專利名稱：基于e類直流-直流變換器的包絡(luò)跟蹤電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信中射頻功率放大器設(shè)計(jì)中的包絡(luò)跟蹤技木，尤其涉及ー種基于E類直流-直流變換器的包絡(luò)跟蹤電源。
背景技術(shù)：
隨著無線通信技術(shù)向4G的邁進(jìn)，用戶對高數(shù)據(jù)速率的需求，同時(shí)也為了提高頻譜利用率，現(xiàn)代通信技術(shù)普遍采用變包絡(luò)的復(fù)雜調(diào)制方式。這將導(dǎo)致信號具有很高的峰均功率比。對于高峰均比信號，為了滿足線性要求，AB類或B類等功率放大器必須工作在功率回退區(qū)域，這將導(dǎo)致功率放大器平均效率嚴(yán)重下降，即功率放大器線性和效率的折中。為了提高功率放大器在功率回退區(qū)域的效率，許多文獻(xiàn)中提出包絡(luò)跟蹤 (Envelope Tracking, ET)、包絡(luò)消除與恢復(fù)(Envelope Elimination and Restoration,EER)> Doherty等技術(shù)。與Doherty相比，ET技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更大功率回退區(qū)域的高效率,較寬的帶寬和更好的線性；與EER相比，ET技術(shù)對電路如包絡(luò)放大器、時(shí)延對齊等要求更低，實(shí)現(xiàn)難度較小，失真更小，所以更具有寬帶、高平均效率及高線性發(fā)射機(jī)的潛力。ET技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)由包絡(luò)放大器(即包絡(luò)跟蹤電源)和線性功率放大器構(gòu)成。調(diào)制后的射頻信號經(jīng)包絡(luò)檢波后分為兩路，一路是原調(diào)制信號不變，輸入功率放大器放大；另一路是包絡(luò)信號，經(jīng)包絡(luò)跟蹤電源放大后作為功率放大器的漏極偏置電壓。兩路信號通過功率放大器實(shí)現(xiàn)復(fù)
ム
ロ ο而作為ET技術(shù)中的關(guān)鍵部分之一，包絡(luò)放大器對整體效率及線性度有著重大影響。由于包絡(luò)信號與原正交信號的非線性關(guān)系，具有遠(yuǎn)大于原射頻信號的帶寬。用于ET的包絡(luò)放大器必須滿足以下要求高效率；較寬的帶寬和大的擺率；較高的功率輸出能力等。開關(guān)類直流-直流變換器(DC-DC Converter)如降壓斬波(Buck)電路由于其很高的轉(zhuǎn)換效率成為包絡(luò)跟蹤電源的首選方案。然而，普通的DC-DC變換器的帶寬、輸出擺率等都難以滿足現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的要求。常見的對其帶寬改進(jìn)的方法可分為兩種一種是通過多個(gè)Buck電路實(shí)現(xiàn)多輸入或多級直流-直流變換器，但是對帶寬的改善有限；另一種是通過較寬帶寬的線性放大器輔助，實(shí)現(xiàn)帶寬與效率的折中。折中方法一定程度上改善了帶寬，但使其效率卻大打折扣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題，是提供一種包絡(luò)跟蹤電源，它具有較寬的帶寬和較大的擺率，同時(shí)維持很高的效率，為包絡(luò)跟蹤技術(shù)提供ー種電源調(diào)制選擇。本發(fā)明的技術(shù)方案為
一種基于E類直流-直流變換器的包絡(luò)跟蹤電源，包括
-包絡(luò)檢測電路100，檢測輸入的射頻信號，獲得該信號的包絡(luò)線信號；
-包絡(luò)頻率轉(zhuǎn)換電路200，將包絡(luò)線的幅值信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信號，作為E類逆變電路302中開關(guān)管的控制信號；-驅(qū)動電路301，將頻率信號放大，提高其驅(qū)動能力，以控制E類逆變電路302中開關(guān)管的導(dǎo)通與閉合，使其工作在E類開關(guān)狀態(tài)；
-E類逆變電路302，將直流電源信號轉(zhuǎn)換成控制信號頻率所對應(yīng)的交流電源信號；
-匹配網(wǎng)絡(luò)303，將E類逆變電路302的輸出基波阻抗和諧振整流電路304的輸入基波阻抗匹配，以達(dá)到最大功率傳輸；
-諧振整流電路304，將交流電源信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)幅度的直流電源信號，即本電源的輸出信號。所述包絡(luò)頻率轉(zhuǎn)換電路200有三種子電路實(shí)現(xiàn)方式，包括連續(xù)掃頻電路201、離散掃頻電路202、脈寬調(diào)制(PWM)或Σ Δ調(diào)制頻率控制電路203 ;三種電路可根據(jù)實(shí)際需要和電路特征、選擇其中ー種對包絡(luò)線信號進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換。

所述連續(xù)掃頻電路201由幅度調(diào)整電路、鎖相環(huán)或壓控振蕩器組成；所述離散掃頻電路202由比較量化控制電路、頻率合成電路組成,該頻率合成電路是鎖相環(huán)或壓控振蕩器；所述脈寬調(diào)制(PWM)或Σ Δ調(diào)制電路203由脈寬調(diào)制器或Σ Δ調(diào)制器、相應(yīng)的頻率合成電路或壓控振蕩器和衰減電路組成。所述E類逆變電路302，其結(jié)構(gòu)為E類放大器，可以是經(jīng)典的E類放大器或者是帶有限并聯(lián)電感電容的E類放大器，該E類放大器電路中的晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，并且晶體管的開關(guān)滿足以下邊界條件零電壓開啟(ZVS)和零電壓斜率開啟(ZDVS)。所述匹配網(wǎng)絡(luò)303是將諧振整流電路304的基波阻抗匹配到E類逆變電路302的
最佳基波負(fù)載。所述諧振整流電路304為E類諧振整流電路，它是E類放大器的逆結(jié)構(gòu)的簡化，其并聯(lián)的電容吸收了整流ニ極管的寄生電容，并使ニ極管的開關(guān)都保持較低的電壓斜率。本發(fā)明提供了一種基于E類直流-直流變換器300的高速包絡(luò)跟蹤電源的設(shè)計(jì)方法，利用E類直流-直流變換器300的高效率、高開關(guān)頻率等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了具有大擺率、寬帶和高效的包絡(luò)跟蹤電源。本發(fā)明的開關(guān)頻率可以做到百兆赫茲以上，可以達(dá)到常見變包絡(luò)調(diào)制信號(如WCDMA)包絡(luò)帶寬要求(約20MHz)的5倍以上，具有很高的動態(tài)響應(yīng)速度，所以具有很大的擺率和較寬的帶寬。同時(shí)E類逆變電路和E類諧振整流電路，都利用了開關(guān)管(晶體管及ニ極管)的寄生電容等寄生參數(shù)，具有很高的轉(zhuǎn)換效率。通過對所用晶體管和ニ極管等主要元件的優(yōu)化選擇，整個(gè)包絡(luò)跟蹤電源可以做到高效率、寬帶等效果，實(shí)現(xiàn)對包絡(luò)イ目號的聞精度跟蹤。


圖I為三種控制方式的包絡(luò)跟蹤電源的整體結(jié)構(gòu)框圖。圖2(a)連續(xù)掃頻電路實(shí)施電路基本單元示意圖。圖2(b)脈寬調(diào)制(PWM)或Σ Λ調(diào)制頻率控制電路實(shí)施基本單元示意圖。圖3為離散掃頻電路頻率切換控制部分與驅(qū)動電路結(jié)合的一種實(shí)施方式電路示意圖。圖4為本實(shí)施方式E類逆變電路部分的電路示意圖。圖5為用于說明通過改變頻率來調(diào)整輸出功率的設(shè)計(jì)頻率為150MHz的理想經(jīng)典E類逆變電路輸出功率和效率隨著輸入信號變化示意圖。
圖6(a)為本實(shí)施方式E類諧振整流電路示意圖。圖6 (b)為用于說明實(shí)現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)的E類諧振整流電路的基波等效輸入阻杭。圖7為N=3時(shí)離散掃頻方式下對正弦包絡(luò)跟蹤效果波形示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)ー步的詳述。圖I為本具體實(shí)施方式
的整個(gè)包絡(luò)跟蹤電源的結(jié)構(gòu)框圖。本發(fā)明是一種基于E類直流-直流變換器的包絡(luò)跟蹤電源，包括
-包絡(luò)檢測電路100，檢測輸入的射頻信號，獲得該信號的包絡(luò)線信號。本具體實(shí)施方式
中，包絡(luò)檢測電路100可選用常用的包絡(luò)檢波器。
-包絡(luò)頻率轉(zhuǎn)換電路200，將包絡(luò)線的幅值信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信號，作為E類逆變電路302中開關(guān)管的控制信號。-驅(qū)動電路301，將頻率信號放大，提高其驅(qū)動能力，以控制E類逆變電路302中開關(guān)管的導(dǎo)通與閉合，使其工作在E類開關(guān)狀態(tài)。本具體實(shí)施方式
中，驅(qū)動電路301可用運(yùn)放或こ類放大器等實(shí)現(xiàn)。-E類逆變電路302，其結(jié)構(gòu)如E類放大器，將直流電源信號轉(zhuǎn)換成控制信號頻率所對應(yīng)的交流電源信號。-匹配網(wǎng)絡(luò)303，將E類逆變電路302的輸出基波阻抗和諧振整流電路304的輸入基波阻抗匹配，以達(dá)到最大功率傳輸。-諧振整流電路304，將交流電源信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)幅度的直流電源信號，即本電源的輸出信號。其中，上述驅(qū)動電路301、E類逆變電路302、匹配網(wǎng)絡(luò)303和諧振整流電路304組成的E類直流-直流變換器300為整個(gè)包絡(luò)跟蹤電源的核心部分，實(shí)現(xiàn)由固定的直流電壓到所需的直流電壓(或近似直流電壓)的轉(zhuǎn)換。整個(gè)包絡(luò)跟蹤電源的輸入信號是原始射頻信號輸入，它經(jīng)過包絡(luò)檢測電路100檢波后得到射頻信號的包絡(luò)信號，然后經(jīng)過包絡(luò)頻率轉(zhuǎn)換電路200輸出對應(yīng)的頻率信號，用來控制E類直流-直流變換器300的功率轉(zhuǎn)換，最終得到與原始包絡(luò)信號成比例的所需功率信號。這種功率包絡(luò)信號就是用來向射頻功率放大器供電的調(diào)制電壓。包絡(luò)頻率轉(zhuǎn)換電路200有三種子電路實(shí)現(xiàn)方式ー種是連續(xù)掃頻電路201，另ー種是離散掃頻電路202，還有ー種是脈寬調(diào)制(PWM)或Σ Δ調(diào)制頻率控制電路203。可根據(jù)實(shí)際需要和電路性能，選擇其中ー種對包絡(luò)線信號進(jìn)行幅度頻率轉(zhuǎn)換(幅頻轉(zhuǎn)換)。包絡(luò)線信號的幅度、經(jīng)包絡(luò)轉(zhuǎn)換電路200得到的信號頻率和E類直流-直流變換器300的輸出電壓幅度是一一對應(yīng)的，上述三者對應(yīng)關(guān)系的獲取是由最終測試得到E類直流-直流變換器300輸入信號頻率和輸出功率或電壓幅度的關(guān)系，然后求逆得到包絡(luò)線信號幅度與需要轉(zhuǎn)換得到的信號頻率的關(guān)系，最終得到上述三者的對應(yīng)關(guān)系。最終輸出的電壓幅度是包絡(luò)檢測電路100檢測得到的包絡(luò)線信號幅度的同比例放大。前述包絡(luò)頻率轉(zhuǎn)換電路200的三種實(shí)施方式的設(shè)計(jì)都必須使其輸入(包絡(luò)線信號)和輸出(調(diào)頻信號)滿足以上對應(yīng)關(guān)系，才能實(shí)現(xiàn)對包絡(luò)信號的準(zhǔn)確跟蹤。下面分述包絡(luò)頻率轉(zhuǎn)換電路200的三種實(shí)施方式連續(xù)掃頻電路201的基本實(shí)施單元如圖2(a)所示,它包括幅度調(diào)整電路、鎖相環(huán)或壓控振蕩器兩部分。幅度調(diào)整電路主要是對輸入的包絡(luò)線信號做放大或衰減以滿足壓控振蕩器的輸入要求。通過求得包絡(luò)跟蹤電源最終輸出電壓與E類直流-直流變換器300輸入信號頻率的關(guān)系的逆以及壓控振蕩器控制電壓和輸出信號頻率的關(guān)系，設(shè)計(jì)幅度調(diào)整電路的増益或衰減，控制壓控振蕩器的輸出頻率，使得最終的E類直流-直流變換器300與包絡(luò)檢測電路100的輸出成比例放大關(guān)系。離散掃頻電路202包括比較量化控制器、頻率切換電路和頻率合成電路，該頻率合成電路可以是鎖相環(huán)或壓控振蕩器。它通過將包絡(luò)信號與N-I個(gè)參考信號比較量化得到N個(gè)不同的幅度信號，再進(jìn)行幅度到頻率的轉(zhuǎn)換，輸出N種不同頻率的正弦信號。量化得到的N個(gè)幅度，其轉(zhuǎn)化得到N種信號頻率，包絡(luò)跟蹤電源最終輸出N級直流電壓幅度滿足前述一一對應(yīng)的關(guān)系。其中頻率合成電路可選用鎖相環(huán)或壓控振蕩器等相關(guān)電路，或者外接參考頻率。脈寬調(diào)制(PWM)或Σ Δ調(diào)制頻率控制電路203的基本實(shí)施單元如圖2 (b)所示，包括脈寬調(diào)制(PWM)或Σ Δ調(diào)制電路和壓控振蕩器、相應(yīng)的頻率合成電路或壓控振蕩器和衰 減電路。它是離散掃頻方式的ー種特殊方式，即連個(gè)頻點(diǎn)的掃描。此電路將包絡(luò)跟蹤電源的輸出電壓反饋衰減后與包絡(luò)檢測電路100的輸出電壓作比較，以脈寬調(diào)制(PWM)或Σ Λ調(diào)制的方式控制頻率合成器或壓控振蕩器的兩個(gè)頻點(diǎn)的頻率輸出，這兩個(gè)頻點(diǎn)對應(yīng)E類直流-直流變換器300的輸出的最大值和最小值，其中Σ Δ調(diào)制的方式具有抑制雜散和噪聲等優(yōu)點(diǎn)?？紤]到實(shí)現(xiàn)的難易程度和包絡(luò)跟蹤電源的準(zhǔn)確性，包絡(luò)轉(zhuǎn)換電路200的實(shí)施推薦離散方式，下面做詳細(xì)闡述，為了簡化選取Ν=3。圖3給出本實(shí)施方式利用高速運(yùn)放將頻率切換控制與驅(qū)動電路301結(jié)合在一起的ー個(gè)實(shí)例。關(guān)鍵是所選的高速運(yùn)放要具有使能端，用于控制運(yùn)放的運(yùn)行與否。如圖3所示整個(gè)電路可以分為兩級，第一級主要是用于頻率的選擇和信號的放大，第二級為驅(qū)動電路301，主要是實(shí)現(xiàn)各頻率信號的合成和提高驅(qū)動能力。第一級各運(yùn)放為同相放大電路，同相端輸入所需的頻率參考信號FREQl、FREQ2和FREQ3，結(jié)合運(yùn)放的增益帶寬積選取合適的增益來確定反相端相接的各電阻大小。第一級各同相放大電路參數(shù)相同，輸出并聯(lián)接于第二級輸入端。其中各運(yùn)放是使能端接于選擇控制器器的輸出端，用來控制運(yùn)放的工作與否，從而選擇出最終的輸出信號頻率。第二級可接成同相放大電路或反相放大電路，通過調(diào)整其増益進(jìn)ー步得到滿足要求的増益和輸出驅(qū)動能力。圖4為整個(gè)包絡(luò)跟蹤電源的核心部分，即E類直流-直流變換器300的E類逆變電路302部分。它是ー個(gè)E類功率放大器，在具體實(shí)施中既可以選用經(jīng)典的E類放大器電路，也可以選取帶有有限并聯(lián)電感電容做負(fù)載的E類放大器電路。由于射頻扼流電感的非理想性，后者采用有限電感，并將電感作為整個(gè)電路的設(shè)計(jì)參數(shù)之一，所以具有更好的性能表現(xiàn)，本實(shí)施電路以后者為例即圖4。整個(gè)E類逆變電路302由下述部分構(gòu)成作為開關(guān)管的晶體管，漏極端子經(jīng)ー電感串接至偏置電壓VDD，柵極端子連接至驅(qū)動電路301輸出(圖4中用Vg等效代替)和柵極偏置電壓VGS。晶體管源漏端并聯(lián)電容C，諧振在基波頻率的串聯(lián)LO-CO諧振電路一端接漏極端子，另一端接負(fù)載，即匹配網(wǎng)絡(luò)303 (圖4中等效為電阻R)。E類放大器電路中的晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，并且晶體管的開關(guān)滿足以下邊界條件零電壓開啟(ZVS)和零電壓斜率開啟(ZDVS)。當(dāng)晶體管關(guān)斷時(shí)，其漏極電壓取決于負(fù)載網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，流過其的漏源電流由負(fù)載網(wǎng)絡(luò)決定。所以通過設(shè)計(jì)它的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，使漏極電壓和漏源電流避免交疊，可有效減小開關(guān)損耗。為了滿足E類的最佳開關(guān)條件，負(fù)載網(wǎng)絡(luò)要設(shè)計(jì)使晶體管漏極電壓在開啟時(shí)(t=0)時(shí)滿足以下ZVS和ZDVS條件
權(quán)利要求
1.一種基于E類直流-直流變換器的包絡(luò)跟蹤電源，其特征在于，包括 -包絡(luò)檢測電路(100)，檢測輸入的射頻信號，獲得該信號的包絡(luò)線信號； -包絡(luò)頻率轉(zhuǎn)換電路(200)，將包絡(luò)線的幅值信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信號，作為E類逆變電路(302)中開關(guān)管的控制信號； -驅(qū)動電路(301 )，將頻率信號放大，提高其驅(qū)動能力，以控制E類逆變電路(302)中開關(guān)管的導(dǎo)通與閉合，使其工作在E類開關(guān)狀態(tài)； -E類逆變電路(302)，將直流電源信號轉(zhuǎn)換成控制信號頻率所對應(yīng)的交流電源信號； -匹配網(wǎng)絡(luò)(303)，將E類逆變電路(302)的輸出基波阻抗和諧振整流電路(304)的輸入基波阻抗匹配，以達(dá)到最大功率傳輸； -諧振整流電路(304)，將交流電源信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)幅度的直流電源信號，即本電源的輸出信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于E類直流-直流變換器的包絡(luò)跟蹤電源，其特征在于所述包絡(luò)頻率轉(zhuǎn)換電路(200)有三種子電路實(shí)現(xiàn)方式，包括連續(xù)掃頻電路(201 )、離散掃頻電路(202)、脈寬調(diào)制(PWM)或Σ Δ調(diào)制頻率控制電路(203);三種電路可根據(jù)實(shí)際需要和電路特征、選擇其中一種對包絡(luò)線信號進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于E類直流-直流變換器的包絡(luò)跟蹤電源，其特征在于所述連續(xù)掃頻電路(201)由幅度調(diào)整電路、鎖相環(huán)或壓控振蕩器組成；所述離散掃頻電路(202)由比較量化控制電路、頻率合成電路組成，該頻率合成電路是鎖相環(huán)或壓控振蕩器；所述脈寬調(diào)制(PWM)或Σ Δ調(diào)制電路(203)由脈寬調(diào)制器或Σ Δ調(diào)制器、相應(yīng)的頻率合成電路或壓控振蕩器和衰減電路組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于E類直流-直流變換器的包絡(luò)跟蹤電源，其特征在于所述E類逆變電路(302)，其結(jié)構(gòu)為E類放大器，是經(jīng)典的E類放大器或者是帶有限并聯(lián)電感電容的E類放大器，該E類放大器電路中的晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，并且晶體管的開關(guān)滿足以下邊界條件零電壓開啟(ZVS)和零電壓斜率開啟(ZDVS)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于E類直流-直流變換器的包絡(luò)跟蹤電源，其特征在于所述匹配網(wǎng)絡(luò)(303)是將諧振整流電路(304)的基波阻抗匹配到E類逆變電路(302)的最佳基波負(fù)載。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于E類直流-直流變換器的包絡(luò)跟蹤電源，其特征在于所述諧振整流電路(304)為E類諧振整流電路，它是E類放大器的逆結(jié)構(gòu)的簡化，其并聯(lián)的電容吸收了整流二極管的寄生電容，并使二極管的開關(guān)都保持較低的電壓斜率。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于E類直流-直流變換器的包絡(luò)跟蹤電源，它包括包絡(luò)檢測電路、頻率轉(zhuǎn)換控制電路以及E類直流-直流變換器，該E類直流-直流變換器由驅(qū)動電路、E類逆變電路、匹配網(wǎng)絡(luò)和諧振整流電路構(gòu)成。本包絡(luò)跟蹤電源通過包絡(luò)檢測得到信號包絡(luò)，然后進(jìn)行包絡(luò)到頻率的轉(zhuǎn)換，利用連續(xù)頻率掃描或離散頻率掃描控制E類直流-直流變換器的輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓對原信號包絡(luò)的跟蹤。由于E類直流-直流變換器在其中心頻率附近具有高效率，工作于很高頻段，具有很大的擺率，所以本發(fā)明具有高效率、高跟蹤精度等特點(diǎn)。
文檔編號H02M3/338GK102868305SQ20121033754
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月13日
發(fā)明者游飛, 呂亞博, 代志江, 童仁彬, 丁炫, 謝樹義, 何松柏 申請人:電子科技大學(xué)