CN115242193A - 电压控制设备及功率放大系统 - Google Patents

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Abstract

本发明可提供一种电压控制设备，用于控制功率放大器的电源电压，所述电压控制设备包括：第一处理电路，被配置为向所述功率放大器的至少一个驱动级放大器提供第一电源电压；以及第二处理电路，被配置为向所述功率放大器的输出级放大器提供第二电源电压，其中，所述第一电源电压是根据与所述功率放大器传送的射频信号的平均功率电平有关的平均功率跟踪机制而产生的。通过利用本发明，可以更好地控制功率放大器的电源电压。

Description

电压控制设备及功率放大系统
技术领域
本发明有关于电压控制设备(voltage control device)，且尤其有关于用于控制传送(Transmitting，TX)前端(front end)中功率放大器(Power Amplifier，PA)的电源电压(supply voltage)的电压控制设备。
背景技术
随着通信技术的进步，无线传输成为移动设备的必备功能。此外，为了进行无线传输，功率放大器PA是传送前端的必备元件。PA可用于放大射频(Radio Frequency，RF)信号的功率电平(power level)，以适应无线环境中的操作条件。
考虑到制造因素和元件特性，寄生电容(parasitic capacitance)可能会出现在PA内部或外部。这种寄生电容可能会严重降低PA传送的RF信号的信号完整性。
为了解决上述PA的信号完整性问题，本领域的技术人员致力于改进PA的配置和操作机制，以实现更好的RF信号完整性。
发明内容
根据本发明的一方面，可提供一种电压控制设备，用于控制功率放大器的电源电压，所述电压控制设备包括：第一处理电路，被配置为向所述功率放大器的至少一个驱动级放大器提供第一电源电压；以及第二处理电路，被配置为向所述功率放大器的输出级放大器提供第二电源电压，其中，所述第一电源电压是根据与所述功率放大器传送的射频信号的平均功率电平有关的平均功率跟踪机制而产生的。
根据本发明的一方面，可提供一种功率放大系统，包括：功率放大器，所述功率放大器包括至少一个驱动级放大器以及输出级放大器；第一处理电路，被配置为根据平均功率跟踪机制产生第一电源电压，并且向所述至少一个驱动级放大器提供所述第一电源电压；以及第二处理电路，被配置为根据包络跟踪电源调制机制产生第二电源电压，并且向所述输出级放大器提供所述第二电源电压。
通过利用本发明，可以更好地控制功率放大器的电源电压。
附图说明
图1是包含本发明示范性电压控制设备1000的传送前端3000的示意性框图。
图2A是RF信号的电压电平与时间的关系图。
图2B是电源电压的电压电平与时间的关系图。
图3A是RF信号的电压电平与时间的另一关系图。
图3B是电源电压的电压电平与时间的关系图。
图4是例示本发明示例的电压控制设备及PA的框图。
图5是例示对比示例中的TX前端的电压控制设备和PA的框图。
图6是图4的电压控制设备的一个示例的框图。
图7A是例示本发明的电压控制设备和PA的另一示例的框图。
图7B是图7A的处理电路的框图。
在以下的具体实施方式中，可出于解释的目的阐述许多具体细节，以便可以提供对本发明实施例的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施一个或多个实施例。在其他情况下，为了简化附图，可示意性地例示公知的结构和设备。
具体实施方式
图1是包含本发明示范性电压控制设备1000的TX前端3000的示意性框图。参考图1，TX前端3000可包括电源1100、电压控制设备1000、功率放大器PA 2000、切换电路(switchcircuit)3100和天线3200。TX前端3000可用于以无线方式传送电子设备的RF信号。
PA 2000可以从调制器(未在图1中示出)接收已调制的RF信号rs1，并且RF信号rs1可具有适合于无线传输的期望操作频率。PA 2000可用于放大射频信号rs1的功率电平以获得射频信号rs2，该射频信号rs2可具有适合于电子设备操作条件的期望功率电平。切换电路3100可用于选择性地将TX路径(path)txp0或接收(Receiving，RX)路径rxp0耦接(couple)到天线3200。当电子设备进行传送操作时，可通过TX路径txp0和切换电路3100将RF信号rs2传送到天线3200。天线3200可用于根据射频信号rs2产生辐射信号(radiationsignal)rs3。
PA 2000可以利用至少两个直流(Direct Current，DC)电源电压来操作：电源电压APT1和电源电压ET1，其中可根据电源电压APT1和ET1对PA 2000进行供电。电源电压APT1和ET1的电压电平可以不是固定的，而是可以根据电子设备操作的当前状态进行动态调整。对于需要将RF信号rs2放大为更大功率电平的操作状态来说，可以将电源电压APT1和ET1调整为更大的电压电平；否则，可以降低电源电压APT1和ET1的电压电平。
电压控制设备1000可用于提供电源电压APT1和ET1以及调整其电压电平。电源1100可用于向电压控制设备1000提供电源电压VB1。电源电压VB1可以是具有固定电压电平的固定电源电压。在一个示例中，电源1100可以指电池，电源电压VB1可以是1.5伏的固定电池电压。
特别地，电源电压APT1可以称为″第一电源电压″，电压控制设备1000可以根据″平均功率跟踪(Average-Power-Tracking，APT)″机制来控制电源电压APT1。此外，电源电压ET1可以称为″第二电源电压″，可以根据″包络跟踪电源调制(Envelope-Tracking-Supply-Modulating，ETSM)″机制对ET1进行控制。
图2A是RF信号rs2的电压电平与时间的关系图，图2B是电源电压APT1的电压电平与时间的关系图，图2A和图2B均可例示对电源电压APT1进行的APT机制。参考图2A，可以测量RF信号rs2的平均功率电平20，并且可以获得与平均功率电平20有关的控制信号ap1。电压控制设备1000可以被配置为根据控制信号ap1调整电源电压APT1。当RF信号rs2的平均功率电平20降低时，表明PA 2000需要较低的电源功率，因此如图2B所示，电压控制设备1000可降低电源电压APT1的电压电平。与固定的电源电压VCC0相比，可以根据RF信号rs2的平均功率电平20对电源电压APT1进行动态调整，从而可以降低PA 2000的功耗。
另一方面，利用ETSM机制，可以根据RF信号rs2的包络(envelope)″不断地″(即更频繁和精确地)对电源电压ET1进行调整，因此可以进一步降低PA 2000的功耗。图3A是RF信号rs2的电压电平与时间的另一关系图，图3B是电源电压ET1的电压电平与时间的关系图，图3A和图3B均可例示对电源电压ET1进行的ETSM机制。参考图3A，可以测量RF信号rs2的包络30，并且获得与包络30有关的控制信号ev1。如图3B所示，根据控制信号ev1，电压控制设备1000可以被配置为″不断地″调整电源电压ET1。在ETSM机制中，可以更精确地跟踪RF信号rs2的电压电平，因此可以立即调整电源电压ET1以进一步降低PA 2000的功耗。
在图1的示例中，RF信号rs2的平均功率电平20和包络30可以由除了电压控制设备1000以外的另一元件(未在图1中示出)测量，并且可以在该分离元件中产生控制信号ap1和ev1。在其他示例中(未在图1中示出)，电压控制设备1000可以用于测量RF信号rs2的平均功率电平20和包络30，并且可以在电压控制设备1000中产生控制信号ap1和ev1。
电源电压ET1可以是模拟类型或数字类型。在一个示例中，电源电压ET1可以是被称为″电源电压AET1″的模拟调制电源电压。在另一示例中，电源电压ET1可以是被称为″电源电压DET1″的数字调制电源电压。
图4是例示本发明示例的电压控制设备1000及PA 2000的示意性框图。在图4的示例中，电压控制设备1000可提供电源电压AET1，该电源电压AET1可以是模拟调制的电源电压。参考图4，电压控制设备1000可以包括处理电路100和处理电路200。处理电路100(可称为″第一处理电路″)，可用于根据控制信号ap1和电源电压VB1来提供电源电压APT1。在一个示例中，处理电路100可以包括直流-直流(DC-DC)转换器。DC-DC转换器可以是低压差(LowDropout，LDO)DC-DC转换器、降压(buck)DC-DC转换器、升压(boost)DC-DC转换器或降压升压DC-DC转换器。DC-DC转换器可以将电源电压VB1转换为电源电压APT1，并根据控制信号ap1调整电源电压APT1的电压电平。
处理电路200(可称为″第二处理电路″)，可用于根据控制信号ev1和电源电压VB1提供电源电压AET1。与处理电路100类似，处理电路200也可以包括DC-DC转换器，用于将电源电压VB1转换为电源电压AET1。处理电路200的DC-DC转换器可以是LDO DC-DC转换器、降压DC-DC转换器、升压DC-DC转换器或降压升压DC-DC转换器。此外，处理电路200可利用ETSM机制根据控制信号ev1来调整电源电压AET1。
PA 2000可以包括驱动级(driving stage)700和输出级(output stage)800。驱动级700可以包括至少一个放大器，例如驱动级放大器700-1至700-n。驱动级放大器700-1至700-n可耦接到供电端口Vcc1，供电端口Vcc1可耦接到处理电路100以接收电源电压APT1。PA2000可具有内部寄生电容C1，内部寄生电容C1可在供电端口Vcc1与驱动级放大器700-1至700-n之间的连接路径P1上测量。供电端口Vcc1可称为″第一供电端口″，电容C1可称为″第一等效电容″，电容C1与供电端口Vcc1有关。
输出级800可包括输出级放大器800-1。输出级放大器800-1可通过供电端口Vcc2接收电源电压AET1。供电端口Vcc2(可称为″第二供电端口″)，可耦接到处理电路200以接收电源电压AET1。PA 2000内部寄生的另一个电容C2可以在电源端口Vcc2和输出级放大器800-1之间的连接路径P2上测量。电容C2可称为″第二等效电容″，与供电端口Vcc2有关。
此外，可以在供电端口Vcc2和处理电路200之间的连接路径P3上测量PA2000外部的外部寄生电容C3。可以在PA 2000外部的位置和供电端口Vcc2附近识别电容C3。电容C3也与供电端口Vcc2有关，可称为″第三等效电容″。
此外，还可以在供电端口Vcc2和处理电路200之间的连接路径P3上测量电容C4和电感L1。电容C4和电感L1可与电路板的布线有关，电路板的布线可形成供电端口Vcc2与处理电路200之间的连接路径P3。电容C4可称为″第四等效电容″。
基于电压控制设备1000和PA 2000的上述配置，可相对于连接路径P3和P2以并联方式形成电容C2、C3和C4。因此，当从处理电路200通过连接路径P3、供电端口Vcc2和连接路径P2观察输出级放大器800-1时，可以得到总等效电容Ct为电容C2、C3和C4之和，表示为式(1)：
Ct＝C2+C3+C4 式(1)
此外，电源电压AET1可具有与总等效电容Ct有关的信号带宽BW1。总等效电容Ct的值越小，电源电压AET1的信号带宽BW1可能越大。利用较大的信号带宽BW1，PA 2000可以实现更好的线性度和更少的失真，因此RF信号rs2可以实现更好的信号完整性。
图5是例示对比示例中的TX前端3000b的电压控制设备1000b和PA 2000b的示意性框图。参考图5，电压控制设备1000b可以仅向PA 2000b提供一个电源电压ET1b。驱动级放大器700-1至700-n可通过供电端口Vcc1接收电源电压ET1b，输出级放大器800-1可通过供电端口Vcc2接收电源电压ET1b。可以测量与供电端口Vcc1有关的电容C1和C5，其中电容C1可在内部寄生到PA2000b，电容C5可在PA 2000b外部。类似地，可以测量与供电端口Vcc2有关的电容C3和C2，其中电容C2可在内部寄生到PA 2000b，电容C3可在PA2000b外部。此外，可以在形成连接路径P3的电路板布线上测量电容C4。由于电源电压ET1b通过供电端口Vcc1和Vcc2提供给驱动级放大器700-1至700-n和输出级放大器800-1，因此，可以得到与电源电压ET1b有关的总等效电容Ctb为电容C1、C5、C2、C3和C4之和，表示为式(2)：
Ct＝C1+C5+C2+C3+C4 式(2)
与图5对比示例的总等效电容Ctb相比，本发明图4所示的电压控制设备1000可以提供更小的总等效电容Ct值。因此，图4的电压控制设备1000可以为电源电压AET1实现更宽的信号带宽BW1。
图6是图4的电压控制设备1000的一个示例的示意性框图。参考图6，电压控制设备1000的处理电路200(即，第二处理电路)可以包括转换器210、放大器220和反馈电路230。转换器210可以是DC-DC转换器(例如，LDO DC-DC转换器、降压DC-DC转换器、升压DC-DC转换器或降压升压DC-DC转换器)，用于将电源电压VB1转换为电源电压AET1。放大器220可以是模拟差分放大器(analog differential amplifier )(比如″运算放大器(OperationalAmplifier，OP Amp″)，可用作误差放大器(error amplifier)以向转换器210提供误差电流I_err。误差电流I_err可基于控制信号ev1和反馈信号fb1产生，反馈电路230可用于根据电源电压AET1提供反馈信号fb1。当电源电压AET1的电压电平偏离控制信号ev1(即电源电压AET1的电压电平偏离射频信号rs2的包络30)时，误差电流I_err可能具有较大的电流值，转换器210可以吸收(sink)或提供(source)控制电流I_sv以调整电源电压AET1的电压电平。
电压控制设备1000的处理电路100(即，第一处理电路)可以包括转换器110。与处理电路200的转换器210类似，转换器110也可以是DC-DC转换器(例如，LDO DC-DC转换器、降压DC-DC转换器、升压DC-DC转换器或降压升压DC-DC转换器)，用于将电源电压VB1转换为电源电压APT1。此外，转换器110可以被配置为基于控制信号ap1调整电源电压APT1，使得电源电压APT1的电压电平可以近似地拟合(fit)RF信号rs2的平均功率电平20。
图7A是例示本发明的电压控制设备1000c和PA 2000的另一示例的示意性框图。参考图7A，电压控制设备1000c可类似于图4的电压控制设备1000，不同的是，电压控制设备1000c可提供数字类型的电源电压DET1。电压控制设备1000c的处理电路200c可以具有能够处理混合信号的电路，从而可以根据ETSM机制将电源电压DET1生成为数字调制的电源电压。
图7B是图7A的处理电路200c的示意性框图。参考图7A，处理电路200c可类似于图6的处理电路200，不同的是，图6的放大器220(即模拟差分放大器)可以替换为混合信号电路220c。混合信号电路220c可用于估计控制信号ev1和电源电压DET1之间的误差值。借助该误差值，转换器210c可以将电源电压DET1调整为所需的电压电平以拟合RF信号rs2的包络30，从而实现ETSM机制。
本领域技术人员能够理解，可以对本发明的实施例进行各种修改和调整。本发明的说明书和示例仅仅是示例性的，本发明的真正范围由权利要求及其等同物来指示。

Claims (20)

1.一种电压控制设备，用于控制功率放大器的电源电压，所述电压控制设备包括：
第一处理电路，被配置为向所述功率放大器的至少一个驱动级放大器提供第一电源电压；以及
第二处理电路，被配置为向所述功率放大器的输出级放大器提供第二电源电压，
其中，所述第一电源电压是根据与所述功率放大器传送的射频信号的平均功率电平有关的平均功率跟踪机制而产生的。
2.如权利要求1所述的电压控制设备，其特征在于，所述第一处理电路包括低压差直流-直流转换器、降压直流-直流转换器、升压直流-直流转换器、或者降压升压直流-直流转换器。
3.如权利要求2所述的电压控制设备，其特征在于，所述第一处理电路从电源接收固定的电源电压，并且根据所述平均功率跟踪机制将所述固定的电源电压转换为所述第一电源电压。
4.如权利要求1所述的电压控制设备，其特征在于，通过第一供电端口向所述至少一个驱动级放大器提供所述第一电源电压，所述功率放大器具有寄生在所述功率放大器内部的第一等效电容，所述第一等效电容与所述第一供电端口有关。
5.如权利要求1所述的电压控制设备，其特征在于，所述第二电源电压是根据与所述功率放大器传送的所述射频信号的电压电平的包络有关的包络跟踪电源调制机制而产生的。
6.如权利要求5所述的电压控制设备，其特征在于，所述第二处理电路包括模拟差分放大器，所述第二电源电压是根据所述包络跟踪电源调制机制而产生的模拟调制电源电压。
7.如权利要求5所述的电压控制设备，其特征在于，所述第二处理电路包括混合信号电路，所述第二电源电压是根据所述包络跟踪电源调制机制而产生的数字调制电源电压。
8.如权利要求1所述的电压控制设备，其特征在于，通过第二供电端口向所述输出级放大器提供所述第二电源电压，所述功率放大器具有寄生在所述功率放大器内部的第二等效电容，所述第二等效电容与所述第二供电端口有关。
9.如权利要求8所述的电压控制设备，其特征在于，所述第二供电端口还与第三等效电容有关，所述第三等效电容寄生在所述功率放大器外部。
10.如权利要求9所述的电压控制设备，其特征在于，在所述第二供电端口和所述第二处理电路之间的连接路径具有第四等效电容，所述第二电源电压具有与所述第二等效电容、所述第三等效电容和所述第四等效电容之和有关的信号带宽。
11.一种功率放大系统，包括：
功率放大器，所述功率放大器包括至少一个驱动级放大器以及输出级放大器；
第一处理电路，被配置为根据平均功率跟踪机制产生第一电源电压，并且向所述至少一个驱动级放大器提供所述第一电源电压；以及
第二处理电路，被配置为根据包络跟踪电源调制机制产生第二电源电压，并且向所述输出级放大器提供所述第二电源电压。
12.如权利要求11所述的功率放大系统，其特征在于，所述第一电源电压与所述功率放大器传送的射频信号的平均功率电平有关。
13.如权利要求11所述的功率放大系统，其特征在于，所述第一处理电路包括低压差直流-直流转换器、降压直流-直流转换器、升压直流-直流转换器、或者降压升压直流-直流转换器。
14.如权利要求13所述的功率放大系统，其特征在于，还包括：
电源，被配置为向所述第一处理电路提供固定的电源电压，
其中所述第一处理电路根据所述平均功率跟踪机制将所述固定的电源电压转换为所述第一电源电压。
15.如权利要求11所述的功率放大系统，其特征在于，还包括：
第一供电端口，连接在所述第一处理电路和所述至少一个驱动级放大器之间以传送所述第一电源电压，
其中，所述功率放大器具有寄生在所述功率放大器内部的第一等效电容，所述第一等效电容与所述第一供电端口有关。
16.如权利要求11所述的功率放大系统，其特征在于，所述第二电源电压与所述功率放大器传送的所述射频信号的电压电平的包络有关。
17.如权利要求16所述的功率放大系统，其特征在于，所述第二电源电压是根据所述包络跟踪电源调制机制而产生的模拟调制电源电压或数字调制电源电压。
18.如权利要求11所述的功率放大系统，其特征在于，还包括：
第二供电端口，连接在所述第二处理电路和所述输出级放大器之间以传送所述第二电源电压，
其中，所述功率放大器具有寄生在所述功率放大器内部的第二等效电容，所述第二等效电容与所述第二供电端口有关。
19.如权利要求18所述的功率放大系统，其特征在于，所述第二供电端口还与第三等效电容有关，所述第三等效电容寄生在所述功率放大器外部。
20.如权利要求19所述的功率放大系统，其特征在于，还包括：
连接路径，连接在所述第二供电端口和所述第二处理电路之间，所述连接路径具有第四等效电容，
其中，所述第二电源电压具有与所述第二等效电容、所述第三等效电容和所述第四等效电容之和有关的信号带宽。
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