KR102243869B1 - Et 변조기에 대한 개선된 전압 부스트 - Google Patents

Et 변조기에 대한 개선된 전압 부스트 Download PDF

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Abstract

전압 서플라이 스테이지가 개시되어 있으며, 이 전압 서플라이 스테이지는, 입력 서플라이 전압, 직렬 접속된 제 1 (102) 및 제 2 (104) 스위치로서, 직렬 접속된 제 1 (102) 및 제 2 (104) 스위치들은 입력 서플라이 전압의 제 1 및 제 2 단자들 사이에서 입력 서플라이 전압과 병렬 접속되어 있는, 상기 제 1 (102) 및 제 2 (104) 스위치, 직렬 접속된 제 3 (106) 스위치 및 커패시터로서, 직렬 접속된 제 3 (106) 스위치 및 커패시터는 제 1 (102) 스위치와 병렬 접속되어 있는, 상기 제 3 (106) 스위치 및 커패시터, 상기 제 3 스위치 및 커패시터의 접속부와 출력 사이에 접속된 제 4 (108) 스위치, 및 출력과 입력 서플라이 전압의 단자 사이에 접속된 제 5 (110) 스위치를 포함하고, 제 1 동작 페이즈에서, 제 1 및 제 4 스위치들은 폐쇄되고, 제 2, 제 3 및 제 5 스위치들은 개방되며; 제 2 동작 페이즈에서, 제 2, 제 3 및 제 5 스위치들은 폐쇄되고, 제 1 및 제 4 스위치들은 개방되며, 제 1 및 제 2 동작 페이즈들에서의 듀티 사이클은 출력에서의 평균 전압이 0 볼트와 입력 서플라이 전압의 두배 사이에서 변경되도록 제어된다.

Description

ET 변조기에 대한 개선된 전압 부스트{IMPROVED VOLTAGE BOOST FOR ET MODULATOR}
본 발명은 무선 주파수 전력 증폭기 애플리케이션들에 적합한 엔벨로프 트래킹 변조된 전력 서플라이들에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 레퍼런스 신호가 저주파수 경로 및 고주파수 경로에 입력으로서 이용되고 각각의 경로가 서플라이 전압을 형성하도록 결합되는 별개의 출력들을 생성하는 이러한 전력 서플라이들과 관련된다.
무선 주파수 전력 증폭기들에 대한 엔벨로프 트래킹 전력 서플라이들이 당해 기술에 잘 알려져 있다. 통상적으로, 레퍼런스 신호는 증폭될 입력 신호의 엔벨로프에 기초하여 생성된다. 엔벨로프 트래킹 전력 서플라이는 레퍼런스 신호를 트래킹하는 전력 증폭기에 대한 서플라이 전압을 생성한다.
도 1 은 주파수 스플릿터 (12) 가 라인 (10) 상의 입력 엔벨로프 레퍼런스 신호를, 라인 (14) 상의 고주파수 (HF) 경로 신호와 라인 (16) 상의 저주파수 (LF) 경로 신호로 분할하는데 이용되는 종래 기술의 엔벨로프 트래킹 (ET) 변조기 아키텍쳐를 나타낸다. 주파수 스플릿터 (12) 는 저주파수 경로에 로우 패스 필터 (18) 및 고주파수 경로에 하이 패스 필터 (20) 를 포함시킬 수도 있다. 라인 (16) 상의 LF 경로에서의 신호는 효율적 스위칭 모드 증폭기 (22) 에 의해 증폭되고 라인 (14) 상의 HF 경로에서의 신호는 광대역 선형 증폭기 (24) 에 의해 증폭된다. 주파수 선택적 결합기 (26) 는 증폭 후에, LF 와 HF 경로들에서의 신호들을 결합하는데 이용된다. 도 1 에서, 결합기 (26) 는 저주파수 경로에 저주파수 결합 소자 (28) 를 그리고 고주파수 경로에 고주파수 결합 소자 (30) 를 포함한 것으로서 예시되어 있다. 라인 (32) 상의 결합기 (26) 로부터 결합된 신호는 통상적인 애플리케이션에서 전력 증폭기 (PA) 인 부하 (34) 에 피드를 제공한다. 통상적으로, 레퍼런스 신호는 또한 전력 증폭기에 의해 증폭된 입력 신호로부터 유도된다.
도 1 에 예시된 바와 같은 서플라이 아키텍쳐를 포함하는 전력 증폭기 시스템의 일례는 Yousefzadeh 등의 "Band Separation and Efficiency Optimisation in Linear-Assisted Switching Power Amplifiers"[IEEE Power Electronics Specialists Conference 2006] 에서 찾을 수 있다.
도 2 는 주파수 선택적 결합기 (26) 가 인덕터-커패시터 (LC) 결합기인 대안의 종래 기술의 배열체를 나타낸다. 저주파수 결합 소자는 인덕터 (28a) 이고 고주파수 결합 소자는 커패시터 (30a) 이다. 이 배열체에서, 피드백 경로 (36) 는 라인 (32) 상의 결합기 (또는 변조기) 출력으로부터 선형 증폭기 (24) 로 신호를 안내한다. 피드백 경로 (36) 상의 신호는 선형 증폭기 (24) 에 입력을 제공하기 위해 감산기 (38) 에 의해 라인 (14) 상의 고주파수 경로에서의 신호로부터 감산된다. 피드백 경로 (36) 의 포함은 도 1 의 배열체에 비해 개선된 트래킹 정확도를 달성한다.
도 2 에 예시된 바와 같은 서플라이 아키텍쳐를 포함하는 전력 증폭기 시스템의 일례는 Yousefzadeh 등의 "Efficiency Optimisation in Linear-Assisted Switching Power Converters for Envelope Tracking in RF Power Amplifiers" [IEEE Symposium on Circuits and Systems 2005] 에서 찾을 수 있다.
서플라이의 출력이 입력 전압 (예를 들어, 배터리 전압) 보다 더 높은 것을 허용하는 부스트 및 벅-부스트 (Buck-Boost) 컨버터들이 당해 기술에 알려져 있다. 그러나, 대부분의 알려진 부스트 기술들은 낮은 대역폭을 갖는 컨버터를 야기하고, 또한 높은 레벨들의 광대역 노이즈를 갖는 출력 신호를 야기한다.
본 발명의 목적은 개선된 전압 부스트 방식을 포함하는 엔벨로프 트래킹 변조된 전력 서플라이를 제공하는 것이다.
전압 서플라이 스테이지가 제공되며, 이 전압 서플라이 스테이지는, 입력 서플라이 전압, 직렬 접속된 제 1 (102) 및 제 (104) 스위치로서, 제 1 (102) 및 제 2 (104) 직렬 접속된 스위치들은 입력 서플라이 전압의 제 1 및 제 2 단자들 사이에서 입력 서플라이 전압과 병렬 접속되어 있는, 상기 제 1 (102) 및 제 (104) 스위치, 직렬 접속된 제 3 (106) 스위치 및 커패시터로서, 직렬 접속된 제 3 (106) 스위치 및 커패시터는 제 1 (102) 스위치와 병렬 접속되어 있는, 상기 제 3 (106) 스위치 및 커패시터, 상기 제 3 스위치 및 커패시터의 접속부와 출력 사이에 접속된 제 4 (108) 스위치, 및 출력과 입력 서플라이 전압의 단자 사이에 접속된 제 5 (110) 스위치를 포함하고, 제 1 동작 페이즈에서, 제 1 및 제 4 스위치들은 폐쇄되고, 제 2, 제 3 및 제 5 스위치들은 개방되며, 제 2 동작 페이즈에서, 제 2, 제 3 및 제 5 스위치들은 폐쇄되고, 제 1 및 제 4 스위치들은 개방되며, 제 1 및 제 2 동작 페이즈들의 듀티 사이클은 출력에서의 평균 전압이 0 볼트와 입력 서플라이 전압의 두배 사이에서 변경되도록 제어된다.
전압 서플라이 스테이지는 피크 전류 모드 스위치기 (switcher) 를 바람직하게 포함한다.
전압 서플라이 스테이지는 또한 제 3 (106) 스위치 및 커패시터의 접속부와 추가의 출력 사이에 접속된 제 6 스위치 (118), 및 추가의 출력과 입력 서플라이 전압의 단자 사이에 접속된 제 7 스위치 (116) 를 더 포함할 수도 있으며, 제 1 동작 페이즈에서, 제 6 스위치는 폐쇄되고, 제 7 스위치는 개방되며, 제 2 동작 페이즈에서, 제 6 스위치는 개방되고, 제 7 스위치는 폐쇄되며, 제 1 및 제 2 동작 페이즈들의 듀티 사이클은 추가의 출력에서의 평균 전압이 0 볼트와 입력 서플라이 전압의 두배 사이에서 변경되도록 제어된다.
제 1, 제 2 및 제 3 스위치들은 제 4 및 제 5 스위치들 또는 제 6 및 제 7 스위치들로 인에이블 및 디스에이블될 수도 있다.
벅 단독 동작 모드에서, 제 2 (104) 및 제 3 (106) 스위치들은 폐쇄되고, 제 1 및 제 2 동작 페이즈들 양쪽 모두에서, 제 1 (102) 스위치는 개방되며,
제 1 및 제 2 동작 페이즈들에서 나머지 스위치들의 듀티 사이클은, 출력 및/또는 추가의 출력에서의 평균 전압이 0 볼트와 입력 서플라이 전압 사이에서 변경되도록 제어된다.
벅 동작 모드를 인에이블 및 디스에이블하기 위한 제어 신호가 제공될 수도 있다.
전압 서플라이 스테이지는 출력 또는 추가의 출력 중 하나 또는 저주파수 레퍼런스 신호를 임계 레벨에 비교하고, 그것에 의존하여 제어 신호를 설정 또는 재설정하기 위한 회로를 더 포함할 수도 있다.
레퍼런스 신호에 의존하여 변조된 서플라이 전압을 생성하도록 배치된 엔벨로프 트래킹 변조 서플라이는, 레퍼런스 신호에서의 저주파수 변동들을 트래킹하고, 정의된 청구항들 중 어느 하나에 따른 전압 서플라이 스테이지를 포함하는 스위칭된 모드 전력 서플라이를 포함하기 위한 저주파수 경로, 레퍼런스 신호에서의 고주파수 변동들을 트래킹하고 선형 증폭기를 포함하기 위한 수정 경로, 및 스위칭된 모드 전력 서플라이의 출력과 선형 증폭기의 출력을 결합하여 변조된 서플라이 전압을 생성하기 위한 결합기를 포함한다.
선형 증폭기의 출력으로부터 선형 증폭기의 입력으로의 피드백 경로가 제공될 수도 있어, 수정 경로에서의 선형 증폭기가 레퍼런스 신호에서의 주파수들의 전체 스펙트럼을 포함하는 신호를 증폭한다.
출력은 제 1 경로에 전력 서플라이를 제공할 수도 있다. 추가의 출력은 제 2 경로에 전력 서플라이를 제공할 수도 있다.
제 1 경로는 피크 전류 모드 스위치기를 포함할 수도 있다.
RF 증폭기는 전압 서플라이 스테이지를 포함할 수도 있다. 무선 통신 시스템은 전압 서플라이 스테이지를 포함할 수도 있다. 무선 모바일 디바이스는 전압 서플라이 스테이지를 포함할 수도 있다.
이하, 본 발명은 첨부된 도면들을 참조로 예를 들어 설명된다.
도 1 은 고주파수 경로 및 저주파수 경로를 갖는 종래 기술의 엔벨로프 트래킹 변조된 서플라이를 나타낸다.
도 2 는 고주파수 경로에서의 피드백을 통합하는 종래 기술의 엔벨로프 트래킹 변조된 서플라이를 나타낸다.
도 3 은 고주파수 경로에서의 피드백, 저주파수 경로에서의 스위치기 리플 전류 제거, 및 본 발명의 실시형태들이 바람직하게 통합될 수도 있는 스위칭 모드 서플라이의 선호되는 구현을 통합하는 개선된 엔벨로프 트래킹 변조된 서플라이를 나타낸다.
도 4(a) 및 도 4(b) 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 벅 및 부스트 스위칭 모드 전압 서플라이를 나타낸다.
도 4(c) 는 도 4(a) 및 도 4(b) 의 스위칭 모드 전압 서플라이에 의해 생성된 전압 파형을 나타낸다.
도 5(a) 및 도 5(b) 는 본 발명의 추가의 실시형태에 따른 벅 및 부스트 스위칭 모드 전압 서플라이를 나타낸다.
도 5(c) 및 도 5(d) 는 도 5(a) 의 실시형태에 따른 듀얼-출력 벅 및 부스트 스위칭 모드 전압 서플라이에서 동시에 생성될 수도 있는 전압 파형들을 나타낸다.
도 6 은 도 3 에 따른 엔벨로프 트래킹 변조 서플라이 아키텍쳐에 있어서, 도 5(a) 의 실시형태에 따른 듀얼-출력 벅 및 부스트 스위칭 모드 전압 서플라이의 구현을 나타낸다.
도 7 은 부스트 동작 모드의 자동 인에이블화를 제공하기 위한 개선과 함께 도 6 의 듀얼-출력 벅 및 부스트 스위칭 모드 전압 서플라이를 나타낸다.
도 8 은 도 7 의 자동 인에이블화와 함께 도 4(a) 에 따른 벅 및 부스트 스위칭 모드 서플라이를 통합한 개선된 엔벨로프 트래킹 변조 서플라이를 나타낸다.
다음 설명에서, 본 발명은 예시적인 실시형태들 및 구현예들을 참조하여 설명된다. 본 발명은 본 발명의 이해를 목적으로 제공되는 어떠한 배열체들의 특정 세부 사항들로도 제한되지 않는다.
본 발명의 실시형태들은 고주파수 수정 경로에서의 선형 증폭기에 대한 특정 피드백 아키텍쳐들을 위한 애플리케이션 환경에서 다음 설명으로 기술된다. 그러나, 본 발명 및 그 실시형태들은 도시된 바와 같이 고주파수 수정 경로에 있어서의 특정 피드백 배열체들로 반드시 제한되는 것은 아니다.
도 3 을 참조하여 보면, 스위칭 모드 전력 증폭기 (22) 의 예시적인 구현에 추가하여, 도 2 에 나타낸 바와 같은 엔벨로프 트래킹 아키텍쳐가 나타나 있다.
도 3 의 스위칭 모드 증폭기는 스위칭 모드 증폭기 (22) 의 스위칭의 결과로서, 인덕터 (28a) 에서 흐를 수도 있는 삼각형 리플 전류를 어드레싱하기 위한 배열체를 또한 바람직하게 포함한다. 이 리플 전류는 결합기 출력에서 그리고 이에 따라 변조기 출력에서의 원하지 않는 전압 에러들의 생성을 회피하기 위하여, 커패시터 (30a) 를 통하여 선형 증폭기 (24) 의 출력 스테이지를 거쳐 션트 (shunt) 되어야 한다. 선형 증폭기 (24) 의 출력을 통과하여 흐르는 결과적인 리플 전류는 그 효율을 감소시킨다.
따라서, 도 3 은 도 2 의 주파수 결합기 (26) 가 추가적인 커패시터 (28c) 및 인덕터 (28b) 를 포함하도록 적응되는 바람직한 배열체를 보여준다. 인덕터들 (28a 및 28b) 사이의 커플링 팩터의 크기는 0 과 1 사이의 범위일 수도 있다. 인덕터 (28b) 는 스위칭된 모드 증폭기 (22) 의 출력과 인덕터 (28a) 사이에 접속된다. 커패시터 (28c) 는 인덕터들 (28a 및 28b) 의 공통 접속부와 전기적 그라운드 사이에 접속되어 있다.
스위칭 모드 증폭기 (22) 로 인한 리플 전류는 이때 인덕터 (28b) 에서 흐르고 이때 커패시터 (28c) 를 통하여 그라운드로 션트된다. 따라서, 인덕터 (28a) 에서 흐르고 선형 출력 스테이지를 관통하는 리플 전류와 연관된 손실이 회피된다.
스위칭 모드 전력 증폭기의 예시적인 구현과 관련하여, 바람직한 배열체에 있어서, LF 경로 스위칭 모드 증폭기 (22) 는 높은 대역폭 스위칭 모드 전력 서플라이들에 대한 알려진 종래 기술인 피크-전류-모드 벅-컨버터로서 바람직하게 구현된다.
도 3 에 예시되는 바와 같이, 스위칭 모드 증폭기 (22) 는 라인 (56) 상의 제어 신호를 수신하고 스위치들 (52a 및 52b) 의 페어를 제어하는 펄스 폭 변조기 (PWM)(50) 를 포함한다. 스위치 (52a) 는 서플라이 전압과 공통 노드 (54) 사이에 접속되어 있고, 스위치 (52b) 는 공통 노드와 전기적 그라운드 사이에 접속되어 있다. 서플라이 전압은 배터리에 의해 제공되며, Vbat 로 표기된다. 펄스 폭 변조기 (50) 는 스위치들 (52a 및 52b) 을 제어하여 라인 (56) 상의 제어 신호에 의존하여, 결합기 (26) 에 저주파수 경로 출력을 제공한다. 스위칭된 서플라이와 결합하는 펄스 폭 변조기의 배열체는 당해 기술 분야에 알려져 있다.
스위칭된 모드 증폭기 (22) 는 내부 전류 제어 피드백 루프 및 외부 전압 제어 피드백 루프를 포함한다.
내부 전류 제어 피드백 루프는 스위치 (52a) 또는 스위치 (52b) 에서의 감지 전류에 의해 직접 또는 간접으로 인덕터 전류를 감지하고, 피드백 경로 (58) 를 결합기 (61) 에 제공한다. 결합기 (61) 는 피드백 신호를 라인 (63) 상의 보상 램프와 결합한다. 결합기 (61) 의 출력은 증폭기 (59) 의 반전 입력에 입력을 제공한다. 증폭기 (59) 는 증폭기 (60) 로부터의 출력을 자신의 비반전 입력에서 수신한다. 증폭기 (59) 는 라인 (56) 상의 제어 신호를 생성한다.
외부 전압 제어 피드백 루프는 인덕터 (28b) 의 제 2 단자로부터 전압 피드백 경로 (62) 를 제공하고, 여기에서 이 루프는 인덕터 (28a) 와 커패시터 (28c) 에 접속한다. 피드백 경로는 증폭기 (60) 의 반전 입력에 피드백 신호를 제공한다. 증폭기 (60) 는 자신의 비반전 입력에서 라인 (16) 상의 저주파수 경로 신호를 수신한다.
인덕터 (28b) 는 피드백 경로 (58) 에 의해 제공되는 내부 전류 피드백 루프의 액션으로 인하여 전류 소스로서 거동을 한다. 보상 램프는 이 내부 전류 피드백 루프에서 라인 (63) 상에 제공되며, 높은 듀티 사이클들에서 주파수 이등분을 방지하는데 이용된다.
피드백 경로 (62) 에 의해 제공되는 외부 전압 피드백 루프는 인덕터 (28b), 인덕터 (28a) 및 커패시터 (28c) 의 접합에서 전압을 제어하는데 이용된다.
도 3 에 예시된 바와 같은 피크-전류-모드 벅-컨버터는 일반적으로 다음과 같이 동작한다.
로우 패스 필터 (18) 는 레퍼런스 신호에서 저주파수 변동을 나타내는 신호를 생성한다. 그 후, 라인 (16) 상의 이 신호는 스위치들 (52a 및 52b) 을 포함하는 벅 스위치기에 대한 펄스 신호에 대한 제어 신호를 포함하며, 이 스위치기는 제어 신호에 의해 결정되는 듀티 사이클을 가지며, 이에 의해 벅 스위치기의 출력에서의 전압이 라인 (16) 상의 신호, 즉 레퍼런스 신호에서의 저주파수 변동을 트랙킹하게 된다.
그러나, 또한, 라인 (16) 상의 이 제어 신호는 내부 피드백 제어 루프 및 외부 피드백 전압 제어 루프에 의해 변조된다.
외부 피드백 전압 제어 루프는 먼저 증폭기 (60) 에서 제어 신호를 조정한다. 제어 신호 (즉, 저주파수 레퍼런스 신호) 는 피드백 경로 (62) 상의 피드백 신호가 제어 신호로부터 제거되게 한다. 피드백 경로 (62) 상의 피드백 전압은 저주파수 경로의 출력에서의 전압을 나타내며, 라인 (16) 상의 저주파수 신호로부터의 이 전압의 제거는 출력 전압과 레퍼런스 전압 사이의 에러를 나타내는 신호를 제공한다.
내부 피드백 제어 루프는 두번째로 증폭기 (59) 에서 제어 신호를 조정한다. (증폭기 (59) 로부터 출력되는) 제 2 조정된 제어 신호는 피드백 경로 (58) 상의 신호가 이 제어 신호로부터 제거되게 한다. 피드백 경로 (58) 상의 피드백 신호는 출력 전류를 나타낸다.
서플라이 변조기 (22) 의 출력 전압은 배터리 서플라이 전압 (Vbat) 에 접속된 스위치들 (52a, 52b) 로 형성된 벅 스위치기에 의해 제공된다. 선형 수정 경로는 AC 커플링 커패시터 (30a) 를 통하여, 저주파수 출력에 고주파수 수정을 제공하기 위해 벅 스위치기 출력에 추가된다. 수정 전압과의 결합의 결과로서, 이에 따라 변조 서플라이는 서플라이 전압 (Vbat) 보다 더 높은 라인 (32) 상의 단기 출력 전압들을 제공할 수 있다. 그러나, 라인 (32) 상의 평균 출력 전압은 Vbat 보다 더 크지 않을 수 있다.
서플라이 (배터리) 전압을 초과할 수 없는 평균 출력 전압을 갖는 일부 환경들이 문제가 될 수도 있다. 예를 들어, 이는 평균 출력 전압이 이후에 배터리 전압보다 더 높게 되는 것이 필요할 수도 있을 때 낮은 피크-투-평균-전력 비 (PAPR) 신호를 갖는 공핍형 배터리로 동작할 경우에 문제가 될 수도 있다. 따라서, 벅 및 부스트 동작 양쪽 모두에 대해 가능한 스위칭 모드 전력 서플라이 (22) 가, 배터리 전압 (Vbat) 을 초과하는 레벨로 평균 출력 전압을 부스트하는 것이 바람직하다.
당해 기술 분야에서, 통상의 부스트 모드 컨버터들이 자신들의 응답 특성에서 RHP (right-half-plane) 제로를 고려하여 안정화하는 것이 어렵다는 것은 잘 알려져 있다. 이는 이러한 컨버터들이 벅 컨버터보다 소정의 스위칭 주파수에 대해 훨씬 더 낮은 폐 루프 대역폭을 나타내는 것을 야기한다. 부스트 능력을 통합시킨 대부분의 종래 기술의 컨버터들은 이러한 단점을 겪는다.
본 발명은 입력 서플라이 전압을 포함하는 전압 서플라이 스테이지를 제공함으로써 종래 기술의 문제를 해결한다. 제 1 및 제 2 스위치는 직렬로 접속되어 있고 제 1 및 제 2 직렬 접속된 스위치들은 입력 전압 소스와 병렬로 접속되어 있다. 제 3 스위치 및 커패시터는 제 1 스위치와 병렬로 접속된다. 제 4 스위치는 제 3 스위치 및 커패시터의 접속부와 출력 사이에서 접속된다. 제 5 스위치는 출력과 전기적 그라운드 사이에 접속된다. 제 1 동작 페이즈에서, 제 1 및 제 4 스위치들은 폐쇄되고, 제 2, 제 3 및 제 5 스위치들은 개방된다. 제 2 동작 페이즈에서, 제 2, 제 3 및 제 5 스위치들은 폐쇄되고, 제 1 및 제 4 스위치들은 개방된다. 제 1 및 제 2 동작 페이즈들에서의 듀티 사이클은 출력에서의 평균 전압이 0 볼트와 입력 서플라이 전압의 두배 사이에서 변경되도록 제어된다. 이하, 다음 도면들을 참조하여 보다 완전하게 설명된다.
도 4(a) 및 도 4(b) 는 본 발명의 일 실시형태에 따라 벅 출력 스테이지와 캐스캐이드되는 스위칭된 커패시터 전압 더블러를 예시하며, 여기에서 모든 스위치들은 동기하여 구동된다. 이 실시형태는 통상의 벅 컨버터와 동일한 제어 특성들을 공유하고 있지만, 대부분의 부스트 및 벅 부스트 컨버터 토폴로지들에 의해 겪어지는 대역폭 제한들을 겪지 않는다. 예시적인 배열체들은 입력 전압 소스를 제공하기 위한 배터리를 포함한다.
도 4(a) 및 도 4(b) 에서의 벅 출력 스테이지는 배터리 (100), 스위치들 (102, 104, 106, 108, 110) 및 커패시터 (112) 를 포함한다. 배터리 (100) 는 노드들 (101 및 105) 사이에 접속된다. 스위치 (102) 는 노드들 (101 및 103) 사이에 접속된다. 스위치 (104) 는 노드 (103) 와 노드 (105) 사이에 접속된다. 스위치 (106) 는 노드들 (101 및 107) 사이에 접속된다. 커패시터 (112) 는 노드들 (103 및 107) 사이에 접속된다. 스위치 (108) 는 노드 (107) 와 노드 (111) 사이에 접속된다. 스위치 (110) 는 노드 (105) 와 노드 (111) 사이에 접속된다. 노드 (105) 는 전기적 그라운드에 접속된다. 노드 (111) 는 출력 전압이 생성되는 출력 라인 (114) 에 접속된다.
도 4(a) 는 스위칭 사이클의 제 1 페이즈 (페이즈 1) 에서의 동작을 보여주며, 도 4(b) 는 스위칭 사이클의 제 2 페이즈 (페이즈 2) 에서의 동작을 보여준다.
제 1 동작 페이즈에서, 도 4(a) 에 도시된 바와 같이, 스위치들 (102 및 108) 은 폐쇄되고, 스위치들 (104, 106, 및 110) 은 개방된다. 화살표 (202) 는 도 4(a) 의 배열체에 있어서의 전류 흐름을 표기한다.
제 2 동작 페이즈에서, 도 4(b) 에 도시된 바와 같이, 스위치들 (104, 106 및 110) 은 폐쇄되고, 스위치들 (102 및 108) 은 개방된다. 화살표들 (204 및 206) 은 도 4(b) 의 배열체에 있어서의 전류 흐름을 표기한다.
도 4(a) 및 도 4(b) 에 도시되지 않은 제어기는 제 1 동작 페이즈와 제 2 동작 페이즈 사이의 스위칭을 제어한다. 제 1 동작 페이즈와 제 2 동작 페이즈 사이의 스위칭을 제어하는 것에 의해, 그리고 각각의 페이즈가 액티브 (즉, 듀티 사이클) 상태인 지속 기간을 제어하는 것에 의해, 서플라이 전압은 0 볼트와 배터리 전압의 두배 사이에서 변동할 수 있다.
노드 (107) 에서 출력 벅 스위치들 (108, 110) 로의 서플라이 레일은 전압들 (Vbat 및 2xVbat) 사이에서 변동하지만, 이 스테이지에서의 평균 출력 전압은 파형 듀티 사이클에 의존하여 0V 와 2Vbat 사이에서의 임의의 값으로 설정될 수 있다.
도 4(c) 에 도시된 바와 같이, 라인 (114) 상의 출력 전압은 0V 와 2xVbat 사이에서 스위칭하는 펄스를 포함한다. 제 1 및 제 2 페이즈들 사이의 스위칭의 듀티 사이클은 0 볼트와 2xVbat 사이에서 원하는 평균 전압을 제공하도록 변경될 수도 있다.
도 4(a) 및 도 4(b) 의 토폴로지는 우측 하프 평면 제로를 보여주지 않으며, 이에 따라 종래 기술의 문제들을 겪지 않고 높은 폐 루프 대역폭이 가능하다.
도 5(a) 는 각각이 0 볼트와 2xVbat 사이에서의 값들을 갖는 두개의 출력 전압들을 출력할 수 있는 두개의 출력 벅 부스트 컨버터를 제공하기 위하여 도 4(a) 및 도 4(b) 를 참조하여 설명된 원리의 확장안을 도시한다.
도 5(a) 에 예시된 바와 같이, 도 4(a) 및 도 4(b) 의 회로는 추가의 스위치들 (116 및 118) 을 포함하도록 확장된다. 스위치 (116) 는 노드 (105) 와 노드 (113) 사이에 접속된다. 스위치 (118) 는 노드들 (107 및 113) 사이에 접속된다. 노드 (113) 는 제 2 출력 전압이 생성되는 출력 라인 (115) 에 접속되며, 라인 (114) 상의 출력 전압은 이때 제 1 출력 전압으로서 지칭된다.
벅 및 부스트 동작에서, 도 5 의 회로는 도 4(a) 및 도 4(b) 의 회로의 제어와 유사하게 제어될 수도 있다. 도 5 는 도 4(a) 와 일치하는, 제 1 페이즈 동작에서의 스위치들을 도시한다. 제 2 페이즈 동작에서, 도 5 의 스위치들은 스위치 (118) 가 개방되고 스위치 (116) 가 폐쇄되는, 도 4(b) 에 도시된 포지션들로 스위칭될 수도 있다. 상이한 전압들은 스위치 페어들 (108/110 및 118/116) 의 듀티 사이클을 독립적으로 제어하는 것에 의해 제 1 및 제 2 전압들에 대하여 실현된다. 더 낮은 전압 벅 출력 스테이지의 펄스 폭을 축소시키는 것에 의해 더 낮은 전압 출력이 생성된다.
도 5(b) 에서의 스위치들의 배열체는 벅 단독 동작 모드를 예시하며, 여기에서, 출력 전압은 오직 0V 와 Vbat 사이에서만 변동될 수도 있다. 이 모드에서, 스위치들 (106 및 104) 은 영구적으로 폐쇄되고, 스위치 (102) 는 영구적으로 개방된다. 스위치들 (108 및 110) 은 제 1 및 제 2 동작 페이즈에서 토글링되어 출력 파형의 듀티 사이클을 변경하며, 0 볼트와 Vbat 사이의 평균 전압을 실현한다.
따라서, 부스트 동작이 요구되지 않으면, 도 5(b) 에 도시된 바와 같이, 스위치 커패시터 더블러는 고정된 "스루" 모드로 설정될 수 있고, 여기에서 0 와 Vbat 사이에서만 스위칭하는 것이 벅 출력 스테이지에서 발생하며, 이에 의해 양쪽 스테이지들과 연관된 손실들을 감소시킨다.
피크-전류-모드 제어 스위치기가 저주파수 경로에서 스위칭된 모드 증폭기 (22) 로서 이용되면, 도 3 에 예시된 예시적인 구현에 있어서, 전류 피드백의 액션이 인덕터가 이상적인 전류 소스로서 거동하게 하기 때문에, 루프 다이나믹들은 벅 출력 스테이지를 피드하는 서플라이 레일 전압의 급격한 변경에 의해 영향을 받지 않는다.
도 5(c) 및 도 5(d) 는 벅 부스트 동작에서의 2 개의 서플라이 전압들의 생성을 예시한다.
도 5(c) 에 예시된 바와 같이, 제 1 출력 전압 (Vout1) 에 대하여, 펄스 폭 변조기는 높은 평균 전압을 유지하도록 스위치들을 제어하여, 이 예에서 제 1 출력 전압 (Vout1) 이 Vbat 보다 더 높은 평균 값을 갖게 된다.
도 5(d) 에 예시된 바와 같이, 제 2 출력 전압 (Vout2) 에 대하여, 펄스 폭 변조기는 더 낮은 평균 전압을 유지하도록 스위치들을 제어하여, 이 예에서 제 2 출력 전압 (Vout2) 이 Vbat 보다 더 낮은 평균 값을 갖게 된다.
도 6 은 도 2 에 예시된 바와 같은 예시적인 엔벨로프 트래킹 변조기의 유리한 환경에서 적용되는 듀얼-출력 벅 부스트 아키텍쳐를 도시한다. 예시를 간략화하기 위하여, 스위치기의 스위칭을 제어하는 펄스 폭 변조기 (50) 를 포함하는 저주파수 경로는 도 6 에 도시되지 않는다.
레퍼런스 번호 (123) 는 도 3 의 배열체의 스위치들 (52a, 52b) 을 대체시킨 도 5(a) 의 부스트 벅 스위칭 서플라이 스테이지를 표기한다. 화살표 (125) 는 부스트 벅 스위칭 서플라이 스테이지의 스위치들에 대한 제어 신호를 표기하며, 이 제어 신호는 레퍼런스 신호에서의 저주파수 변동을 나타내는 신호의 제어 하에서 동작하는 펄스 폭 변조기 (이를 테면, 도 3 의 펄스 폭 변조기 (50)) 에 의해 제공된다.
메인 서플라이는 도 5(a) 에서의 제 2 출력 전압에 대응하는 라인(115) 에 제공되며, 변조기 출력의 저주파수 부분을 제공하는데 이용된다.
라인 (115) 상의 저주파수 전압 출력 또는 스위칭된 출력 전압은 도 3 에서와 같이 노드 (54) 에 인가되고, 인덕터 (28a) 로 구성되는 저주파수 결합 소자에 저주파수 입력을 제공한다.
보다 낮은 보조 서플라이는 도 5(a) 의 제 1 출력 전압에 대응하여 라인 (114) 상에 제공되며, 수정 경로 선형 출력 증폭기 (24) 에 서플라이 레일을 제공하는데 이용된다. 보다 낮은 전력 보조 서플라이는 인덕터 (120) 및 커패시터 (122) 에 의해 제공되는 인덕터-커패시터 필터 배열체를 통하여 선형 증폭기 (24) 에 제공되며, 이는 저주파수 경로에서 인덕터 (28b) 및 커패시터 (28c) 에 의해 제공되는 인덕터-커패시터 필터 배열체를 미러링한다.
도 6 을 참조하여 보면, 선형 증폭기 (24) 에 대한 피드백 경로가 결합기의 출력 보다는 선형 증폭기의 출력으로부터 직접 취출되는, 수정 경로에서의 유리한 배열체가 예시되어 있다. 도 3 의 하이 패스 필터 (20) 에 더하여, 배열체가 제거된다. 그 결과, 도 1 및 도 2 의 배열체들에서와 같이, 저주파수 성분들이 제거된 신호가 아닌, 레퍼런스 신호의 전체 스펙트럼 표현이 경로 (14) 에 제공된다. 이러한 배열체는 선형 증폭기 (24) 의 피크 투 피크 서플라이 전압이 최소화되는 것을 허용하기 때문에 종래 기술에 비하여 효율성 개선들을 제공한다. 본 발명 및 실시형태들은 이러한 유리한 배열체들로 제한되는 것은 아니지만, 본 발명의 실시형태들은 이러한 배열체에서 바람직하게 구현된다. 본 발명은 이러한 아키텍쳐에 유리하게 적용된다.
도 6 에 추가로 예시된 바와 같이, 두개의 스위치 제어기들이 제공되는데, 이 스위치 제어기는 제 1 PWM 피크 전류 모드 제어기 (124) 및 제 2 PWM 피크 전류 모드 제어기 (126) 이다.
제어기들 (124 및 126) 각각은 저주파수 레퍼런스 신호 (또는 엔벨로프 신호), 이를 테면, 도 3 에서의 라인 (16) 상의 신호 (또는 이들로부터 유도되는 신호) 를 입력으로서 수신한다. 제 1 PWM 피크 전류 모드 제어기 (124) 는 라인 (115) 상의 스위치기 출력 전압을 생성하는데 이용되는 스위치들 (118 및 116) 을 제어하며, 제 2 PWM 피크 전류 제어기 (126) 는 제 1 제어기와 주파수 및 위상에 있어서 동기하여, 라인 (114) 상의 선형 증폭기에 대한 전압 서플라이를 생성하는데 이용되는 스위치들 (108 및 110) 을 제어한다. 따라서, PWM 피크 모드 제어기들 (124 및 126) 각각은 스위칭된 서플라이 스테이지 (123) 에 제어 신호들 (125) 의 부분을 형성하는 일반 제어 신호들 (125a 및 125b) 을 제공하는 것으로 도시되어 있다.
전압 더블러 스위치들 (102, 104 및 106) 은 스위치들 (108 또는 118) 이 실행될 때, 하프 브리지 스테이지들 (스위치들 (108, 110 및 118, 116)) 에 대한 입력이 2Vbat 인 것을 보장하기 위하여, 제 1 제어기 또는 제 2 제어기의 PWM 파형에 의해 제어되며, 어느 것이든 더 큰 듀티 사이클을 갖는다. 이와 동등하게, 스위치들 (102, 104 및 106) 을 제어하는 PWM 파형은 제어기들 (1 및 2) 의 PWM 파형들의 논리적 'OR' 함수이다.
라인 (115) 상의 메인 출력 서플라이는 변조되는 한편, 보조 출력 서플라이-즉, 라인 (200) 상의 선형 증폭기 (24) 에 대한 서플라이 전압-는 고정 전압일 수도 있거나 또는 타임 슬롯 기반으로 하는 통신 시스템에서의 슬롯 단위 기반의 RF 신호의 평균 전력에 따라 설정되는 전압일 수도 있다.
출력 전압을 배터리 전압의 두배까지 하는 부스트 모드의 활성화는 예를 들어, RF 전력 레벨, 피크 대 평균 전력 비, 및 타임 슬롯에서의 배터리 전압 중 어느 하나 또는 조합에 의존하여 예를 들어, 슬롯 단위 기반으로 베이스밴드 제어기에 의해 직접 제어될 수 있다. 베이스밴드 제어기는 PWM 피크 전류 모드 제어기들 (124 및 126) 을 제어할 수 있다.
대안으로서, 부스트 설정의 자율적인 제어는 도 7 에 도시된 바와 같이, 현재 배터리 전압의 백분율로서 정의될 수도 있는 임계값 전압과 스위치기 출력 전압 또는 스케일링된 레퍼런스 전압을 비교하는 것에 의해 가능하게 된다. 이는 베이스밴드 제어기의 펌웨어 부담을 감소시킨다.
도 7 을 참조하여 보면, 스위치들 (104, 102, 106) 및 레퍼런스 번호 132 로 일반적으로 지칭되는 커패시터 (112) 에 의해 제공되는 전압 더블링 회로를 인에이블/디스에이블하기 위하여 라인 (130) 상에 제어 신호를 생성하는 비교기 (128) 가 도입된다.
비교기 (128) 는 인덕터들 (28a 및 28b) 의 접합에서의 노드에서 검출되고 비교기 (128) 에 제 1 입력으로서 제공되는 스위칭된 출력에서의 출력 전압을 비교기 (128) 에 대한 제 2 입력에서의 임계값과 비교하도록 배치된다. 임계 전압은 저항기들 (134 및 136) 에 제공되며, 저항기 (134) 의 타단은 Vbat 에 접속되며, 저항기 (136) 의 타단은 전기적 그라운드에 접속된다.
전압 더블링 회로 (132) 가 디스에이블되면, 출력 전압들은 종래의 벅 스테이지들로서 스위칭된 페어들 (108/110 및 116/118) 을 포함하는 각각의 출력 스테이지들에 의해 생성된다. 이는 각각의 출력 전압들이 0V 과 Vbat 사이에서 스위칭되는 것을 허용한다. 인에이블될 때, 전압 더블링 회로 (132) 는 각각의 출력 전압들이 0V 와 2xVbat 사이에서 스위칭하는 것을 허용한다.
비교기 (128) 에서의 비교에 의존하여, 전압 더블러 회로 (132) 는 제어 라인 (130) 에 의해 인에이블 또는 디스에이블된다.
도 7 의 오토 인에이블 부스트 벅 스위치기를 포함하는 엔벨로프 트랙킹 변조 전력의 블록 레벨 아키텍쳐는 수정 경로에서의 유리한 피드백 아키텍쳐의 환경에서 도 8 에 도시된다. 도 8 에서, 선형 증폭기에 대한 서플라이 전압은 예시를 간략하게 하기 위하여 도시되지 않으며, 이에 따라 듀얼 출력 스위칭 서플라이는 도시되지 않는다. 그러나, 도 6 및 도 7 의 듀얼 모드 스위칭 서플라이가 선형 증폭기 (24) 에 서플라이를 제공하기 위해 도 8 의 배열체에 있어서 이용될 수는 있는 방법이 명확하게 될 것이다.
도 8 을 추가로 참조하여 보면, 효율을 최대화하기 위해, DC 오프셋이 바람직하게 입력 신호에 추가되어, 선형 증폭기 (24) 의 레일 투 레일 동작을 허용한다. DC 오프셋 전압의 값은 감산기 (42) 의 출력에서 DC 전압을 포지셔닝하도록 선택되어, 최저의 가능한 서플라이 전압이 선형 증폭기 (24) 에 이용되는 것을 허용한다.
선형 증폭기 (24) 는 효율적인 스위칭 모드 서플라이에 의해 제공되는 최소 가능한 서플라이 전압으로 바람직하게 항상 동작한다. 바람직하게, 선형 증폭기에 대한 서플라이 전압은 도 8 에 도시되지 않았지만, 도 7 의 배열체에 따라 제공된다.
도 8 에서, 저주파수 경로에서의 스위치기와 연관된 임의의 지연은 지연 소자 (19) 로 표기되는, 선형 증폭기를 포함하는 고주파수 경로에서의 지연 매칭 소자를 이용하여 선택적으로 보상될 수도 있다.
도 8 에서, 비교기 (128) 는 저주파수 경로의 출력 전압에 임계 전압을 비교하는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 저주파수 경로의 출력 전압은 레퍼런스 전압의 저주파수 부분으로부터 유도되며, 임계 전압은 레퍼런스 전압의 저주파수 부분으로부터 유도되는 임의의 신호에 비교될 수도 있다. 도 8 에 배열체에 있어서, 임계 전압은 예를 들어, 저주파수 경로의 출력에서보다는 라인 (16) 상의 신호에 비교될 수도 있다.
본 발명 및 그 실시형태들은 무선 주파수 (RF) 전력 증폭기들에 대한 엔벨로프 트래킹 (ET) 의 애플리케이션에 관한 것이고, 고주파수들 내지 마이크로웨이브 주파수들에서 셀룰라 핸드셋들, 무선 인프라스트럭쳐, 및 군사용 전력 증폭기 애플리케이션들을 포함한 광범위한 구현들에 적용가능하다.

Claims (14)

  1. 전압 서플라이 스테이지로서,
    입력 서플라이 전압,
    직렬 접속된 제 1 (102) 및 제 2 (104) 스위치로서, 상기 직렬 접속된 제 1 (102) 및 제 2 (104) 스위치들은 입력 서플라이 전압의 제 1 및 제 2 단자들 사이에서 입력 서플라이 전압과 병렬 접속되어 있는, 상기 제 1 (102) 및 제 2 (104) 스위치,
    직렬 접속된 제 3 (106) 스위치 및 커패시터로서, 상기 직렬 접속된 제 3 (106) 스위치 및 커패시터는 상기 제 1 (102) 스위치와 병렬 접속되어 있는, 상기 제 3 (106) 스위치 및 커패시터,
    상기 제 3 스위치 및 상기 커패시터의 접속부와 출력 사이에 접속된 제 4 (108) 스위치,
    상기 출력과 상기 입력 서플라이 전압의 단자 사이에 접속된 제 5 (110) 스위치,
    상기 제 3 (106) 스위치 및 상기 커패시터의 상기 접속부와 추가의 출력 사이에 접속된 제 6 스위치 (118), 및
    상기 추가의 출력과 상기 입력 서플라이 전압의 단자 사이에 접속된 제 7 (116) 스위치를 포함하고,
    제 1 동작 페이즈에서, 상기 제 1, 제 4 및 제 6 스위치들은 폐쇄되고, 상기 제 2, 제 3, 제 5 및 제 7 스위치들은 개방되며,
    제 2 동작 페이즈에서, 상기 제 2, 제 3, 제 5 및 제 7 스위치들은 폐쇄되고, 상기 제 1, 제 4 및 제 6 스위치들은 개방되며,
    상기 제 1 및 제 2 페이즈들의 듀티 사이클은 상기 출력 및 상기 추가의 출력 각각에서의 평균 전압이 0 볼트와 상기 입력 서플라이 전압의 두배 사이에서 변경되도록 제어되는, 전압 서플라이 스테이지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 서플라이 스테이지는 피크 전류 모드 스위치기 (switcher) 를 포함하는, 전압 서플라이 스테이지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2 및 제 3 스위치들은 상기 제 4 및 제 5 스위치들 또는 상기 제 6 및 제 7 스위치들로 인에이블 및 디스에이블되는, 전압 서플라이 스테이지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    벅 (buck) 단독 동작 모드에서, 상기 제 2 (104) 및 제 3 (106) 스위치들은 폐쇄되고, 상기 제 1 및 제 2 동작 페이즈들 양쪽 모두에서, 상기 제 1 (102) 스위치는 개방되며, 상기 제 1 및 제 2 동작 페이즈들에서 나머지 스위치들의 듀티 사이클은, 상기 출력 및/또는 상기 추가의 출력에서의 평균 전압이 0 볼트와 상기 입력 서플라이 전압 사이에서 변경되도록 제어되는, 전압 서플라이 스테이지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    벅 동작 모드를 인에이블 및 디스에이블하기 위한 제어 신호가 제공되는, 전압 서플라이 스테이지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 출력 또는 상기 추가의 출력 중 하나 또는 저주파수 레퍼런스 신호를 임계 레벨에 비교하고, 이에 의존하여 상기 제어 신호를 설정 또는 재설정하기 위한 회로를 더 포함하는, 전압 서플라이 스테이지.
  7. 레퍼런스 신호에 의존하여 변조된 서플라이 전압을 생성하도록 배치된 엔벨로프 트래킹 변조 서플라이로서,
    상기 레퍼런스 신호에서의 저주파수 변동들을 트래킹하고, 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 전압 서플라이 스테이지를 포함하는 스위칭 모드 전력 서플라이를 포함하는 저주파수 경로,
    상기 레퍼런스 신호에서의 고주파수 변동들을 트래킹하고 선형 증폭기를 포함하는 수정 경로, 및
    상기 스위칭 모드 전력 서플라이의 출력과 상기 선형 증폭기의 출력을 결합하여 변조된 서플라이 전압을 생성하기 위한 결합기를 포함하는, 엔벨로프 트래킹 변조 서플라이.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 선형 증폭기의 상기 출력으로부터 상기 선형 증폭기의 입력으로의 피드백 경로가 제공되어, 상기 수정 경로에서의 상기 선형 증폭기가 상기 레퍼런스 신호에서의 주파수들의 전체 스펙트럼을 포함하는 신호를 증폭하게 되는, 엔벨로프 트래킹 변조 서플라이.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 추가의 출력은 상기 수정 경로에 전력 서플라이를 제공하는, 엔벨로프 트래킹 변조 서플라이.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 저주파수 경로는 피크 전류 모드 스위치기를 포함하는, 엔벨로프 트래킹 변조 서플라이.
  11. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 전압 서플라이 스테이지를 포함하는, RF 증폭기.
  12. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 전압 서플라이 스테이지를 포함하는, 무선 통신 시스템.
  13. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 전압 서플라이 스테이지를 포함하는, 무선 모바일 디바이스.
  14. 삭제
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