CN1215260A

CN1215260A - 提高功率增加效率的发射机和采用该发射机的无线设备

Info

Publication number: CN1215260A
Application number: CN98118890A
Authority: CN
Inventors: 古斯塔沃·D·雷泽洛维奇; 丹尼斯·G·安森
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1997-09-08
Filing date: 1998-09-07
Publication date: 1999-04-28
Also published as: DE19840092A1; GB2329087A; GB9818429D0; BR9803545A; FR2768277A1

Abstract

本无线设备带有一个由功率放大器、电压调节器和控制器组成的发射机。功率放大器工作在多个输出功率电平之一。当输出功率电平从最大设定减小到较低设定时,控制器调节提供给电压调节器的控制信号电平。控制信号电平上的变化从电压调节器选择较低的输出电压,该输出电压被提供给功率放大器。借助选择性地调整提供给功率放大器的电压电平,使功率增加效率保持在最佳水平。

Description

提高功率增加效率的发射机和采用该发射机的无线设备

本发明涉及发射机，特别是涉及工作于多个输出功率电平之一的发射机。

当前通信设备设计的重点是朝着更小的客户手持设备的方向努力。当一个人拿现在购买的蜂窝式电话与仅仅五年前市场上出售的蜂窝式电话进行比较时，一定会明显看出这个趋势。任何手持袖珍通信设备中最大的部件之一是电池。随着尺寸缩小的趋势，缩小所有附带电池或电池组的尺寸已经成为一种需要。尽管缩小了电池的尺寸，但是不允许缩短设备的使用时间，并且因为一般来说，电池越小，它所提供能量储备也越少，所以要么开发一种更优良的电池，要么该设备在使用存储在该电池中的能量时必须是更有效的。制造商们正在探索这两种途径，但是，电池技术是非常成熟的，因此，制造商们已经把更多的注意力放在提高电子设备的效率上。

在手持袖珍通信设备中，功耗最高的设备之一是发射机。举例来说，这就是为什么一部蜂窝式电话进行一次充电就可以在待机状态下工作几天，而“谈话时间”却只能以数分钟或者数小时来计算。这是因为当设备正在发射时，它比处于待机或空闲状态时耗用更大的功率。在一个使用调幅(AM)体制，包括数字调制体制(例如正交调幅(QAM))的设备中，这一点就显得尤为突出。这是因为，在AM系统中，随着时间变化，功率是变化的，并且典型的功率放大器的效率随着输出功率电平而变化。作为一个典型的AM系统的例子，图1中表示了一个曲线图100，该曲线图画出了一个典型的时分多址(TDMA)AM系统中，功率放大器的输出功率102与时间104的关系。曲线106是随机的，取决于正在发射的信号。因为按照TDMA格式，仅在特定的时隙期间发射信号，所以该曲线的起始点和结束点的输出功率都为零。在TDMA时隙内，存在一个峰值功率电平(用线段108表示)和一个平均功率电平(用线段110表示)。通常把功率放大器设计成峰值功率与饱和点(Psat)(用线段112表示)之间有一些裕量。Psat点被定义为输出功率/输入功率图上的一点，在该点处，输出功率从线性工作值下降规定的量，例如3分贝(dB)。换句话说，随着输入功率增加，输出功率以某些固定的增益因子线性增加。随着输出功率接近Psat点，功率增益开始跌落到线性值以下，并且当实际的输出功率与线性预期值之间的差距为例如3dB时，就已经到达了Psat点。从图1可以看出，在AM系统中，功率放大器的平均输出功率必须被设定，以使输出功率的峰值不超过Psat线，否则，功率放大器将工作在饱和状态，会导致明显的输出失真。

但是，对于一个典型的线性功率放大器，例如甲乙类功率放大器而言，效率最高的工作点接近于Psat点。现在请看图2，这里表示了一个曲线图200，它画出了Psat点之下功率增加效率(power added efficiency，缩写为PAE)202与输出功率204(以dB表示)的关系。PAE是把提供给功率放大器的直流功率转换为信号功率的效率。如图1所示，因为AM信号功率随着时间变化，所以功率放大器的额定功率输出电平必须被设置得足够低，以容纳输出功率的诸峰值电平。例如，就一个典型的甲乙类功率放大器而言，其峰值功率与平均功率之比是5.6dB。为了容纳AM系统中的诸峰值电平，并且留有一定裕量，额定工作功率电平被设定为相对于Psat点-7.5dB，用线段206表示。因为随着功率电平设置得越低，效率就会越低，所以对于典型的甲乙类功率放大器而言，-7.5dB处的效率是24％，用线段208表示。在一个调频(FM)系统中，输出功率将是不变的，因此FM系统中的功率放大器在额定输出功率被设定得非常接近于Psat点的情况下能够工作。

通常把诸移动通信设备设计成为能够根据相对于接收设备的位置来调整输出功率电平，这一作法进一步损害了效率。但是，这样做允许在附近工作区域中频率复用，同时避免了相邻信道的干扰。因此，需要一种工具，利用它，在工作于离散输出功率电平上的功率放大器中提高PAE。

图1表示了一张曲线图，该曲线图画出了对于AM信号输出，功率放大器的输出功率与时间的关系；

图2表示了一张曲线图，该曲线图画出了与一个典型的功率放大器的Psat点相比较，功率增加效率与输出功率的关系；

图3根据本发明表示了一个带有发射机的无线设备的方框图；

图4根据本发明表示了一个开关式功率转换器的方框图。

尽管本说明以诸权利要求作结论，这些权利要求定义了本发明那些被认为是新颖的特点，但是我们相信，参考下面带有附图的描述，将会更好地理解本发明，在这些图中，同样的标记号被转入次页。

本发明通过利用Psat点和提供给功率放大器的电压电平之间的关系解决了以较低的功率输出电平进行发射时效率降低的问题。下面的方程表达了这个关系：Psat=(Vdd-Vsat)²/2R1

这里，Vdd是提供给功率放大器的工作电压；

Vsat是功率放大器输出晶体管的饱和电压；并且

R1是呈现在功率放大器输出端的负载阻抗。

当输出功率降低到“逆转(cutback)”电平时，为了实现效率上的提高，需要调整功率放大器的Psat点。换句话说，当输出功率电平降低时，Psat点同样降低，以维持最高的工作效率，同时继续提供足够的裕量，以避免功率放大器输出晶体管饱和。例如，如果输出功率电平下降5dB，那么使Psat点降低5dB就基本上保持了与较高的输出功率电平相同的的效率。

从上面给出的方程，我们可以看到，实质上有3个参数决定了Psat电平。因此，如果打算对Psat电平进行调整，那么必须至少调整这三个参数中的一个参数。这些参数中，输出晶体管的饱和电压Vsat是最不易改变的。这个值是由输出晶体管的特性决定的，并且在输出功率范围内基本上是不变的。在工作期间可以改变负载电阻R1，但是变化程度是非常有限的。由输出匹配网络来决定这个值，因此，这个电阻是由这些电路的性能决定的。最后，必须对供电电压Vdd进行分析。如上所述，袖珍通信设备的电源通常是一个电池或电池组。源于该电池的电压或者被调整到某一预定电平，或者被直接提供给功率放大器。在后面一种情况，需要一些简单而且是众所周知的偏压电路来保证按照电池电压的变化为功率放大器提供正确的偏压。这样，如果采用了一种选择性地调整提供给功率放大器的电压的装置，就将获得所希望的效率上的提高。

现在请看图3，这里根据本发明表示了带有发射机302的无线设备300的方框图。该无线设备与电压源304(例如电池或电池组)相连，并且带有一个用来发射和接收诸射频(RF)信号的天线306。发射机的主要部件是功率放大器308。在一些发射机中，例如一些QAM发射机中，利用线性化电路309提供进一步的线性化。在最佳实施例中，线性化电路提供笛卡尔(cartesian)反馈，尽管可以考虑采用任何一种已知的线性化电路技术，诸如前向反馈、自适应预失真或者极化反馈，在此提及这几种技术。对于笛卡尔反馈，线路311上的信号被反馈回带有一个调制器的信号源310。

功率放大器从信号源310接收一个输入信号，信号源带有用一个消息信号(message signal)调制载波的电路。该消息信号是应该被发射到接收方的信息，例如可以是应该被发射到接收方的消息，并且可以是诸如话音或数据。这样，输入信号已经是一个RF信号，功率放大器简单地增加输入信号的功率就在功率放大器的输出端312产生了输出信号。为了适应以逆转方式进行发射，功率放大器可工作于多个输出电平，可以用控制器313来选择特定的电平。输出匹配/谐波滤波器网络314对输出信号进行滤波，以去除输出信号中不需要的频率成分，并为天线提供阻抗匹配。根据所考虑的无线设备的类型，可以采用RF开关316在无线设备的发射模式和接收模式之间切换天线连接。

为了调整提供给功率放大器的电压电平，提供了一个电压调节器318，布置在电压源304和功率放大器之间。该电压调节器把被用来向功率放大器308供电的电压源304提供的原始电压调整为线路320上的多个离散输出电压电平之一。电压调节器响应控制器313提供的控制信号。该控制信号控制电压调节器使功率放大器有选择地工作在该电压调节器的多个离散输出电压电平之一，这个离散输出电压电平是功率放大器的供电电压。因此，控制器313确定该功率放大器应该工作在什么供电电压电平上，然后把一个合适的控制信号提供给电压调节器，这样就把Psat点调整到维持最高效率的状态，正如图2的图形所要求的那样。

为了图解表示本发明如何发挥作用，请看下面的例子。假设一个采用本发明的移动无线设备正在行进并进入某一特定基站所服务的区域。一旦进入该区域，移动无线单元就以最大的可用功率发射。但是，随着时间的推移，移动无线设备会接近基站天线。在这些位置处，由于移动无线设备接近天线，所以该移动无线设备减小它的输出功率。根据图2中的图形，如果不调整提供给该移动无线设备的电压，该移动无线设备的PAE就会下降。但是，控制器313控制电压调节器工作在较低的输出电平，这样一来，就优化了功率放大器的效率。

在最佳实施例中，电压调节器是一种开关式功率变换器。存在大量开关式功率变换电路，并且它们在技术上是众所周知的。一般来说，存在三大类开关式功率变换器：降压式(buck)、升压式(boost)以及升/降压式(buck/boost)。降压式变换器把电源电平变换为较低的电平。升压式变换器把电源电压变换为高于电源电平的电压，并且升/降压式变压器完成电源电平的高、低变换。根据本发明，可以采用所有这三种类型，某一个特定应用会需要哪一种类型是一种工程选择。

但是，应该注意到，袖珍电子设备，特别是袖珍无线电设备的趋势是朝着低工作电压的方向发展。在某些情况下，目标是提供一种无线设备，例如双向无线或者蜂窝式电话，它能够利用标称电压1.2V这样低的电池单体工作。这个较低的工作电压允许较低的功耗的同时，它给设计这种设备的功率放大器带来了明显的问题。因此，在这种情况下，升压式变换器将是合适的。

现在请看图4，它表示了根据本发明的开关式功率变换器400的方框图。这里所表示的变换器图是一个广义的升压式变换器，它把电压源304所提供的电源电平变换到更高的电势。一般地说，该变换器包括电感402、开关404、阻塞元件406、输出滤波电容408和控制电路410。该变换器向负载402(可能是功率放大器)提供电源。控制电路对滤波电容上的输出电压进行采样，并把该输出电压与线路414上的参考电压或控制电压进行比较。该控制电路向开关提供一个脉冲宽度已调制(PWM)信号，并调整PWM信号的工作周期，这样使输出电压对应于参考电压。参考电压通常比所需的输出电压的电平更低，所以通常的作法是通过一个简单的电阻网络来分解输出电压。借助闭合开关，在输出416处提供更高的电平，因此瞬间地把电感与参考电路418相连，从而对电感的磁心进行充电，并把电源电平加在电感上。当开关随后打开时，电感上的电压极性反转，从而增加了电压源的电平，合成后的电平被加在滤波电容和负载上。阻塞元件防止了传递到输出端的电荷返回，与此同时，滤波电容对切换后的电压进行滤波。

在实现本发明的过程中，采用了图4中广义的功率变换器作为图3的电压调节器，线路414是控制器313所采用的向电压调节器发送控制信号的线路。因此，通过调整提供给变换器控制电路的参考电压，可以有选择地调节输出电平。尽管实施变换器电路的细节是工程选择方面的事情，但是已经作出努力来生产高效率的变换器。1996年8月19日出版在电子设计杂志第69、70和77页上的、由F.Goodenough所写的题目为“用功率MOSFET延长蜂窝式电话通话时间的芯片组”一文中描述了一种这样的变换器设计。这篇文章讨论并讲述了用来对蜂窝式电话的功率放大器供电的升压或者步进式升压(step-up)变换器的设计。这篇文章中所讨论的变换器实现了高效率，使在以电池供电的通信设备中使用该变换器成为一种切实可行的选择。步进式降压(step-down)或降压式变换器的同样效率的设计以及组合升/降压变换器在技术上是大家所了解的。

在某些通信设备中使用功率变换器会额外得到一种好处。袖珍通信设备的另一个发展趋势是使用数字通信协议和时分/多址(TDMA)格式。在这样的系统中，袖珍无线设备在周期性的脉冲中发射信息。在一个常规系统中，这些脉冲在从电源流出的电流中产生峰值。在电池供电设备的情况下，大电流会使电池电压明显下降，并且可能使电池电压过早地降低到该设备的工作电压以下。这是由于电池或电池组有内阻。为了缓解这个问题，制造商们已经开始把若干巨值电容放入电池组中。因为电容器具有非常低的电阻，所以它能够传递诸瞬时充电脉冲，从而维持了提供给无线设备的电压。因为根据本发明，主要是由发射机中的功率放大器吸收电流脉冲，所以滤波器电容408能够提供必要的电荷储备。

因此，根据本发明，当一个具有几个平均输出功率工作电平的功率放大器工作在低于它的最大电平的诸功率输出电平时，该功率放大器的功率增加效率能够提高。通过提供具有多个输出电平的电压调节器为功率放大器供应能量并且有选择地控制电压调节器，以使功率放大器工作在最佳的供电电平，来获得效率上的增加。尽管是从一个AM系统的各个方面来描述本发明，但是我们期望在一个FM系统中也能够得到改进。如果一个FM发射机工作于几个不同的输出功率电平，那么一旦把输出功率电平设置为逆转电平，它将遇到类似的PAE下降的情况。因此，通过应用本发明的原理，可以实现PAE的增加。FM发射机一般使用非线性功率放大器，所以线性和非线性放大器都有可能受益于本发明。

已经图解表示并且描述了本发明的最佳实施例的同时，将会明显地看到，本发明不局限于此。在不背离由诸附带权利要求所定义的本发明的主旨和范围的条件下，本领域的技术人员可以作出各种修改、变更、变化、替代和等效。

Claims

1．发射机，包括：

功率放大器，工作于多个输出功率电平上；

电压调节器，向该功率放大器提供电压电平，该电压电平可调整到多个输出电平之一，该电压调节器响应一个控制信号；以及

控制器，用于向电压调节器提供控制信号，使功率放大器有选择地工作于该电压调节器的多个输出电平之一。

2．权利要求1中定义的发射机，其特征在于：电压调节器依靠一个电源工作，该电源是一个具有额定电压输出电平的电池组。

3．权利要求2中定义的发射机，其特征在于：电池组的额定电压输出电平低于电压调节器的最大输出电平。

4．权利要求1中定义的发射机，其特征在于：功率放大器是一个线性放大器。

5．权利要求1中定义的发射机，还包括一个线性化模块，该线性化模块连接在功率放大器的输出和输入之间，用来向功率放大器提供反馈。

6．一种无线设备，包括：

电压源；

功率放大器，该功率放大器具有多个输出功率电平、一个输出和一个输入；

电压调节器，用于向功率放大器提供电压电平，该电压电平可调整在多个输出电平之一，该电压调节器响应于一个用于选择多个输出电平之一的控制信号并且与电压源相连接；以及

7．权利要求6中定义的无线设备，其特征在于：电压调节器是一个开关式功率变换器。

8．权利要求6中定义的无线设备，其特征在于：电压源是一个具有额定电压输出电平的电池组。

9．权利要求8中定义的无线设备，其特征在于：电池组的额定电压输出电平低于电压调节器的最大输出电平。

10．权利要求6中定义的无线设备，其特征在于：功率放大器是一个线性功率放大器。