CN113037075B - 一种数字控制混合型电源调制电路及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数字控制混合型电源调制电路及其应用，可有效解决向漏极提供与包络信号幅值对应的调制电压和调制电流，提高射频功放的效率问题。线性电路用于将包络信息进行放大并提供与包络信号幅值对应的调制电压；逻辑控制电路用于检测线性模块输出的信号作为控制信号的基准信号，控制信号经过栅极驱动器控制开关提供对应的包络信号调制电流，通过控制线性放大器来提供射频功放的供电电压幅值，开关转换器提供绝大部分的电流，从而提高射频功放的效率，本发明结构新颖独特，通过控制线性放大器的调制电压和开关转化器调制电流，随包络信号的幅值而变化，提高射频功放的效率，传输效率高，频谱利用率高，通信可靠性高，功率低，能耗小，体积小。

Description

一种数字控制混合型电源调制电路及其应用

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种数字控制混合型电源调制电路及其应用。

背景技术

随着信息化建设的加速发展，无线通信、数据链、卫星通信等无线通信系统的业务需求迅猛增长，网系覆盖范围不断扩展，各网系内的用户数量也在成倍增加。在环境日益复杂、电磁频谱日益拥挤的背景下，高传输速率、高频谱利用率、高通信可靠性、低功耗和小型化已成为无线通信系统的迫切需求。

近年来，为了提高传输速率和频谱利用率，各种复杂的宽带高效调制技术相继被应用于无线通信系统中。以正交频分复用技术(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)为代表的宽带高效调制技术，其调制波形具有宽带和高峰均比（Peakto Average Power Ratio，PAPR）特性，对无线通信系统中射频功率放大器（以下简称射频功放）的效率、线性度和工作带宽提出了更高要求，射频功放的作用是将接收到的输入信号RF_in放大到所需要的输出信号RF_in，并通过天线辐射出去。

对于高峰均比的宽带信号，为了保证射频功放的线性度，传统方法是采用输出功率回退，即使用具有更大功率输出能力的射频功放，使其工作在线性状态，从而改善线性性能。然而，针对传统射频功放一般采用恒定电压供电，由于该恒定电压是根据射频功放在饱和区的最大输出功率设定的，而在功率回退时，射频功放的平均输出功率远远小于饱和区的最大输出功率，使射频功放的损耗急剧增加，工作效率急剧恶化。针对类似OFDM的高峰均比PAPR宽带调制波形，如何同时满足高线性、高效率和宽频带需求，是当前射频功放的研究重点，也是急需解决的一个世界性难题。

相对于其他技术，包络追踪（Envelope Tracking，ET）技术具有较宽的动态范围和工作频段，线性度和效率的提升比较可控，在技术可实现性上更具优势，因此更加适用于高峰均比的无线通信系统。而如何设计高效率高带宽的电源调制电路成为ET技术中解决的核心技术问题。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之不足，本发明之目的就是提供一种数字控制混合型电源调制电路及其应用，可有效解决向漏极提供与包络信号幅值对应的调制电压和调制电流，提高射频功放的效率问题。

本发明解决的技术方案是，一种数字控制混合型电源调制电路，包括线性电路（模块）、逻辑控制电路（模块）、开关转换电路（模块）和电源（模块），线性电路用于将包络信息进行放大并提供与包络信号幅值对应的调制电压逻辑控制电路用于检测线性电路输出的信号作为控制信号的基准信号，控制信号经过栅极驱动器控制开关提供对应的包络信号调制电流，通过控制线性放大器来提供射频功放的供电电压幅值，开关转换器提供绝大部分的电流，从而提高射频功放的效率，其中：

所述的线性电路是由线性放大器、电压电流发生电路（器）和电流检测电路构成，包络信号（Venv）经线性放大器的正端输入线性放大器，通过电压电流发生器，向电压电流发生器提供与包络信号幅值对应的调制电压，电流检测电路对电压电流发生器进行检测，输出的电流作为逻辑控制电路的基准信号；

所述的逻辑控制电路是由比较器和逻辑门构成，将电流检测电路检测出的电流转换成对应的电压值，作为逻辑控制电路端的输入信号，另一端逻辑输入信号为外围控制信号，根据逻辑关系分别输出控制信号，进行对开关转换电路供电电压进行控制，并作为开关转换电路的输入信号；

所述的开关转换电路是由第一开关转换电路（SW1）、第二开关转换电路（SW2）构成，分别控制开关转换电路的输入端，并为射频功放（RF）提供包络信号幅值对应的调制电流；

所述的电源模块包括直流电源Vc和直流电压转换器，直流电压转换器装在电源Vc、电源Vc/2与电源V_BAT、电源V_BAT/2之间，为数字控制混合型电源调制电路提供电源电压或调整电压。

本发明结构新颖独特，通过控制线性放大器的调制电压和开关转化器调制电流，随包络信号的幅值而变化，进而提高射频功放的效率，传输效率高，频谱利用率高，通信可靠性高，功率低，能耗小，电路采用模块化结构，体积小，可有效用于数字控制混合型电源调制器，是包络追踪（Envelope Tracking，ET）技术上的一大创新，有显著的经济和社会效益。

附图说明

图1为本发明电路结构图。

图2为本发明线性电路图。

图3为本发明逻辑控制电路图。

图4为本发明开关转换电路图。

图5为本发明电源模块图。

实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

由图1-5所示，本发明一种数字控制混合型电源调制电路，包括线性电路（模块）、逻辑控制电路（模块）、开关转换电路（模块）和电源（模块），线性电路用于向线性放大器提供与包络信号幅值对应的调制电压；逻辑控制电路用于检测线性电路输出的信号作为控制信号的基准信号，控制信号经过栅极驱动器控制选择开关对跨导放大器提供与包络信号幅值对应的调制电流，通过控制线性级放大器的调制电压和控制开关转化器调制电流随包络信号的幅值而变化，提高了射频功放的效率，其中：

所述的线性电路包括P型MOS管MP和N型NOS管MN，MOS管MP的栅极脚4和NOS管MN的栅极脚3与线性放大器IC相连，线性放大器的正端接包络信号（Venv）输入端，线性放大器的负端接电阻器β的一端脚6，MOS管MP、NOS管MN的漏极相连接，作为输出端口脚10，与电阻器β的另一端脚7相连，NOS管MN的源极接地，MOS管MP的源极接电源（Vlinear）；NOS管MN和MOS管MP构成电压电流发生器的推挽电路， MOS管MP的栅极脚4与MOS管MP1的栅极脚8相连，NOS管MN的栅极脚3与NOS管MN1的栅极脚9相连，MOS管MP1、NOS管MN1构成电流检测电路，对推挽出的电流进行N︰1的缩小。

所述的逻辑控制电路包括第一比较器C3，第二比较器C4、第三比较器C5、第一逻辑与门A1、第二逻辑与门A2、逻辑或非门N1、逻辑或门N2、第一逻辑非门N3和第二逻辑非门N4，第一比较器C3脚21端与第二逻辑与门A2的一端相连，第二比较器C4脚22端与第一逻辑非门N3、逻辑或非门N1一端相连，第三比较器C5脚23端与第一逻辑与门A1、逻辑或非门N1的一端相连，逻辑或非门N1的另一端、第一逻辑与门A1的另一端接逻辑或门N2的一端，逻辑或门N2的另一端接第二逻辑与门A2的一端，第一逻辑非门N3的另一端脚24接开关转换电路，第二逻辑与门A2的另一端脚27接第二逻辑非门N4的一端，第二逻辑非门N4的另一端接开关转换电路，第一比较器C3脚20（+）、第二比较器C4的脚18（+）、第三比较器C5脚16（+）并联，经电阻R3接地，并经共端13接MOS管MP1和NOS管MN1的共端12，第一比较器C3的脚19（-）、第二比较器C4的脚17（-）、第三比较器C5的脚15（-）并联，经电阻R4接地，并经电阻R4、第一比较器C3、第二比较器C4、第三比较器C5的共端14接控制信号V_R，MOS管MP1的源极脚11接电源V_BAT，NOS管MN1的源极接地，NOS管MN1的栅极脚8接MOS管MP的栅极脚4，NOS管MN1的栅极脚9接NOS管MN栅极脚3。

所述的开关转换电路，包括第一开关转换电路（SW1）、第二开关转换电路（SW2），其中第一开关转换电路是由MOS管MP_1C、MOS管MP_1BAT、NOS管MN₁、NOS管MN₂和第一按键SEL₁构成，第一按键SEL₁是由两个P型MOS管并联构成，MOS管MP_1C的栅极、MOS管MP_1BAT的栅极并联与第二逻辑非门N4共端28相连，NOS 管MN1 的栅极与第二逻辑非门N4、第二逻辑与门A2 的共端27 相连，MOS管MP_1C的源极和漏极间经串联的二极管相连，MOS管MP_1BAT的源极和漏极之间经串联的二极管相连，二极管的共端并联接第一按键SEL₁的源极，NOS管MN₁的源极接地，源极和漏极间连接有二极管，NOS管MN₁的漏极接MOS管MP_1C的漏极和MOS管MP_1BAT的漏极脚36，第一按键SEL₁的MOS管两个漏极分别接电源Vc脚38、电源V_BAT脚39，MOS管MP_1C的源极、MOS管MP_1BAT的源极共端经第一电感L₁脚37接第二电感L₂一端脚32、射频功放RF脚41及电阻器β脚7、MOS管MP、NOS管MN的漏极输出端口脚10；所述第二开关转换电路（SW2）包括MOS管MP_2C、MOS管MP_2BAT、NOS管MN₂和第二按键SEL₂，第二按键SEL₂是由两个P型MOS管并联构成，MOS管MP_2C的栅极脚31与第一逻辑非门N3的脚24相连，并与MOS管MP_2BAT的栅极脚40相连，MOS管MP_2C的源极、漏极间装有串联的二极管，MOS管MP_2BAT的源极和漏极间装有串联的二极管，两组二极管的共端相连，MOS管MP_2C的源极与第二按键SEL₂的一个源极相连，并与电源Vc/2脚34相连，MOS管MP_2BAT的源极与第二按键SEL₂的另一源极相连，并与电源V_BAT/2相连，MOS管MP_2BAT栅极脚40与MOS管MP_2C的栅极相连，接第一逻辑非门N3的脚24，NOS管MN₂的栅极接第二比较器C4、第一逻辑非门N3的共端，NOS管MN₂的漏极、第二按键SEL₂的漏极相连共端35接第二电感L₂的另一端。

所述的电源模块包括直流电源Vc和直流电压转换器，直流电压转换器装在电源Vc、电源Vc/2与电源V_BAT、电源V_BAT/2之间，为数字控制混合型电源调制电路提供电源电压或调整电压。

所述的比较器型号为ADCMP600；

所述的逻辑门的型号为sn74lvc1g02、sn74lvc1g08或sn74lvc1g32；

所述的MOS管型号为si4532cd；

所述的NOS管为IRF9540NS IR 整流器 NOS场效应管；

所述的线性放大器为WMA-300高速电压放大器。

本发明在使用时，线性放大器的正向输入端输入包络信号（Venv），本发明电路对输入的包络信号实时跟踪，以控制线性放大器调制电压和控制开关转化器调制电流，来达到提高效率的目的。线性放大器作为信号输入端，放大的倍数由电阻器β值决定，推挽电路主要的作用是将运算放大器放大的信号进行跟随，提供大电流的输出，从而提高线性级电路的驱动能力，推挽电路是利用输入阻抗大，而输出阻抗小的特点实现大电流输出；电流检测电路部分对推挽输出的电流进行N:1的缩小，间接进行电流转换电压的工作，作为逻辑控制电路（又称自适应斜率控制电路）控制的输入信号。逻辑控制电路对输入的信号进行比较，产生逻辑关系控制双开关变换模块开启和关断；当第一比较器C3、第二比较器C4、第三比较器C5逻辑分别为1时，第一开关转换电路（SW1）和第二开关转换电路（SW2）为高电平；当第一比较器C3、第二比较器C4、第三比较器C5逻辑分别1、1、0时，第一开关转换电路（SW1）为高电平，第二开关转换电路（SW2）为低电平；当第一比较器C3、第二比较器C4、第三比较器C5逻辑分别1、0、0时，第一开关转换电路（SW1）为低电平，第二开关转换电路（SW2）为高电平；当第一比较器C3、第二比较器C4、第三比较器C5逻辑分别0、0、0时，第一开关转换电路（SW1）为低电平，第二开关转换电路（SW2）为低电平。

1)当第一开关转换电路（SW1）与第二开关转换电路（SW2）均为高电平时，MOS管MP_1C开启、NOS管MN1关断，MOS管MP_2C开启、NOS管MN₂关断，两个开关模块的输入电压分别对第一电感L₁、第二电感L₂进行充电，开关部分的输出电流快速升高；

2)当第一开关转换电路（SW1）与第二开关转换电路（SW2）均为低电平时，MOS管MP_1C关断、NOS管MN1开启，MOS管MP_2C关断、NOS管MN₂开启，两个开关模块的电感L₁、L₂放电，开关部分的输出电流快速降低；

3)当第一开关转换电路（SW1）为高电平、第二开关转换电路（SW2）为低电平时，MOS管MP_1C开启、NOS管MN1关断，MOS管MP_2C关断、NOS管MN₂开启，电感L₂通过NOS管MN₂放电，开关模块一的输入电压对电感L₁进行充电，开关部分的输出电流缓慢升高；

4)当第一开关转换电路（SW1）为低电平、第二开关转换电路（SW2）为高电平时，MOS管MP_1C关断、NOS管MN₁开启，MOS管MP_2C开启、NOS管MN₂关断，电感L₁通过NOS管MN1放电，开关模块二的输入电压对电感L₂进行充电，开关部分的输出电流缓慢降低。

开关转换电路根据外围控制部分对SEL1和SEL2进行选择性对双开关变换模块供电，供电电压分别为Vc、Vc/2和V_BAT、V_BAT/2。

本发明经试验，效果非常好，相对于现有技术，本发明电路具有宽的动态范围和工作频段，线性度和效率的提升可控，以向射频功放的漏极提供与包络信号幅值对应的调制电压和调制电流，对输入的包络信号实时跟踪，以控制射频功放的调制电压和调制电流，提高射频功放的效率，射频功放漏极效率可提高20%以上，在技术应用上更具有优势，更适合用于高峰均比的无线通信系统，是高效率高带宽的电源调制器的核心技术，具有较强的实际应用价值。

Claims (2)

1.一种数字控制混合型电源调制电路，包括线性电路、逻辑控制电路、开关转换电路和电源模块，线性电路用于将包络信息进行放大并提供与包络信号幅值对应的调制电压；逻辑控制电路用于检测线性电路输出的信号作为控制信号的基准信号，控制信号经过栅极驱动器控制开关选择对应的包络信号调制电流，通过控制线性放大器来提供射频功放的供电电压幅值，开关转换器提供绝大部分的电流，从而提高射频功放的效率，其中：

所述的线性电路是由线性放大器、电压电流发生电路和电流检测电路构成，包括P型MOS管MP和N型NOS管MN，MOS管MP的栅极脚4和NOS管MN的栅极脚3与线性放大器IC相连，线性放大器的正端接包络信号（Venv）输入端，线性放大器的负端接电阻器β的一端脚6，MOS管MP、NOS管MN的漏极相连接，作为输出端口脚10，与电阻器β的另一端脚7相连，NOS管MN的源极接地，MOS管MP的源极接电源（Vlinear）；NOS管MN和MOS管MP构成电压电流发生器的推挽电路， MOS管MP的栅极脚4与MOS管MP1的栅极脚8相连，NOS管MN的栅极脚3与NOS管MN1的栅极脚9相连，MOS管MP1、NOS管MN1构成电流检测电路，对推挽出的电流进行N︰1的缩小；包络信号（Venv）经线性放大器的正端输入线性放大器，通过电压电流发生器，向电压电流发生器提供与包络信号幅值对应的调制电压，电流检测电路对电压电流发生器进行检测，输出的电流作为逻辑控制电路的基准信号；

所述的逻辑控制电路是由比较器和逻辑门构成，包括第一比较器C3，第二比较器C4、第三比较器C5、第一逻辑与门A1、第二逻辑与门A2、逻辑或非门N1、逻辑或门N2、第一逻辑非门N3和第二逻辑非门N4，第一比较器C3脚21端与第二逻辑与门A2的一端相连，第二比较器C4脚22端与第一逻辑非门N3、逻辑或非门N1一端相连，第三比较器C5脚23端与第一逻辑与门A1、逻辑或非门N1的一端相连，逻辑或非门N1的另一端、第一逻辑与门A1的另一端接逻辑或门N2的一端，逻辑或门N2的另一端接第二逻辑与门A2的一端，第一逻辑非门N3的另一端脚24接开关转换电路，第二逻辑与门A2的另一端脚27接第二逻辑非门N4的一端，第二逻辑非门N4的另一端接开关转换电路，第一比较器C3脚20（+）、第二比较器C4的脚18（+）、第三比较器C5脚16（+）并联，经电阻R3接地，并经共端13接MOS管MP1和NOS管MN1的共端12，第一比较器C3的脚19（-）、第二比较器C4的脚17（-）、第三比较器C5的脚15（-）并联，经电阻R4接地，并经电阻R4、第一比较器C3、第二比较器C4、第三比较器C5的共端14接控制信号V_R，MOS管MP1的源极脚11接电源V_BAT，NOS管MN1的源极接地，NOS管MN1的栅极脚8接MOS管MP的栅极脚4，NOS管MN1的栅极脚9接NOS管MN栅极脚3；将电流检测电路检测出的电流转换成对应的电压值，作为逻辑控制电路端的输入信号，另一端逻辑输入信号为外围控制信号，根据逻辑关系分别输出控制信号，对开关转换电路供电电压进行控制，并作为开关转换电路的输入信号；

所述的开关转换电路是由第一开关转换电路（SW1）、第二开关转换电路（SW2）构成，其中第一开关转换电路是由MOS管MP_1C、MOS管MP_1BAT、NOS管MN₁、NOS管MN₂和第一按键SEL₁构成，第一按键SEL₁是由两个P型MOS管并联构成，MOS管MP_1C的栅极、MOS管MP_1BAT的栅极并联与第二逻辑非门N4共端28相连，NOS 管MN1 的栅极与第二逻辑非门N4、第二逻辑与门A2 的共端27 相连，MOS管MP_1C的源极和漏极间经串联的二极管相连，MOS管MP_1BAT的源极和漏极之间经串联的二极管相连，二极管的共端并联接第一按键SEL₁的源极，NOS管MN₁的源极接地，源极和漏极间连接有二极管，NOS管MN₁的漏极接MOS管MP_1C的漏极和MOS管MP_1BAT的漏极脚36，第一按键SEL₁的MOS管两个漏极分别接电源Vc脚38、电源V_BAT脚39，MOS管MP_1C的源极、MOS管MP_1BAT的源极共端经第一电感L₁脚37接第二电感L₂一端脚32、射频功放（RF）脚41及电阻器β脚7、MOS管MP、NOS管MN的漏极输出端口脚10；所述第二开关转换电路（SW2）包括MOS管MP_2C、MOS管MP_2BAT、NOS管MN₂和第二按键SEL₂，第二按键SEL₂是由两个P型MOS管并联构成，MOS管MP_2C的栅极脚31与第一逻辑非门N3的脚24相连，并与MOS管MP_2BAT的栅极脚40相连，MOS管MP_2C的源极、漏极间装有串联的二极管，MOS管MP_2BAT的源极和漏极间装有串联的二极管，两组二极管的共端相连，MOS管MP_2C的源极与第二按键SEL₂的一个源极相连，并与电源Vc/2脚34相连，MOS管MP_2BAT的源极与第二按键SEL₂的另一源极相连，并与电源V_BAT/2相连，MOS管MP_2BAT栅极脚40与MOS管MP_2C的栅极相连，接第一逻辑非门N3的脚24，NOS管MN₂的栅极接第二比较器C4、第一逻辑非门N3的共端，NOS管MN₂的漏极、第二按键SEL₂的漏极相连共端35接第二电感L₂的另一端；第一开关转换电路（SW1）、第二开关转换电路（SW2）分别控制开关转换电路的输入端，并为射频功放（RF）提供包络信号幅值对应的调制电流；

所述的电源模块包括直流电源Vc和直流电压转换器，直流电压转换器装在电源Vc、电源Vc/2与电源V_BAT、电源V_BAT/2之间，为数字控制混合型电源调制电路提供电源电压或调整电压。

2.权利要求1所述的数字控制混合型电源调制电路在混合型电源调制器中的应用。