一種具有動態(tài)供電功能的包絡線跟蹤電源
1.本發(fā)明屬于電力電子技術領域，尤其涉及一種具有動態(tài)供電功能的包絡線跟蹤電源。
背景技術：
2.在老一代移動通信技術中，射頻輸入信號的幅值是不變的，即這種射頻信號擁有恒定的包絡線作為射頻功率放大器的供電參考，可直接采用恒壓輸出的靜態(tài)供電模式。但隨著第五代通信技術的到來，射頻輸入信號的頻率和幅值均處于動態(tài)變化中，信號的峰均比也呈增大趨勢。這種復雜的射頻輸入信號不再擁有恒定的包絡線，這種變包絡線的特性對射頻功放的供電系統(tǒng)提出了更高的要求。同時也對信號帶寬和頻譜利用率也提出了更高的要求。對變包絡的射頻輸入信號而言，傳統(tǒng)的靜態(tài)供電電壓與變包絡線電壓間形成的壓差會造成較大的功放損耗，因此，需要通過包絡線跟蹤電源提供動態(tài)供電電壓。包絡線跟蹤電源可根據(jù)功率及指標要求選擇不同的電路拓撲，為了同時兼顧開關電源高效率特點和線性電源的高精度特點，包絡線跟蹤電源中一般將二者以串聯(lián)或并聯(lián)等方式結合起來，同時兼顧二者的優(yōu)點。另外，在這種多路同時進行跟蹤放大動作的電路中，需要嚴格把控各個環(huán)節(jié)在跟蹤放大過程中的延時問題，否則將大大降低系統(tǒng)效率，該延時問題對包絡線跟蹤電源的設計提出了更高的要求。
技術實現(xiàn)要素：
3.本發(fā)明目的在于提供一種具有動態(tài)供電功能的包絡線跟蹤電源，以解決傳統(tǒng)的靜態(tài)供電電壓與變包絡線電壓間形成的壓差會造成較大的功放損耗，包絡線跟蹤電源中開關環(huán)節(jié)和線性環(huán)節(jié)在跟蹤放大過程中延時的技術問題。
4.為解決上述技術問題，本發(fā)明的一種具有動態(tài)供電功能的包絡線跟蹤電源的具體技術方案如下：一種基于數(shù)字同步采樣的具有動態(tài)供電功能的包絡線跟蹤電源，包括開關環(huán)節(jié)電路、線性環(huán)節(jié)電路、數(shù)字控制器、模擬控制器、負載、跟蹤信號及直流電源dc；所述開關環(huán)節(jié)電路和線性環(huán)節(jié)電路的輸出端同時和后級負載相連，開關環(huán)節(jié)電路和線性環(huán)節(jié)電路呈并聯(lián)結構；所述開關環(huán)節(jié)電路輸入端連接至直流電源dc，輸出端連接至負載，所述線性環(huán)節(jié)電路輸入端連接至直流電源dc，輸出端連接至負載，所述開關環(huán)節(jié)電路的控制信號由數(shù)字控制器的輸出端給出，所述線性環(huán)節(jié)電路的控制信號由模擬控制器的輸出端給出，所述模擬控制器的參考信號直接由跟蹤信號輸出端給出，所述數(shù)字控制器的參考信號由數(shù)字控制器的同步采樣端口對跟蹤信號進行同步采樣得到，所述開關環(huán)節(jié)電路的輸出電流在電流控制環(huán)路的控制下，實現(xiàn)對包絡線的快速跟蹤。
5.進一步的，所述開關環(huán)節(jié)電路包括第一開關管s1、第二開關管s2、功率電感l(wèi)2、第一濾波電容c1、第二濾波電容c2、第一濾波電感l(wèi)1、負載r1和第一直流電壓源v1；所述第一開關管s1的源極和第二開關管s2的漏極與功率電感l(wèi)2的一端相連，所述功率電感l(wèi)2的另一
端和負載r1相連，所述負載r1的另一端和參考地平面相連，所述第一開關管s1和第二開關管s2的柵極和柵極驅動信號的生成電路相連，所述第一濾波電感l(wèi)1的一端同時與第一濾波電容c1和第一直流電壓源v1的陽極相連，所述第一濾波電感l(wèi)1的另一端同時與第二濾波電容c2和第一開關管s1的漏極相連，所述第二開關管s2的源極、第二濾波電容c2的另一端、第一濾波電容c1的另一端、第一直流電壓源v1的陰極同時與參考地平面相連。
6.進一步的，所述線性環(huán)節(jié)電路包括第一線性管t1、第二線性管t2、第一偏置二極管d1、第二偏置二極管d2、恒流源i1、第三濾波電容c3、第四濾波電容c4、第三濾波電感l(wèi)3、第二直流電壓源v2；所述恒流源i1的一端和第一線性管t1的集電極、第三濾波電感l(wèi)3、第四濾波電容c4相連，所述恒流源i1的另一端同時與第一線性管t1的基極和第一偏置二極管d1的陽極相連，所述第三濾波電感l(wèi)3的另一端同時與第三濾波電容c3和第二直流電壓源v2的陽極相連，所述第二直流電壓源v2的陰極、第三濾波電容c3的另一端、第四濾波電容c4的另一端同時與參考地平面相連，所述第一偏置二極管d1的陰極和第二偏置二極管d2的陽極相連，所述第二偏置二極管d2的陰極同時與第二線性管t2的基極和線性環(huán)節(jié)輸入信號的生成電路相連，所述第二線性管t2的射極同時與第一線性管t1的射極和負載r1相連，所述第二線性管t2的集電極和參考地平面相連。
7.進一步的，所述恒流源i1由工作在放大區(qū)的三極管和電阻組成，用于提供穩(wěn)定的直流電流，該電流流經第一偏置二極管d1和第二偏置二極管d2時產生正向壓降，所述第一偏置二極管d1和第二偏置二極管d2的正向壓降和第一線性管t1和第二線性管t2的開啟電壓保持一致。
8.進一步的，當線性環(huán)節(jié)輸入信號為零時，所述第一線性管t1和第二線性管t2均處于微導通狀態(tài)，當?shù)谝痪€性管t1和第二線性管t2特性高度一致時，線性環(huán)節(jié)電路輸出也為零；當線性環(huán)節(jié)輸入信號大于零時，所述第一線性管t1處于射極正偏，集電極反偏的狀態(tài)，所述第二線性管t2的射極反偏，不參與此階段的功率轉換，所述線性環(huán)節(jié)電路等效為以第一線性管t1構成的共集放大電路；當線性環(huán)節(jié)電路輸入信號小于零時，所述第二線性管t2處于射極正偏，集電極反偏的狀態(tài)，所述第一線性管t1的射極反偏，不參與此階段的功率轉換，所述線性環(huán)節(jié)電路等效為以第二線性管t2構成的共集放大電路。
9.進一步的，當所述開關環(huán)節(jié)電路輸出電流小于負載電流時，所述線性環(huán)節(jié)電路等效為以第一線性管t1構成的共集放大電路，所述線性環(huán)節(jié)電路的輸出端口為第一線性管t1的射極；當開關環(huán)節(jié)電路輸出電流大于負載電流時，所述線性環(huán)節(jié)電路提供反向的輸出電流，所述線性環(huán)節(jié)電路等效為以第二線性管t2構成的共集放大電路，所述線性環(huán)節(jié)的輸出端口為第二線性管t2的射極。
10.進一步的，所述開關環(huán)節(jié)電路的控制環(huán)路由數(shù)字控制器實現(xiàn)，電流采樣環(huán)節(jié)通過硬件采樣電路采集開關環(huán)節(jié)電路的輸出電流并傳遞給數(shù)字控制器作為此時被控電流的實際值，同時，數(shù)字控制器通過高速采樣端口對跟蹤信號進行同步采樣作為電流環(huán)路的電流參考信號，得到此時電流環(huán)路的誤差信號，該誤差信號通過電流補償環(huán)節(jié)進行比例積分計算，計算得到的電流調制信號通過pwm調制環(huán)節(jié)得到包含占空比信息的信號級別的柵極驅動信號，該柵極驅動信號通過柵極驅動電路生成大電流級別的柵極驅動信號，用于驅動第一開關管s1、第二開關管s2，控制第一開關管s1、第二開關管s2的開通和關斷。
11.進一步的，所述線性環(huán)節(jié)的控制環(huán)路由模擬控制器實現(xiàn)，電壓采樣環(huán)節(jié)通過硬件
采樣電路采集線性環(huán)節(jié)的輸出電壓并傳遞給由電阻、電容和集成運放構成的模擬控制器作為此時被控電流的實際值，同時，跟蹤信號作為電壓環(huán)路的參考信號給定到電壓補償環(huán)節(jié)中，電壓補償環(huán)節(jié)通對二者誤差進行比例積分等運算得到電壓調制信號，該調制信號經過電壓放大環(huán)節(jié)的放大作用后傳遞給線性環(huán)節(jié)電路作為線性環(huán)節(jié)的輸入信號。
12.本發(fā)明的一種具有動態(tài)供電功能的包絡線跟蹤電源具有以下優(yōu)點：本發(fā)明的具有動態(tài)供電功能的包絡線跟蹤電源將跟蹤信號同時賦給線性環(huán)節(jié)的參考輸入端口和數(shù)字控制器的adc采樣引腳，讓兩個環(huán)節(jié)的控制環(huán)路參考具有高度同步性，提高了開關環(huán)節(jié)的跟蹤精度，同時降低了線性環(huán)節(jié)的損耗，提高了包絡線跟蹤電源的整體效率。另外，數(shù)字控制器還能通過比例積分等運算對電流環(huán)路進行補償，再通過pwm調制生成柵極驅動信號，這有利于開關環(huán)節(jié)采樣部分和控制部分的集成。在控制對象的選取上，開關環(huán)節(jié)的控制對象為開關環(huán)節(jié)自身的輸出電流，使得開關環(huán)節(jié)成為一個獨立的閉環(huán)控制系統(tǒng)，有利于控制參數(shù)的設計。
附圖說明
13.圖1為本發(fā)明的一種具有動態(tài)供電功能的包絡線跟蹤電源的結構示意圖；圖2為本發(fā)明的包絡線跟蹤電源的電路原理圖；圖3為本發(fā)明的開關環(huán)節(jié)和線性環(huán)節(jié)基于數(shù)字同步采樣時的控制框圖；圖4為本發(fā)明的包絡線跟蹤電源與傳統(tǒng)恒壓電源在為線性功放供電時的供電損耗對比圖。
具體實施方式
14.為了更好地了解本發(fā)明的目的、結構及功能，下面結合附圖，對本發(fā)明一種具有動態(tài)供電功能的包絡線跟蹤電源做進一步詳細的描述。
15.本發(fā)明針對線性功放在放大變包絡信號時所產生的較大損耗問題，將傳統(tǒng)的恒壓供電方案替換成以包絡線跟蹤電源為主的動態(tài)供電方案。針對包絡線跟蹤電源中開關環(huán)節(jié)和線性環(huán)節(jié)在跟蹤放大過程中的延時問題，提出了一種基于數(shù)字控制器的數(shù)字同步采樣方案，且該數(shù)字控制器還能通過比例積分等運算對電流環(huán)路進行補償，再通過pwm調制生成柵極驅動信號，這有利于開關環(huán)節(jié)采樣部分和控制部分的集成。另外，現(xiàn)有的控制方案大多對線性環(huán)節(jié)的輸出電流進行采樣和控制，但這種控制方法在設計控制參數(shù)的過程中存在兩個系統(tǒng)的耦合問題，需進行相應的解耦分析才能獨立地設計兩個環(huán)節(jié)的控制參數(shù)，本發(fā)明中開關環(huán)節(jié)的采樣和控制對象均為開關環(huán)節(jié)的輸出電流，使得開關環(huán)節(jié)成為一個獨立的閉環(huán)控制系統(tǒng)，有利于控制參數(shù)的設計。
16.如圖1所示，本發(fā)明的一種基于數(shù)字同步采樣的具有動態(tài)供電功能的包絡線跟蹤電源，包括：開關環(huán)節(jié)電路、線性環(huán)節(jié)電路、數(shù)字控制器、模擬控制器、負載、跟蹤信號及直流電源dc。開關環(huán)節(jié)電路和線性環(huán)節(jié)電路的輸出端同時和后級負載相連，開關環(huán)節(jié)電路和線性環(huán)節(jié)電路呈并聯(lián)結構。
17.開關環(huán)節(jié)電路輸入端連接至直流電源dc，輸出端連接至負載，線性環(huán)節(jié)電路輸入端連接至直流電源dc，輸出端連接至負載，開關環(huán)節(jié)電路的控制信號由數(shù)字控制器的輸出端給出，線性環(huán)節(jié)電路的控制信號由模擬控制器的輸出端給出，模擬控制器的參考信號直
接由跟蹤信號輸出端給出，跟蹤信號可以是射頻信號中的包絡線信號或其他應用場景下需要被跟蹤放大的高速時變信號。數(shù)字控制器的參考信號由數(shù)字控制器的同步采樣端口對跟蹤信號進行同步采樣得到。為了保證開關電路的跟蹤放大過程與線性電路的跟蹤放大過程在時域上保持高度同步，在跟蹤信號輸入到線性環(huán)節(jié)電路控制環(huán)路的同時，利用數(shù)字控制器的高速采樣口對跟蹤信號進行同步采樣并將采樣后的跟蹤信號作為參考信號輸入到開關環(huán)節(jié)電路的控制環(huán)路中。
18.開關環(huán)節(jié)電路的輸出電流在電流控制環(huán)路的控制下，實現(xiàn)對包絡線的快速跟蹤，雖然由于電流環(huán)路帶寬等因素，開關環(huán)節(jié)電路對于包絡線的跟蹤存在一定的跟蹤誤差，但這一部分跟蹤誤差可以由線性環(huán)節(jié)電路的輸出電流來補償，最終可以讓輸出電壓和輸出電流呈包絡線形狀的穩(wěn)定輸出。開關環(huán)節(jié)電路和線性環(huán)節(jié)電路相結合，構成了可根據(jù)跟蹤信號提供時變輸出的動態(tài)供電電源。
19.如圖2所示，開關環(huán)節(jié)電路包括第一開關管s1、第二開關管s2、功率電感l(wèi)2、第一濾波電容c1、第二濾波電容c2、第一濾波電感l(wèi)1、負載r1和第一直流電壓源v1。第一開關管s1的源極和第二開關管s2的漏極與功率電感l(wèi)2的一端相連，功率電感l(wèi)2的另一端和負載r1相連，負載r1的另一端和參考地平面相連，第一開關管s1和第二開關管s2的柵極和柵極驅動信號的生成電路相連，第一濾波電感l(wèi)1的一端同時與第一濾波電容c1和第一直流電壓源v1的陽極相連，第一濾波電感l(wèi)1的另一端同時與第二濾波電容c2和第一開關管s1的漏極相連，第二開關管s2的源極、第二濾波電容c2的另一端、第一濾波電容c1的另一端、第一直流電壓源v1的陰極同時與參考地平面相連。
20.如圖2所示，線性環(huán)節(jié)電路包括第一線性管t1、第二線性管t2、第一偏置二極管d1、第二偏置二極管d2、恒流源i1、第三濾波電容c3、第四濾波電容c4、第三濾波電感l(wèi)3、第二直流電壓源v2。恒流源i1的一端和第一線性管t1的集電極、第三濾波電感l(wèi)3、第四濾波電容c4相連，恒流源i1的另一端同時與第一線性管t1的基極和第一偏置二極管d1的陽極相連，第三濾波電感l(wèi)3的另一端同時與第三濾波電容c3和第二直流電壓源v2的陽極相連，第二直流電壓源v2的陰極、第三濾波電容c3的另一端、第四濾波電容c4的另一端同時與參考地平面相連，第一偏置二極管d1的陰極和第二偏置二極管d2的陽極相連，第二偏置二極管d2的陰極同時與第二線性管t2的基極和線性環(huán)節(jié)輸入信號的生成電路相連，第二線性管t2的射極同時與第一線性管t1的射極和負載r1相連，第二線性管t2的集電極和參考地平面相連。
21.恒流源i1由工作在放大區(qū)的三極管和電阻組成，用于提供穩(wěn)定的直流電流，該電流流經第一偏置二極管d1和第二偏置二極管d2時產生正向壓降，所述第一偏置二極管d1和第二偏置二極管d2的正向壓降和第一線性管t1和第二線性管t2的開啟電壓保持一致，以達到消除交越失真的目的。
22.線性環(huán)節(jié)電路中線性管交替工作的原理為：由于有恒流源i1和偏置二極管的存在，當線性環(huán)節(jié)輸入信號為零時，第一線性管t1和第二線性管t2均處于微導通狀態(tài)，當?shù)谝痪€性管t1和第二線性管t2特性高度一致時，線性環(huán)節(jié)電路輸出也為零；當線性環(huán)節(jié)輸入信號大于零時，第一線性管t1處于射極正偏，集電極反偏的狀態(tài)，而第二線性管t2的射極反偏，不參與此階段的功率轉換，此時線性環(huán)節(jié)電路可以等效為以第一線性管t1構成的共集放大電路；當線性環(huán)節(jié)電路輸入信號小于零時，第二線性管t2處于射極正偏，集電極反偏的狀態(tài)，而第一線性管t1的射極反偏，不參與此階段的功率轉換，此時線性環(huán)節(jié)電路可以等效
為以第二線性管t2構成的共集放大電路。
23.開關環(huán)節(jié)電路在數(shù)字控制器的控制下產生的輸出電流呈現(xiàn)時而大于負載電流時而小于負載電流的現(xiàn)象，即線性環(huán)節(jié)電路的輸出電流需要補償兩個方向的電流，從開關環(huán)節(jié)電路輸出電流大小的角度來分析線性環(huán)節(jié)電路的工作狀態(tài)，即當開關環(huán)節(jié)電路輸出電流小于負載電流時，線性環(huán)節(jié)電路可以等效為以第一線性管t1構成的共集放大電路，線性環(huán)節(jié)電路的輸出端口為第一線性管t1的射極；當開關環(huán)節(jié)電路輸出電流大于負載電流時，線性環(huán)節(jié)電路需要提供反向的輸出電流，線性環(huán)節(jié)電路可以等效為以第二線性管t2構成的共集放大電路，線性環(huán)節(jié)電路的輸出端口為第二線性管t2的射極。
24.如圖3所示，開關環(huán)節(jié)電路的控制環(huán)路主要由數(shù)字控制器實現(xiàn)，電流采樣環(huán)節(jié)通過硬件采樣電路采集開關環(huán)節(jié)電路的輸出電流并傳遞給數(shù)字控制器作為此時被控電流的實際值，與此同時，數(shù)字控制器通過高速采樣端口對跟蹤信號進行同步采樣作為電流環(huán)路的電流參考信號，以此得到此時電流環(huán)路的誤差信號，該誤差信號通過電流補償環(huán)節(jié)進行比例積分等計算，計算得到的電流調制信號通過pwm調制環(huán)節(jié)得到包含占空比信息的信號級別的柵極驅動信號，該柵極驅動信號通過柵極驅動電路生成大電流級別的柵極驅動信號，用于驅動第一開關管s1、第二開關管s2，控制第一開關管s1、第二開關管s2的開通和關斷。
25.線性環(huán)節(jié)的控制環(huán)路主要由模擬控制器實現(xiàn)，電壓采樣環(huán)節(jié)通過硬件采樣電路采集線性環(huán)節(jié)的輸出電壓并傳遞給由電阻、電容和集成運放構成的模擬控制器作為此時被控電流的實際值，與此同時，跟蹤信號作為電壓環(huán)路的參考信號給定到電壓補償環(huán)節(jié)中，電壓補償環(huán)節(jié)通對二者誤差進行比例積分等運算得到電壓調制信號，該調制信號經過電壓放大環(huán)節(jié)的放大作用后傳遞給線性環(huán)節(jié)電路作為線性環(huán)節(jié)的輸入信號。
26.如圖4所示，一種具有動態(tài)供電功能的包絡線跟蹤電源在為線性功放供電時，與傳統(tǒng)恒壓供電方式對比，兩種不同的供電方式存在較大的損耗差，采用包絡線跟蹤電源進行動態(tài)供電可降低線性功放的損耗，提高系統(tǒng)效率。
27.可以理解，本發(fā)明是通過一些實施例進行描述的，本領域技術人員知悉的，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對這些特征和實施例進行各種改變或等效替換。另外，在本發(fā)明的教導下，可以對這些特征和實施例進行修改以適應具體的情況及材料而不會脫離本發(fā)明的精神和范圍。因此，本發(fā)明不受此處所公開的具體實施例的限制，所有落入本技術的權利要求范圍內的實施例都屬于本發(fā)明所保護的范圍內。
