括电阻(R2)、电容(C1)、滞回比较器(U5)、与门(U6)、驱动电路(U7)、开关(U8)及电感(L2)；
所述场效应管(M1)的源极与电源(VDD)连接，其漏极与场效应管(M2)的漏极相连，其栅极及场效应管(M2)的栅极均连接于运算放大器(U1)的输出端，场效应管(M2)的源极接地；输入信号(Vin)从运算放大器(U1)的正相输入端输入，运算放大器(U1)的负相输入端与场效应管(M1)的漏极连接；
所述电阻(R1)的一端记节点X与场效应管(M1)、(M2)的漏极相连，其另一端记节点Y与所述双开关电源调制器的输出端连接；
所述滞回比较器(U2)的两个输入端分别与电阻(R1)的两端连接，其输出端与驱动电路(U3)的输入端连接；驱动电路(U3)的输出端与开关(U4)的一端连接，所述开关(U4)的另一端通过电感(L1)与所述双开关电源调制器的输出端连接；所述开关(U4)的一端与电源(VDD)连接；
所述电阻(R2)的一端与节点X连接，其另一端与电容(C1)连接，电容(C1)的另一端接地；所述滞回比较器(U5)的两个输入端分别与电阻(R2)的两端连接，其输出端连接于与门(U6)的一个输入端；与门(U6)的另一个输入端与驱动电路(U3)的输入端连接，其输出端与驱动电路(U7)的输入端连接；开关(U8)的一端与驱动电路(U7)的输出端连接，其另一端通过电感(L2)与所述双开关电源调制器的输出端连接；所述开关(U8)的一端与电源(VDD)连接。
2.根据权利要求1所述的用于包络跟踪系统的双开关电源调制器，其特征在于，所述驱动电路(U3)、(U7)均为数个反相器级联的结构。
3.根据权利要求2所述的用于包络跟踪系统的双开关电源调制器，其特征在于，所述开关(U4)、(U8)均为高电平导通、低电平断开的开关，且所述驱动电路(U3)、(U7)均为由偶数个反相器级联的结构。
4.根据权利要求2所述的用于包络跟踪系统的双开关电源调制器，其特征在于，所述开关(U4)、(U8)均为低电平导通、高电平断开的开关，且所述驱动电路(U3)、(U7)均为由奇数个反相器级联的结构。
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