CN105099378A - 混合功率模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的混合功率模块，用于向功率放大器提供功率。混合功率模块包含直流-直流转换器和线性稳压器。直流-直流转换器依据操作频率和包络追踪信号来经由第一电感向功率放大器提供第一电流。线性稳压器依据包络追踪信号经由第一电容向功率放大器提供第二电流。其中直流-直流转换器所引起的开关电源纹波电压由线性稳压器降低。上述混合功率模块能够改善放大器的效能和线性度。

Description

混合功率模块
技术领域
本发明是有关于混合功率模块，特别是有关于一种功率放大器的混合功率模块。
背景技术
放大器应用中，效能和线性度是主要考量。对于当前的无线通信系统，射频(RadioFrequency，RF)功率放大器消耗了便携式产品的大部分功率。由此，现有延长无线通信系统操作和待机时间的方法即提高功率放大器的效能。
随着无线通信系统的可用频谱越来越受限，高频谱效率的线性调制方案的发展日益迫切。因为许多线性调制方案的包络(envelopes)波动变化，传送给天线的平均功率水平明显低于最大功率的水平，由此使得功率放大器的效能不良。
线性调制方案需要对已调制信号的线性放大，以将频谱增长(spectralre-growth)所不需要的带外辐射最小化。但是，一般射频放大装置中使用的有源装置其本质上固有的就是非线性的。只有当消耗后的直流(DC)的一小部分转换为射频功率时，放大装置的转换函数才会近似于一直线，即运作为理想的线性放大器。这种操作模式使得直流到射频功率的转换效率低，而这是便携式(用户)无线通信单元所不能接受的。
便携式(用户)设备的重点在于延长电池寿命。为同时达到线性度和高效能，所谓的线性化技术被用于改善效率更高类别的放大器的线性度。
为有助于克服上述效能和线性度的问题，多种解决方法得以提出。其中一种技术是相关于调制功率放大器电源电压的来使其与即将由射频功率放大器传送的射频波形的包络相匹配。包络调制需要功率放大器电源提供反馈信号给放大器的控制端。上述使用包络调制的方法包括对包络的消除和恢复(EnvelopeEliminationandRestoration，EER)以及包络追踪(EnvelopeTracking，ET)。上述的两种方法都需要将宽频带电源信号应用于功率放大器的电源端。
发明内容
有鉴于此，依据本发明的示范性实施方式，提出混合功率模块，以解决上述问题。
依据本发明的第一示范性实施方式，提出一种混合功率模块，用于向功率放大器提供功率。混合功率模块包含直流-直流转换器和线性稳压器。直流-直流转换器依据操作频率和包络追踪信号来经由第一电感向功率放大器提供第一电流。线性稳压器依据包络追踪信号经由第一电容向功率放大器提供第二电流。其中直流-直流转换器所引起的开关电源纹波电压由线性稳压器降低。
依据本发明的第二示范性实施方式，提出一种混合功率模块，用于向功率放大器提供功率。混合功率模块包含直流-直流转换器和线性稳压器。直流-直流转换器依据操作频率和第一信号来经由第一电感向功率放大器提供第一电流。线性稳压器依据包络追踪信号经由第一电容向功率放大器提供第二电流，并向该直流-直流转换器提供该第一信号。其中直流-直流转换器所引起的开关电源纹波电压由线性稳压器降低。
本发明的混合功率模块能够改善放大器的效能和线性度。
附图说明
图1为依据本发明一实施方式的便携式装置的方块图。
图2是显示图1中包络追踪信号ET、电压VBAT和射频信号RFout之间关系的示意图。
图3为依据本发明一实施方式，向功率放大器提供功率的混合功率模块的示意图。
图4是显示图3中电流Ilin和电流Isw的范例示意图。
图5为依据本发明另一实施方式，向功率放大器提供功率的混合功率模块的示意图。
图6为依据本发明另一实施方式，向功率放大器提供功率的混合功率模块的示意图。
图7为依据本发明另一实施方式，向功率放大器提供功率的混合功率模块的示意图。
图8为依据本发明另一实施方式，向功率放大器提供功率的混合功率模块的示意图。
图9为依据本发明另一实施方式，向功率放大器提供功率的混合功率模块的示意图。
图10为依据本发明另一实施方式，向功率放大器提供功率的混合功率模块的示意图。
具体实施方式
下文特举出本发明所执行的较佳实施方式。下文是为说明本发明的一般原则，而不是用于限制本发明。本发明的范围应由权利要求书所记载的权利要求来决定。
图1为依据本发明一实施方式的便携式装置100的方块图。便携式装置100包含基频芯片110、射频模块120、天线170和电池180。电池180为基频芯片110和射频模块120提供电压VBAT。一实施方式中，便携式装置100还包含功率管理模块，依据电池180提供的电压VBAT向基频芯片110和射频模块120提供各种操作电压。射频模块120耦接于基频芯片110和天线170之间。射频模块120包含低噪音放大器(LowNoiseAmplifier，LNA)130(图1中显示为LNA)、功率放大器140(图中显示为PA)、发送/接收(TX/RX)处理单元150和混合功率模块160。发送/接收处理单元150接收并调制来自基频芯片110的数据DATout，以经由功率放大器140向天线170提供射频信号RFout，以发送数据封包到另一无线装置或基站。同时，基频芯片110还向混合功率模块160提供包络追踪信号ET。混合功率模块160依据包络追踪信号ET和电池180的电压VBAT来向功率放大器140提供功率PW。一般的，接收无线装置将响应发送无线装置所发送的数据封包，回送告知已收到(acknowledge，以下简称为ACK)信息。由此，发送无线装置的发送/接收处理单元150经由低噪音放大器130和天线170接收并解调对应ACK信息的射频信号RFin，以向基频芯片110的处理器提供数据DATin。基频芯片110能够通过检测对应射频信号RFin的数据DATin，来监控射频信号RFout，其中射频信号RFin包含射频信号RFout的反馈分量。
图2是显示图1中包络追踪信号ET、电压VBAT和射频信号RFout之间关系的示意图。请参阅图1和图2，在一时间周期中，来自电池180的电压VBAT大体上维持在一固定电压水平。基频芯片110检测数据DATin来监控射频信号RFout的变化。依据射频信号RFout的变化，基频芯片110向射频模块120提供包络追踪信号ET。图2中，横轴表示时间(单位为秒s)，纵轴表示幅度(单位为伏特V)。
图3为依据本发明一实施方式，向功率放大器(例如，图1的功率放大器140)提供功率的混合功率模块200的示意图。混合功率模块200包含线性稳压器(linearregulator)210(图中显示为LIN)、直流-直流转换器(DC-DCconverter)220、减法器230、电感L1和电容C1。线性稳压器210消除直流-直流转换器220所引起的开关电源(Switch-ModePowerSupply,SMPS)纹波电压，即提供交流接地(ACground)，其中混合功率模块200向功率放大器提供功率PW作为电源功率。图4是显示图3中电流Ilin和电流Isw的范例示意图。线性稳压器210依据包络追踪信号ET和电池180的电压VBAT来经由电容C1向节点Nout提供电流Ilin，电流Ilin如图4所示。减法器230自包络追踪信号ET减去对应功率PW的反馈信号VFB，以向直流-直流转换器220提供信号S1。直流-直流转换器220是高切换频率直流-直流转换器，其能够响应负载变化。此实施方式中，直流-直流转换器220是脉冲宽度调制巴克转换器(pulsewidthmodulationbuckconverter)。直流-直流转换器220依据操作频率(即切换频率)、信号S1和来自电池180的电压VBAT来经由电感L1向节点Nout提供电流Isw，电流Isw如图4所示。由此，电流Ilin、电流Isw和功率放大器的负载所形成的功率PW被提供给功率放大器。请注意，直流-直流转换器220的操作频率(即切换频率)所引起的开关电源纹波电压由线性稳压器210降低。此外，线性稳压器210经由电容C1向直流-直流转换器220提供交流接地(AC接地)。
图5为依据本发明另一实施方式，向功率放大器(例如，图1的功率放大器140)提供功率的混合功率模块300的示意图。相较于图3的混合功率模块200，混合功率模块300还包含耦接于减法器230和节点Nout之间的补偿单元310。补偿单元310接收反馈信号VFB，并将偏移电压Voffset加到反馈信号VFB中以产生信号S2。由此，减法器230自包络追踪信号ET减去信号S2，以向直流-直流转换器220提供信号S1。接着，直流-直流转换器220依据操作频率和信号S1来经由电感L1向节点Nout提供电流Isw。由此，对应电流Ilin和电流Isw的功率PW被提供给功率放大器。此实施方式中，偏移电压Voffset用于将功率PW的电压调整，以用于加高或降低电压模式。
图6为依据本发明另一实施方式，向功率放大器(例如，图1的功率放大器140)提供功率的混合功率模块400的示意图。相较于图3的混合功率模块200，混合功率模块400还包含耦接于节点Nout的电流产生单元410。电流产生单元410向节点Nout提供电流Ir，其中电流Ir与电流Isw异相。由此，电流Isw由电流Ir降低，用以为了功率PW消除的线性稳压器210所引起的负载效果。
图7为依据本发明另一实施方式，向功率放大器(例如，图1的功率放大器140)提供功率的混合功率模块500的示意图。相较于图3的混合功率模块200，混合功率模块500还包含耦接于电容C1和接地GND之间的电容C2。此实施方式中，电容C2用于降低AC阻抗，以利于线性稳压器210提供的良好的交流接地。
图8为依据本发明另一实施方式，向功率放大器(例如，图1的功率放大器140)提供功率的混合功率模块600的示意图。相较于图7的混合功率模块500，混合功率模块600还包含耦接于电容C2和线性稳压器210之间的电感L2。此实施方式中，电感L1大于电感L2，并且电容C1大于电容C2。一实施方式中，电感L2是布设线(layoutwires，bondingwire，或pcb走线)形成的寄生电感。
图9为依据本发明另一实施方式，向功率放大器(例如，图1的功率放大器140)提供功率的混合功率模块700的示意图。相较于图3的混合功率模块200，混合功率模块700还包含耦接于减法器230的两个输入端之间的耦合电容C3。直流-直流转换器230所引起的反馈信号VFB的噪音和包络追踪信号ET通过耦合电容C3耦合。
图10为依据本发明另一实施方式，向功率放大器(例如，图1的功率放大器140)提供功率的混合功率模块800的示意图。混合功率模块800包含线性稳压器810、直流-直流转换器820、减法器830、电感L1和电容C1。线性稳压器810消除直流-直流转换器820所引起的开关电源纹波电压，即提供交流接地，其中混合功率模块800向功率放大器提供功率PW作为电源功率。线性稳压器810依据包络追踪信号ET和来自图1的电池180的电压VBAT来经由电容C1向节点Nout提供电流Ilin，并且向减法器830提供信号S3。减法器830自信号S3减去对应功率PW的反馈信号VFB，以向直流-直流转换器820提供信号S4。直流-直流转换器820是高切换频率直流-直流转换器，其能够响应负载变化。此实施方式中，直流-直流转换器820是脉冲宽度调制巴克转换器。直流-直流转换器820依据操作频率和信号S4来经由电感L1向节点Nout提供电流Isw。由此，电流Ilin、电流Isw和功率放大器的负载所形成的功率PW被提供给功率放大器。请注意，直流-直流转换器820的操作频率(即切换频率)所引起的开关电源纹波电压由线性稳压器810降低。此外，线性稳压器810经由电容C1向直流-直流转换器820提供交流接地。如上所述，混合功率模块800还可以包含耦接于减法器830和节点Nout之间的补偿单元(例如图5的补偿单元310)，以将偏移电压Voffset加到反馈信号VFB中。此外，混合功率模块800还可以包含耦接于节点Nout的电流产生单元(例如图6的电流产生单元410)，以向节点Nout提供电流Ir，其中电流Ir与电流Isw异相。另外，混合功率模块800还可以包含耦接于电容C1和接地GND之间的电容C2(例如图7的电容C2)，或者耦接于电容C2和线性稳压器810之间的寄生电感L2。此外，混合功率模块800还可以包含耦接于减法器830的两个输入端之间用以降噪的耦合电容C3。
总的来说，混合功率模块能够提高系统效能和瞬态性能，其中混合功率模块的巴克转换器提供直流成分，并且功率模块的线性放大器提供交流成分。依据本实施方式，直流-直流转换器(图3的直流-直流转换器220或图10的直流-直流转换器820)响应大部分交流成分，并且线性稳压器(图3的线性稳压器210或图10的线性稳压器810)提供交流接地，以快速追踪并达到更小纹波而无需重新设计电感电容滤波器的目的。
虽然本发明已以较佳实施方式揭露如上，然而必须了解其并非用以限定本发明。相反，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以权利要求书所界定的保护范围为准。

Claims (16)

1.一种混合功率模块，用于向功率放大器提供功率，该混合功率模块包含：
直流-直流转换器，依据操作频率和包络追踪信号来经由第一电感向该功率放大器提供第一电流；以及
线性稳压器，依据该包络追踪信号经由第一电容向该功率放大器提供第二电流，
其中该直流-直流转换器所引起的开关电源纹波电压由该线性稳压器降低。
2.根据权利要求1所述的混合功率模块，其特征在于，该混合功率模块进一步包含有：
减法器，包含第一输入端和第二输入端，该第一输入端接收该包络追踪信号并且该第二输入端接收对应该功率的反馈信号，
其中该减法器自该包络追踪信号减去该反馈信号，以向该直流-直流转换器提供第一信号，并且该直流-直流转换器依据该操作频率和该第一信号提供该第一电流。
3.根据权利要求2所述的混合功率模块，其特征在于，该混合功率模块进一步包含有：
补偿单元，耦接于该减法器和该功率放大器之间，用于将偏移电压加到该反馈信号中。
4.根据权利要求2所述的混合功率模块，其特征在于，该混合功率模块进一步包含有：
电流产生单元，耦接于该第一电感和该第一电容，向该功率放大器提供第三电流。
5.根据权利要求2所述的混合功率模块，其特征在于，该混合功率模块进一步包含有：
第二电容，耦接于接地和该第一电容之间。
6.根据权利要求5所述的混合功率模块，其特征在于，该混合功率模块进一步包含有：
第二电感，耦接于该第二电容和该线性稳压器之间。
7.根据权利要求6所述的混合功率模块，其特征在于，该第一电感大于该第二电感，并且该第一电容大于该第二电容。
8.根据权利要求2所述的混合功率模块，其特征在于，该混合功率模块进一步包含有：
第三电容，耦接于该减法器的该第一输入端和该第二输入端之间。
9.一种混合功率模块，用于向功率放大器提供功率，该混合功率模块包含：
直流-直流转换器，依据操作频率和第一信号来经由第一电感向该功率放大器提供第一电流；以及
线性稳压器，依据包络追踪信号经由第一电容向该功率放大器提供第二电流，并向该直流-直流转换器提供该第一信号，
其中该直流-直流转换器所引起的开关电源纹波电压由该线性稳压器降低。
10.根据权利要求9所述的混合功率模块，其特征在于，该混合功率模块进一步包含有：
减法器，包含第一输入端和第二输入端，该第一输入端接收来自该线性稳压器的该第一信号并且该第二输入端接收对应该功率的反馈信号，
其中该减法器自该第一信号减去该反馈信号，以提供第二信号，并且该直流-直流转换器依据该操作频率和该第二信号提供该第一电流。
11.根据权利要求10所述的混合功率模块，其特征在于，该混合功率模块进一步包含有：
补偿单元，耦接于该减法器和该功率放大器之间，用于将偏移电压加到该反馈信号中。
12.根据权利要求10所述的混合功率模块，其特征在于，该混合功率模块进一步包含有：
电流产生单元，耦接于该第一电感和该第一电容，向该功率放大器提供第三电流。
13.根据权利要求11所述的混合功率模块，其特征在于，该混合功率模块进一步包含有：
第二电容，耦接于接地和该第一电容之间。
14.根据权利要求13所述的混合功率模块，其特征在于，该混合功率模块进一步包含有：
第二电感，耦接于该第二电容和该线性稳压器之间。
15.根据权利要求14所述的混合功率模块，其特征在于，该第一电感大于该第二电感，并且该第一电容大于该第二电容。
16.根据权利要求10所述的混合功率模块，其特征在于，该混合功率模块进一步包含有：
第三电容，耦接于该减法器的该第一输入端和该第二输入端之间。
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