CN113849030B - 功率放大器功耗自适应装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了功率放大器功耗自适应装置及其方法，包括：传统功率放大器和自适应模块，所述自适应模块位于直流电源向功放单元供电的线路中，其中，所述自适应模块包括信号整理单元和可控开关电源，所述信号整理单元用于对来自所述传统功率放大器的工作信号进行信号相位和信号强度整理，生成适用于控制所述可控开关电源的控制信号，发送至所述可控开关电源；所述可控开关电源在所述控制信号的作用下，输出受控制的变化电压至功放单元进行供电，其中，所述可控开关电源输出电压强度与工作信号相关，输出至功放单元的供电电压随工作信号强度自动调节。

Description

功率放大器功耗自适应装置及其方法
技术领域
本发明涉及功率放大器技术领域，特别涉及一种功率放大器功耗自适应装置及其方法。
背景技术
在医疗领域中，传统线性功率放大器(不涉及数字D类功率放大器)因具有技术成熟可靠、无高频功率辐射源等优势，在有源医疗器械中广泛使用。目前现有技术中，传统的线性功率放大器一般由恒定的直流电源供电。功率放大器的输出信号强度范围很宽，在工作中输出强度是根据需要随时调节的，为保证最大强度时的供电要求，供电电压设计都是按最高电压供电，而实际工作中设备很少以最大强度输出，所以供电电压大部分时间都远远高于实际的需要，过高的供电电压使功放单元产生无用功率损耗，功放单元发热严重，许多设备必须要借助于复杂的散热系统才能工作。图1为传统功率放大器的结构图。
上述现有技术的典型特征是：设备发热较高，有较复杂的散热系统，设备的能耗比较差能耗效率低，设备体积、重量和噪音(采用风冷时)较大，成本较高。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种功率放大器功耗自适应装置及其方法
为了实现上述目的，本发明一方面的实施例提供一种功率放大器功耗自适应装置，包括：传统功率放大器和自适应模块，所述自适应模块位于直流电源向功放单元供电的线路中，其中，所述自适应模块包括信号整理单元和可控开关电源，
所述信号整理单元用于对来自所述传统功率放大器的工作信号进行信号相位和信号强度整理，生成适用于控制所述可控开关电源的控制信号，发送至所述可控开关电源；
所述可控开关电源在所述控制信号的作用下，输出受控制的变化电压至功放单元进行供电，其中，所述可控开关电源输出电压强度与工作信号相关，输出至功放单元的供电电压随工作信号强度自动调节。
进一步，当所述工作信号的信号强时输出电压高，信号弱时输出电压低。
进一步，所述信号整理单元的输入端与所述传统功率放大器的数模转换单元的输出端连接，所述数模转换单元的输入端与所述传统功率放大器的数字信号源输出端连接，所述传统功率放大器的模拟信号源输出端与前置放大单元的输入端连接诶，所述前置放大单元的输出端与所述信号整理单元的输入端和功放单元的输入端连接，所述功放单元的输入端进一步与所述数模转换单元的输出端连接，其中，所述信号整理单元接收所述传统功率放大器的数模转换单元或前置放大单元传输来的工作信号，对该工作信号进行调整。
进一步，所述信号整理单元包括：运算放大器，所述运算放大器与所述传统功率放大器的数模转换单元的输出端连接，由所述运算放大器对来自所述传统功率放大器的工作信号进行信号相位和信号强度的整理。
进一步，所述信号整理单元包括：内置数模转换单元和阻抗匹配单元，所述内置数模转换单元的输入端与所述传统功率放大器的数字信号输出端连接，所述内置数模转换单元的输出端与所述阻抗匹配单元的输入端连接，所述传统功率放大器的数字信号源输出端进一步与所述传统功率放大器的数模转换单元的输入端连接，所述传统功率放大器的数模转换单元的输出端与功放单元连接。
进一步，所述内置数模转换单元接受单片机产生的数字信号，由所述单片机依据所述功放单元的工作状态，产生符合信号相位和信号强度要求的数字信号，由所述内置数模转换单元将处理后的数字信号转换为模拟信号，再传输至所述阻抗匹配单元进行处理。
进一步，所述可控开关电源采用降压开关电源或升压开关电源。
进一步，所述信号整理单元对所述工作信号进行信号相位整理包括：倒相处理；所述信号整理单元对所述工作信号进行信号强度整理，包括：对信号强度进行放大或衰减处理。
本发明另一方面的实施例提供一种功率放大器功耗自适应方法，包括如下步骤：
步骤S1，在直流电源向功放单元供电的线路中，嵌入自适应模块；
步骤S2，所述自适应模块对来自所述传统功率放大器的工作信号进行信号相位和信号强度整理，或将已经包含了相位和强度信息的数字信号转换为模拟信号，生成适用于控制所述可控开关电源的控制信号；
步骤S3，所述可控开关电源根据所述控制信号输出受控制的变化电压至功放单元进行供电，其中，所述可控开关电源输出电压强度与工作信号相关，输出至功放单元的供电电压随工作信号强度自动调节。
进一步，当所述工作信号的信号强时输出电压高，信号弱时输出电压低。
根据本发明实施例的功率放大器功耗自适应装置及其方法，解决了现有技术中的传统功率放大器发热、能耗比差、体积重量大等问题，本发明通过在功放单元的供电回路中加入一个自适应模块，自适应模块依据工作信号的大小自动调整供电电压，信号强时供电电压高，信号弱时供电电压低，实现功耗自适应。即供电电压跟随信号强度自动调节，信号强时供电电压高，信号弱时供电电压低，减小了无用功率损耗，在保证放大信号不失真的前提下，实现了功耗自适应，降低了传统功率放大器的功耗，避免发热，提高了工作效率。
本发明在传统传统功率放大器的供电回路中加入了一个自适应模块，将功放单元的稳定供电改变为跟随工作信号强度自动调整的幅度变化的供电，减小了功放单元的无用功率损耗，实现了功耗自适应。通过本发明装置和方法，在输出同样功率信号的情况下，能显著减小功率放大器的自身功耗，因自适应模块中的可控开关电源为数字电路，工作效率可达80％以上，而功放单元的无用功耗在各种信号强度的工况下都能达到最低，所以整机的功耗得以优化。采用本发明的装置和方法，解决了传统功率放大器电路发热严重的问题，可以大幅降低对功放单元的功率性能要求，可以简化甚至取消功放单元的散热配置(包括散热器、风冷装置、水冷装置等)，可以缩小设备的体积和重量，可以延长便携式设备的电池工作时间，可以降低设备的制作成本，可以提高设备的能耗比指标。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为传统功率放大器结构图；
图2为根据本发明第一实施例的功率放大器功耗自适应装置的结构图；
图3为根据本发明第二实施例的功率放大器功耗自适应装置的结构图；
图4为根据本发明实施例的传统功率放大器功耗自适应方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提出一种功率放大器功耗自适应装置及其方法，适用于有源医疗器械、传统功率放大器等电子技术领域，可降低设备功耗。
如图2所示，本发明实施例的功率放大器功耗自适应装置，包括：传统功率放大器和自适应模块，自适应模块位于直流电源向功放单元供电的线路中。其中，自适应模块包括信号整理单元和可控开关电源。
信号整理单元用于对来自传统功率放大器的工作信号进行信号相位和信号强度整理，生成适用于控制可控开关电源的控制信号，发送至可控开关电源。
可控开关电源在控制信号的作用下，输出受控制的变化电压至功放单元进行供电，其中，可控开关电源输出电压强度与工作信号相关，输出至功放单元的供电电压随工作信号强度自动调节。在本发明的实施例中，当工作信号的信号强时输出电压高，信号弱时输出电压低。
在本发明的实施例中，可控开关电源依据实际电路结构的要求，可以是降压开关电源，也可以是升压开关电源。开关电源自身工作效率较高一般可达80％以上，可以保证整体电路的工作效率。
需要说明的是，功放单元的供电不是稳定的直流电源，而是由可控开关电源提供的电压高低随信号强度实时变化的直流电源。自适应模块中，可控开关电源的输入电压是恒定的直流电，可控开关电源的输出电压不是恒定的。可控开关电源的输出电压受到信号整理送来的信号控制，当信号强时输出电压高，当信号弱时输出电压低；即设备的功放单元的供电电压是随信号强度自动调节的，供电电压自动适应信号强度的变化，使功放单元的无用功率损耗降至最低，实现了功耗自适应。
可控开关电源具有良好的调节特性：一是能够依据控制信号的控制输出在一定范围内变化的电压；二是对输出电压的调节具有较好的线性度；三是能够对控制信号进行快速及时的响应，从而使得输出电压的变化能实时跟随工作信号的强度变化，达到功耗自适应。
功放单元的供电电压经自适应模块提供，供电电压是非恒定的，供电电压自动跟随工作信号强度发生变化。信号强时供电电压高，信号弱时供电电压低，供电电压始终保持在使功放单元对不同强度的信号都能不失真放大时的最低数值，由此实现了功耗自适应，避免了供电电压过高造成的无用功率损耗，提高了功放单元的工作效率。
在本发明中，所述信号整理单元既可以接收经前置放大送来的模拟信号，也可以接收数字信号经过数模转换后得到的模拟信号。信号整理单元对接收到的信号进行处理后输出，其输出信号作为可控开关电源的控制信号。
信号整理单元的输入端与传统功率放大器的数模转换单元的输出端连接，数模转换单元的输入端与传统功率放大器的数字信号源输出端连接，传统功率放大器的模拟信号源输出端与前置放大单元的输入端连接，前置放大单元的输出端与信号整理单元的输入端和功放单元的输入端连接，功放单元的输入端进一步与数模转换单元的输出端连接，其中，信号整理单元接收传统功率放大器的数模转换单元或前置放大单元传输来的工作信号，对该工作信号进行调整。
信号整理单元包括：运算放大器，运算放大器与传统功率放大器的数模转换单元的输出端连接，由运算放大器对来自传统功率放大器的工作信号进行信号相位和信号强度的整理。具体的，信号整理单元依据实际使用的可控开关电源的特性，对信号进行处理：一是信号相位处理，必要时对信号进行倒相；二是信号强度处理，必要时对信号进行放大或衰减。
参考图2所示，功率放大器功耗自适应装置包括传统传统功率放大器A和自适应模块B。传统功率放大器A包括模拟信号源A-1、前置放大单元A-2、数字信号源A-3、数模转换单元A-4、直流电源A-5和功放单元A-6。所述自适应模块B包括信号整理单元B-1和可控开关电源B-2。所述前置放大单元A-2、数模转换单元A-4与信号整理单元B-1相连，信号整理单元B-1与可控开关电源B-2控制端相连，直流电源A-5输出端与可控开关电源B-2输入端相连，可控开关电源B-2输出端与功放单元A-6电源端相连。所述方法步骤如下：模拟信号经前置放大或数字信号经数模转换后送到信号整理单元B-1，信号经相位、强度整理后送至可控开关电源B-2，可控开关电源B-2的输出电压受该信号控制并送至功放单元A-6，功放单元A-6的供电电压跟随信号强度自动调节，信号强时供电电压高，信号弱时供电电压低，减小了无用功率损耗，在保证放大信号不失真的前提下，实现了功耗自适应，降低了功率放大器的功耗，避免发热，提高了工作效率。
此外，如图3所示，本发明还提供一种新的功耗自适应电路组合方式，基本原理没有变，只是将信号整理单元中的运算放大器换为内置数模转换单元B-13，由单片机单独给一路数据控制B-13，原来由运算放大器处理的相位和数值大小问题，全部交由单片机数字化处理，由内置数模转换单元B-13将数字信号转变为所需要的模拟信号。
信号整理单元包括：内置数模转换单元和阻抗匹配单元，内置数模转换单元的输入端与传统功率放大器的数字信号源(由单片机提供)输出端连接，内置数模转换单元的输出端与阻抗匹配单元的输入端连接，传统功率放大器的数字信号源输出端进一步与传统功率放大器的数模转换单元的输入端连接，传统功率放大器的数模转换单元的输出端与功放单元连接。
内置数模转换单元接受单片机数字信号，由所述单片机依据所述功放单元的工作状态，产生符合信号相位和信号强度要求的数字信号，由所述内置数模转换单元将处理后的数字信号转换为模拟信号，再传输至所述阻抗匹配单元进行处理。
具体的，信号整理单元的内部数模转换单元将数字信号转换为模拟信号，而内部数模转换单元所接收的数字信号，已经是依据实际使用的可控开关电源的特性，进行过必要的信号相位处理和信号强度处理，这些数字处理由前级数字信号源(单片机)完成。然后是信号阻抗匹配，通过适当的阻抗转换与可控开关电源连接，以获得对可控开关电源的合适的控制范围。
如图4所示，本发明实施例还提供一种功率放大器功耗自适应方法，包括如下步骤：
步骤S1，在直流电源向功放单元供电的线路中，嵌入自适应模块。
具体的，相对于传统功率放大器，在直流电源向功放单元供电的线路中，嵌入一个自适应模块。
步骤S2，自适应模块对来自传统功率放大器的工作信号进行信号相位和信号强度整理，生成适用于控制可控开关电源的控制信号。
在自适应模块的信号整理部分，将工作信号进行相位和强度整理，或将已经包含了相位和强度信息的数字信号转换为模拟信号。获得适合于控制可控开关电源的控制信号。
步骤S3，可控开关电源根据控制信号输出受控制的变化电压至功放单元进行供电，其中，可控开关电源输出电压强度与工作信号相关，输出至功放单元的供电电压随工作信号强度自动调节。在本发明的实施例中，该控制信号特征与工作信号密切相关，可控开关电源在该控制信号作用下。输出电压强度也和工作信号密切相关，信号强时输出电压高，信号弱时输出电压低。直流电源经过自适应模块后成为非恒定电压向功放单元供电。
可控开关电源输出非恒定的变化电压向功放单元供电，功放单元的供电电压不是恒定的，供电电压自动跟随工作信号的强度发生变化，避免了供电电压过高在功放单元产生的无用损耗，从而实现功耗自适应。
根据本发明实施例的功率放大器功耗自适应装置及其方法，解决了现有技术中的传统功率放大器发热、能耗比差、体积重量大等问题，本发明通过在功放单元的供电回路中加入一个自适应模块，自适应模块依据工作信号的大小自动调整供电电压，信号强时供电电压高，信号弱时供电电压低，实现功耗自适应。即供电电压跟随信号强度自动调节，信号强时供电电压高，信号弱时供电电压低，减小了无用功率损耗，在保证放大信号不失真的前提下，实现了功耗自适应，降低了传统功率放大器的功耗，避免发热，提高了工作效率。
本发明在传统功率放大器的供电回路中加入了一个自适应模块，将功放单元的稳定供电改变为跟随工作信号强度自动调整的幅度变化的供电，减小了功放单元的无用功率损耗，实现了功耗自适应。通过本发明装置和方法，在输出同样功率信号的情况下，能显著减小传统功率放大器的自身功耗，因自适应模块中的可控开关电源为数字电路，工作效率可达80％以上，而功放单元的无用功耗在各种信号强度的工况下都能达到最低，所以整机的功耗得以优化。采用本发明的装置和方法，解决了传统功率放大器电路发热严重的问题，可以大幅降低对功放单元的功率性能要求，可以简化甚至取消功放单元的散热配置(包括散热器、风冷装置、水冷装置等)，可以缩小设备的体积和重量，可以延长便携式设备的电池工作时间，可以降低设备的制作成本，可以提高设备的能耗比指标。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (7)

1.一种功率放大器功耗自适应装置，其特征在于，包括：传统功率放大器和自适应模块，所述自适应模块位于直流电源向功放单元供电的线路中，其中，所述自适应模块包括信号整理单元和可控开关电源，
所述信号整理单元用于对来自所述传统功率放大器的工作信号进行信号相位和信号强度整理，生成适用于控制所述可控开关电源的控制信号，发送至所述可控开关电源；所述信号整理单元的输入端与所述传统功率放大器的数模转换单元的输出端连接，所述数模转换单元的输入端与所述传统功率放大器的数字信号源输出端连接，所述传统功率放大器的模拟信号源输出端与前置放大单元的输入端连接，所述前置放大单元的输出端与所述信号整理单元的输入端和功放单元的输入端连接，所述功放单元的输入端进一步与所述数模转换单元的输出端连接，其中，所述信号整理单元接收所述传统功率放大器的数模转换单元或前置放大单元传输来的工作信号，对该工作信号进行调整；所述信号整理单元包括：内置数模转换单元和阻抗匹配单元，所述内置数模转换单元的输入端与所述传统功率放大器的数字信号源输出端连接，所述内置数模转换单元的输出端与所述阻抗匹配单元的输入端连接，所述传统功率放大器的数字信号源输出端进一步与所述传统功率放大器的数模转换单元的输入端连接，所述传统功率放大器的数模转换单元的输出端与功放单元连接；所述内置数模转换单元接受单片机产生的数字信号，由所述单片机依据所述功放单元的工作状态，产生符合信号相位和信号强度要求的数字信号，由所述内置数模转换单元将处理后的数字信号转换为模拟信号，再传输至所述阻抗匹配单元进行处理；
所述可控开关电源在所述控制信号的作用下，输出受控制的变化电压至功放单元进行供电，其中，所述可控开关电源输出电压强度与工作信号相关，输出至功放单元的供电电压随工作信号强度自动调节。
2.如权利要求1所述的功率放大器功耗自适应装置，其特征在于，当所述工作信号的信号强时输出电压高，信号弱时输出电压低。
3.如权利要求1所述的功率放大器功耗自适应装置，其特征在于，所述信号整理单元包括：运算放大器，所述运算放大器与所述传统功率放大器的数模转换单元的输出端连接，由所述运算放大器对来自所述传统功率放大器的工作信号进行信号相位和信号强度的整理。
4.如权利要求1所述的功率放大器功耗自适应装置，其特征在于，所述可控开关电源采用降压开关电源或升压开关电源。
5.如权利要求1所述的功率放大器功耗自适应装置，其特征在于，所述信号整理单元对所述工作信号进行信号相位整理包括：倒相处理；所述信号整理单元对所述工作信号进行信号强度整理，包括：对信号强度进行放大或衰减处理。
6.一种功率放大器功耗自适应方法，其特征在于，所述功率放大器功耗自适应方法应用于权利要求1-5所述的装置，包括如下步骤：
步骤S1，在直流电源向功放单元供电的线路中，嵌入自适应模块；
步骤S2，所述自适应模块对来自所述传统功率放大器的工作信号进行信号相位和信号强度整理，或将已经包含了相位和强度信息的数字信号转换为模拟信号,生成适用于控制所述可控开关电源的控制信号；其中，对该工作信号进行调整；由所述单片机依据所述功放单元的工作状态，产生符合信号相位和信号强度要求的数字信号，将处理后的数字信号转换为模拟信号；
步骤S3，所述可控开关电源根据所述控制信号输出受控制的变化电压至功放单元进行供电，其中，所述可控开关电源输出电压强度与工作信号相关，输出至功放单元的供电电压随工作信号强度自动调节。
7.如权利要求6所述的功率放大器功耗自适应方法，其特征在于，当所述工作信号的信号强时输出电压高，信号弱时输出电压低。
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