CN108233875B - 射频放大器及提高其效率的方法、以及射频电源供应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种射频电源供应器、射频放大器及提高射频放大器效率的方法，该射频放大器包括一输入回路，一输出回路，且转换一输入电压为一输出电压，该方法包括：(a)设定一组预定参数；(b)依据该组预定参数计算一总电路参数；(c)依据该组预定参数与该总电路参数计算该功率开关的一开关应力，且依据占空比与该开关应力，做成一第一曲线图；(d)依据该组预定参数与该总电路参数计算该射频放大器的效率，且依据占空比与该射频放大器的效率，做成一第二曲线图；(e)依据该第一曲线图选定一占空比数值，且依据该第二曲线图得到该占空比数值所对应的效率。

Description

射频放大器及提高其效率的方法、以及射频电源供应器
技术领域
本发明是有关一种射频电源供应器、射频放大器及提高射频放大器效率的方法，尤指一种应用一射频放大器电路设计流程设计的射频电源供应器、射频放大器及提高射频放大器效率的方法。
背景技术
为了因应政府与环保单位要求未来几年内半导体设备商减低排碳量，提升优化电源供应器的效率已是一个重要的议题。请参阅图1为现有射频电源供应器的电路方块图，现有应用于半导体设备的射频电源供应器100A包括：一功因校正单元10A、一转换单元20A以及一射频放大器30A，该转换单元20A连接该功因校正单元10A与该射频放大器30A之间，且转换一交流输入电压Vac为一输出电压Vorf。
复而参阅图1，其中第三级的射频放大器30A切换频率为高频率(400kHz～40MHz)，其射频放大器30A内部的功率开关(图未示)切换时所造成的切换损失(Switching Loss)是射频电源供应器100A效率最大的问题与障碍。因此，在此高开关切换频率下，选择电路架构上能达到零电压切换以降低切换损失，所常用架构为D类与E类射频放大器30A。其中，E类射频放大器相较于D类类射频放大器差别在于使用单臂开关切换，虽然E类射频放大器30A开关元件与驱动电路成本较低，但由于且E类射频放大器30A电路的内部元件较多，造成于高输出功率时(约2000W～3000W)，E类射频放大器30A电路的内部元件的功率损耗，以及功率开关导通损失(conduction losses)较高，造成E类射频放大器30A设计复杂且功率应用率低落，故E类射频放大器30A还是广泛地使用于中低瓦数应用。因此，上述该些现有的应用E类射频放大器的射频电源供应器，存在有以下的缺陷：
1、无法有效提升E类射频放大器的效率：由于现有的E类射频放大器应用于中高输出功率(约2000W～3000W)，且处于高频切换(400kHz～40MHz)时，E类射频放大器内部元件的功率损失过大，而造成效率低落；
2、使用尝试法选择E类射频放大器的功率开关：由于现有的调整E类射频放大器的效率的方法，大多以尝试法选择合适的功率开关以及电路元件。此方法首先需最大化E类射频放大器的散热系统的散热效率，在周而复始地更换功率开关以及电路元件后，测试该E类射频放大器的效率，以调整E类射频放大器的效率。其大多最终所能调整的最高效率，通常仅能于80％左右；及
3、未有一套有效的E类射频放大器电路设计流程：由于现有的E类射频放大器的调整方法大多皆使用上述的尝试法，而未有一套有效的电路参数调整流程。因此，需耗费冗长的时间于调整功率开关以及电路元件的参数中。
因此，如何设计出一种射频电源供应器、射频放大器及其电路设计方法，设计出应用于中高功率(100～3000W)，且可维持高效率的射频电源供应器、射频放大器及其电路设计方法，乃为本案创作人所欲行克服并加以解决的一大课题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种提高射频放大器效率的方法，以克服现有技术的问题。因此，本发明该射频放大器包括一输入电感串联一功率开关的一输入回路，一输出电容串联一谐振单元的一输出回路，该功率开关并联该输出电容，且转换一输入电压为一输出电压，该提高射频放大器效率的方法包括：(a)设定一组预定参数，该组预定参数包含该射频放大器的输出功率、该输入电压、操作频率以及占空比。(b)依据该组预定参数计算一总电路参数。(c)依据该组预定参数与该总电路参数计算该功率开关的一开关应力。(d)依据该组预定参数与该总电路参数计算该射频放大器的效率。(e)比对效率是否符合一预定范围，若效率不符合该预定范围，改变该组预定参数中的该输入电压或占空比，并返回步骤(a)；若该射频放大器的效率符合该预定范围，选定该占空比数值为该射频放大器的该功率开关的占空比。
于一实施例中，其中步骤(c)更包含：(c1)依据占空比与该开关应力，做成一第一曲线图。
于一实施例中，其中步骤(d)更包含：(d1)依据占空比与该射频放大器的效率，做成一第二曲线图。
于一实施例中，其中在步骤(d1)之后更包含：(d2)依据该第一曲线图选定一占空比数值，且依据该第二曲线图得到该占空比数值所对应的效率。
于一实施例中，其中步骤(e)更包含：(e1)比对该射频放大器的总谐波失真与散热能力是否符合该预定范围内，若该射频放大器的总谐波失真或散热能力不在该预定范围内时，改变该组预定参数中的该输入电压或占空比，并返回步骤(a)。若该射频放大器的总谐波失真与散热能力符合该预定范围，选定该占空比数值为该射频放大器的该功率开关的占空比。
于一实施例中，其中该总电路参数包含该射频放大器的相移角度、该输出电容的电容量、该射频放大器的输入电流以及该谐振单元的谐振电流。
于一实施例中，其中步骤(d)更包含：(d2)依据该组预定参数与该总电路参数计算该射频放大器的一总功率损失，且依据该总功率损失计算该射频放大器的效率。其中，该射频放大器的效率为该射频放大器功率输出相对于该射频放大器整体功率耗损之比。
于一实施例中，其中该谐振单元包含一谐振电容串联一谐振电感，步骤(d)更包含：(d3)依据该总功率损失选定该输入电感的电感值、该谐振电容的电容值以及该谐振电感的电感值。
于一实施例中，其中该开关应力包括开关电压应力及开关电流应力。
于一实施例中，其中步骤(c)更包含：(c2)依据该开关电压应力及开关电流应力选定该功率开关。
于一实施例中，其中该总功率损失包含该功率开关的功率损失、该输出电容的功率损失、该谐振单元的功率损失以及该输入电感的功率损失。
为了解决上述问题，本发明提供一种射频放大器，以克服现有技术的问题。因此，本发明该种射频放大器包括：一输入回路，该输入回路包括一输入电感与一功率开关，该输入电感串联该功率开关，且接收一输入电压。一输出回路，该输出回路包括一输出电容与一谐振单元，该输出电容并联该功率开关，且该谐振单元串联该输出电容，并输出一输出电压。其中，该射频放大器的该功率开关的占空比根据如请求项第1项所述的提高射频放大器效率的方法所决定。
于一实施例中，其中该射频放大器的该输入电压为该功率开关的占空比对应的输入电压。
为了解决上述问题，本发明提供一种射频电源供应器，以克服现有技术的问题。因此，本发明该射频电源供应器包括：一功因校正单元，转换一交流输入电压为一直流电压。一转换单元，连接该功因校正单元，且转换该直流电压为一输入电压。一射频放大器，连接该转换单元，且转换该输入电压为一输出电压。一控制单元，控制该功因校正单元、该转换单元以及该射频放大器。其中，该射频放大器包括一输入电感串联一功率开关的一输入回路，一输出电容串联一谐振单元的一输出回路，该功率开关并联该输出电容；该射频放大器的该功率开关的占空比根据如请求项第1项所述的提高射频放大器效率的方法所决定。
于一实施例中，其中该射频放大器的该输入电压为该功率开关的占空比对应的输入电压。
于一实施例中，其中依据该输入电压调整该转换单元的电压转换比例。
为了能更进一步了解本发明为达成预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。
附图说明
图1为现有射频电源供应器的电路方块图；
图2为本发明E类射频放大器的电路图；
图3为本发明E类射频放大器的电路设计流程图；
图4A为本发明第一曲线图；
图4B为本发明第二曲线图；
图5为本发明射频电源供应器电路方块图。
其中，附图标记
﹝现有技术﹞
100A…射频电源供应器
10A…功因校正单元
20A…转换单元
30A…射频放大器
Vac…交流输入电压
Vorf…输出电压
﹝本发明﹞
100…射频电源供应器
10…功因校正单元
20…转换单元
30…射频放大器
31…输入回路
32…输出回路
321…谐振单元
L…谐振电感
C…谐振电容
40…控制单元
Lin…输入电感
S…功率开关
Ss…开关应力
Vs…开关电压应力
Is…开关电流应力
Co…输出电容
Vac…交流输入电压
Vdc…直流电压
Virf…输入电压
Vorf…输出电压
Ii…输入电流
Io…负载电流
Im…谐振电流
Snor…标幺化开关应力
Vnor…标幺化开关电压应力
Inor…标幺化开关电流应力
D…占空比
P…预定参数
Pc…总电路参数
It…总回路电流
Pt…总功率损失
Rp…预定范围
(S100)～(S900)…步骤
具体实施方式
兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合图式说明如下：
请参阅图2为本发明E类射频放大器的电路图。该射频放大器30转换一输入电压Virf为一输出电压Vorf，且包括：一输入回路31，该输入回路31包括一输入电感Lin与一功率开关S，该输入电感Lin串联该功率开关S，且接收该输入电压Virf；及一输出回路32，该输出回路包括一输出电容Co以及一谐振单元321，该输出电容Co并联该功率开关S，且该谐振单元321串联该输出电容Co。该谐振单元321包括一谐振电容C，该谐振电容C的一端连接该输出电容Co。一谐振电感L，该谐振电感L连接该谐振电容C的另一端。该输出电压Vorf为交流电压，且该输出电压Vorf供应后端负载(图未示)运作所需的电力。如图2所示，其中流出该谐振单元321的电流为输出电流Io，且由上述的该输出电压Vorf、该输出电流Io与该功率开关S上的开关电压应力Vs、开关电流应力Is可求得该射频放大器30的功率利用率Pc，该功率利用率Pc的定义如下述(1)式所示：
Figure BDA0001179339410000061
传统设计E类射频放大器30为求较高的整体效率，因此所设定的功率开关S占空比D皆为0.5。但实际上，由于功率开关S截止时，该输入电感Lin上的输入电流Ii与负载电流Io同时流入该输出电容Co而建立功率开关S两端的开关电压应力Vs，因此，E类射频放大器30功率开关S两端的开关电压应力Vs与负载电流Io有关。故设计上较为复杂，且受到后端连接的负载(图未示)阻抗影响很大。且由于高频寄生参数与元件本身寄生阻抗影响，当于高输出功率时(约2000W～3000W)，该射频放大器30的输入回路31与输出回路32内的元件的寄生阻抗会造成较大的功率损失。因此，在计算优化效率过程中必须将元件本身阻抗甚至寄生参数加入计算。
请参阅图3为本发明E类射频放大器的电路设计流程图。复参阅图2，本实施例提出一考虑所有元件参数并且确保元件应力不会超过的一套应用于中高功率(约100～3000W)射频放大器30的电路设计流程。藉由此射频放大器30的电路设计流程可找到最适合该射频放大器30的内元件参数，进而提升该频放大器30的整体效率。该射频放大器30的内元件包含该输入回路31的输入电感Lin与功率开关S，该输出回路32的输出电容Co与谐振单元321。该电路设计的流程可经由外部一运算单元(图未示)计算该射频放大器30的元件参数。该设计方法包含：首先，设定一组预定参数，该组预定参数包含该射频放大器的输出功率、该输入电压、操作频率以及占空比(S100)。为求效率优化射频放大器30的元件参数，因此需于运算单元上输入该射频放大器30初始的一组预定参数P。该组预定参数P包含该射频放大器30的输出功率Po、该输入电压Virf、该功率开关的操作频率f以及占空比D。然后，依据该组预定参数计算一总电路参数(S200)。该运算单元藉由该组预定参数P计算一总电路参数Pc，该总电路参数包含该射频放大器30的相移角度
Figure BDA0001179339410000075
该输出电容Co的电容量、该射频放大器30的该输入电流Ii以及该谐振单元321的谐振电流Im，其计算式如下述(2)～(5)式所示：
Figure BDA0001179339410000071
Figure BDA0001179339410000072
Figure BDA0001179339410000073
Figure BDA0001179339410000074
其中，式中ω符号为角频率，该输出电容Co电容量的选定由上述(3)式所计算并决定。然后，依据该组预定参数与该总电路参数做成一第一曲线图(S300)。该运算单元藉由组预定参数P与上述(2)～(5)式所计算出的总电路参数Pc计算该射频放大器30功率开关S的开关应力Ss。该开关应力Ss包含该功率开关S的开关电压应力Vs与开关电流应力Is，其计算式如下述(6)～(7)式所示：
Figure BDA0001179339410000081
Figure BDA0001179339410000082
其中，式中θ符号为角度。依据(6)～(7)式可选择适合开关电压应力Vs与开关电流应力Is的功率开关S，且依据(6)～(7)式所计算的该开关电压应力Vs与开关电流应力Is计算出变动的占空比D下，一标幺化(Per-unit Model)开关电压应力Vnor与一标幺化(Per-unit Model)开关电流应力Inor，其计算式如下述(8)～(9)式所示：
Figure BDA0001179339410000083
Figure BDA0001179339410000084
其中，式中ωv(D)与ωi(D)符号分别为最大开关电压应力下的角频率与最大开关电流应力下的角频率，
Figure BDA0001179339410000087
为变动占空比D下的相移角度，其计算式如下述(10)～(12)式所示：
Figure BDA0001179339410000085
Figure BDA0001179339410000086
Figure BDA0001179339410000091
依据上述(8)～(12)式，可计算出该标幺化开关电压应力Vnor与该标幺化开关电流应力Inor，并依据该标幺化开关电压应力Vnor与该标幺化开关电流应力Inor计算功率利用率Pc，其计算式如下述(13)式所示：
Figure BDA0001179339410000092
依据该标幺化开关电压应力Vnor、该标幺化开关电流应力Inor及功率利用率Pc可做出一第一曲线图。
请参阅图4A为本发明第一曲线图。复参阅图2～3，该第一曲线图为该射频放大器30的一标幺化开关应力Snor(电压Vnor/电流Inor)与功率利用率Pc曲线图。如此运算单元依据上述(2)～(7)式可求出本发明射频放大器30A电路设计中该功率开关S的开关应力Ss，且依据上述(8)～(13)将该功率开关S的开关应力Ss转换为标幺化开关应力Snor，并做出该第一曲线图，如此由该第一曲线图，可在功率利用率Pc高的情况下，选择符合该开关应力Ss范围的功率开关S。然后，依据该组预定参数与该总电路参数计算该射频放大器的效率，且依据占空比与该射频放大器的效率，做成一第二曲线图(S400)。该运算单元依据该组预定参数P与该总电路参数Pc计算该射频放大器的一总回路电流It，其中该总回路电流It为路径导通时，所流过的电流。且藉由该回路电流It计算该总功率损失Pt，其中该总功率损失Pt为路径导通时的导通损失(conduction losses)，该总回路电流It包含该输入回路31的电流与该输出回路32的电流，其计算式如下述(14)～(17)式所示：
Figure BDA0001179339410000093
Figure BDA0001179339410000094
Figure BDA0001179339410000095
Figure BDA0001179339410000096
其中，式中Isd(D)为路径导通时，流过该功率开关S汲极(D极)至源极(S极)的电流。Ic(D)为路径导通时，流过该输出电容Co的电流。Ili(D)为路径导通时，流过该输入电感Lin的电流，Im(D)为路径导通时，流过该谐振电感L与该谐振电容C的电流。Rdc为输入阻抗，该输入阻抗可依据该输出电容电容值与占空比D计算得知，其计算式如下述(18)式所示：
Figure BDA0001179339410000101
藉由上述(14)～(17)式求出该总回路电流It后，再藉由该总回路电流It计算该总功率损失Pt。藉由计算该射频放大器30整体元件的功率损失，以求得该射频放大器30的效率。该总功率损失Pt主要为该射频放大器30的路径导通时，各元件寄生阻抗的功率消耗。该总功率损失包含该功率开关S的功率损失、该输出电容Co的功率损失、该谐振单元321的功率损失以及该输入电感Lin的功率损失，其计算式如下述(19)式所示：
Pt：＝Isd(D)2·Rds+Ic(D)2·Rc+Im(D)2·Rl+Im(D)2·Rc+Ili(D)2·Rli
(19)
其中，式中Rds为该功率开关S的寄生阻抗，Rc为该输出电容Co的寄生阻抗，Rl为该谐振电感L的寄生阻抗，Rc为该谐振电容C的寄生阻抗，Rli为该输入电感Lin的寄生阻抗。藉由上述(14)～(19)式可选定该谐振电感L的电感值、该谐振电容C的电容值及该输入电感Lin的电感值，以求该射频放大器30可达最大功率输出。值得一提，该输入电感Lin与谐振单元321元件的选定依据上述(14)～(19)式，并配合现有的射频放大器30元件数值计算方法而求得，在此不在加以赘述。藉由上述(18)式求出该总功率损失Pt后，再藉由该总功率损失Pt计算该射频放大器30的整体效率，其计算式如下述(20)式所示：
Figure BDA0001179339410000102
由式(1)可知，开关应力Ss越小，则功率利用率Pc越大。若功率利用率Pc越小时，选用相同耐压与耐流乘积的功率开关S元件，在不损坏开关的前提下，该射频放大器30可输出瓦数越小。
请参阅图4B为本发明第二曲线图。复参阅图2～4A，该第二曲线图为该射频放大器30的效率曲线图。由上述(14)～(20)式可求出该射频放大器30的整体效率，且藉由变动的占空比D下的效率变化绘出该第二曲线图。然后，依据该第一曲线图选定一占空比数值，且依据该第二曲线图得到所对应的效率(S500)。藉由该第一曲线图选定适该射频放大器30的该功率开关S的占空比D为该占空比数值Dv，并对应该第二曲线图可得知应用于该占空比数值Dv下的效率。然后，比对效率是否符合一预定范围(S600)。藉由上述流程(S100)至(S500)之后可确定该射频放大器30的输入回路31以及输出回路32的所有元件参数，因此需实际验证该射频放大器30运作时的效率是否可达该预定范围Rp内。其中，该预定范围包含一效率预定值、一总谐波失真预定值及一预定散热能力。实际验证最主要为验证该射频放大器30的效率是否符合该效率预定值以上。最后，比对总谐波失真与散热能力是否符合该预定范围(S700)。藉由上述流程(S600)确定该射频放大器30运作时的效率于该预定范围Rp之后，需再确定该射频放大器30运作时的总谐波失真与该射频放大器30整体运作时的散热能力是否同样可达该预定范围Rp中的该总谐波失真预定值以下与该预定散热能力。最后，选定该占空比数值为该功率开关的占空比(S800)。若该射频放大器30的效率、总谐波失真与散热能力于该预定范围Rp内时，选定该占空比数值Dv为该射频放大器30的该功率开关S的占空比D。值得一提，步骤(S600)与(S700)同样为实际验证该射频放大器30的步骤。因此，可依实际需求调换步骤(S600)与(S700)的先后顺序。
复参阅图3，并配合参阅图2、4。于步骤(S600)至(S700)的过程中，需确保该射频放大器30的效率、总谐波失真与散热能力需达该预定范围Rp内，以完成该射频放大器30的电路设计流程。其中，该预定范围Rp设定该射频放大器30的效率需大于90％，以达优化射频放大器30整体效率的功效。且为求可达射频电源供应器或射频放大器产品安规的规范，该预定范围Rp更设定总谐波失真需小于10％，且该射频放大器30的整体运作时的整机温度不超过65℃。藉由上述步骤(S100)至(S700)可确定，所选定功率开关S与占空比D使得该射频放大器30的效率可有效提升。且于适当的功率开关S的开关应力Ss之下，使得该功率开关S于该射频放大器30运作之中不易损坏。值得一提，现有的射频放大器30，多半直接设定占空比为0.5进行调校，整体效率最高通常仅能维持于80％左右。但由于本实施例以上述(S100)至(S700)的步骤流程设计，因此相较于现有技术射频放大器30的整体效率可提升10％以上。
复参阅图3，配合参阅图2、4。若上述步骤(S600)至(S700)中，若判断该射频放大器30的效率、总谐波失真与散热能力不符合该预定范围Rp时，则进行步骤(S900)。步骤(S900)为：改变输入电压或该占空比。当该射频放大器30的效率、总谐波失真与散热能力不在该预定范围Rp内时，代表步骤(S100)至(S400)与实际验证该射频放大器30的步骤(S500)有误差。因此调整该输入电压Virf或占空比D，并重复执行步骤(S100)至(S700)，直到该射频放大器30的效率、总谐波失真与散热能力于该预定范围Rp内为止。值得一提，上述(2)～(20)式旨在求得所需的电路参数，因此电路参数的计算方法不以上述(2)～(19)式为限。换言之，无论计算公式是否相同于上述(2)～(20)式，只要是依照本案图3的流程提升射频放大器30的整体运作效率的步骤，皆应包含在本实施例之中。此外，于本实施例中，该运算单元(图未示)为计算机，但不以此为限。换言之，只要可执行参数处理、运算及传输功能的运算单元，皆应包含在本实施例的范畴当中。
请参阅图5为本发明射频电源供应器电路方块图。并配合参阅图2～3，该射频电源供应器100包括：一功因校正单元10、一转换单元20、一射频放大器30以及一控制单元40，该转换单元20连接该功因校正单元10与该射频放大器30之间，且藉由一控制单元40控制该功因校正单元10、该转换单元20以及该射频放大器30。该功因校正单元10接收一交流输入电压Vac，且转换该交流输入电压Vac为一直流电压Vdc。该转换单元20接收该直流电压Vdc，且转换该直流电压Vdc为一输入电压Virf，其中该输入电压Virf为直流电压。该射频放大器30A接收该输入电压Virf，且转换该输入电压Virf为一输出电压Vorf，其中该输出电压Vorf为交流能量。该控制单元40接收该输出电压Vorf，并输出控制讯号调整该功因校正单元10、该转换单元20以及该射频放大器30。当由上述电路设计步骤(S100)至(S800)决定该功率开关S的占空比D时，代表无须再经过步骤(S900)改变该输入电压Virf或占空比D后，再返回步骤(S100)。因此，选定该功率开关S的占空比D对应的输入电压Virf为该射频放大器的该输入电压Virf。且由于本发明的电路设计步骤(S100)至(S500)中，会调整该射频放大器30的输入电压Virf，故该输入电压Virf非为固定值。因此当该射频放大器30由步骤(S100)至(S500)设计完成后，该转换单元20依据该输入电压Virf调整该转换单元20的电压转换比例。例如，但不限于，若该转换单元20的直流电压Vdc为300V，且该输入电压Virf依据步骤(S100)至(S500)所确定的电压为150V。因此需将该转换单元20的电压转换比例调整为2比1，该转换单元20方可将300V的直流电压Vdc转换为150V的输入电压Virf。
值得一提，于本实施例中，该转换单元20为直流-直流转换器，但不限定该直流-直流转换器种类。因此，举凡可转换该直流电压Vdc为直流能量的该输入电压Virf的直流-直流转换器，皆应包含在本实施例的范畴当中。此外，于本实施例中，该功因校正单元10可为主动式功率因子校正器或被动式功率因子校正器，且校正该射频电源供应器100整体的功率因子，但不限定该功率因子校正器的种类。因此，举凡可矫正功率因子的功率因子校正器，皆应包含在本实施例的范畴当中。
综上所述，本发明具有以下的优点：
1、提供一套有效的E类射频放大器电路设计流程：相较于现有的尝试法，本发明利用图4的流程步骤，可减少调整功率开关与电路元件的参数的时间，以达到易于设计应用于中高功率(100～3000W)，且可维持高效率的射频放大器30、射频电源供应器100的功效；
2、易于选择E类射频放大器合适的功率开关：利用图4的流程步骤，求得开关应力曲线图与效率曲线图，并找出最佳的占空比D以及最适合的功率开关S，以达于适当的功率开关S的开关应力Ss之下，该功率开关S于该射频放大器30运作之中不易损坏的功效；及
3、有效提升E类射频放大器的效率：相较于现有的射频放大器30，本发明利用图4的流程步骤，可达到有效提升射频放大器30效率达90％以上的功效。
以上所述，仅为本发明较佳具体实施例的详细说明与图式，本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以本发明所附权利要求的保护范围为准，凡合于本发明申请专利范围的精神与其类似变化的实施例，皆应包括于本发明的范畴中，任何熟悉本领域的相关技术人员在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (15)

1.一种提高射频放大器效率的方法，其特征在于，该射频放大器包括：
一输入回路，该输入回路包括一输入电感与一功率开关，该输入电感串联该功率开关，且接收一输入电压；和
一输出回路，该输出回路包括一输出电容与一谐振单元，该输出电容并联该功率开关，且该谐振单元串联该输出电容，并输出一输出电压，
该提高射频放大器效率的方法包括：
(a)设定一组预定参数，该组预定参数包含该射频放大器的输出功率、该输入电压、操作频率以及占空比；
(b)依据该组预定参数计算一总电路参数；
(c)依据该组预定参数与该总电路参数计算该功率开关的一开关应力；
(d)依据该组预定参数与该总电路参数计算该射频放大器的效率；
(e)比对效率是否符合一预定范围，若效率不符合该预定范围，改变该组预定参数中的该输入电压或占空比，并返回步骤(a)；若该射频放大器的效率符合该预定范围，选定该占空比数值为该射频放大器的该功率开关的占空比。
2.如权利要求1所述的提高射频放大器效率的方法，其特征在于，步骤(c)更包含：
(c1)依据占空比与该开关应力，做成一第一曲线图。
3.如权利要求2所述的提高射频放大器效率的方法，其特征在于，步骤(d)更包含：
(d1)依据占空比与该射频放大器的效率，做成一第二曲线图。
4.如权利要求3所述的提高射频放大器效率的方法，其特征在于，在步骤(d1)之后更包含：
(d2)依据该第一曲线图选定一占空比数值，且依据该第二曲线图得到该占空比数值所对应的效率。
5.如权利要求1所述的提高射频放大器效率的方法，其特征在于，步骤(e)更包含：
(e1)比对该射频放大器的总谐波失真与散热能力是否符合该预定范围内，若该射频放大器的总谐波失真或散热能力不在该预定范围内时，改变该组预定参数中的该输入电压或占空比，并返回步骤(a)；
若该射频放大器的总谐波失真与散热能力符合该预定范围，选定该占空比数值为该射频放大器的该功率开关的占空比。
6.如权利要求1所述的提高射频放大器效率的方法，其特征在于，该总电路参数包含该射频放大器的相移角度、该输出电容的电容量、该射频放大器的输入电流以及该谐振单元的谐振电流。
7.如权利要求1所述的提高射频放大器效率的方法，其特征在于，步骤(d)更包含：
(d2)依据该组预定参数与该总电路参数计算该射频放大器的一总功率损失，且依据该总功率损失计算该射频放大器的效率；
其中，该射频放大器的效率为该射频放大器功率输出相对于该射频放大器整体功率耗损之比。
8.如权利要求7所述的提高射频放大器效率的方法，其特征在于，该谐振单元包含一谐振电容串联一谐振电感，步骤(d)更包含：
(d3)依据该总功率损失选定该输入电感的电感值、该谐振电容的电容值以及该谐振电感的电感值。
9.如权利要求1所述的提高射频放大器效率的方法，其特征在于，该开关应力包括开关电压应力及开关电流应力。
10.如权利要求9所述的提高射频放大器效率的方法，其特征在于，步骤(c)更包含：
(c2)依据该开关电压应力及开关电流应力选定该功率开关。
11.如权利要求7所述的提高射频放大器效率的方法，其中该总功率损失包含该功率开关的功率损失、该输出电容的功率损失、该谐振单元的功率损失以及该输入电感的功率损失。
12.如权利要求1所述的提高射频放大器效率的方法，其特征在于，该射频放大器的输入电压为该功率开关的占空比对应的输入电压。
13.一种射频电源供应器，其特征在于，该射频电源供应器包括：
一功因校正单元，转换一交流输入电压为一直流电压；
一转换单元，连接该功因校正单元，且转换该直流电压为一输入电压；
一射频放大器，连接该转换单元，且转换该输入电压为一输出电压；
一控制单元，该控制单元接受该射频放大器的该输出电压，并输出控制讯号以调整该功因校正单元、该转换单元以及该射频放大器；
其中，该射频放大器的功率开关的占空比根据权利要求1所述的提高射频放大器效率的方法所决定。
14.如权利要求13所述的射频电源供应器，其特征在于，该射频放大器的该输入电压为该功率开关的占空比对应的输入电压。
15.如权利要求14所述的射频电源供应器，其特征在于，依据该输入电压调整该转换单元的电压转换比例。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109164371B (zh) * 2018-07-19 2020-10-09 西北核技术研究所 一种适用于不同占空比的脉冲功率放大电路效率测量方法
CN113543446A (zh) * 2020-04-13 2021-10-22 台达电子工业股份有限公司 电源产生器的点火方法

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0698310B1 (en) 1994-02-10 1999-05-06 Koninklijke Philips Electronics N.V. High frequency ac/ac converter with power factor correction
US5594324A (en) * 1995-03-31 1997-01-14 Space Systems/Loral, Inc. Stabilized power converter having quantized duty cycle
US5774351A (en) 1996-05-21 1998-06-30 National Science Council Series resonant DC-to-AC inverter system
US6754287B2 (en) * 2001-03-21 2004-06-22 Skyworks Solutions, Inc. Method and apparatus for producing a modulated signal
US6822427B2 (en) 2002-05-01 2004-11-23 Technical Witts, Inc. Circuits and circuit elements for high efficiency power conversion
CN1235334C (zh) * 2002-12-25 2006-01-04 台达电子工业股份有限公司 射频功率放大器的偏压电路
IL180673A0 (en) * 2007-01-11 2007-12-03 Vadim Leibman Low power radio frequency receiver
US7872523B2 (en) * 2008-07-01 2011-01-18 Mks Instruments, Inc. Radio frequency (RF) envelope pulsing using phase switching of switch-mode power amplifiers
US8344638B2 (en) * 2008-07-29 2013-01-01 Point Somee Limited Liability Company Apparatus, system and method for cascaded power conversion
US8570101B2 (en) * 2008-11-10 2013-10-29 Nxp B.V. Variable duty cycle generation for out-phasing and PWM power amplifiers
US9077405B2 (en) * 2010-04-20 2015-07-07 Rf Micro Devices, Inc. High efficiency path based power amplifier circuitry
CN103296976B (zh) * 2012-02-29 2018-02-16 Ge医疗系统环球技术有限公司 稳定射频放大器的静态工作点的方法、装置和磁共振设备
KR102200711B1 (ko) * 2013-10-11 2021-01-12 삼성전자주식회사 다중 안테나 통신 시스템에서 에너지 효율을 고려하는 전력 제어 방법 및 장치
US9781668B2 (en) * 2015-05-08 2017-10-03 Alcatel-Lucent Usa Inc. Methods and apparatuses for configuring number of antennas for massive MIMO communication

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