寬頻帶輸出的包絡線跟蹤電源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種寬頻帶輸出的包絡線跟蹤電源，包括兩路Buck變換器、AB類線性放大器和控制電路，AB類線性放大器和兩路Buck變換器三者相互并聯(lián)；AB類線性放大器的輸出端與負載并聯(lián)，第一Buck變換器的輸出濾波電感直接與負載輸入端連接，第二Buck變換器的輸出濾波電感與AB類線性放大器的輸出的正端相連，兩路Buck變換器與AB類線性放大器的輸出的負端分別接地；控制電路由邏輯門電路、兩路電流控制器和第三遲滯比較器構成，其中兩路電流控制器均由采樣電路、放大電路和遲滯比較器構成；邏輯門電路由與門和非門構成。本發(fā)明采用兩路Buck變換器并聯(lián)向負載提供電流，減小線性放大器的輸出電流的擺幅，提高系統(tǒng)效率。
【專利說明】
寬頻帶輸出的包絡線跟蹤電源
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種寬頻帶輸出的包絡線跟蹤電源，應用于無線通信設備的射頻功率 放大器供電，屬于通信及功率變換的范疇。
【背景技術】
[0002] 隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，對數(shù)據(jù)通信傳輸速率的要求越來越高。為提高數(shù)據(jù)傳輸速 率，現(xiàn)代無線通信采用了更為高效的數(shù)字調(diào)制技術，如正交相移鍵控，正交振幅調(diào)制等，來 提高頻譜的利用效率。這些調(diào)制技術的應用使得射頻信號(Radio FreqUency，RF)的包絡由 原來的恒定形式變成幅值無規(guī)則變化的形式。在無線通信領域為了保證功率放大器信號放 大的線性度，常采用A/AB類放大電路。此類電路在放大非恒定包絡的信號時的平均效率較 低，這造成了大量的能源以熱的形式耗散掉。為提高功率放大器的效率，包絡線跟蹤 (Envelope Tracking，ET)技術應運而生。據(jù)相關研究報道，對一個包含20000個基站的歐洲 典型通信網(wǎng)絡而言，在3G通信時采用ET供電方式，將比傳統(tǒng)的供電方式每年節(jié)省28MW的功 率消耗和3000萬美元的電費開支，并可減少11萬噸的C02排放量。因此，包絡線跟蹤電源具 有廣闊的應用前景和巨大的社會、經(jīng)濟價值，同時對保護環(huán)境和減輕溫室效應也具有重要 的現(xiàn)實意義。
[0003] 在向第四代(4G)移動通信技術演進的過程中，信道帶寬從第一代移動通信技術的 kHz量級增長至MHz量級(4G TD-LTE技術標準下信道帶寬為20MHz)，而且隨著現(xiàn)代通信技術 的進步，新的信號調(diào)制方式的產(chǎn)生及多載波技術的應用，信道帶寬和信號峰均功率比呈不 斷增長趨勢。如何跟蹤大擺幅且高速變化的包絡信號，對ET電源的設計提出了極大的挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術存在的問題，提出一種寬頻帶輸出的包絡線跟蹤電 源。
[0005] 本發(fā)明的技術方案具體如下：
[0006] -種寬頻帶輸出的包絡線跟蹤電源，包括兩路Buck變換器、AB類線性放大器和控 制電路，AB類線性放大器和兩路Buck變換器三者相互并聯(lián);AB類線性放大器的輸出端與負 載并聯(lián)，第一 Buck變換器的輸出濾波電感直接與負載輸入端連接，第二Buck變換器的輸出 濾波電感與AB類線性放大器的輸出的正端相連，兩路Buck變換器與AB類線性放大器的輸出 的負端分別接地;控制電路由邏輯門電路、兩路電流控制器和第三遲滯比較器構成，其中兩 路電流控制器均由采樣電路、放大電路和遲滯比較器構成;邏輯門電路由與門和非門構成。
[0007] 本發(fā)明的進一步設計在于：
[0008] 采樣電路是將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，可以采用變壓器采樣或電阻采樣;放大 電路是將采樣電路得到的電壓信號的幅值進行放大。
[0009] 其中兩路Buck變換器中，對于第一Buck變換器從結構簡單、可靠性的角度，一個控 制管可以采用二極管，另一個控制管為開關管，從提高變換器效率的角度也可以將二極管 換成開關管，；第二Buck變換器中的二個控制管均采用開關管。
[0010] 第一 Buck變換器對應的第一電流控制器中遲滯比較器的滯環(huán)寬度小于第二Buck 變換器對應的第二電流控制器中遲滯比較器的滯環(huán)寬度。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其主要特點如下：
[0012] 1、本發(fā)明中，AB類線性放大器輸出與負載并聯(lián)，第一 Buck變換器的輸出濾波電感 直接與負載輸入端連接，第二Buck變換器的輸出濾波電感與AB類線性放大器的輸出的正端 相連，兩路Buck變換器與AB類線性放大器的輸出的負端分別接地。兩路Buck變換器并聯(lián)向 負載提供電流，減小線性放大器的輸出電流的擺幅，提高系統(tǒng)效率。
[0013] 2、寬頻帶輸出的包絡線跟蹤電源的控制電路通過采樣電流產(chǎn)生兩路Buck變換器 的驅(qū)動信號，使得第一Buck變換器和第二Buck變換器盡可能的提供負載電流，提高系統(tǒng)的 跟蹤帶寬和系統(tǒng)效率。
[0014] 3、第一 Buck變換器對應的第一電流控制器中的遲滯比較器的滯環(huán)寬度小于第二 Buck變換器對應的滯環(huán)寬度，兩者提供負載電流中不同的分量，提高系統(tǒng)的跟蹤帶寬;為避 免第一 Buck變換器和第二Buck變換器之間的環(huán)流，在第一電流控制器和第二電流控制器之 間加入第三遲滯比較器，并在電流控制器之后加入邏輯門電路，進一步提高系統(tǒng)效率。
【附圖說明】
[0015] 附圖1(a)是寬頻帶輸出的包絡線跟蹤電源的系統(tǒng)結構示意圖之一。
[0016] 附圖1(b)是寬頻帶輸出的包絡線跟蹤電源的系統(tǒng)結構示意圖之二。
[0017] 附圖2(a)是對應附圖1(a)的寬頻帶輸出的包絡線跟蹤電源的控制電路。
[0018] 附圖2(b)是對應附圖1(b)的寬頻帶輸出的包絡線跟蹤電源的控制電路。
[0019] 附圖3(a)是電流控制器中的遲滯比較器的傳輸特性。
[0020] 附圖3(b)是第一電流控制器和第二電流控制器中遲滯比較器的傳輸特性。
[0021] 附圖4是在寬頻帶輸出的包絡線跟蹤電源跟蹤低頻信號時第一電流控制器關鍵點 波形。
[0022] 附圖5是在寬頻帶輸出的包絡線跟蹤電源跟蹤高頻信號時第二電流控制器關鍵點 波形。
[0023]附圖6是第一 Buck變換器和第二Buck變換器同時工作時的關鍵點波形。
[0024]附圖7(a)是采樣電路的實現(xiàn)形式之一。
[0025]附圖7(b)是采樣電路的實現(xiàn)形式之二。
[0026]上述附圖中的主要符號名稱：其中Vin是AB類線性放大器和Buck變換器的輸入電 壓，Vref是包絡線跟蹤電源的參考信號，Di是第一 Buck變換器的二極管，(^(? = 1，2,3,4)為第 一 Buck變換器和第二Buck變換器的開關管，Lfl和Lf2是濾波電感，R。是負載電阻，i swl是第一 Buck變換器的輸出電流，isw2是第二Buck變換器的輸出電流，ii inl是負載電流與第一 Buck變 換器輸出電流的差值，iiin2是AB類線性放大器的輸出電流，i。是負載電流，V。是輸出電壓， Q drin(n=l，2,3,4)分別為開關管的驅(qū)動信號。&為遲滯比較器的輸出，Vl為遲滯比較器的輸 入信號。h#Ph 2分別是第一 Buck變換器和第二Buck變換器對應的第一電流控制器和第二電 流控制器中遲滯比較器的滯環(huán)寬度。Tr是采樣用的變壓器，R sam是采樣用的電阻。
【具體實施方式】
[0027] 實例一：
[0028] 附圖1給出了寬頻帶輸出的包絡線跟蹤電源的系統(tǒng)結構示意圖。本發(fā)明的寬頻帶 輸出的包絡線跟蹤電源包括兩路Buck變換器、AB類線性放大器及控制電路。兩路Buck電路 分為第一 Buck變換器和第二Buck變換器。圖1(a)和圖1(b)的區(qū)別是，對于第一 Buck變換器 從結構簡單、可靠性的角度，一個控制管可以采用二極管，從提高變換器效率的角度也可以 將二極管換成開關管，另一個控制管為開關管;而且由于圖1 (b)中第一 Buck變換器將二極 管換成開關管，因此相對圖1(a)來說，圖1(b)的控制電路需要增加對該開關管的控制信號。 AB類線性放大器輸出與負載并聯(lián)，第一 Buck變換器和第二Buck變換器的輸出濾波電感的一 端各自與AB類線性放大器輸出的正端相連，AB類線性放大器輸出的負端接地。控制電路通 過對負載電流與第一 Buck變換器的差值電流iiin#PAB類線性放大器的輸出電流iiin2采樣， 輸出第一 Buck變換器和第二Buck變換器中開關管的驅(qū)動信號。
[0029] 實例二：
[0030] 附圖3(a)給出了遲滯比較器的輸出特性，h為滯環(huán)比較器的滯環(huán)環(huán)寬，當滯環(huán)比較 器輸入信號Vl(i = l，2)在滯環(huán)環(huán)寬內(nèi)從小增大過程中，滯環(huán)輸出SdiilJ)保持為1，直至 Vl達到滯環(huán)上限h/2時，Si變?yōu)?;當滯環(huán)比較器輸入信號^( i = 1，2)在滯環(huán)環(huán)寬內(nèi)從大減小 過程中，滯環(huán)輸出SKizlJ)保持為0,直至Vl達到滯環(huán)下限一h/2時，Si變?yōu)?。特別的，附圖 3(b)給出了第一電流控制器和第二電流控制器中遲滯比較器的輸出特性，其中虛線表示第 一電流控制器的遲滯比較器的輸出特性，實線表示第二電流控制器的遲滯比較器的輸出特 性。可以看出第一電流控制器中的遲滯比較器的滯環(huán)寬度b小于第二電流控制器中的遲滯 比較器的滯環(huán)寬度h 2。
[0031] 實例三：
[0032] 附圖2(a)和附圖2(b)給出了寬頻帶輸出的包絡線跟蹤電源的控制電路，由邏輯門 電路、兩路電流控制器和第三遲滯比較器構成。圖2(a)給出了圖1(a)電路所對應的控制電 路圖，第一電流控制器包括采樣電路、放大電路和第一遲滯比較器;第二電流控制器包括采 樣電路、放大電路和第二遲滯比較器;兩組電流控制器經(jīng)第三遲滯比較器連接;其中第一電 流控制器采樣電流iu nl，經(jīng)過放大電路、第一遲滯比較器得到開關管&的驅(qū)動信號Qdru;第 二電流控制器采樣電流iun2，經(jīng)過放大電路、第二遲滯比較器得到控制信號&。為避免兩路 Buck變換器之間環(huán)流，第一電流控制器中放大電路的輸出^經(jīng)過第三遲滯比較器，得到控 制信號S 3,作為邏輯門電路的輸入。最終邏輯門電路的輸出Qdri2、Qdn3即為第二Buck變換器 的開關管驅(qū)動信號。于此類似，圖2(b)給出了圖1(b)電路所對應的控制電路圖，其中第一電 流控制器采樣電流ii inl，經(jīng)過放大電路、第一遲滯比較器得到開關管&的驅(qū)動信號Qdru， Qdru經(jīng)過非門得到開關管Q 2的驅(qū)動信號Qdri2;第二電流控制器采樣電流ilin2，經(jīng)過放大電 路、第二遲滯比較器得到控制信號S 2。為避免兩路Buck變換器之間環(huán)流，第一電流控制器中 放大電路的輸出^經(jīng)過第三遲滯比較器，得到控制信號S 3,作為邏輯門電路的輸入。最終邏 輯門電路的輸出Qdri3、Qdri4即為第二Buck變換器的開關管驅(qū)動信號。
[0033] 在設計Buck變換器電路參數(shù)時，希望第一 Buck變換器和第二Buck變換器盡可能的 提供負載電流，減小AB類線性放大器的電流。因此第一 Buck變換器和第二Buck變換器的電 流控制器中的遲滯比較器的滯環(huán)寬度的設計并不相同。第一電流控制器中遲滯比較器的滯 環(huán)環(huán)寬要小于第二電流控制器中遲滯比較器的滯環(huán)環(huán)寬，保證兩路Buck變換器能夠各自以 其最大輸出能力向負載提供電流。此處以一具體值為例介紹滯環(huán)寬度的設計，第一電流控 制器中遲滯比較器的控制環(huán)寬選擇30%的最大負載電流，而第二電流控制器中遲滯比較器 的控制環(huán)寬選擇40%的最大負載電流：
[0034] (!)
[0035] (2)
[0036] 其中Vc>_max是最大輸出電壓，Ic>_max是最大輸出電流。
[0037] 實例四：
[0038] 附圖4給出了在寬頻帶輸出的包絡線跟蹤電源跟蹤低頻信號時第一電流控制器關 鍵點波形。此時對于寬頻帶輸出的包絡線跟蹤電源來說，只有AB類線性放大器和第一 Buck 變換器工作，而第二Buck變換器不工作。在to時刻負載電流與第一 Buck變換器輸出電流的 差值電流iunl經(jīng)過采樣電路、放大電路得到的信號^等于第一電流控制器中第一遲滯比較 器的滯環(huán)上限lu/2,遲滯比較器的輸出Q dril變?yōu)?，第一 Buck變換器的開關管&開通，Qdril取 反得到第一 Buck變換器開關管Q2的驅(qū)動信號Qdri2變?yōu)?,第一 Buck變換器的輸出電流i-增 大，電流iiinl下降；在。時刻信號^等于第一遲滯比較器1的滯環(huán)下限一W2,遲滯比較器的 輸出Qdril變?yōu)?,第一Buck變換器的開關管Ql關斷，Qdril取反得到開關管Q2的驅(qū)動信號Qdri2變 為1，減小第一 Buck變換器的輸出電流iswl，電流ilinl增大，之后的控制過程是類似的。
[0039] 實例五：
[0040] 附圖5給出了在寬頻帶輸出的包絡線跟蹤電源跟蹤高頻信號時第二電流控制器關 鍵點波形。此時為提高寬頻帶輸出的包絡線跟蹤電源的跟蹤性能，除了 AB類線性放大器和 第一 Buck變換器工作外，第二Buck變換器也開始工作，這里只給出了第二電流控制器關鍵 點波形。在to時刻AB類線性放大器的輸出電流i lin2經(jīng)過采樣電路、放大電路得到的信號V2等 于第二電流控制器中的第二遲滯比較器的滯環(huán)上限h 2/2,第二遲滯比較器的輸出&變?yōu)?， 在七2時刻信號^等于第二電流控制器中的第二遲滯比較器的滯環(huán)下限一 h2/2，&變?yōu)?;在。 時刻信號^等于為避免兩路Buck變換器環(huán)流而引入的第三遲滯比較器的滯環(huán)上限
[0041] h2/2,第三遲滯比較器的輸出S3變?yōu)?，在t3時刻信號^等于第三遲滯比較器的滯 環(huán)下限一h2/2，遲滯比較器的輸出S3變?yōu)? ;則驅(qū)動信號Qdri3在t〇~tl時間為0、tl~t2時間內(nèi) 為1，驅(qū)動信號Qdri4在t〇~。時間為0、t3~t4時間為1;第二Buck變換器的輸出電流i sw2的變化 與驅(qū)動是對應的，之后的控制過程是類似的。
[0042] 實例六：
[0043]附圖6給出了第一Buck變換器和第二Buck變換器同時工作時的關鍵點波形。此時 對于寬頻帶輸出的包絡線跟蹤電源來說，AB類線性放大器、第一 Buck變換器和第二Buck變 換器都工作。輸出電壓能準確跟蹤V。是包絡線跟蹤電源的參考信號Vref，由于第一Buck變換 器的輸出電流i swi的斜率小于負載電流斜率，第一 Buck變換器的輸出電流iswl只提供了負載 電流中的直流分量；負載電流與第一Buck變換器輸出電流的差值電流ii inlM然很大，第二 Buck變換器的輸出電流isw2減小了線性放大器的輸出電流ii in2。
[0044] 實例七：
[0045] 附圖7(a)和附圖7(b)給出采樣電路的具體實現(xiàn)形式。圖7(a)給出了使用變壓器采 樣電流的原理圖；圖7(b)給出了使用電阻采樣電流的原理圖。
[0046] 本發(fā)明的具體實例如下，其主要性能參數(shù)為：
[0047] ?輸入直流電壓Vin :36V;
[0048] ?電壓參考信號vref: IV~2 · 6V正弦波；
[0049] ?輸出電壓v。:10V~26V正弦波；
[0050] #跟蹤頻率 fref: 100kHz ~1MHz;
[0051] #負載電阻 Κ:10Ω。
[0052] 由以上描述可知，本發(fā)明提出的寬頻帶輸出的包絡線跟蹤電源具有如下優(yōu)點：
[0053] 1、兩個Buck變換器的輸出濾波電感與ΑΒ類線性放大器的輸出的正端相連，兩路 Buck變換器并聯(lián)向負載提供電流，可以大幅度地減小線性放大器的輸出電流的擺幅，提高 系統(tǒng)效率；
[0054] 2、寬頻段輸出的包絡線跟蹤電源的控制電路，可以控制第一 Buck變換器和第二 Buck變換器提供負載電流的不同分量，提高系統(tǒng)的跟蹤帶寬，同時可以避免兩路Buck變換 器之間的環(huán)流，進一步地提尚系統(tǒng)的效率。
[0055] 3、寬頻帶輸出的包絡線跟蹤電源中，第一Buck變換器和第二Buck變換器向負載提 供的電流幅值不一樣，在設計電路參數(shù)、選擇開關管等方面，可以進行優(yōu)化設計，降低成本、 提尚系統(tǒng)效率。
【主權項】
1. 一種寬頻帶輸出的包絡線跟蹤電源，包括兩路Buck變換器、AB類線性放大器和控制 電路，其特征是:AB類線性放大器和兩路Buck變換器三者相互并聯(lián);AB類線性放大器的輸出 端與負載并聯(lián)，第一 Buck變換器的輸出濾波電感直接與負載輸入端連接，第二Buck變換器 的輸出濾波電感與AB類線性放大器的輸出的正端相連，兩路Buck變換器與AB類線性放大器 的輸出的負端分別接地;控制電路由邏輯門電路、兩路電流控制器和第三遲滯比較器構成， 其中兩路電流控制器均由采樣電路、放大電路和遲滯比較器構成;邏輯門電路由與門和非 門構成。2. 根據(jù)權利要求1所述的寬頻帶輸出的包絡線跟蹤電源，其特征是:其中兩路Buck變換 器中，第一Buck變換器的二個控制管中，一個控制管采用二極管或開關管，另一個控制管為 開關管;第二Buck變換器中的二個控制管均采用開關管。3. 根據(jù)權利要求1或2所述的寬頻帶輸出的包絡線跟蹤電源，其特征是:采樣電路采用 變壓器采樣或電阻采樣。4. 根據(jù)權利要求1或2所述的寬頻帶輸出的包絡線跟蹤電源，其特征是:第一Buck變換 器對應的第一電流控制器中遲滯比較器的滯環(huán)寬度小于第二Buck變換器對應的第二電流 控制器中遲滯比較器的滯環(huán)寬度。
【文檔編號】H02M3/158GK105896983SQ201610319898
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月13日
【發(fā)明人】金茜, 阮新波, 冷陽, 王亞洲
【申請人】南京航空航天大學