一种高宽带包络线跟踪电源及其控制方法与流程

本发明涉及一种高带宽包络线跟踪电源及其控制方法，应用于无线通信基站或手机供电系统，属于通信及功率变换的范畴。

背景技术：

功率放大器(Power Amplifier, PA)在移动通信手机基站中承担着重要的作用，同时其功率消耗也达到基站功率的50%。传统的移动通信采用诸如频移键控和相移键控等数字调制方式，其PA的射频(Radio Frequency, RF)输入信号的包络线幅值是恒定的，采用恒定电压供电的非线性PA可以对信号实现高效的放大。然而，随着移动通信用户数量的迅猛增长以及人们对数据传输率要求的进一步提高，第三代(3rd Generation, 3G)及第四代(4th Generation, 4G)为代表的现代移动通信技术是发展的必然趋势。与传统方式不同，现代通信采用诸如正交相移键控和正交幅值调制等调制方式，数据脉冲的包络线不再恒定不变。若仍采用恒定电压为PA供电，则会产生较大的功率损耗，PA的效率仅为15%左右。因此，供电电压最好跟随RF输入信号包络线的变化而变化，即采用包络线跟踪技术(Envelope Tracking, ET)。据相关研究报道，对一个欧洲典型通信网络而言，3G通信时采用ET技术，将比传统供电方式每年节省28兆瓦的功率消耗和3000万美元的电费开支，并可减少11万吨的CO₂排放。

现阶段，国际电信联盟确定的3G及4G主流无线接口标准中，RF输入信号都具有多载波和非恒定包络的共同特点。因此，包络线跟踪电源具有广阔的应用前景和巨大的社会、经济价值，同时对保护环境和减弱温室效应也具有重要的现实意义。

由于ET电源所需跟踪的是RF信号的包络线，因此其必须满足高带宽(最高达几十MHz)的要求。而开关变换器直接跟踪变化幅值的参考信号时，开关频率往往需要达到参考信号频率的10倍以上，即开关频率和跟踪信号频率的比值达到10:1量级，这使得开关频率过高，实际电路中难以实现，严重限制了包络线跟踪电源跟踪带宽的提高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提出一种高带宽包络线跟踪电源及其控制方法，将开关频率与跟踪信号频率的比值降低为(1/n):1，极大提升高带宽包络线跟踪的可行性。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种高宽带包络线跟踪电源，包括阶梯波电压发生电路、控制电路和A类线性放大器，所述阶梯波电压发生电路由n个串联单元串联而成，每个串联单元包括m个电压发生电路单元，每个电压发生电路单元均包括一电压源、开关管和续流二极管，所述电压源的正极与开关管连接，所述开关管与续流二极管的负极连接，所述电压源的负极与续流二极管的正极连接；在每个串联单元中，第m个电压发生电路单元中的电压源负极与第m-1个电压发生电路单元中的开关管连接，第m个电压发生电路单元中的续流二极管的正极与第m-1个电压发生电路单元中的续流二极管的负极连接；第n个串联单元中的第一个电压发生电路单元的电压源的负极与第n-1个串联单元中的第m个电压发生电路单元的开关管连接，所述A类线性放大器包括功率管Q1、电压调节器、延时电路单元和分压电路单元，第n个串联单元中的第m个电压发生电路单元的开关管与A类线性放大器的功率管Q1连接，所述功率管Q1与分压电路单元的输入端连接，所述分压电路单元的输出端与电压调节器连接，所述延时电路单元的输入端用于输入参考电压，其输出与电压调节器连接，所述电压调节器与功率管Q1的控制端连接，所述控制电路与n个串联单元中的m个电压发生电路单元中的开关管的控制端连接，其中n>=2且为整数，m>=2且为整数。

一种高宽带包络线跟踪电源的控制方法，包括如下步骤：1）通过参考电压与m个单调递增的门限电平比较，触发m个拟合脉冲信号，m个拟合脉冲信号随着时间周期性变化，m个拟合脉冲信号在一个变化周期内分别包含一个上升沿和一个下降沿；

2）在m个拟合脉冲信号中，按照时序先后取n组一个变化周期内的m个拟合脉冲，将任意一组中m个拟合脉冲的上升沿独立分配给一组控制信号,即作为该组控制信号的上升沿，直到将n组中m个拟合脉冲的上升沿分别独立分配到n组控制信号中；将任意一组中的m个拟合脉冲的下降沿独立分配给一组控制信号，即作为该组控制信号的下降沿，直到将n组中m个拟合脉冲的下降沿分别独立分配到n组控制信号中；从而得到n组上升沿和下降沿在不同时序上的控制信号，每组控制信号包括m个脉冲信号，所述n组控制信号中的m个脉冲信号分别用于输入到n个串联单元中的m个电压发生电路单元的开关管中。

进一步地，步骤2）中，为了保证每组控制信号中的m个脉冲信号在同一变化周期内的脉宽接近，在m个脉冲信号的上升沿已被独立分配的情况下，按照上升沿先触发，下降沿亦先触发的方法，将任意一组中m个拟合脉冲的下降沿独立分配给一组控制信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：将开关频率与跟踪信号频率的比值降低为(1/n):1，极大提升高带宽包络线跟踪的可行性，在高带宽包络线跟踪条件下，相对于传统方法可以有效扩展开关管的开通和关断时间，以确保其充分开通和充分关断，从而提升开关管高频工作时的开关性能和工作可靠性，真正实现高带宽包络线跟踪。

附图说明

图1 所示为本发明的高宽带包络线跟踪电源的结构示意图。

图2所示为本发明的控制方法的脉冲边沿独立分配的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明，以使更能理解本发明的创造点所在。

如图1所示，一种高宽带包络线跟踪电源，包括阶梯波电压发生电路、控制电路和A类线性放大器，所述阶梯波电压发生电路由n个串联单元串联（图1中所示的串联单元1—串联单元n）而成，每个串联单元包括m个电压发生电路单元，每个电压发生电路单元均包括一电压源、开关管和续流二极管，所述电压源的正极与开关管连接，所述开关管与续流二极管的负极连接，所述电压源的负极与续流二极管的正极连接；在每个串联单元中，第m个电压发生电路单元中的电压源负极与第m-1个电压发生电路单元中的开关管连接，第m个电压发生电路单元中的续流二极管的正极与第m-1个电压发生电路单元中的续流二极管的负极连接；第n个串联单元中的第一个电压发生电路单元的电压源的负极与第n-1个串联单元中的第m个电压发生电路单元的开关管连接，所述A类线性放大器包括功率管Q1、电压调节器、延时电路单元和分压电路单元，第n个串联单元中的第m个电压发生电路单元的开关管与A类线性放大器的功率管Q1连接，所述功率管Q1与分压电路单元的输入端连接且连接负载R_L，所述分压电路单元的输出端与电压调节器连接，所述延时电路单元的输入端用于输入参考电压，其输出与电压调节器连接，所述电压调节器与功率管Q1的控制端连接，所述控制电路与n个串联单元中的m个电压发生电路单元中的开关管的控制端连接，其中n>=2且为整数，m>=2且为整数。如图1所示，V₁₁-V_nm代表电压源，S₁₁-S_nm代表开关管，D₁₁-D_nm代表续流二极管，τ 代表延时电路单元；所述电压调节器、延时电路单元为现有技术，在此不说明，所述功率管Q1采用mos管或者三极管，所述分压电路单元由电阻Ru和电阻Rd串联而成，所述电阻Ru一端与功率管Q1连接，另一端与电阻Rd的一端、电压调节器连接，所述电阻Rd的另一端接地，第一个串联单元中的第一个电压发生电路单元的电压源的负极用于连接负载R_L。

一种高宽带包络线跟踪电源的控制方法，包括如下步骤：包括如下步骤：1）通过参考电压与m个单调递增的门限电平比较，触发m个拟合脉冲信号，m个拟合脉冲信号随着时间周期性变化，m个拟合脉冲信号在一个变化周期内分别包含一个上升沿和一个下降沿；2）在m个拟合脉冲信号中，按照时序先后取n组一个变化周期内的m个拟合脉冲，将任意一组中m个拟合脉冲的上升沿独立分配给一组控制信号,即作为该组控制信号的上升沿，直到将n组中m个拟合脉冲的上升沿分别独立分配到n组控制信号中；将任意一组中的m个拟合脉冲的下降沿独立分配给一组控制信号，即作为该组控制信号的下降沿，直到将n组中m个拟合脉冲的下降沿分别独立分配到n组控制信号中；从而得到n组上升沿和下降沿在不同时序上的控制信号，每组控制信号包括m个脉冲信号，所述n组控制信号中的m个脉冲信号分别用于输入到n个串联单元中的m个电压发生电路单元的开关管中。

步骤2）中，为了保证每组控制信号中的m个脉冲信号在同一变化周期内的脉宽接近，在m个脉冲信号的上升沿已被独立分配的情况下，按照上升沿先触发，下降沿亦先触发的方法，将任意一组中m个拟合脉冲的下降沿独立分配给一组控制信号。

为了更好的理解上述方法，特此举例说明，如图1和图2所示，在m个拟合脉冲信号S_cmp1~S_cmpm中，按照时序先后取n组一个变化周期内的m个拟合脉冲，每组m个拟合脉冲分别定义为P1组、……、Px组、……、Pn组(其中x=2，3，……，n-1)，定义每组m个拟合脉冲的上升沿分别为P11r、P12r、……、P1mr；……；Px1r、Px2r、……、Pxmr；……；Pn1r、Pn2r、……、Pnmr；定义每组m个拟合脉冲的下降沿分别为P11f、P12f、……、P1mf；……；Px1f、Px2f、……、Pxmf；……；Pn1f、Pn2f、……、Pnmf。

通过将P1组~Pn组的m个拟合脉冲的上升沿和下降沿进行独立分配，可以获得用于控制串联单元中开关管的n组控制信号，将串联单元1中各开关管的n组控制信号定义为Dr1组(包括开关管S11的驱动信号Dr11、开关管S12的驱动信号Dr12、……、开关管S1m的驱动信号Dr1m)；……；将串联单元x中各开关管的控制信号定义为Drx组(包括开关管Sx1的驱动信号Drx1、开关管Sx2的驱动信号Drx2、……、开关管Sxm的驱动信号Drxm)；同理将串联单元n中各开关管的控制信号定义为Drn组(包括开关管Sn1的驱动信号Drn1、开关管Sn2的驱动信号Drn2、……、开关管Snm的驱动信号Drnm)。

由于各串联单元在构建阶梯波电压时地位均等，因此Dr1组中驱动信号的上升沿可选择P1组~Pn组中的任何一组上升沿，此处选择P1组的上升沿，即P11r、P12r、……、P1mr；在选择Dr1组中驱动信号的下降沿时，为扩展开关管的开通和关断时间，分别选择Pimf、Pi(m-1)f、……、Pi1f(其中i=1，2，……，n)与前述上升沿一一对应，构成Dr1组的驱动信号，即保证开通时刻较迟的脉冲，其关断时刻也较迟。

对于Drx组：选择Px组的上升沿作为Drx组中驱动信号的上升沿，选择Pjmf、Pj(m-1)f、……、Pj1f(其中j=1，2，……，n且j≠i)作为Drx组中驱动信号的下降沿。此时进一步依据j的取值范围，下降沿的波形可以有两种模式，分别定义为模式和模式，模式中x≤j≤n，模式中1≤j<x。

同理可推出其他各组的驱动信号，其中对于Drn组：选择Pn组的上升沿作为Drn组中驱动信号的上升沿，此时Drn组中驱动信号下降沿的波形也可以有两种模式，同样分别定义为模式和模式。其中模式的下降沿确定，为Pnmf、Pn(m-1)f、……、Pn1f；模式的下降沿为Pkmf、Pk(m-1)f、……、Pk1f(其中k=1，2，……，n-1且k≠i，k≠j)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。