专利名称：开关稳压功率放大器模块的改进控制的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及无线通信设备，尤其涉及利用输入驱动控制开关稳压功率放 大器。
背景技术：
手持无线通信设备由 一个或多个内部电池提供电力。这类设备的一个重要 性能指标就是它们的电池寿命，并且大部分的电池电力消耗在设备的鄉机的功
率放大单元上。在许多手持无线应用中，开关式电源开关式电源iif共电源电压给 功率放大单元中的功率放大器，并且l細于斷氏雖功耗。然而，这需要仔细控 制开关式电源，从而获得最佳的功率节约。为了简，制，许多传统设计采用了
固定步长，或魏续控制技术，来控制开关式电源。然而，不利用额夕HW息，这
两种技术可能导致次优化功率节约，可能校准起来更为麻烦，以及可會树输出信 号的压縮噪声产生不利效果。在大多数设计中，相比较于信号功率，压缩噪声非
制氐，直到樹共给功率放大器的电源电JBIi5其压縮产品提高的鄉功率极限。
发明内容
—方面，这里所描述的至少一个实施例提供了用于无线通信设备的^1"机。
该发射机包括功率放大单元，该功率放大单元包括前置放大器，其配置成放大 ^M信号，从而产生前置放大，信号;以及耦合到该前置放大器的功率放大器， 其配置成放大该前置放大^lt信号，从而产生放大发射信号。该，aa—步包 括检测器，其耦合到前置放大器的输出端，并配置成樹共检湖揃置放大输出信号; 以及功率管理单元。该功率管理单元包括开关稳，制单元，其配置皿于检测 前置放大输出信号产生开关电源控制信号；以及耦合到幵关稳压控制单元的开关 式电源，其配置成基于幵关电源控制信号产生电源电压信号，以及J^共该电源电 压信号纟^l亥功率放大器。
另一方面，这里所描述的至少一个实施例提供了一种移动通信设备，其包 括主处理器，该主处理器配置成控制该移动通信设备的操作；以及连接到主处理 器的通信子系统，其配置成^it及接收数据。该通信子系统包括功率放大单元、 检测器以及功率管理单元。功率放大单元包括前置放大器，其配置成放大，信 号来产生前置放大鄉信号；以及功率放大器，其耦合到前置放大器上，并配置
成放大该前置放大鄉信号来产生放大鄉信号。检测器耦合到前置放大器的输 出端，并配制成提供检测前置放大输出信号。功率管理单元包括开关稳压控制单
元，其配置成基于该检测前置放大输出信号产生开关电源控制信号；以及开关式 电源，其耦合到开关稳压控制单元上，并配置成基于开关电源控制信号产生电源 电压信号，并掛共电源电压信号给功率放大器。
仍然在另一方面，这里所描述的至少一个实施例提供了一种用于将开关电 源控帝瞻号衝共给鄉机的功率放大单元的方法，该功率放大单元包括前置放大 器和功率放大器。该方^^括检测前置放大器的输出以提供检测前置放大输出信 号；基于该检测前置放大输出信号产生开关电源控制信号；以3^151将开关电源 控制信号提供给开关式电源以产生电源电压信号。
为了更好的理解这里所描述的实施例，以及为了更清楚地仅通过例子来示
出如何实现这些实施例，将参照附图进行说明
图1是一种无线通信设备的示例性实施例的方框图2是图1的移动设备的通信子系统组件的示例性实施例的方框图3是无线通信设备的通信子系统的功率管理单元和放大器单元的一部分
的示例性实施例的方框图4是示例性方法的流程图，该方法可以用于为功率管理单元的开关控制
单元的开关控制传递函数找到适宜的值；以及
图5是功率管理单元的功率限制控制器的示例性实施例的方框图。
具体实施例方式
应该理解，为了简要及清楚的说明，在考虑恰当的情况下，附图标记可以
在图中重复f顿，来 标相应的^m似的元件。另外，可以包赚定的细节，从 而全面理解这里所描述的实施例。然而，本领域技术人员应该理解，没有这醜 定的细节，也可以实施这里所描述的实施例。在其它例子中，为了不模糊这里所 描述的实施例，不再详细描述已公知的方法、过程和组件。此外，本说明书不被 视为限制了这里所描述的实施例的保护范围，而是仅仅描述了这里所描述的各种 实施例的实现方式。
无线通信设备是具有高级数据通信能力的双向通信设备，其具有和其它计 算机系统相通信的能力。该无线通信设备亦可以包括用于语^ffi信的能力。取决 于由该无线通信设备所劍共的功能，其可以称为 通讯设备，双向传呼机，具 有数据通讯能力的蜂窝式电话，无线因特网应用，或者 通信设备(具有或不
具有电话通讯能力)。该无线通信设备m收发站网络和其它设备相通信。
首先参照图i ，其中示出了一幅无线通信设备100的示例性实施例的方框图， 该无线通信设备亦可以称为移动通信设备。该无线通信设备100包括多个诸如控
制单元102之类的组件，控制单元控制该无线通信设备100的德操作。该控制 单元102可以是微处理器或 制器。诸如来自ARM、 Motorola、 Intel及其类 似公司的可用的微控制器之类的任意商用 制 可以用作控制单元102。
通M信子系统104来执行包括数据和可能的语音通信的通信功能。通信 子系统104从无线网络180接收消息，并将消息皿到无线网络180中。在一个 实施例中，可以根据CDMA2000标准、或者根据，移动通信系统(GSM)和 通用分组无线业务(GPRS)标准来配置通信子系统104。 GSM/GPRS无线网络 在全球范围内使用，并期望这些标准将最终由增强数据GSM环境(EDGE)和 通用移动无线通信服务(UMTS)标准取代。新的标准仍处在定义中，但相信它 们将對以于这里所描述的网络行为，并且也将理解，该设备可以1顿未来幵发的 任意其它适宜的标准。M网络180连接该通信子系统104的无线链路代表一个 或多个不同的射频(RF)信道，根据所定义的为了 CDMA2000或GSM/GPRS 通信而指定的协i爐行操作。对这些网络协议而言，这對言道能够支持电路交换
语音通信和分组交换,通信。
控制单元102亦和其它诸如随机访问存储器(RAM) 106、闪存108、显示 器110、辅助输入/输出(I/O)子系统112、,端口 114、键盘116、扬声器118、麦克风120、短程通信子系统122和其它设备子系统124之类的子系统相 交互。取决，定类型的无线通信设备，这些组件中的一些是可选的。除了闪存 108之外，可以^ffi现有技术中已知的其它类型的非易失性存储设备。键盘116 可以是电话类型的键区，字母数字混合编排的键盘或一些其它适宜的键区。
无线通信设备ioo的一些子系统执tm信相关的功能，而其它子系统可以
提供"常驻"或在机功能。M;例子，显示器110和,116g无可以用于诸如通 过网络180输入要传输的文本消息之类的通信相关功能，也可以用于诸如计算器 或任务列^t类的设备常驻功能。控制单元102使用的操作系统软件，以及其它 各种算法典型地存储在诸如闪存108之类的永久存储器中，闪存可以可选地是只 读存储器(ROM)，似的存储元件中(未示出)。本领域技术人员将M，操 作系统、特定设备应用禾辨或其中的部分，可以临时地i^A至储如RAM 106之 类的易失性存储器中。
在己完成了所需要的网络注册或激^31程之后，无线通信设备100可以通 过网络180发送和接收通信信号。网络访问和该无线通信设备100的用户相关联。 为了识别用户，该无线通信设备100为了和网络180相通信，需要在SM接口 128 (或R-UM接口)中插入用户识别模块或"SM"卡126或R-UIM (可拆装 用户身份模块)。SM卡或者R-U1M 126是一种传统的"智能卡"，这种智能卡 用于标识该无线通信设备100的用户，以及个性化该无线通信设备IOO，等等。 可选地，亦可以将用户识别信息编程到闪存108中。月艮务可以包括诸如电子邮 件、语音邮件、短信息服务(SMS)、以及多媒体消息服务(MMS)之类的网络 浏览和通讯。可以包括更多高级服务销售点、mi;服务以及销售人员自动化。
该无线通信设备100是电池提供电力的设备，并包括电池接口 132，用于接 收一个或多个可再充电电池130。电池接口 132耦合到稳压器上(未示出)，该 稳压器帮助电池130掛共电源V+纟统线通信设备100。虽然当今技斜鹏了电 池，但是诸如微燃料电池之类的未来的电源技术可以提供电力给无线通信设备 100。
除其操作系统功能之外，控制单元102还使得肖,执行在无线通信设备100
上的软件应用，im。在制造无线通信设备ioo期间， 一般将在其上安装一纟im用
禾將，该组应用禾Sim制基本的设，作，包括数据和语音通信应用禾M^。可以
载入到无线通信设备100中的另一应用，可以是个人信息管理器(PM)。 PIM 具有组织和管理用户的兴趣数据项的能力，诸如但不局限于电子邮件，日历事件， 语音邮件，约会以及任务项。PM应用程序具有经由无线网络180发送和接收数 据项的能力。在一个实施例中，经由无线网络180，禾lj用无线通信设备用户的对 应数据项来无纟對也集成、同步及Mf PMi^项，该无线通信设备用户的对应
数据项存储在主计^m系统中和/或和主计^m系统相关联。该功能关于这些项
在无线通信设备ioo上创建一^HI像主计^n。这是特别有利的，其中主计算机
系统是无线通信设备用户的办公计^m系统。
额外的应用禾M^舰网络80、辅助I/0子系统112、,端口 114、短程 通信子系统122、或任意其它适宜的设备子系统124，也可以载入到无线通信设 备100上。这种应用，歸安紅的灵活性增加了无线通信设备100的功能，并可 以提供增强的在机功能、通信相关功能，或者同时提供了这两种功能。例如，利 用无线通信设备100，安全的通信应用程序可以使得执行电子商务功會级其它这 样的财务事务。
数据端口 114 M外部设备或软件应用禾旨使用户设置用户偏好，并且除 了通过无线il信网络之外，ililii^i言息或软件下载给移动设备100，来扩展移 动设备100的肖巨力。可选的下载途径可以例如用于M51—个直接但可靠可信的连 接来将加密密钥载入到移动设备100上，从而提供安全的设备通信。
短程通信子系统122不使用网络180，就可以提供无线通信设备100和不同 的系统或设备之间的通信。例如，子系统122可以包括红外设备以及用于短程通 信的相关电路和组件。短程通信的例子可以包括由红外 协会(IrDA)开发的 标准，蓝牙，以及由正EE开发的802.11标准族。
在使用中，诸如文本消息、电子邮件消息、网络网页下载之类的接收信号 将由通信子系统104处理并输入到控制单元102中。接着控制单元102随后将处 理该接收信号，输出到显示器110中，或可选地输出到辅助I/0子系统112中。 用户亦可以例如利用键盘116结合显示器110及可能的辅助I/O子系统112来编 写诸如电子邮件消息之类的 项。辅助子系统112可以包括的设备诸如触摸 屏、鼠标、轨迹球、红外指纹检测器，或者具有动态按钮按压能力的滚轮。
116可以是字母数字混合编排的键盘，和/或电话类型的键区。可以通M信子
系统104经由网络150来传递所编写的项。
对于语音通信来说，除了大部分接收信号被输出至畅声器118中，以及大 部分传输信号由麦克风120转换之外，，通信设备100的，操作实质上是类 似的。诸如语音消息记录子系统之类的可选语音或音频]ZO子系统亦可以在无线 通信设备100上实现。虽然主要iM^声器118实现语音或音频信号输出，但是 显示器110亦可以用来衝共诸如主叫方身份、语音呼叫擀卖时间、或其它语音呼 叫相关信息之类的其它信息。
现在参照图2，示出了图1的通信子系统组件104的方框图。通信子系统 104包括接收机150、，机152、 一个或多个^A式或内部天线元件154、 156、 本地振荡器(LOs) 158、以及诸如数字信号处理器(DSP) 160之类的处理模块。
通信子系统104的特定设计取决于移动设备100要运行于其中的网络180，， 这样应该理解图2中描述的设计仅当作一个例子。通过网络180由天线154接收 的信号被输入到接收机150,接收机150可以执行诸如信号放大、频率下转换、 过滤、信道选择、以及模数(A/D)转换之类的普通接收机功能。接收信号的 A/D转换允许诸如在DSP 160上执行的解调和解码之类的更复杂的通信功能。以 类似方式，由DSP160处理要发射的信号，包括调制和编码。借助天线156，经 由网络180将这些DSP处理信号输入到皿机152中，进行数模(D/A)转换、 上变频、搶波、放狄鄉。DSP160不仅处理通信信号，还il^收机和鄉 机控制。例如，MilDSP160中实现的自动增益控制算法，棘应性i鹏制爭鹏 用于接收机150和M1"机180中的通信信号的增益。
移动设备100和网络180之间的无线^各可以包括一个或多个不同的信道， 典型地不同的RF信道，以及用于移动设备100和网络180之间的相关协议。一 般因为整个带宽的限制和移动设备100的有限的电池电力，RF信道是有限的资 源，必须节约。
当移动设备100完全可操作时，，机152典型地仅在其向网络180进行 发送时接通或开启，而其它时候关闭以节约资源。类似也，接收机150周期性地 关闭以节约电力，除非其在指定时间周期内必须接收信号或信息(如果有的话)。
这里描述的各种实施例涉及电源管理单元，其可以用于通信子系统104的 发射机152中。电源管理单元劍共了用于增益控制信号和电源电压的舰控制，
该增益控制信号被掛共给前置放大器，该电源电压被提供给功率放大器。该前置
放大器和功率放大 位于，机152的功率放大单元中。M3i^ffi—种连续的
控制方案来优化功率放大器所消耗的功率，在这种控制方案中，使用至少一个反 馈环路来考虑，机的特定组件例如前置放大器和功率放大器的各种特性以及 各种控制信号。电源管理单元的结构和其所使用的处理方法还引发了下面将详细 描述的恒定编码域性能。
在使用正交的编码信道来组合及分离各种数据流的通信系统中，设计者必 须小心不要由于使合成信号失真而意外地组合、泄漏或增加噪声到不同信道中。 在大部分设计中，最终的放大器(通常是功率放大器)是最可能被驱动到非线性 操作的设备。当使用了功率节约技术时尤为如此。如果功率放大器压縮的程度在 其操作范围期间出现巨大变化，贝何能编码域中未期望的效果会出现在一些功率 级别中，而不出现在另一些功率级别中。这使得不可能前置补偿各个编码信道， 除非随着功率要求改变，人们具有可以1改变补偿的装置。具有近乎不变的压 縮的功率放大器将辅助整体设计具有恒定编码阈性能的鄉机，以及帮助简化基 带设计，而不用牺牲功率效率。
现在参照图3，其中示出了通信子系统104的皿机152、双工机260和天 线156的一部分的示例性实施例的方框图。鄉机152包括功率放大单元202， 检测器203，耦合器205,功率放大单元204，隔离器209和输出耦合器211。隔 离器209和输出耦合器211如在下面进一步描述的是可选的。双工机260亦连接 到接收机150上(未示出)。功率管理单元220包括功率限控单元207，开关稳 压控制单元208，开关式电源210，补偿控制单元212，以及求和器213。功率放 大单元204包括前置放大器214，以及功率放大器216。在可选实施例中，输出 耦合器211可以连接到检测器上，用于一些情况下的功率限制。
亦应该注意到，在一些实施例中，功率限控单元207、补偿控制单元212、 求和器213和TX—lim控制信号224是可选的。在这些实施例中，AGC信号222 作为增益控制信号230$|{共给前置放大器214。取决于特定的应用，功率限控环 路和补偿环路可以独立使用。这些环路下面作进一步地讨论。
无线通信设备100产生数据信号，iM^信号利用鄉机152鄉。该数 据信号典型地是一种相对低频信号， 一船尔为基带信号。基带信号由通信子系统
104的各种组件(未示出，但本领域技术人员公知)处理，并和载波信号混合， 该载波信号具有实际上较高的频率,以便产生mt信号225。由功率放大单元204 放大，信号225，从而产生用于，发射的放大，信号227。接着，M隔 离器209、输出耦合器211以及双工机260发送i亥放大，信号227，由天线156 对该信号进行辐射传播。隔离器209保护功率放大单元204不受来自诸如天线 156之类的下游组件的反射或其它信号能量的影响。隔离器209有时可以用来稳 定双工机260的性能。
前置放大器214是可变增益放大器，其产生前置放大，信号229。依赖于 放大^lt信号227的期望功率级别，改变前置放大器214的增益来Mf共第一增益 量。由增益控制信号230规定前置放大器214的增益，增益控制信号由功率限控 单元207提供。接着，功率放大器216放大前置放大，信号229来掛共所需增 益的剩余部分。滤波器(未示出)可以可选地添加至卿置放大器214之后，用于 移除由前置放大器214和无线通信设备100的前级引入前置放大发射信号229 的噪声。本领域技术人员将可以为该、搶波器选髓宜的参数。
在操作期间任意点处，功率放大器216需要电源电压信号232,该信号具有 足够的振幅，从而使可以产生具有最大可接受失真级别的放大皿信号227。如 果功率放大器216总是用同一可接受失真级别进行操作，则可以进行对应基带数 据的固定校正，来抵销失真而节约功率。因此，当放大鄉信号227处于^lt机 动态范围内的任意功率时，功率放大器216应具有不变的净空，来确保放大， 信号227至多总是以相同方式失真。
功率放大单元204中相当多的功率损耗的原因之一是放大皿信号227很 少处于上面提到的最大级别处，而皿常处于更低的功率级别。ili共给功率放大 器216的电源电压232和放大^f信号227的振幅之间的过量净空耗散为热。为 了避免这种功率损失，开关式电源210由开关稳压控制单元208控制，以最小化 该净空，但允许功率放大器216产生具有传输所需的瞬时最大功率的放大，信 号227。
配平信号220是由控制单元102提供给功率管理单元202的控制信号。配 平信号220用于在无线通信设备100的工厂校准期间去除个体差异。该差异是由 于用于构建對寸机152和控制环路的组件的部件差异而导致的偏差产生的。配平
信号220配平或减少由这些偏差/公差而导致的差异。M在操作期间釆样开关 式电源210的输出，以及调整用于配平信号220的值可以做到这一点，以获得可 接受的性能。另外，鄉机152的压縮噪声可以被测量，调整配平信号220的值， 直到观察到期望的失真量。取决于公差层级，在一些设计中，酉己平信号220是可 选的。
检测器203经由耦合器205感则前置放大鄉信号229，其是用于功率放大 器216的输入驱动。接着，检测器203产生检测前置放大输出信号221。在一些 实现方式中，检测器203可以近似午具有线性亥I渡输出的实际RMS检测器。然 而，亦可以使用具有其它输出形式的检测器，包括对数输出。M不和功率放大 器216的输出相耦合来^l!ij放大^lt信号227，检测器203的^S造成环路稳定 以及节约了功率。如果检测器203放置在可以受到增益扩大影响的地方(gp，功 率放大器224的输出端上)，则功率放大器216的增益扩大将导致具有右手极性 的控制系统。在检测器203位于功率放大器216的输出端的情况下，功率增大例 如将导致检测到的输出增大及抬高电源电压信号232，功率增大由增益扩大或可 能的噪声造成。最终的增益扩大将进一步增大检测到的功率。接着，该过程将逐 步升级。M将检测器203放置在前置放大器214的输出端 免这一点。
本领域技术人员可以选髓当的耦合器205来和检测器203 —起4顿。该 选M:程基于诸如功率放大器216的类型、功率管理单元202中的各个控制单元 的调谐、以及功率管理单元202的计划,性能目标之类的参数。定向耦合器可 以用作耦合器205，但如果前置放大器214具有足够的反向隔离，则亦可以4柳 电阻性分接头。
将检测到的前置放大输出信号221和配平信号220提供给功率管理单元 202，来限制放大单元204的输出功率。Mil利用这對言号和下面讨论的其它信 息，来执行调整前置放大器214的增益和控制开关式电源210M^特定级别的电 源电压信号232中的至少一种操作来做到这一点。应该注意到，激寸机设计中差 异的主要来源不是由于功率放大器216的热特性，而是由于前置放大器214的热
特性和频率特性中的差异，其中的热特性和频率特性慰艮差的。因此，M检测 前置放大器214的输出功率229，当降低，机152中的功率损失时，可以移除 ^!寸机152中的大部分差异。
基于配平信号220和检测前置放大输出信号221 ，开关稳压控制单元208以 优化模式控制开关式电源210提供电源电压信号232。开关控制单元208将开关 控制传递函数应用到检测前置放大输出信号221和配平信号220,以产生开关电 源控制信号228来控制开关式电源210。另外，在一些实现方式中，欲从电源电 压信号232中过滤特定的高频噪声分量。开关式电源210可以是DC-DC开关转 换器。然而，很多设备可以用作开关式电源210，只要满足放大单元204的输出 电压、电流、效率及噪声要求。
通过恰当选择检测器203以及用于开关控制传递函数的值，开关稳压控制 单元208可以提供控制值给开关式电源210，以保持功率放大器216处于不 縮状态。这意H賴放大鄉信号227的压缩噪声被保持在实际数据信号的不变部 分。因此，M3ift小化在所有可能的鄉功率处的功率放大器216的电源电压开 销来优化功率节约，放大Mf信号227上的功率放大器216的压缩效果z，皿 功率的恒定函数。这是因为，功率放大器216正由电源电压信号232劍共尽量少 的电源电力，而仍然满足大范围的，功率上的各种诸如最大可接受失真之类的 规定。这允许一种静态补偿应用于基带，而不是随发射功率变化的另一种补偿方 法。换句话说，如果功率放大器216的压縮变作功率的函数，则需要相关编码阈 功率的动态补偿。术语编码阈功率指的是所讨论的编码信道的相对功率对噪声比 率(其它信道是正交的，看起来像噪声)。静态补偿指的是设置编码阈校正来补 偿硬件特征，而不是变化的功率。
开关控制传递函数/腐检测器203的响应，幵关式电源210的控制曲线，
以及到输入驱动的功率放大器216的响应的表征中取得。这些值M方法300 获得。
现在参照图3，其中示出了一种示例性方法300的纟凝呈图，该方法可以用于 为开关稳压控制单元208的开對空制传递函数确定适当的值。在几个无线通信设 备上执行方法300，并且集合测试结果形成由幵关稳压控制单元208 ^顿的开关 控制传递函数。方法300幵始于步骤302，此时开启鄉机152。在步骤304， 观察放大发射信号227和功率放大器216的压縮。在步骤306，开关稳压控制单 元208被撤销(override),并且调整开关式电源210，直到为功率放大器216取 得期望压縮。如果电压调整过度地影响操作功率，则步骤306有时直接跳到步骤
310 (未示出)。在步骤308，检测器203的输出(g卩，检测前置放大输出信号221) 以及开关式电源210的控制设置在数据表中标出。在步骤310，调整皿机152 的功率，重复步骤304到310，直到获得足够的l^点。
换句话说，通过着眼于功率放大器216的几种不同输出功率级别，以及降 低这些级别的电源电压信号，直到每个功率级别都获得了一个可接受的最小净空 级别，可以产生开关控制传递函数。这掛共了功率放大器216的功率级别和电源 电压信号232的级别之间的第一关系。接着，这些不同的功率级别被与输入驱动 (即，检测器203的输出端)的级别相关联，而电源电压信号232保持M^ 功率级别来说刚刚能发现的最小级别处，从而获得输入驱动级别和功率放大器 216的功率级别之间的联系。接着组合这两种縣，来定义检测器203的输出和 开关式电源210的输出之间的开关控制传递函数。接着或者M建模或者实P示测 试，可以观察开关控制传递函数的阶跃响应，以及调整传递函数的特定参数来获 得可接受的时序。
接着M方法300产生的数据点被用于获取用于开关稳压控制单元208的 优化开关控制传递函数。如果这样期望，贝呲时可选择在一些湖懂点之间进行内 插。虽然方法300产生静繊，用于获得开关稳压控制单元208的开关控制传递
函数时，但是可以修改方法300，其中对mt机功率进行^S^:改变，以便于观
察动态特征。此时可以增加可选校正，以获得功率管理和放大单元202和204 的时间响应。这可以用硬件或软件进行。执行这些的步骤是1)测量系统的阶 跃响应，2)为了满足时序需求，分析响应的形^3fe确定传递函数所需要的补偿， 3)应用补偿并测试系统，以及4)如果必需，贝U回到步骤1，并重复直到性能令 人满意。这^t程是相当重复的，因为在测试期间，人们有时会发现一些意想不 到的副作用。接着，Sil着眼于功率管理和放大单元202及204的阶跃响应，以 及产生适当的^ig算，可以在这一点定义开关控制传递函数。
通过利用具有线性、 一阶低通函数和偏置的、搶波器，可以用硬件实现开关 稳压控制单元208所使用的开关控制传递函数。诙搶波辦皮偏置了一位，来补偿
开关/不正好在o伏操作的其它电路的响应。fflii^取开关控制传输功能，对其
应用拉普拉斯变换，接着基于产生的极点和0点来合成 麽波器，可以实现滤波器。 然而，通使用査找表，亦可以用软件实现开关控制传递函数。
由于^^M)"机152的时间响应符合依赖于网络的功率和时间之间的关系 的稳压需求，因此考虑开关控制传递函数的响应时间。同样地，由于例如开关式 电源210中的松散性能意,在别处需要更多补偿，因此考虑*单元的响应。 当软件用于实现开关控制传递函数时，时间响应亦是一个因素。利用软件，禾佣 离散的时间步 行分析。软件的时间响应部分取决于用于计算和/或査找的软 件保证响应时间。在具有许多应用程序并fi^行的处理器上，时间响应取决于1) 编码效率，以及2)当执行实时编码时，操作系统是否可以确保保证响应时间。 一般来说，调整组件的时序来^j共对定时要求的更好，，该定时要求由标准及 网纟^f共商规定。 一个定时参数的值可能需要和另一个定时参数的值进行折衷。
基于各种输入，由功率限控单元207设置增益控制信号230。由控制单元 102提供自动增益控制(AGC)信号222和传输限制(TXJim)控制信号224。 可选地，如果存在，可以由通信子系统104中的处理器(如果存在的话)J^共这 些信号。TX一lim控制信号224指定功率放大器216的输出的最大允许功率。AGC 222由补偿控制单元212的输出修改。M31控制前置放大器214的增益，功率限 控单元207亦接收检测前置放大输出信号221 ，并组合这些信号来降低到功率放 大器216的输入驱动。降低的输入驱动的效果是放大皿信号227的功率的减少。
现在参照图5，其中示出了功率限控单元207的示例性实施例的方框图。功 率限控单元207包括求和器402、限幅器404、积分器406、功率限制传递函数 408和第二求和器410。功率限控单元207可以在过功率情况发生之前预测过功 率情况，并为增益控制信号230劍共适当的值，来避免该过功率瞎况出现。这基 于用于功率限制传递函数408的特定值的选择，并且在为增益控制信号230产生 新值之前，检查功率误差信号(即，求和器213的输出)和功率误差信号的变化 率(即，误差信号412)。这對言号的变化率涉及检测器203的输出的变化率。 如果具有高变化率，则将在输出功率中出现脉冲瑕〖增，并将产生过量功率情况。
当求和器402从检测前置放大输出信号221中减去TX一lim信号224时，获 取功率误差信号。接着将这个差顺miM限幅器404、积分器406以及功率限 制传递函数408来产生误差信号412。限幅器404 il31将所有负的输入值转换成 0，以及利用调整因子传递正做体现校正量，以产生限幅功率误差信号，其中 校正量对校正最差的AGCi^被视为是必需的。因此，当TX—lim信号224具
有比检测前置放大输出信号221更大的振幅时，限幅器404的输出是0。此外， 当检测前置放大输出信号221大于TXJim信号224时，限幅器404的输出值等 于检测前置放大输出信号221和TX一lim信号224之间的振幅Mft乘以调整因子。 调整因子用于縮放目的来补偿所使用的各种组件的灵敏度。在没有限幅器404 的情况下，功率限控单元242将迫lMit机152以最大功率运行，而不用管AGC 信号222的值。接着积分器406积分限制功率误差信号来衛共积分功率體信号 (以获取当功率限控单元207停止时，，功率中的0功率残留误差)。可以以 硬件或软件形式来实施积分器406。
功率限制传递函数408具有线性项和一阶导数项。功斜蹄帷递函数408 处理积分功率體信号，以便在过功率出现之前检测过功率膚况。在输出功率的 快3^斜上扬期间，功率控制环路，包括开关稳压控制单元208和开关式电源210， 可能不足够fflil地^^响应。当检测到积分误差的大变化率时，人们可以认为已 经超过限制，输出信号必须非常迅逝也被箝位。该功能由包括功率限制传递函数 408的功率限控单元207中的各个单元樹共。选择功率限制传递函数408来获得 功率限控单元207的期望瞬时性能。功率限制传递函数408亦4卜偿了前置放大器 214的行为以及皿机152中的其它延迟。这可以ilii应用不同皿的功率斜坡 的现有知识来控制发射功率限制来做到。术语"功率斜坡"指的是功率和时间之 间的关系，其用于在不同功率级别之间转换。诸如时间响应之类的期望形状的知 识允许更精确设计的功率限制传递函数。
当超出劍寸机功率限制TX一lim时，M求和器410从修正AGC信号223 中减去误差信号412，从而产生增益控制信号230来控制前置放大器214的增益。 可选地，如果没有超出功率限制TXJim，则误差信号具有值0，并且增益控制 信号230是修正AGC信号223。 M31iA AGC信号222中减去补偿控制单元212 的输出，产生修改AGC信号223。
M为检测信号221选择各个值可以生成功率限制传递函数408,从而测试 关于发射功率控制信号TXJim224的值的过功率的各个功率级别，以及为传递 函 择值，从而使误差信号412的级别被调整，以便于增益控制信号230导致 产生一个可接受级别的输入驱动，其由前置放大器214的输出提供。这设置了功 率限制传递函数408的稳定状态特征。接着，通过着眼于功率限制传递函数408
的阶跃响应，观察功率限制传递函数408的瞬时特性。接着，调整功率限制传递 函数408的值，以便于阶跃响应的脉冲跳增和沉降时间是可接受的。在包括开关 控制环路、补偿环路以及功率限制环路的设计中，在调谐功率限制传递函数之前， 首先选择并调谐开关控制传递函数和补偿传递函数。
当改变了电源电压信号232的振幅时，校准困难来自于功率放大器216的 增益变化。随着电源电压信号232的振幅增大，功率放大器216的增益亦随之增 大。在前面的控制方案中，电源电压信号232被控制作为AGC信号222的函数。 随着AGC信号222增大，功率放大器216的增益可预见地增大，但输出在曲线 中的特定点处增大更为ffii!。这是由于增大前置驱动增益和功率放大器216中的 增益变化的组合效果造成的，功率放大器中的增益变化是由于电源电压信号232 造成的。因此，m将额外补偿应用到AGC信号222中以及用修改增益控制信 号230提供前置放大器214，可以消除控制曲线中的缺陷。
图2中的功率管理单元204的拓扑示出被设计成解决传统开，制方案中 的缺陷。功率管理单元204使用了补偿反馈环路来创建AGC信号222和放大发 射信号227的功率之间的线性关系。补偿反馈环路包括补偿控制单元212和求和 器213。补偿控制单元212是估算器，该估算器在开关式电源210的输出端采样 电源电压信号232，并将电源电压信号232转换成增益校正信号234。接着，经 由求和器213从AGC信号222中减去增益校正信号，从而产生修正增益控制信 号223。 M改变电源电压信号232的量级弓l入到功率放大器216的副作用被补 偿反馈环路消除。
补偿传递函数可以用于将电源电压信号232的值转换^益校正信号234 的值。首先，为几个功率放大翻定功率放大器216的增益和电源电压信号232 之间的关系。 一旦已获得平均关系，考虑前置放大器214的一些诸如前置放大器 214的控制斜面之类的平均特性，对平均关系取反产生补偿传递函数，从而使增 益和电源电压信号232之间具有线性关系。要考虑的前置放大器214的一个特性 是平均增益对控制电压曲线。通过匹配检测器和鄉机链的特性，可以在最高功 率处补偿热特性。可选地，可以使用另一种使用强力软件补偿的设计，其具有所 有功率级别处的^^补偿。 一旦选定了补偿传递函数，M31查看阶跃响应，检査 瞬时属性来确保该瞬时属性、驗可接受限度内。在使用了开幾制传递函数的设
计中，在选定并调谐开关控制传递函数之后，选定并调谐补偿传递函数。在亦使
用了功率限制传递函数的设计中，将功率限控单元207的函数设置为高，以不影 响选定并调谐补偿传递函数。
补偿传递函数可以通过査找表用软件实现，或者利用使用了硬件滤波器的 硬件实现。当补偿传递函数经由查找表实现时电源电压信号232和该信号的变化 率用于确定增益校正信号234的值。由于需要花一些时间对其它电路进行调整， 因此电源电压信号232的变化率可以用于预测功率放大器216接下来的状态。在 一种更高级设计中，人们可以监视其它偏压参数。
当补偿传递函数用滤波器实现时，将拉普拉斯变换应用于对应于补偿传递 函数的时间响应或脉冲响应，并且接着基于由拉普拉斯变换操作产生的极点和0 点来合成滤波器。补偿传递函数的选定不仅允许补偿静态增益变化，也允许由于 功率管理控制及功率放大单元202和204中的迟延而导致的动^^变化。补偿传递 函数具有线性项和一阶导数项。
补偿反馈环路的效果是要线性化放大，信号227的功率和，机152的 AGC信号222之间的关系。另一个结果是补偿反馈环路降低或延迟该关系的饱 和效果。此外，从补偿控制函数中分离功率限制函数降低了补偿控制单元212 的精度要求。
应该注意到，M^择检测器203以及调谐功率限制控制单元207的方式， Jil共精确的数据^^立功率限制。随着平均功率比率的峰改变，检测器203的观 察到的输出也l变化，如果其不是实际RMS检测器的话。功率限制传递函数 408的精确性将取决于检测实际RMS功率。而且， 一些检测器将具有对数输出。 禾,对数输出，进一步压縮刻度的顶部，因此输出功率的精确控制涉及比较愈来 愈小的电压差异。禾'J用线性的实际RMS检测器，测量独立于数据率，并且刻度 的顶端被扩展。然而，在一些设计中，可以J顿非RMS检测器。
由于使用开关控制传递函数，可以用具有滤波器的硬件实现功率限制传递 函数408和补偿控制传递函数。可选地，可以用软件(即，作为一个查找表)实 现这些传递函数。
通过将检测器203放置在前置放大器214之后以及功率放大器216之前， 可以取消隔离器209和输出孝給器211。相反，如果检测器203方爐在功率放大
器216的输出端，则需要隔离器209和/或输出耦合器211 M免检测器203感 测到反射功率。此外，如果方爐在功率放大器216的输出端，由于耦合器205 进行采样，放大发射信号227中具有功率损失。
由于功率放大器216的反向绝織免反射功率到达检测器203，因此可以移 除隔离器209和输出耦合器211。 S,2参数指示了功率放大器216的反向隔离，该 参数是功率放大器216的输入端功率和功率放大器216的输出端功率之间的比 率，这时不提供输入信号给功率放大器216，并且功率在功率放大器216的输出 端注入。通jffi制功率放大器216的最终增益级的漏极栅极电容(对于FET功 率放大器)或功率放大器216的最终增益级的集电极基极电容(对于HBT功率 放大器)，可以获得好的反向隔离。
由于使用数量减少的组件实1^机152，移除隔离器209和输出耦合器 211导致成本节约。此外，移除隔离器209和输出耦合器211消除了客妙卜组件， 其中功率可以在功率放大单元204和天线156之间转移或消耗，这斷氐了放大发 射信号227到达天线156之前信号中的功率损失量。
然而，在移除隔离器209和输出耦合器211的情况下，功率放大器216必 须匹酉&n:机260 免负载感应功率变化(尤其如果移除了隔离器209)。通 过混乱功率放大器216的操作点，作为负载转移结果的功率放大器216的输出端 的反射功率可能导致正向发射功率变化。而且，如果反向隔离差，则反射功率有 时可以扰乱功率放大器216的输入。然而，在具有好的反向隔离以及和双工机 260匹配的情况下，可以移除隔离器209和输出耦合器211，而不会招致一般最
大输出功率精确性代价。
应该注意到，功率管理单元202的结构和检测器203的《體导致l)精确， 比率独立功率限制(由于功率限制传递函数408和检测器选择的组合导致扩展的 上部范围)，以及2)线性化放大器单元204的AGC曲线对发射功率，以及3) 几乎不变的功率放大器压縮对发射功率。此外，以涉及其功能的适宜方式调i, 个传递函数，并且各单元中使用的传递函数彼此不同。
这里描述的结构和方法允许以独立于，机152的功率的不ffi缩操作功 率放大器216。 S3t成a)由于用少量电源电压樹共给功率放大器216，因此优 化了功率节约，如上戶皿，以及b)不变的编码阈性能。发射机152的结构亦允许功率放大器216和天线156之间更低的损耗，而不用招致功率精确性代价。
功率管理单元204可以划分成三个子组件 一个开关稳压控制环路， 一个 补偿反馈环路，以及一个功率限制反馈环路。开关稳压控制环5鲍括耦合器205、 检测器203、开关稳压控制单元208、以及幵关式电源210。补偿反馈环路包括 开关稳压控制环路的组件和补偿控制单元212以及求和器213，，收来自AGC 控制信号222和TX一lim控制信号224的输入。功率限制反馈环S鲍括耦合器205 、 检测器203、以及功率限控单元207，，收来自求和器213的输出和TX—lim 控制信号224的输入。
这里仅是通过例子的方式描述各个实施例。在不脱离这些实施例的精神和 范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和变化，其精神和范围由后附的 权利要求定义。
权利要求
1、一种用于无线通信设备的发射机，其中该发射机包括功率放大单元，包括前置放大器，配置成放大发射信号，从而产生前置放大发射信号；以及耦合到该前置放大器的功率放大器，配置成放大该前置放大发射信号，从而产生放大发射信号；检测器，耦合到前置放大器的输出端，并配置成提供检测前置放大输出信号；以及功率管理单元，包括开关稳压控制单元，配置成基于该检测前置放大输出信号产生开关电源控制信号；以及开关式电源，耦合到开关稳压控制单元，并配置成基于开关电源控制信号产生电源电压信号，以及将该电源电压信号提供给功率放大器。
2、 根据权利要求1的发射机，其中开关稳压控制单元包括开关控制传递函 数，其用于基于该检测前置放大输出信号产生开关电源控制信号。
3、 根据权利要求1和2中任一个的鄉机，其中开关稳压控制单碰一步 配置成也使用配平信号来产生开关电源控制信号，该配平信号,生以补偿用于 构建^M机的组件的公差。
4、 根据权利要求1-3中任一个的，机，其中开关稳压控制单元配置成提^e制值给开关式电源，以保持功率放大器处于恒定压縮状态。
5、 根据权利要求2的鄉机，其中基于对检测器的响应、开关式电源的控 制曲线、以及功率放大器对输入驱动的响应的表征来获得开关控制传递函数。
6、 根据权利要求i-5中任一个的，机，其中功率管理单^ia—步包括功率限控单元，该功斜艮控单元配置成掛共增益控制信号给前置放大器，以限制功 率放大单元的鄉功率，其中功率限控单元耦合到检测器，將于检测前置放大 输出信号、鄉功斜蹄l腊号以及第二增益控制信号产生增益控制信号。
7、 根据权利要求1到5中的任一个的，机，其中功率管理单元进一步包 括补偿控制单元，补偿控制单元配置成基于电源电压信号提供增益校正信号，以 及其中从自动增益控制(AGC)信号中减去增益校正信号，以产生前置放大器 的增益控制信号。
8、 一种移动通信设备，包括主处理器，该主处理器配置成控制该移动通信设备的操作；连接到主处理器的通信子系统，该通信子系统配置成发送及接收数据，该通信子系统包括功率放大单元，包括前置放大器，该前置放大器配置成放大^t 信号，从而产生前置放大鄉信号；以及耦合到该前置放大器的功率 放大器，该功率放大器配置成放大该前置放大糊信号，从而产生放 大鄉信号；检测器，耦合到前置放大器的输出端，并配置成Jif共检测前置放大输出信号；以及功率管理单元，其包括开关稳压控制单元，配置成基于该检测前置放大输出信号产生开关电源控希幅号；以及开关式电源，耦合到开关稳压控制单元，并配置鹏于开关电源控制信号产生电源电压信 号，以及将该电源电压信号提供给功率放大器。
9、 根据权利要求8的移动通信设备，其中开关稳压控制单元包括幵关控制 传递函数，适用于基于检测前置放大输出信号产生开关电源控制信号。
10、 根据权利要求8和9任一个的移动通信设备，其中开关稳压控制单碰一步配置成也^顿配刑言号来产生开关电源控审瞻号，该配平信号被产生以补偿 用于构建通信子系统的组件的公差。
11、 根据权利要求7到10中任一个的移动通信设备，其中开关稳压控制单元配置成^i，制值给开关式电源，以保持功率放大器处于恒定压縮状态。
12、 根据权利要求9的移动通信设备，其中基于嫩测器的响应、开关式电 源的控制曲线、以及功率放大器对输入驱动的响应的表征来获得幵关控制传递函 数。
13、 根据权利要求8到12中的任一个的移动通信设备，其中功率管理单元 进一步包括功率限控单元，该功率限控单元配置成掛共增益控制信号给前置放大 器，以限制功率放大单元的鄉功率，其中功率P鹏单殆禺合至啦测器，縫于 检测前置放大输出信号、皿功率限制信号以及第二增益控制信号来产生增益控 制信号。
14、 根据权利要求8到12的任一个的移动通信设备，其中功率管理单^it 一步包括补偿控制单元，该补偿控制单元配置成基于电源电压信号提供增益校正 信号，以及其中从自动增益控制(AGC)信号中减去增益校正信号，以产生前 置放大器的增益控制信号。
15、 一种用于将开关电源控制信号樹共给鄉机的功率放大单元的方法，功 率放大单元包括前置放大器和功率放大器，其中该方^fe括检测前置放大器的输出以樹共检测前置放大输出信号； 基于该检测前置放大输出信号产生开关电源控制信号；以及 通过提供开关电源控制信号给开关式电源产生电源电压信号。
16、 根据权利要求15的方法，其中该方法进一步包括利用开关控制传递函数来基于检测前置放大输出信号产生开关电源控制信号。
17、 根据权利要求15和16中任一个的方法，其中该方法进一步包皿利用酉己平信号产生开关电源控制信号，该配刑言号被产生以补偿用于构建鄉机的组 件的公差。
18、 根据权利要求15到17中任一个的方法，其中该方t^括产生开关电源 控制信号，该开关电源控制信号进行开纖作来^i乓电源电压信号，以保持功率 放大器在^ffl期间处于恒定压缩状态。
19、 根据权利要求16的方法，其中该方法进一步包括基于对检测器的响应、开关式电源的控制曲线以及功率放大器对输入驱动的响应的表征来获得开关控 制传递函数。
20、 根据权利要求15到19中任一个的方法，其中该方法进一步包括掛共增 益控制信号给前置放大器，以限制功率放大单元的鄉功率，其中基于检测前置 放大输出信号、发射功率限制信号以及第二增益控制信号产生增益控制信号。
21、 权利要求15到19的任一个的方法，其中该方法进一步包括基于电源电 压信号提供增益校正信号，以及从自动增益控制(AGC)信号中减去增益校正 信号，以产生前置放大器的增益控制信号。
全文摘要
这里描述的各个实施例涉及功率管理单元和放大单元，其用于通信子系统的发射机中。功率管理单元提供了增益控制信号和电源电压的改进控制，增益控制信号提供给前置放大器，电源电压提供给功率放大器，这两个都位于放大器单元中。通过采用一种连续控制方法优化功率放大器所消耗的功率，其中采用了一个或多个反馈环路来考虑发射机组件和控制值的各种特征。
文档编号H03G3/20GK101341653SQ200780000802
公开日2009年1月7日 申请日期2007年6月14日 优先权日2006年6月14日
发明者曹文彦, 纳塞鲁拉·卡恩 申请人:捷讯研究有限公司