TWI730570B - 具有包絡跟蹤調製的電源 - Google Patents

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Abstract

示出了用於向功率放大器供應調製電壓的電源。該電源包括交流（AC）分量生成器、直流（DC）分量生成器和轉變加速器。交流分量生成器根據包絡跟蹤信號產生該調製電壓的交流分量。直流分量生成器根據功率放大器的操作電壓範圍產生調製電壓的直流分量。轉變加速器耦接到直流（DC）分量生成器的輸出端，以加快調製電壓的轉變。

Description

具有包絡跟蹤調製的電源
本發明通常涉及電源技術，以及更特別地，涉及一種具有包絡跟蹤調製(envelope tracking modulation)的電源(power supply)，能夠用於寬頻率範圍的應用。
第1A圖示出了基於固定的漏極偏置方法(Vdd)將電源電壓(supply voltage)供應至功率放大器(power amplifier，PA)11的框圖。在第1A圖中，功率放大器11基於電源電壓Vdd(為恆定的電壓)進行操作。功率放大器11對輸入信號Sin進行放大，以產生放大的輸出信號Sout。
第1B圖示出了基於固定的漏極偏置方法(Vdd)提供給功率放大器11以及由功率放大器11消耗的功率Ln1的示意圖。水平線Ln1表示提供給功率放大器11的電源電壓Vdd是恆定的。在第1B圖中，用斜線(oblique line)(Ppa)所示的區域表示功率放大器11的實際功耗，以及，用虛線網點(dotted screentone)(Pa1)所示的區域表示功率放大器11提供的但未被利用的功率。因此，用虛線網點(Pa1)所示的區域意味著功率放大器11中不必要的功率損耗。
如第1B圖所示，固定的漏極偏置方法應用固定的電源電壓Vdd至功率放大器11，但是功率放大器11所消耗的功率一直在變化。結果，固定的 漏極偏置方法導致相當大的功率損耗並引起熱問題。
電源電壓Vdd由電壓源(通常為電池)提供。由於固定的漏極偏置方法效率不高，因此電池的壽命會縮短。因此，需要一種能够減少不必要功耗的有效方法。
為了提高電池的使用壽命，一種包絡跟蹤(envelope tracking，以下稱為ET)功率管理方法被提出。代替向功率放大器提供固定的電源電壓Vdd，而是將調製電壓(modulated voltage)Vpa(是被動態調整的)提供給功率放大器。由於調製電壓Vpa因功率放大器的瞬時信號包絡(instantaneous signal envelope)而變化，因此功率損耗可以大大降低。
然而，在寬頻率範圍的應用中，難以跟蹤功率放大器操作在高頻帶中時的瞬時信號包絡。
第2圖以5G新速率幀結構(參數numerology=4)為例進行了描述。一幀為10ms，且包括10個子幀。一個子幀為1ms，且包括16個時隙。一個時隙為62.5μs，且包含14個符號。一個沒有循環前綴(cyclic prefix，CP)的符號為4.16μs，而一個循環前綴(CP)為290ns，它們很短，從而給跟蹤瞬時信號包絡的電源帶來了困難。
根據本公開的示例性實施例示出了被配置為向功率放大器提供調製電壓的電源。該電源包括交流(AC)分量生成器，直流(DC)分量生成器和轉變加速器。交流分量生成器根據包絡跟蹤信號產生調製電壓的交流分量。直流分量生成器根據功率放大器的操作電壓範圍產生調製電壓的直流分量。轉變加速器耦接到直流(DC)分量生成器的輸出端，以加快調製電壓的轉變。
轉變加速器可以包括上拉電路和/或下拉電路。上拉電路被配置為 加快直流分量的上升。下拉電路被配置為加快直流分量的下降。上拉電路在直流分量從低到高的轉變間隔期間接通。下拉電路在直流分量從高到低的轉變間隔期間接通。在一些示例中，上拉電路是源出電流源，下拉電路是汲入電流源。在另一些示例中，上拉電路和下拉電路是傳輸門。在一些實施例中，該電源還包括耦合電容器，該耦合電容器耦接在交流分量生成器的輸出端和電源的輸出節點之間。在一些實施例中，該電源還包括濾波器，該濾波器耦接在該直流分量生成器的輸出端和該電源的輸出節點之間。例如，該濾波器包括電感、開關、電容器和電阻器，其中，電感耦接在該直流分量生成器的輸出端和該電源的輸出節點之間；開關耦接在該直流分量生成器的輸出端和該電源的輸出節點之間；以及，電容器和電阻器，串聯在該直流分量生成器的輸出端和接地端之間。
直流(DC)分量生成器包括升壓轉換器和第一降壓轉換器。升壓轉換器將第一電源電壓轉換為高於第一電源電壓的第二電源電壓。基於功率放大器的操作電壓範圍，第一降壓轉換器選擇性地轉換第一電源電壓或第二電源電壓，以產生直流分量。轉變加速器可以由第一電源電壓或第二電源電壓供電。當該功率放大器的該操作電壓範圍低於閾值時，該第一降壓轉換器轉換該第一電源電壓，以產生該直流分量；以及，當該功率放大器的該操作電壓範圍不低於該閾值時，該第一降壓轉換器轉換該第二電源電壓，以產生該直流分量。
交流分量生成器包括第二降壓轉換器和線性放大器。第二降壓轉換器將第一電源電壓轉換為低於第一電源電壓的第三電源電壓。線性放大器由第三電源電壓供電，以基於包絡跟蹤信號生成調製電壓的交流分量。
在下面的詳細描述中描述其它實施例和優點。本發明內容並非旨在限定本發明。本發明由申請專利範圍限定。
300:調製電源電路
306:控制電路
312:DC(直流)分量生成器
316:轉變加速器
322:升壓轉換器
324、326:降壓轉換器
314:AC(交流)分量生成器
330:上拉電路
328:線性放大器
332:下拉電路
304:包絡檢波器
11、302:功率放大器
Ccp:耦合電容器
通過閱讀後續的詳細描述和實施例可以更全面地理解本發明，該實施例參照附圖給出。
第1A圖是示出基於固定的漏極偏置方法(Vdd)將電源電壓供應至功率放大器(PA)11的框圖。
第1B圖是示出基於固定的漏極偏置方式(Vdd)向功率放大器11提供和由功率放大器11消耗的功率Ln1的示意圖。
第2圖描繪了5G新速率幀結構(參數numerology=4)。
第3圖是根據本公開的示例性實施例示出的一種電源的框圖，該電源包括能夠向功率放大器302提供調製電壓Vpa的調製電源電路300。
第4圖是根據本公開的示例性實施例示出的基於包絡跟蹤偏置方法(Vpa)提供給功率放大器302并由功率放大器302消耗的功率的示意圖。
第5圖是根據本公開的示例性實施例示出的調製電源電路300的內部區塊的電路細節的示意圖。
第6圖是根據本公開的另一示例性實施例示出的調製電源電路300的內部區塊的電路細節的示意圖。
在下面的詳細描述中，為了說明的目的，闡述了許多具體細節，以便所屬技術領域中具有通常知識者能夠更透徹地理解本發明實施例。然而，顯而易見的是，可以在沒有這些具體細節的情況下實施一個或複數個實施例，不同的實施例或不同實施例中披露的不同特徵可根據需求相結合，而並不應當僅限於附圖所列舉的實施例。
以下描述為本發明實施的較佳實施例。以下實施例僅用來例舉闡釋本發明的技術特徵，並非用來限制本發明的範疇。在通篇說明書及申請專利 範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的組件。所屬技術領域中具有通常知識者應可理解，製造商可能會用不同的名詞來稱呼同樣的組件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區別組件的方式，而係以組件在功能上的差異來作為區別的基準。本發明的範圍應當參考后附的申請專利範圍來確定。在以下描述和申請專利範圍當中所提及的術語“包含”和“包括”為開放式用語，故應解釋成“包含，但不限定於...”的意思。此外，術語“耦接”意指間接或直接的電氣連接。因此，若文中描述一個裝置耦接至另一裝置，則代表該裝置可直接電氣連接於該另一裝置，或者透過其它裝置或連接手段間接地電氣連接至該另一裝置。
第3圖是根據本公開的示例性實施例示出的一種電源的框圖，該電源包括能夠向功率放大器302提供調製電壓Vpa的調製電源電路(modulated power supply circuit)300。該電源還包括包絡檢波器(envelope detector)304和控制電路306。調製電源電路300由電源電壓Vpwr1(例如電池)供電，以及，調製電源電路300被包絡檢波器304和控制電路306控制。應當說明的是，附圖只是示例性實施例，本發明并不限於附圖所示的特定實現。例如，調製電源電路300是為便於描述及分塊引入的概念，在一些實施例中，可以不引入該概念，即可以描述為：電源包括直流分量生成器312、交流分量生成器和轉變加速器316。
由調製電壓Vpa供電的功率放大器302可以是例如AB類放大器。在接收到輸入信號Sin之後，功率放大器302將輸入信號Sin放大以產生放大的輸出信號Sout。包絡檢波器304被配置為檢測輸入信號Sin的幅度，以產生包絡跟蹤信號Venv。包絡跟蹤信號Venv表示和/或攜帶與輸入信號Sin的幅度變化(amplitude change)有關的包絡資訊。在一些示例性實施例中，包絡跟蹤信號Venv以分組的形式(in packets)傳輸到調製電源電路300。
控制電路306涉及整個系統的使用環境，選擇與功率放大器302 有關的合適設置，並確定應如何調節調製電源電路300的操作。控制電路306可以根據功率放大器302的操作電壓範圍(operational voltage range)來控制調製電源電路300，以對調製電壓Vpa進行適當的直流(direct current，DC)控制。例如，控制電路306可以控制調製電源電路300將調製電壓Vpa的直流分量從第一電位改變至第二電位。在一示例中，第二電位大於第一電位(直流分量從低到高轉變)，從而，上拉電路在直流分量從低到高的轉變間隔期間被接通，以加快直流分量的上升(rise)。在另一示例中，第二電位小於第一電位(直流分量從高到低轉變)，從而，下拉電路在直流分量從高到低的轉變間隔期間被接通，以加快直流分量的下降(drop)。
基於包絡跟蹤信號Venv和來自控制電路306的控制信號，調製電源電路300跟蹤功率放大器302的瞬時功率需求(instantaneous power needs)。具體地說，調製電源電路300在寬頻率範圍的應用中工作良好，例如3G，4G甚至5G應用。在以下段落中討論調製電源電路300的細節。
調製電源電路300包括DC(直流)分量生成器(DC(direct current)component generator)312、AC(交流)分量生成器(AC(alternating current)component generator)314和轉變加速器(transition accelerator)316。
調製電源電路300(或者說，本發明提出的電源)提供的調製電壓Vpa包括直流(DC)分量(Vpa_dc)和交流(AC)分量(Vpa_ac)。直流(DC)分量生成器312被配置為生成調製電壓Vpa的直流(DC)分量Vpa_dc。交流(AC)分量生成器314被配置為生成調製電壓Vpa的交流(AC)分量Vpa_ac。通過將直流(DC)分量生成器312的輸出端耦接到交流(AC)分量生成器314的輸出端，直流(DC)分量生成器312的輸出和交流(AC)分量生成器314的輸出被組合在一起，從而，該電源的輸出節點Npa輸出調製電壓Vpa。特別地，轉變加速器316電連接到直流(DC)分量生成器312的輸出端(在第3圖中體現為 電源的輸出節點Npa和交流分量生成器314的輸出端)，以加快(speed)調製電壓Vpa的轉變(transition)。在一些實施例中，轉變加速器由第二電源電壓供電(如後面描述的電源電壓Vpwr2)，在另一些實施例中，轉變加速器由第一電源電壓(如後面描述的電源電壓Vpwr1)供電。
如圖所示，直流(DC)分量生成器312包括升壓轉換器(step-up converter)322和降壓轉換器(step-down converter)324。通過升壓轉換器322(例如，升壓變換器(boost converter))，電源電壓Vpwr1(例如，電池電壓)被提高到更高位準(higher-level)的電源電壓Vpwr2，其中，電源電壓Vpwr2高於電源電壓Vpwr1。在控制電路306的控制下，降壓轉換器324基於功率放大器302的操作電壓範圍選擇性地轉換(convert)電源電壓Vpwr1或電源電壓Vpwr2，以產生直流分量Vpa_dc。在示例性實施例中，當功率放大器302的操作電壓範圍低於閾值時，降壓轉換器324轉換電源電壓Vpwr1來產生直流分量Vpa_dc。當功率放大器302的操作電壓範圍不低於閾值時，降壓轉換器324轉換電源電壓Vpwr2來產生直流分量Vpa_dc。因此，可獲得寬範圍的直流(DC)分量Vpa_dc。
對於交流(AC)分量路徑，交流(AC)分量生成器314包括降壓轉換器326和線性放大器(linear amplifier)328。通過降壓轉換器326(例如，降壓變換器(buck converter))，電源電壓Vpwr1被轉換為更低位準(lower-level)的電源電壓Vpwr3，其中，電源電壓Vpwr3低於電源電壓Vpwr1。基於包絡跟蹤信號Venv提供調製電壓Vpa的交流(AC)分量Vpa_ac的線性放大器328由更低位準的電源電壓Vpwr3供電，這使得電源效率更高。
如圖所示，轉變加速器316包括上拉電路(pull-up circuit)330和下拉電路(pull-down circuit)332。在控制電路306的控制下，上拉電路330可以耦接到電源電壓Vpwr1或更高位準的電源電壓Vpwr2，以瞬間 (instantaneously)上拉調製電壓Vpa，或者，下拉電路332被激活以瞬間下拉調製電壓Vpa。上拉電路330可以是源出電流源(current source)，而下拉電路332可以是汲入電流源(current sink)。在另一示例性實施例中，上拉電路330和下拉電路332可以是傳輸門(transmission gate)。由於轉變加速器316的存在，直流(DC)分量Vpa_dc的轉變速度(transition speed)不受直流(DC)分量生成器312的被動器件(passive device)的緩慢轉變限制。在本發明實施例中，上拉電路被選擇性地接通，以在接通時加快直流分量的上升。特別地，上拉電路在直流分量從低到高的轉變間隔期間被接通。另外，下拉電路被選擇性地接通，以在接通時加快直流分量的下降。特別地，下拉電路在直流分量從高到低的轉變間隔期間被接通。
上拉電路330在直流(DC)分量Vpa_dc從低到高的轉變間隔(low-to-high transition intervals)期間被接通(be turned on)。下拉電路332在直流(DC)分量Vpa_dc從高到低的轉變間隔(high-to-low transition intervals)期間被接通。也就是說，當直流(DC)分量Vpa_dc變大時(例如，通過檢測調製電壓Vpa的平均電壓的方式來判斷直流分量是變大還是變小)，接通上拉電路330，以加快直流分量的上升，直至直流分量上升到第一預期值。另外，當直流(DC)分量Vpa_dc變小時，接通下拉電路332，以加快直流分量的下降，直至直流分量下降到第二預期值。
在一些示例性實施例中，僅提供電源電壓Vpwr1或僅提供更高位準的電源電壓Vpwr2來為轉變加速器316供電。在某些示例性實施例中，轉變加速器316包含上拉電路330而沒有下拉電路332，或者，轉變加速器316包含下拉電路332而沒有上拉電路330。
在一些示例性實施例中，直流(DC)分量生成器312和交流(AC)分量生成器314可以具有其它變體。轉變加速器316適用於直流(DC)分量生 成器312和交流(AC)分量生成器314的所有變體。
在5G新範圍(new range，NR)的示例中，上拉電路330和下拉電路332在窄的轉變間隔期間(如間隔為290ns，第2圖中的CP)上拉或下拉調製電壓Vpa的直流(DC)分量Vpa_dc不會出現問題。由電源輸出的以向功率放大器302供電的調製電壓Vpa是正確的。
第4圖是根據本公開的示例性實施例示出的基於包絡跟蹤偏置方法(Vpa)提供給功率放大器302并由功率放大器302消耗的功率的示意圖。曲線Ln2表示提供給功率放大器302的調製電壓Vpa的功率。用斜線(Ppa)示出的區域表示功率放大器302的實際功耗。用虛線網點示出的區域(Pa2)表示功率放大器302中不必要的功率損耗。
由於在電源的輸出節點Npa上生成的調製電壓Vpa相似于(is similar to)功率放大器302的瞬時輸入信號Sin，因此，第4圖中所示的帶有虛線網點(Pa2)的區域很小。因此，電源的功率利用非常有效，并能夠減少浪費的能量。
第5圖是根據本公開的示例性實施例示出的調製電源電路300的內部區塊的電路細節的示意圖。耦接到端子n1(直流(DC)分量生成器312(由轉換器322和324組成)的輸出端)的上拉電路330是由電源電壓Vpwr1供電或由更高位準的電源電壓Vpwr2供電的源出電流源。下拉電路332是汲入電流源，且耦接在端子n1與接地端(ground)之間。升壓轉換器322以及降壓轉換器324和326由電感器和開關組成，以及，開關被控制電路306根據功率放大器302的操作電壓範圍進行控制。例如，開關的佔空比(duty cycles)可以由控制電路306控制。基於參考電壓VDAC操作的線性放大器328接收差分方式(VINP和VINN)的包絡跟蹤信號Venv。
在該示例中，使用了AC耦接(AC-coupling)方案。在線性放大 器328的輸出端(即交流分量生成器的輸出端)與電源的輸出節點Npa之間連接有耦合電容器Ccp。因此，由於耦合電容器Ccp的兩個端子之間存在的電容器電壓差而抑制了線性放大器328的輸出的擺動，因此，線性放大器328的輸出功率被減小，從而調製電源電路300的總功率功耗減小。
第6圖是根據本公開的另一示例性實施例示出的調製電源電路300的內部區塊的電路細節的示意圖。濾波器(filter)602耦接在端子n1和電源的輸出節點Npa之間。濾波器602可以是二階濾波器。濾波器602具有並聯連接在端子n1和輸出節點Npa之間的電感器Lf和開關SWf，並且具有串聯連接在端子n1和接地端之間的電容器Cf和電阻器Rf。濾波器602有效地減少了被注入至功率放大器302的雜訊。
如上所述，本發明提供的電源或調製電源電路300優化了電源的功率效率和熱減少。具有調製電源電路300(即具有直流分量生成器、交流分量生成器和轉變加速器)的電源可用於效率和電池壽命至關重要的許多門戶應用中。
雖然已經對本發明實施例及其優點進行了詳細說明，但應當理解的係，在不脫離本發明的精神以及申請專利範圍所定義的範圍內，可以對本發明進行各種改變、替換和變更，例如，可以通過結合不同實施例的若干部分來得出新的實施例。所描述的實施例在所有方面僅用於說明的目的而並非用於限制本發明。本發明的保護範圍當視所附的申請專利範圍所界定者為准。所屬技術領域中具有通常知識者皆在不脫離本發明之精神以及範圍內做些許更動與潤飾。
300:調製電源電路
306:控制電路
312:DC(直流)分量生成器
316:轉變加速器
322:升壓轉換器
324、326:降壓轉換器
314:AC(交流)分量生成器
330:上拉電路
328:線性放大器
332:下拉電路
304:包絡檢波器
302:功率放大器

Claims (14)

  1. 一種電源，用於向功率放大器提供調製電壓，其中，該電源包括： 交流分量生成器，用於根據包絡跟蹤信號生成該調製電壓的交流分量，其中，該包絡跟蹤信號與該功率放大器的輸入信號的幅度變化有關； 直流分量生成器，用於根據該功率放大器的操作電壓範圍生成該調製電壓的直流分量；以及， 轉變加速器，耦接該直流分量生成器的輸出端，以加快該調製電壓的轉變。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的電源，其中，該轉變加速器包括上拉電路，該上拉電路被選擇性地接通，以在接通時加快該直流分量的上升； 其中，該上拉電路在該直流分量從低到高的轉變間隔期間被接通。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述的電源，其中，該轉變加速器包括下拉電路，該下拉電路被選擇性地接通，以在接通時加快該直流分量的下降； 其中，該下拉電路在該直流分量從高到低的轉變間隔期間被接通。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述的電源，其中，該轉變加速器包括上拉電路和下拉电路，該上拉電路被選擇性地接通，以在接通時加快該直流分量的上升，以及，該下拉電路被選擇性地接通，以在接通時加快該直流分量的下降； 其中，該上拉電路在該直流分量從低到高的轉變間隔期間被接通，以及，該下拉電路在該直流分量從高到低的轉變間隔期間被接通。
  5. 根據申請專利範圍第4項所述的電源，其中，該上拉電路是源出電流源，而該下拉電路是汲入電流源；或者，該上拉電路和該下拉電路是传输門。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述的電源，其中，該電源還包括： 耦合電容器，耦接在該交流分量生成器的輸出端和該電源的輸出節點之間。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述的電源，其中，該電源還包括： 濾波器，耦接在該直流分量生成器的輸出端和該電源的輸出節點之間。
  8. 根據申請專利範圍第7項所述的電源，其中，該濾波器包括： 電感，耦接在該直流分量生成器的輸出端和該電源的輸出節點之間； 開關，耦接在該直流分量生成器的輸出端和該電源的輸出節點之間；以及， 電容器和電阻器，串聯在該直流分量生成器的輸出端和接地端之間。
  9. 根據申請專利範圍第1項所述的電源，其中，該直流分量生成器包括： 升壓轉換器，用於將第一電源電壓轉換為高於該第一電源電壓的第二電源電壓；以及， 第一降壓轉換器，用於接收該第一電源電壓和該第二電源電壓； 其中，基於該功率放大器的該操作電壓範圍，該第一降壓轉換器選擇性地轉換該第一電源電壓或該第二電源電壓，以產生該直流分量。
  10. 根據申請專利範圍第9項所述的電源，其中，當該功率放大器的該操作電壓範圍低於閾值時，該第一降壓轉換器轉換該第一電源電壓，以產生該直流分量；以及， 當該功率放大器的該操作電壓範圍不低於該閾值時，該第一降壓轉換器轉換該第二電源電壓，以產生該直流分量。
  11. 根據申請專利範圍第9項所述的電源，其中，該轉變加速器由該第一電源電壓或該第二電源電壓供電。
  12. 根據申請專利範圍第10項所述的電源，其中： 當該功率放大器的該操作電壓範圍低於該閾值時，該轉變加速器由該第一電源電壓供電；以及， 當該功率放大器的該操作電壓範圍不低於該閾值時，該轉變加速器由該第二電源電壓供電。
  13. 根據申請專利範圍第9項所述的電源，其中，該交流分量生成器包括： 第二降壓轉換器，用於將該第一電源電壓轉換為低於該第一電源電壓的第三電源電壓；以及， 線性放大器，由該第三電源電壓供電，以根據該包絡跟蹤信號生成該調製電壓的該交流分量。
  14. 根據申請專利範圍第13項所述的電源，其中，該電源還包括： 控制電路，用於根據該功率放大器的該操作電壓範圍控制該升壓轉換器、該第一降壓轉換器、該第二降壓轉換器和該轉變加速器；以及， 包絡檢波器，耦接該功率放大器的輸入信號，以產生該包絡跟蹤信號。
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