专利名称：基于e类直流-直流变换器的包络跟踪电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信中射频功率放大器设计中的包络跟踪技木，尤其涉及ー种基于E类直流-直流变换器的包络跟踪电源。
背景技术：
随着无线通信技术向4G的迈进，用户对高数据速率的需求，同时也为了提高频谱利用率，现代通信技术普遍采用变包络的复杂调制方式。这将导致信号具有很高的峰均功率比。对于高峰均比信号，为了满足线性要求，AB类或B类等功率放大器必须工作在功率回退区域，这将导致功率放大器平均效率严重下降，即功率放大器线性和效率的折中。为了提高功率放大器在功率回退区域的效率，许多文献中提出包络跟踪 (Envelope Tracking, ET)、包络消除与恢复(Envelope Elimination and Restoration,EER)> Doherty等技术。与Doherty相比，ET技术可以实现更大功率回退区域的高效率,较宽的带宽和更好的线性；与EER相比，ET技术对电路如包络放大器、时延对齐等要求更低，实现难度较小，失真更小，所以更具有宽带、高平均效率及高线性发射机的潜力。ET技术的基本结构由包络放大器(即包络跟踪电源)和线性功率放大器构成。调制后的射频信号经包络检波后分为两路，一路是原调制信号不变，输入功率放大器放大；另一路是包络信号，经包络跟踪电源放大后作为功率放大器的漏极偏置电压。两路信号通过功率放大器实现复
ム
ロ ο而作为ET技术中的关键部分之一，包络放大器对整体效率及线性度有着重大影响。由于包络信号与原正交信号的非线性关系，具有远大于原射频信号的带宽。用于ET的包络放大器必须满足以下要求高效率；较宽的带宽和大的摆率；较高的功率输出能力等。开关类直流-直流变换器(DC-DC Converter)如降压斩波(Buck)电路由于其很高的转换效率成为包络跟踪电源的首选方案。然而，普通的DC-DC变换器的带宽、输出摆率等都难以满足现实应用中的要求。常见的对其带宽改进的方法可分为两种一种是通过多个Buck电路实现多输入或多级直流-直流变换器，但是对带宽的改善有限；另一种是通过较宽带宽的线性放大器辅助，实现带宽与效率的折中。折中方法一定程度上改善了带宽，但使其效率却大打折扣。
发明内容
本发明要解决的技术问题，是提供一种包络跟踪电源，它具有较宽的带宽和较大的摆率，同时维持很高的效率，为包络跟踪技术提供ー种电源调制选择。本发明的技术方案为
一种基于E类直流-直流变换器的包络跟踪电源，包括
-包络检测电路100，检测输入的射频信号，获得该信号的包络线信号；
-包络频率转换电路200，将包络线的幅值信号转换成相应的频率信号，作为E类逆变电路302中开关管的控制信号；-驱动电路301，将频率信号放大，提高其驱动能力，以控制E类逆变电路302中开关管的导通与闭合，使其工作在E类开关状态；
-E类逆变电路302，将直流电源信号转换成控制信号频率所对应的交流电源信号；
-匹配网络303，将E类逆变电路302的输出基波阻抗和谐振整流电路304的输入基波阻抗匹配，以达到最大功率传输；
-谐振整流电路304，将交流电源信号转换成对应幅度的直流电源信号，即本电源的输出信号。所述包络频率转换电路200有三种子电路实现方式，包括连续扫频电路201、离散扫频电路202、脉宽调制(PWM)或Σ Δ调制频率控制电路203 ;三种电路可根据实际需要和电路特征、选择其中ー种对包络线信号进行频率转换。
所述连续扫频电路201由幅度调整电路、锁相环或压控振荡器组成；所述离散扫频电路202由比较量化控制电路、频率合成电路组成,该频率合成电路是锁相环或压控振荡器；所述脉宽调制(PWM)或Σ Δ调制电路203由脉宽调制器或Σ Δ调制器、相应的频率合成电路或压控振荡器和衰减电路组成。所述E类逆变电路302，其结构为E类放大器，可以是经典的E类放大器或者是带有限并联电感电容的E类放大器，该E类放大器电路中的晶体管工作在开关状态，并且晶体管的开关满足以下边界条件零电压开启(ZVS)和零电压斜率开启(ZDVS)。所述匹配网络303是将谐振整流电路304的基波阻抗匹配到E类逆变电路302的
最佳基波负载。所述谐振整流电路304为E类谐振整流电路，它是E类放大器的逆结构的简化，其并联的电容吸收了整流ニ极管的寄生电容，并使ニ极管的开关都保持较低的电压斜率。本发明提供了一种基于E类直流-直流变换器300的高速包络跟踪电源的设计方法，利用E类直流-直流变换器300的高效率、高开关频率等特点，实现了具有大摆率、宽带和高效的包络跟踪电源。本发明的开关频率可以做到百兆赫兹以上，可以达到常见变包络调制信号(如WCDMA)包络带宽要求(约20MHz)的5倍以上，具有很高的动态响应速度，所以具有很大的摆率和较宽的带宽。同时E类逆变电路和E类谐振整流电路，都利用了开关管(晶体管及ニ极管)的寄生电容等寄生參数，具有很高的转换效率。通过对所用晶体管和ニ极管等主要元件的优化选择，整个包络跟踪电源可以做到高效率、宽带等效果，实现对包络イ目号的闻精度跟踪。
图I为三种控制方式的包络跟踪电源的整体结构框图。图2(a)连续扫频电路实施电路基本单元示意图。图2(b)脉宽调制(PWM)或Σ Λ调制频率控制电路实施基本单元示意图。图3为离散扫频电路频率切换控制部分与驱动电路结合的一种实施方式电路示意图。图4为本实施方式E类逆变电路部分的电路示意图。图5为用于说明通过改变频率来调整输出功率的设计频率为150MHz的理想经典E类逆变电路输出功率和效率随着输入信号变化示意图。
图6(a)为本实施方式E类谐振整流电路示意图。图6 (b)为用于说明实现匹配网络的E类谐振整流电路的基波等效输入阻杭。图7为N=3时离散扫频方式下对正弦包络跟踪效果波形示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进ー步的详述。图I为本具体实施方式
的整个包络跟踪电源的结构框图。本发明是一种基于E类直流-直流变换器的包络跟踪电源，包括
-包络检测电路100，检测输入的射频信号，获得该信号的包络线信号。本具体实施方式
中，包络检测电路100可选用常用的包络检波器。
-包络频率转换电路200，将包络线的幅值信号转换成相应的频率信号，作为E类逆变电路302中开关管的控制信号。-驱动电路301，将频率信号放大，提高其驱动能力，以控制E类逆变电路302中开关管的导通与闭合，使其工作在E类开关状态。本具体实施方式
中，驱动电路301可用运放或こ类放大器等实现。-E类逆变电路302，其结构如E类放大器，将直流电源信号转换成控制信号频率所对应的交流电源信号。-匹配网络303，将E类逆变电路302的输出基波阻抗和谐振整流电路304的输入基波阻抗匹配，以达到最大功率传输。-谐振整流电路304，将交流电源信号转换成对应幅度的直流电源信号，即本电源的输出信号。其中，上述驱动电路301、E类逆变电路302、匹配网络303和谐振整流电路304组成的E类直流-直流变换器300为整个包络跟踪电源的核心部分，实现由固定的直流电压到所需的直流电压(或近似直流电压)的转换。整个包络跟踪电源的输入信号是原始射频信号输入，它经过包络检测电路100检波后得到射频信号的包络信号，然后经过包络频率转换电路200输出对应的频率信号，用来控制E类直流-直流变换器300的功率转换，最终得到与原始包络信号成比例的所需功率信号。这种功率包络信号就是用来向射频功率放大器供电的调制电压。包络频率转换电路200有三种子电路实现方式ー种是连续扫频电路201，另ー种是离散扫频电路202，还有ー种是脉宽调制(PWM)或Σ Δ调制频率控制电路203。可根据实际需要和电路性能，选择其中ー种对包络线信号进行幅度频率转换(幅频转换)。包络线信号的幅度、经包络转换电路200得到的信号频率和E类直流-直流变换器300的输出电压幅度是一一对应的，上述三者对应关系的获取是由最終测试得到E类直流-直流变换器300输入信号频率和输出功率或电压幅度的关系，然后求逆得到包络线信号幅度与需要转换得到的信号频率的关系，最終得到上述三者的对应关系。最终输出的电压幅度是包络检测电路100检测得到的包络线信号幅度的同比例放大。前述包络频率转换电路200的三种实施方式的设计都必须使其输入(包络线信号)和输出(调频信号)满足以上对应关系，才能实现对包络信号的准确跟踪。下面分述包络频率转换电路200的三种实施方式连续扫频电路201的基本实施单元如图2(a)所示,它包括幅度调整电路、锁相环或压控振荡器两部分。幅度调整电路主要是对输入的包络线信号做放大或衰减以满足压控振荡器的输入要求。通过求得包络跟踪电源最终输出电压与E类直流-直流变换器300输入信号频率的关系的逆以及压控振荡器控制电压和输出信号频率的关系，设计幅度调整电路的増益或衰减，控制压控振荡器的输出频率，使得最終的E类直流-直流变换器300与包络检测电路100的输出成比例放大关系。离散扫频电路202包括比较量化控制器、频率切换电路和频率合成电路，该频率合成电路可以是锁相环或压控振荡器。它通过将包络信号与N-I个參考信号比较量化得到N个不同的幅度信号，再进行幅度到频率的转换，输出N种不同频率的正弦信号。量化得到的N个幅度，其转化得到N种信号频率，包络跟踪电源最终输出N级直流电压幅度满足前述一一对应的关系。其中频率合成电路可选用锁相环或压控振荡器等相关电路，或者外接參考频率。脉宽调制(PWM)或Σ Δ调制频率控制电路203的基本实施单元如图2 (b)所示，包括脉宽调制(PWM)或Σ Δ调制电路和压控振荡器、相应的频率合成电路或压控振荡器和衰 减电路。它是离散扫频方式的ー种特殊方式，即连个频点的扫描。此电路将包络跟踪电源的输出电压反馈衰减后与包络检测电路100的输出电压作比较，以脉宽调制(PWM)或Σ Λ调制的方式控制频率合成器或压控振荡器的两个频点的频率输出，这两个频点对应E类直流-直流变换器300的输出的最大值和最小值，其中Σ Δ调制的方式具有抑制杂散和噪声等优点。考虑到实现的难易程度和包络跟踪电源的准确性，包络转换电路200的实施推荐离散方式，下面做详细阐述，为了简化选取Ν=3。图3给出本实施方式利用高速运放将频率切换控制与驱动电路301结合在一起的ー个实例。关键是所选的高速运放要具有使能端，用于控制运放的运行与否。如图3所示整个电路可以分为两级，第一级主要是用于频率的选择和信号的放大，第二级为驱动电路301，主要是实现各频率信号的合成和提高驱动能力。第一级各运放为同相放大电路，同相端输入所需的频率參考信号FREQl、FREQ2和FREQ3，结合运放的增益带宽积选取合适的增益来确定反相端相接的各电阻大小。第一级各同相放大电路參数相同，输出并联接于第二级输入端。其中各运放是使能端接于选择控制器器的输出端，用来控制运放的工作与否，从而选择出最終的输出信号频率。第二级可接成同相放大电路或反相放大电路，通过调整其増益进ー步得到满足要求的増益和输出驱动能力。图4为整个包络跟踪电源的核心部分，即E类直流-直流变换器300的E类逆变电路302部分。它是ー个E类功率放大器，在具体实施中既可以选用经典的E类放大器电路，也可以选取带有有限并联电感电容做负载的E类放大器电路。由于射频扼流电感的非理想性，后者采用有限电感，并将电感作为整个电路的设计參数之一，所以具有更好的性能表现，本实施电路以后者为例即图4。整个E类逆变电路302由下述部分构成作为开关管的晶体管，漏极端子经ー电感串接至偏置电压VDD，栅极端子连接至驱动电路301输出(图4中用Vg等效代替)和栅极偏置电压VGS。晶体管源漏端并联电容C，谐振在基波频率的串联LO-CO谐振电路一端接漏极端子，另一端接负载，即匹配网络303 (图4中等效为电阻R)。E类放大器电路中的晶体管工作在开关状态，并且晶体管的开关满足以下边界条件零电压开启(ZVS)和零电压斜率开启(ZDVS)。当晶体管关断时，其漏极电压取决于负载网络；当晶体管导通时，流过其的漏源电流由负载网络決定。所以通过设计它的负载网络，使漏极电压和漏源电流避免交叠，可有效减小开关损耗。为了满足E类的最佳开关条件，负载网络要设计使晶体管漏极电压在开启时(t=0)时满足以下ZVS和ZDVS条件
权利要求
1.一种基于E类直流-直流变换器的包络跟踪电源，其特征在于，包括 -包络检测电路(100)，检测输入的射频信号，获得该信号的包络线信号； -包络频率转换电路(200)，将包络线的幅值信号转换成相应的频率信号，作为E类逆变电路(302)中开关管的控制信号； -驱动电路(301 )，将频率信号放大，提高其驱动能力，以控制E类逆变电路(302)中开关管的导通与闭合，使其工作在E类开关状态； -E类逆变电路(302)，将直流电源信号转换成控制信号频率所对应的交流电源信号； -匹配网络(303)，将E类逆变电路(302)的输出基波阻抗和谐振整流电路(304)的输入基波阻抗匹配，以达到最大功率传输； -谐振整流电路(304)，将交流电源信号转换成对应幅度的直流电源信号，即本电源的输出信号。
2.根据权利要求I所述的基于E类直流-直流变换器的包络跟踪电源，其特征在于所述包络频率转换电路(200)有三种子电路实现方式，包括连续扫频电路(201 )、离散扫频电路(202)、脉宽调制(PWM)或Σ Δ调制频率控制电路(203);三种电路可根据实际需要和电路特征、选择其中一种对包络线信号进行频率转换。
3.根据权利要求2所述的基于E类直流-直流变换器的包络跟踪电源，其特征在于所述连续扫频电路(201)由幅度调整电路、锁相环或压控振荡器组成；所述离散扫频电路(202)由比较量化控制电路、频率合成电路组成，该频率合成电路是锁相环或压控振荡器；所述脉宽调制(PWM)或Σ Δ调制电路(203)由脉宽调制器或Σ Δ调制器、相应的频率合成电路或压控振荡器和衰减电路组成。
4.根据权利要求I所述的基于E类直流-直流变换器的包络跟踪电源，其特征在于所述E类逆变电路(302)，其结构为E类放大器，是经典的E类放大器或者是带有限并联电感电容的E类放大器，该E类放大器电路中的晶体管工作在开关状态，并且晶体管的开关满足以下边界条件零电压开启(ZVS)和零电压斜率开启(ZDVS)。
5.根据权利要求I所述的基于E类直流-直流变换器的包络跟踪电源，其特征在于所述匹配网络(303)是将谐振整流电路(304)的基波阻抗匹配到E类逆变电路(302)的最佳基波负载。
6.根据权利要求I所述的基于E类直流-直流变换器的包络跟踪电源，其特征在于所述谐振整流电路(304)为E类谐振整流电路，它是E类放大器的逆结构的简化，其并联的电容吸收了整流二极管的寄生电容，并使二极管的开关都保持较低的电压斜率。
全文摘要
本发明提供了一种基于E类直流-直流变换器的包络跟踪电源，它包括包络检测电路、频率转换控制电路以及E类直流-直流变换器，该E类直流-直流变换器由驱动电路、E类逆变电路、匹配网络和谐振整流电路构成。本包络跟踪电源通过包络检测得到信号包络，然后进行包络到频率的转换，利用连续频率扫描或离散频率扫描控制E类直流-直流变换器的输出功率，从而实现输出电压对原信号包络的跟踪。由于E类直流-直流变换器在其中心频率附近具有高效率，工作于很高频段，具有很大的摆率，所以本发明具有高效率、高跟踪精度等特点。
文档编号H02M3/338GK102868305SQ20121033754
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月13日 优先权日2012年9月13日
发明者游飞, 吕亚博, 代志江, 童仁彬, 丁炫, 谢树义, 何松柏 申请人:电子科技大学