一种包络线跟踪电源中开关变换器控制信号生成方法

1.本发明涉及电力电子技术领域，具体是涉及一种包络线跟踪电源中开关变换器控制信号生成方法。


背景技术：

2.包络线跟踪(envelope tracking,et)技术是目前采用较多的用于提高射频功放效率的最有效的方法之一。该技术在保证射频(radio frequency，rf)信号不失真传输的同时，大大降低了能量损耗，符合“碳中和”的理念，是目前研究较多的技术。
3.在包络线跟踪技术中，主流架构有线性放大器和多种带宽的开关变换器混合组成，其中低带宽开关变换器补充低频分量能源、高带宽开关变换器组合提供高频分量能源，线性放大器补充跟踪差异部分保证输出波形线性度。
4.现有专利申请cn113556025a公开了包络线跟踪电源中开关变换器基准信号生成方法和系统，其是将rf包络线信号经过滤波器处理后按照设定的不同时间区间内取恒定基准值，生成相应的开关变换器中基准信号，借由rf包络线信号和开关变化器的自身特性来确定所取得时间区间及其对应的恒定基准值，相较于其他现有技术来说具有一定的提高包络线跟踪电源的射频功放供电效率，降低所需硬件计算资源的功效；但是，在实际使用中发现该方法算法比较繁琐，需要引入滤波器、减法器，通过fpga进行数字滤波计算以及全部包络线信号的加权平均计算，其硬件工作计算量大，相对来说还是需要消耗比较大的硬件计算资源，成本还是比较高的。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明以et技术并联式架构为基础，提供一种新的包络线跟踪电源中开关变换器控制信号生成方法，仅利用峰值、谷值及其对应时间点等关键信息，采用新的基准值生成算法以及开关变换器的控制算法，更进一步降低了硬件工作的计算量，减少了硬件工作带来的损耗，进一步提升了跟踪精度以及效率。
6.本发明所述的一种包络线跟踪电源中开关变换器控制信号生成方法，采用的技术方案为：所述生成方法如下：
7.根据包络线谷值点分布及其对应的时间点的信息，通过基准值生成模块将产生的基准值送入pwm控制信号生成模块，得到低带宽控制信号，用以对低带宽开关变换器进行控制；
8.根据包络线相邻谷值点和峰值点及其时间点的信息，通过状态判断器将产生的状态信息送入高带宽控制信号生成模块，得到高带宽控制信号，用以对高带宽开关变换器进行控制；
9.当包络线信号处于上升状态时，根据含有包络线峰值、谷值及其对应的时间点的关键信息串，来判断谷值点与峰值点间连线的斜率k，通过斜率计算器将计算得到的斜率k送入滤波电感控制信号模块，得到滤波电感的选通信号后送给相应的滤波电感选通开关进
行控制。
10.进一步的，根据包络线谷值点分布及其对应的时间点的信息，求取所定义时间段内若干个谷值点平均值或平均值相关的倍数或一段时间内谷值点的峰值作为低带宽开关变换器控制基准值；所述的定义时间段的持续时长不小于低带宽开关变换器输出电压建立响应时间，其起始点与结束点由峰值点或谷值点构成；即起始点与结束点的组成有：两个峰值点或两个谷值点或一个峰值点及一个谷值点。
11.进一步的，根据谷值点生成基准值的方法，包括但不限于以下三种：
12.(1)以包络线的两个不同峰值点作为基准值的起始点和结束点，以两个峰值间的谷值加权平均值作为基准值的幅值大小，得到恒定基准值；
13.(2)以包络线的两个不同谷值点作为基准值的起始点和结束点，将两个谷值间的谷值加权平均值作为基准值的幅值大小，得到恒定基准值；
14.(3)以包络线的一个谷值点和一个峰值点作为基准值的起始点和结束点，将这两个谷值点和峰值点之间的谷值加权平均值作为基准值的幅值大小，得到恒定基准值。
15.进一步的，状态判断器判断目前包络线信号所处的状态是处于谷值到峰值的上升状态或是处于峰值到谷值的下降状态，根据相邻谷值点和峰值点分布特征提供高带宽开关变换器控制信号，在谷值或谷值附近时刻提供导通开关管的高电平信号，在到达峰值或峰值附近时刻提供关闭开关管的低电平信号。
16.进一步的，当包络线信号处于上升状态时，根据含有包络线峰值、谷值及其对应的时间点的关键信息串，来判断谷值点与峰值点间连线的斜率k，
[0017][0018]
式中，v
peak
为峰值的幅值大小，v
valley
为谷值的幅值大小，t
peak
为峰值的相对时间值，t
valley
为谷值的相对时间值。
[0019]
进一步的，根据斜率k的不同，高带宽开关变换器选择不同感值的滤波电感；当斜率k值大于某一预设阈值m时，选择感值较低的滤波电感以提供较快的电流变化率；当k值小于某一预设阈值m时，选择感值较大的滤波电感以提供较慢的电流变化率。
[0020]
进一步的，当包络线信号处于下降状态时，若峰值点与相邻谷值点间的时间长度大于某一预设阈值t时，将在经过一小段时间t1后，再次给高带宽开关变换器一个时长为t2的高电平信号，使高带宽开关变换器重新导通，提供电流，补充与包络线信号的差值，其中，t1+t2《t。
[0021]
本发明所述的有益效果为：相较于现有技术中采用fpga硬件进行了滤波计算以及全部包络线信号的求取平均值计算，所用的硬件逻辑资源较多，计算量较大的问题；本发明基于包络线峰值、谷值及其对应时间点的关键信息，提出了一种新的包络线跟踪电源中开关变换器控制信号生成方法，该方法工作原理简单，其基准值的生成无滤波计算，且仅对谷值进行了加权计算，计算次数少，硬件电路中加入了滤波电感的选择，计算量相较于现有技术方案显著减少；可以有效降低线性放大器的输出功率，大大降低了硬件的工作量，提升了射频功放包络线跟踪电源系统的效率。
附图说明
[0022]
图1是采用两种带宽的开关变换器与线性放大器组合并联式架构示意图；
[0023]
图2为开关变换器控制信号生成方法流程示意图；
[0024]
图3为包络线信号的上升状态和下降状态示意图；
[0025]
图4为依据谷值、峰值及其对应时间点信息，第一种生成低带宽开关变换器基准的示意图；
[0026]
图5为依据谷值、峰值及其对应时间点信息，第二种生成低带宽开关变换器基准的示意图；
[0027]
图6为依据含有包络线峰值、谷值及其对应时间点的关键信息串，一种生成的高带宽开关变换器控制信号示意图；
[0028]
图7为依据含有包络线峰值、谷值及其对应时间点的关键信息串，一种生成的滤波电感选择控制信号。
具体实施方式
[0029]
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
[0030]
实施例一
[0031]
图1为采用两种不同带宽的开关变换器与线性放大器组合实现的并联式架构实施例，图中
①
采用为buck变换器实现的低带宽开关变换器和高带宽开关变换器部分，q1至q5均为开关管，d为续流二极管，l1、l2和l3均为滤波电感，其中，高带宽开关变换器的两个滤波电感必有且只有一个可以选通，i1为低带宽变换器提供的电流，i2和i3为高带宽变换器提供的电流，i
sum
为两路变换器所提供的电流的和；图中
②
为线性放大器部分，将负载电压采样后送入电压调节器，与包络信号比较后将差值传入同相比例放大器，通过输出级功率管nfet与pfet进行线性电流i4的补充，i4与i
sum
相加得到负载电流io，经过负载电阻r
ld
后得到负载电压vo，即包络线跟踪电源系统的输出电压。
[0032]
基于et技术并联式架构，本发明实施例提出了一种包络线跟踪电源中开关变换器控制信号生成方法，该控制方法包括以下步骤：
[0033]
根据包络线谷值点分布及其对应的时间点的信息，求取所定义时间段内若干个谷值点平均值或平均值相关的倍数或一段时间内谷值点的峰值作为低带宽开关变换器控制基准值。该基准值可以用于产生pwm控制信号，提供射频功放包络线信号功率谱中的低频分量能量。
[0034]
根据包络线相邻谷值点和峰值点及其时间点的信息，在谷值点时刻提供高带宽开关变换器开通信号，在峰值点时刻提供高带宽开关变换器关闭信号。
[0035]
根据斜率k的不同，高带宽开关变换器选择不同感值的滤波电感。当斜率k值大于某一预设阈值m时，选择感值较低的滤波电感以提供较快的电流变化率；当k值小于某一预设阈值m时，选择感值较大的滤波电感以提供较慢的电流变化率。
[0036]
当包络线信号处于下降状态时，若峰值点与相邻谷值点间的时间长度大于某一预设阈值t时，将在经过一小段时间t1后，再次给高带宽开关变换器一个时长为t2的高电平信号，使高带宽开关变换器重新导通，提供电流，补充与包络线信号的差值。其中，t1、t2与t的
关系为t1+t2《t。
[0037]
下面结合具体实例对前述开关变换器控制方法进行详细阐述。
[0038]
图2为整个控制流程示意图。将含有包络线峰值、谷值及其对应时间点的信息串分别送入基准值生成模块和状态判断器，基准值生成模块将产生的基准值送入pwm控制信号生成模块，得到低带宽开关变换器的控制信号后送给低带宽开关变换器进行控制。状态判断器将产生的状态信息送入高带宽控制信号生成模块，得到高带宽开关变换器的控制信号后送给高带宽开关变换器进行控制。斜率计算器将计算的得到的斜率k送入滤波电感控制信号生成模块，得到滤波电感的选通信号后送给相应的滤波电感选通开关进行控制。
[0039]
图3是基于包络线峰值、谷值及其对应时间点信息得到的包络线信号状态示意图，当包络线从谷值向峰值转变时，包络线信号处于单调上升状态，当包络线从峰值向谷值转变时，包络线信号处于单调下降状态。
[0040]
实例1：图4为基于包络线峰值、谷值及其对应时间点信息分布特征，低带宽开关变换器的一种基准生成方式实施例示意图。该方式以峰值点作为基准值的起始点和结束点，设定最短步长和幅值阈值，且最短步长持续时长不小于低带宽开关变换器输出电压建立响应时间，将大于最短步长内小于幅值阈值的谷值进行加权平均计算，将得到的数值作为恒定基准值。该基准值将用于提供给低带宽开关变换器得到相应的控制信号。
[0041]
实例2：图5为基于包络线峰值、谷值及其对应时间点信息分布特征，低带宽开关变换器的第二种基准生成方式示意图。该方式以谷值点作为基准值的起始点和结束点，设定最短步长和幅值阈值，且最短步长持续时长不小于低带宽开关变换器输出电压建立响应时间，将大于最短步长内小于幅值阈值的谷值进行加权平均计算，将得到的数值作为恒定基准值。该基准值将用于提供给高带宽开关变换器得到相应的控制信号。
[0042]
实例3：图6为基于包络线峰值、谷值及其对应时间点信息分布特征生成的高带宽开关变换器控制信号示意图。其控制信号的生成与图2的状态示意图相适应，当关键信息串的前一个数值小于后一个数值时，可通过状态判断器得出包络信号处于上升状态，将状态信息传递给控制信号生成模块后，产生一个高电平信号提供给高带宽开关变换器以导通开关管。当关键信息串的前一个数值大于后一个数值时，可通过状态判断器得出包络信号处于下降状态，将状态信息传递给控制信号生成模块后，产生一个低电平信号提供给高带宽开关变换器以关闭开关管。在此基础上，通过关键信息串判断峰值与谷值间的时间长度，当时间长度大于预设阈值t时，将在经过一小段时间t1后，再次给高带宽开关变换器一个周期为t2的高电平信号，使高带宽开关变换器重新导通，提供电流，补充与包络线信号的差值。其中，t1、t2与t的关系为t1+t2《t。
[0043]
实例4：图7为基于包络线峰值、谷值及其对应时间点信息分布特征生成的滤波电感选择控制信号。图中滤波电感l2为感值较小的滤波电感，滤波电感l3为感值较小的滤波电感。通过关键信息串，计算包络线上升状态时的斜率，当斜率大于预设阈值时，选择较小感值的滤波电感l2加入并联式架构中，以提供较快的电流变化率；当斜率小于预设阈值时，选择感值较大的滤波电感l3加入并联式架构中，以提供较慢的电流变化率。
[0044]
本发明所述一种包络线跟踪电源中开关变换器控制信号生成方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：控制策略工作原理简单，根据含有包络线峰值、谷值及其对应时间点的关键信息串进行计算控制，开拓了新的研究方向，且降低了硬件的
计算工作量，提高了并联式射频功放包络线跟踪电源的效率。
[0045]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。