射频功率放大器的电源的制作方法

专利名称：射频功率放大器的电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及开关模式电源，尤其涉及在电池供电的无线发射机设备
中用于射频(RF)功率放大器的开关模式电源及其控制方法。
背景技术：
高能效的射频(RF)功率放大器(PA)在例如移动电话、个人数 字助理(PDA)等等移动的、电池供电的无线通信设备中是关键性的元 件，因为它们决定了这类设备的总功率消耗的重要部分。即使效率已经 下降了一些，便携设备中一般也使用3V的低电源电压的电池。设计一 种用于3V电池电压的PA也是可能的。为了从PA获得高效率，需要通 常称为升压转换器或递升转换器(step-up converter)的开关模式电源 (SMPS)将电池电压上转换成比最大电池电压更高的值。用这种方法， 能够容易地从PA获得所需的输出传输功率，但是对于小传输功率电平 来说效率不佳。为了在小传输功率电平也提高效率，必须降低PA的电 源电压。这用升压型电源是不可能的，但是提供另一种类型的开关模式 电源(往往被称为降压转换器或递降转换器)用于将升高的电池电压下 转换为实际传输功率电平所需的功率电平。如果将这两个转换器级联， 则低传输功率电平的效率会因为级联的转换器和它们之间的高电压而 遭受损失。
一些具有开关才莫式电源(SMPS)的RFPA应用使用诸如包络消除 与恢复(EER)技术之类的动态偏置PA以实现高效率的、线性的功率 放大。在EER中，从原始调制信号中提取相位和包络信息。包含相位 信息的恒定包络信号用RFPA来放大。因为相位信息具有恒定的包络， 所以PA能够高度过载以实现高效率。包络信息被馈送给电源电路以调 制RFPA的电源电压(例如，漏极或集电极电压)，乂人而叠加了包络变化。通过改变电源电压，输出波形将被成形并且总放大率会是线性的。
EER还有简化版本，例如包络跟踪(ET)技术。在ET技术中，到射频 放大器的输入信号包括相位信息和振幅信息二者，并且只提取包络信息 以用于开关电源。RFPA操作在线性区域中，其电源电压根据所提取的 包络信息而变化。电源电压随足够的净空而变化以最小化失真。US 6，256，482和WO2006/085，177中公开了采用EER技术的发射机架构的 例子。还有一个版本是功率电平跟踪(PT),其中，开关模式电源只跟 踪緩慢变化的平均功率电平而不是快速改变的包络，并且调制线性PA 的漏极或集电极电压。
还存在所谓的降压-升压转换器。美国专利6,348,781中公开了降压 -升压转换器的例子。降压-升压转换器被设计用于将模式自动从降压变 成升压以提供在任何特定传输功率电平都确保RF PA良好效率的电源 电压。不需要级联。然而，在使用包络消除与恢复(EER)技术的应用 中，需要非常紧密控制的频率和群时延响应。用降压-升压型开关模式 电源，模式变化的输出电压范围很不稳定，并且出现失真。此外，在操 作的升压模式中很难保持响应不受影响。对于频率与群时延需求较松的 功率电平跟踪来说，降压-升压转换器是好的选择。
关于效率的问题随着电池技术(例如锂电池技术)变得更加重要， 电池技术将截止电压从例如3V的当前范围降低到大约2.5V或更低。因 此，如果例如针对2.3V电源电压设计传输(TX)功率放大器，则它变 得非常低效并且其性能中的变化增加了。

发明内容
在所附的独立权利要求中公开了本发明的 一些方面。在从属权利要 求中公开了本发明的各种实施例。
根据本发明的一方面， 一种控制方法，包括
测量输入到向射频功率放大器提供电源电压的升压型开关模式电 源和降压型开关模式电源的级联连接的电池电压；
比较测量的电池电压与对应于降压型开关电源所需的输入电源电压的阈值；
如果所述测量的电池电压超过所述所需的输入电源电压，则绕过所 述升压型开关模式电源并且将所述电池电压直接耦合到所述降压型开 关模式电源；
如果所述测量的电池电压低于所述所需的输入电源电压，则控制所 述升压型开关模式电源以便将所述电池电压升高到至少所述所需的输 入电源电压；
根据下列 一个或多个条件，控制所述降压型开关模式电源以在至少 两个分段模式中的一个中操作所述功率放大器的操作模式、所述功率 放大器的频带、调制方法以及所述功率放大器的传输功率。
根据本发明的又一个方面， 一种设备，包括
至少一个射频功率放大器；
升压型开关模式电源，其具有用于来自电池的电池电压的输入； 降压型开关模式电源，其与所述升压型开关模式电源级联连接并且 具有用于所述射频功率放大器的电源电压输出，
的输入电源电压的阈值，则其可控制以绕过所述升压型开关模式电源并 且将所述电池电压直接耦合到所述降压型开关模式电源；
如果所述电池电压低于所述阈值，则所述升压型开关模式电源可控 制以将所述电池电压升高到至少所述所需的输入电源电压；以及
根据下列一个或多个条件，所述降压型开关模式电源包括可选的至 少两个分段模式所述功率放大器的操作模式、所述功率放大器的频带、 调制方法以及所述功率放大器的传输功率。
根据本发明的还一个方面， 一种控制方法，包括
提供升压型开关模式电源和降压型开关模式电源的级联连接，以 从电池电压向射频功率放大器提供电源电压；
控制所述升压型开关模式电源以将所述电池电压升高到至少所 述降压型开关模式电源所需的输入电源电压；
根据下列一个或多个条件，控制所述降压型开关模式电源以在至
ii少两个分段模式中的一个中操作所述功率放大器的操作模式、所述功 率放大器的频带、调制方法以及所述功率放大器的传输功率。 根据本发明的还一个方面， 一种控制方法，包括 提供升压型开关模式电源和降压型开关模式电源的级联连接，以 从电池电压向射频功率放大器提供电源电压；
控制所述升压型开关模式电源以将所述电池电压升高到至少所 述降压型开关模式电源所需的输入电源电压；
当所述功率放大器操作在包络消除与恢复(EER)模式或包络跟 踪(ET)模式中时，控制所述降压型开关模式电源以操作在较高的开关 频率，并且当所述功率放大器操作在线性模型中时，控制所述降压型开 关模式电源以操作在较低的开关频率。
本发明的另 一个方面是在计算机可读媒介上实现的计算机程序， 所述计算机程序包括用于控制处理器以执行根据本发明的各个实施例 的控制方法的程序代码。
本发明的另 一个方面是一种控制器，其包括用于体现根据本发明 的各个实施例的控制方法的装置。


本发明将在下面借助于参考附图的示例性实施例被详细地描述，
其中
图1是图解了根据本发明实施例的发射机例子的框图2是图解了根据本发明实施例的升压型开关模式电源例子的示
意图3是图解了根据本发明实施例的降压型开关模式电源例子的示
意图4是图解了根据本发明实施例的用于控制升压型开关模式电源 的控制算法例子的流程图；以及
图5是图解了根据本发明实施例的用于控制降压型开关模式电源 控制算法例子的流程图。
具体实施例方式
参见图1，示出了示例性射频发射机(TX)电路的框图，其中， 通过级联升压和降压开关才莫式电源(SMPS) 2、 3从电池1向功率》文大 器(PA) 4、 5提供电源电压。
电池1向根据本发明实施例的升压型开关模式电源2提供电池电 AVbatt。电池可以是适于便携设备的任何类型的电池，例如锂电池或镍
镉电池。取决于应用和所选择的电池技术，电池电压Vbatt可以具有任何
低压值。典型的电池电压可以是大约3伏特或更低，乃至2.5伏特或更低。
升压开关模式电源2从电池电压Vbatt上转换到电源电压V2,其将
电压水平升高到降压型开关模式电源3。升压开关模式电源还可能包括
旁路功能，其不通过升压，绕开电池电压Vbatt以形成到降压型开关模式
电源3的电源电压V2。升压开关模式电源2还可以包括如下所述的分 段的晶体管开关。升压电容器C1过滤来自升高电压V2的高频干扰。
降压型开关模式电源3从电源电压V2下转换用于射频功率放大 器(PA) 4和5的电源电压V!。降压型开关模式电源3也可以包括将 如下所述的分段的晶体管开关。通过调制连接到PA 4和5的集电极的 它们的电源电压V！，降压SMPS 3可以提供用于PA 4和5的偏置控制。 为此目的，发射机电路中的PA电源电压控制单元6可以向降压SMPS 3 提供PA电压控制信号。例如，对于包络消除与恢复(EER)技术、包 络跟踪(ET)技术或功率电平跟踪(PT),来自控制单元6的PA电压 控制信号可以表示从调制信号中导出的包络信息，因此电压控制信号促 使降压SMPS 3调制电源电压V,。在一个实施例中，当降压SMPS3有 内部占空比生成器时，降压SMPS3可以直接用占空比信息(命令)来 控制。在另一个实施例中，具有希望占空比的所需控制信号被发送到降 压SMPS3中的开关驱动器的输入。
现今，移动通信设备往往是支持两个或多个频带和调制格式(例 如，GSM、 EDGE、 CDMA、 WCDMA)的多才莫式和多频带的设备。尽
13可能少地使用射频功率放大器是合乎逻辑的，但是一般来说，即使在同 一射频模块内部并且甚至实现在同一芯片上实现放大器，至少低频频带
(例如用于GSM/EDGE/WCDMA的900 MHz频带)和高频频带(例如 用于GSM/EDGE/WCDMA的1800/1900 MHz频带)也使用不同的射频 功率放大器。在图1中所示的实施例中有两个射频功率放大器(PA), 用于一个或多个系统(例如GSM、 CDMA、 WCDMA)的高频频带(例 如，1800/1900 MHz )的RF PA 4,以及用于一个或多个系统(例如GSM、 CDMA、 WCDMA)的低频频带(例如900 MHz)的RF PA 5。然而， 本发明不是意在受限于这个功率放大器的数量，而是可以借助于一个功 率放大器来实现所有频带，或者可能存在更多具有专用频带的功率放大 器。还应当理解，所提及的移动通信系统和频带仅仅是一些示例，而本 发明能够被应用于任何移动通信系统和频带。
功率放大器可以有多种不同的操作模式，例如用于包络跟踪(ET) 和功率跟踪(PT)操作的线性模式，以及用于EER操作的压缩模式。 对于不同的蜂窝系统和频带来说，所需的传输输出功率是不同的。例如， 对于GSM900系统来说，所需的最大输出功率可以是2W或33dBm，对 于GSM1800系统来说，所需的最大输出功率可以是1W (30dBm),而 对于两个频带上的WCDMA来说，所需的最大输出功率可以是平均的 24 dBm。如果RF PA的输出匹配是固定的(也可能是可切换的)，则 RF PA通常被设计使得用某个集电极电压(例如4.5V)获得最大希望功 率。当需要降低功率时可以降低该集电极电压，并且这可以用降压转换 器来实现。此外，最大输出功率下所需的电流量对于高频频带来说更少
(在上面的例子中是1W比2W)。因为相同的开关模式电源馈送在不 同频带中操作的PA，并从而向他们馈送不同的传输功率，所以需要针 对最大负载设计SMPS (在上面的例子中，馈送GSM900频带需要2W 的最大功率)。当使用另一个PA或另一个调制或较低的输出功率时， SMPS的效率不是最佳的。
根据本发明实施例，降压型SMPS或升压型SMPS或其二者可以 被配置成分段的SMPS。换言之，可以用并联的晶体管而不是单个晶体管来实现晶体管开关，因此根据每个特定时刻的负载有选择地使用一部 分或全部的并联晶体管并因此而降低电容性开关损耗是可能的。
图2中示出了一个根据本发明实施例的分段的旁路升压开关模式
电源(SMPS)的示例示意图。输入节点A处的来自电池1的电池电压
VBATT被耦合到升压电感Lb。。a的一端，其另一端被耦合到电路节点B。
电压表26可以被提供用于测量电池电压，并且用于经由控制总线/线路 9将测量结果转发给控制单元8。例如，并联的高端开关BHSW1和 BHSW2耦合在节点B和输出节点C之间，并联的低端开关BLSW1和 BLSW2连接在节点B和地电势之间。旁路开关BPSW1还可以连接在 输入节点A和输出节点C之间，以便有选择地绕过升压电感U。。st以及 高端开关BHSW1和BHSW2,并且从而将电池电压VBArr直接耦合到降 压SMPS3。开关BHSW1、 BHSW2、 BLSW1、 BLSW2和BPSW1的控 制输入受来自开关驱动器21的各个控制信号的控制。取决于根据升压 分段选择控制输入选择的升压分段模式，开关驱动器21在具有预定开 关频率的脉宽调制(PWM)信号的控制下闭合(传导的)和断开(非 传导的)选择的升压开关BHSW1、 BHSW2、 BLSW1和BLSW2 。开 关频率由开关频率生成器生成，例如图2中的锯齿波形生成器22。开关 频率可以由升压频率控制信号来设定。来自生成器22的锯齿波形可以 被应用到比较器23的第一输入，例如Smith触发器。输出节点C处的 电压V2经由反馈网络24被耦合到又一个比较器25的第一输入。确定 期望升压V2的升压控制信号被应用到比较器25的第二输入。因此，比 较器25的输出电压与期望升压和实际输出电压V2之间的差值成正比， 并且它被应用到比较器23的第二输入。每当锯齿波形的电平超过来自 比较器25的输出电压时，来自比较器23的输出的状态发生变化。由此 提供了PWM信号，其频率由锯齿波信号的频率设定，其占空比由期望 升压和实际升压V2之间的差值来设定。如果旁路开关BPSW1被闭合， 并且升压SPMS被绕过，则所有升压开关BHSW1、 BHSW2、 BLSW1 和BLSW2可以:帔断开，或者高端开关BHSW1和BHSW2可以被保持 闭合以便降低从电池到输出的总电阻，这是因为电流流过高端开关和旁
15路开关。后一种布置允许将旁路开关的规模调整得较小，由此节省了集 成实施中的芯片面积。通过来自发射机控制单元8的控制总线/线路9 ， 可以获得升压分段选择、升压频率控制和升压控制。应该理解，这仅仅 是实现开关驱动和控制的许多可能方法中的 一 个例子。
在本发明的一个实施例中，升压SMPS 2可以;陂配置成具有三个 分段模式。在第一分段模式中，选择所有的开关BHSW1、 BHSW2、 BLSW1和BLSW2。在第二分段模式中，选择开关BHSW1和BLSW1。 在第三分段模式中，选择了开关BHSW2和BLSW2。当使用场效应晶 体管(FET)时，开关BHSW1、 BHSW2、 BLSW1和BLSW2的可能大 小调整的一个例子可以如下。如果最大电流所需的FET尺寸是W = 21 mm(其中，W是沟道宽度，其值取决于所需的开关电阻)，则这个最 大尺寸可以在两个并联的FET之间分割，因此第一FET(例如，BHSW1 和BLSW1 )具有尺寸W = 14mm,而第二 FEIt例如，BHSW2和BLSW2 ) 具有尺寸W = 7mm。因此，在第一分段模式中，当两个并联开关BHSW1 和BHSW2，或BLSW1和BLSW2分别被激活时，并联开关的总有效宽 度是21mm。在第二分段模式中，当在每对并联开关中只选择较大的开 关BHSW1和BLSW1时，有效尺寸是14mm。类似地，在第三分段模 式中，当在每对并联开关中只选择较小的开关BHSW2和BLSW2时， 有效尺寸是7mm。结果，与第一分段模式，即满负载有关，驱动损耗 在第二分段模式中被降低到两个3fd，在第三分段模式中被降低到一个 3rd。应该理解，本发明不是意在受限于上面例子中给出的大小调整，而 是可以例如取决于并联开关的数量、期望分段模式的数量以及不同负载 的类型和数量自由地为每个应用选择大小调整。
此外，应当理解可以为每个应用自由选择不同分段模式的数量。 在本发明的一个实施例中，根本不存在升压开关的分段，而是实现了旁 路开关。在本发明的一个实施例中，图2中所示的升压SMPS2可以被 配置成具有两个分段模式。根据上述的示例性大小调整，在第一分段模 式中可以选择所有的开关BHSW1、 BHSW2、 BLSW1和BLSW2，而在 第二分段模式中可以选择开关BHSW1和BLSW1或者开关BHSW2和BLSW2。作为另一个例子，如果开关BHSW1和BLSW1对于满负载被 调整大小(例如，W = 21mm)并且开关BHSW2和BLSW2对于半负载 被调整大小(例如，W-10mm)，则可以在第一分段模式中选择BHSW1 和BLSW1，在第二分段模式中选择BHSW2和BLSW2。在大多数应用 中，两个或三个分段模式与额外控制的复杂度和成本相比提供了足够的 性能改善。
在图3中，示出了根据本发明实施例的分段降压开关模式电源 (SMPS)的示例示意图。来自升压SMPS 2的电压V2 (即升高的电压 或绕过的电池电压VBATT)在输入节点D ^L输入到降压SMPS 3。例如， 并联的高端开关BUHSW1和BUHSW2耦合在节点D和节点E之间， 并联的低端开关BULSW1和BULSW2连接在节点E和地电势之间。降 压电感Lbuck连接在节点E和输出节点F之间。降压电容器C2连接在节 点F和地电势之间。开关BUHSW1、 BUHSW2、 BULSW1和BULSW2 的控制输入受来自开关驱动器31的各个控制信号的控制。取决于根据 降压分段选择控制输入而选择的降压分段模式，开关驱动器31在具有 预定开关频率的脉宽调制(PWM)信号的控制下闭合(传导的)并且 断开(非传导的)选择的升压开关BUHSW1、 BUHSW2、 BULSW1和 BULSW2中的一些。开关频率由开关频率生成器来生成，例如锯齿波形 生成器32。开关频率可以由降压频率控制信号来设定。来自生成器32 的锯齿波形可以被应用到比较器33的第一输入，例如Smith触发器。 输出节点F处的电压V,经由反馈网络34耦合到又一个比较器35的第 一输入。来自PA电压控制电路6的包络或电压控制信号可以被应用到 比较器35的第二输入。因此，比较器35的输出电压与包络信息(表示 期望的降压电压)和实际输出电压V,之间的差值成正比，并且它^L应 用到比较器33的第二输入。每当锯齿波形的电平超过来自比较器35的 输出电压时，来自比较器33的输出的状态发生变化。由此提供了 PWM 信号，其频率由锯齿波信号的频率设定，其占空比由期望的降压和实际 的降压V，之间的差值来设定。通过来自发射机控制单元8的控制总线/ 线路9可以获得降压分段选择和降压频率控制。应该理解，这只是实现
17开关驱动和控制的许多可能方法中的 一 个例子。
在本发明的一个实施例中，降压SMPS 3可以被配置成具有三个 刀估^f7— 刀十"r穴工、T , "^iii亍厂'l吓J /|入 i3uraovvi、 ！3unovv厶、
BULSW1和BULSW2。在第二分段模式中，选择开关BUHSW1和 BULSW1。在第三分段模式中，选择开关BUHSW2和BULSW2。开关 BUHSW1、 BUHSW2、 BULSW1和BULSW2的可能大小调整的一个例 子类似于与图2中的升压SMPS2有关所述的例子。然而，应该理解本 发明不是意在受限于那个例子中给出的大小调整，而是可以取决于并联 开关的数量、期望的分段模式的数量、不同负栽的类型和数量自由地为 每个应用选择大小调整。
还应当理解，以类似于与图2中的升压SMPS2有关所述的方式， 可以自由地为每个应用选择不同分段模式的数量。因此，在本发明的一 个实施例中，图3中所示的降压SMPS3可以被配置成具有两个分段模 式。根据上述的示例性的大小调整，在第一分段模式中可以选择所有开 关BUHSW1、 BUHSW2、 BULSW1和BULSW2,而在第二分段模式中 可以选择开关BUHSW1和BULSW1或者开关BUHSW2和BULSW2。 作为另一个例子，如果开关BUHSW1和BULSW1对于满负载被调整大 小(例如，W = 21mm)并且开关BUHSW2和BULSW2对于半负载被 调整大小(例如，W=10mm),则可以在第一分段模式中选择BUHSW1 和BULSWl,而在第二分段模式中选择BUHSW2和BULSW2。在大多 数应用中，两个或三个分段模式与额外控制的复杂度和成本相比提供了 足够的性能改善。
频率控制允许对于不同模式改变升压SMPS 2和降压SMPS 3的 开关频率。诸如使用EER、 ET或PT的那些模式之类的一些模式需要相 对较高的开关频率以实现所需要的精确度。高开关频率以较高的开关损 耗降低了效率(切换级的寄生电容及其控制门以开关频率充电和放电)。 因此，可以通过在可能的模式中降低开关频率来改善效率。在本发明的 一个实施例中，频率控制还可以包括抖动模式，其中，频率逐个循环地 随机改变。抖动将开关频率虚假地扩展在更宽的频带上，并因此降低了平均激励杂散(spur)功率密度。
才艮据本发明的实施例，级联连接的升压SMPS 2和降压SMPS 3受到控制，因此为各种负载和传输功率电平保持了高效率。可以基于发射机的操作模式控制升压SMPS 2和降压SMPS 3,例如实际电池电压、所需输出功率、选择的频率频带、选择的射频功率放大器(PA)、选择的传输信号调制方法，和/或诸如包络消除与恢复(EER)技术、包络跟踪(ET)技术、或功率电平跟踪(PT)之类的选择的PA电压控制方法。
例如，在本发明的一个实施例中，因为开关损耗直接取决于信号
摆动的电压范围，所以升压SMPS 2可以在电池电压VBATT超过PA实
际所需集电极电压的某个量时被断开并且置入旁路模式，以便降低开关损耗并增强效率。
取决于所选择的频带和操作模式，PA采用的供电电流对于相同的集电极电压来说可以是不同的。例如，在最大功率电平处对于GSM900传输需要最高的供电电流，并且由此在升压SMPS2和/或降压SMPS3中可以选择启用强电流的第一分段模式。对于WCDMA，例如，最大电流和所需的电压更少。因此，用标称电池电压，升压SMPS2可以对于所有WCDMA功率电平被绕过，和/或可以在降压SMPS 3中选择第二或第三分段模式以增强效率。
作为又一个例子，根据本发明实施例，如果根据功率电平控制WCDMAPA集电极电压(PT技术)，则降压SMPS3的开关频率可以被减小以降低开关损耗，因为电压不需要快速变化并且当在诸如PT之类的操作的线性模式中使用时，PA对集电极电压中的波动也不那么敏感。另一方面，如果根据EER或ET技术控制GSMPA集电极电压，则降压SMPS 3需要更高的精确度和更高的开关频率。
在下面，描述了根据本发明实施例的发射机的操作和升压和降压SMPS的控制的例子。
发射机的控制可以从发射机控制单元8提供，发射机控制单元可以通过控制诸如蜂窝电话之类的无线通信设备的整体操作的控制单元来实现。控制单元8可以为多模式多频带的无线通信设备选择操作模
式，并且因此配置射频功率放大器4和5以及发射机前级IO。
77—/工Mv丄rb z w37i穴Dno w丄、bri;5vVz、 dl。 w i々w r>Low^ ka及降压SMPS 3的开关BUHSW1、 BUHSW2、 BULSW1和BULSW2 —般来il只在无线电突发传输期间被启用，否则^皮停用。所以，RFPA4和5只可以在无线电突发期间被激励。
当发射机(TX)需要启动时，第一步是启动升压SMPS2。然后，降压SMPS 3被启动，来自PA电压控制单元6的所需控制电压被设定。PA电压控制单元6可以包括数模转换器(DAC )以用于将数字电压控制值转换成模拟信号。例如，写到DAC的数字电压控制值的范围可以从0到2048，凭此，值2048可以给出一个来自降压SMPS 3的4.7 V的输出电压。替换地，如果降压SMPS3具有内部占空比生成器，则直接用占空比信息(命令)控制降压SMPS3也是可能的，或者向开关驱动器31的输入发送一个具有希望占空比的所需输入信号(例如，类似于图3中的PWM信号的信号)。
根据电池电压VBATT的升压和降压SMPS的控制，选择的传输功率电平、选择的PA (选择的频带)和/或选择的模式可以如下文中参考图4和图5所描述的。
升压SMPS 2的控制
参见图4,首先在步骤41中检查发射机是否操作在EER或ET模式中。如果发射机操作在EER或ET模式中，则在步骤43，借助施加到生成器22的升压频率控制信号将升压开关频率设定为频率1 (例如，8MHz)。在本发明的一个实施例中，可以分别为EER和ET设定不同的降压开关频率1和l'。可以在ET模式中使用较低的频率1 ',因为它比EER更加线性。然而，用较高的开关频率更容易实现包络跟踪，例如用于EER的开关频率。如果发射机没有操作在EER或ET模式中，则在步骤42中，将升压开关频率设定为频率2 (例如，5MHz)。
在步骤44，在传输突发期间或者在发射机TX启动之前不久，测量电池电压VBATT。在步骤45中，检查测量的Vbatt是否低于所期望的
PA电源电压V，(例如，测功率(power scale) * 4.7V/2048 )加上降压SMPS 3需要的预置净空(例如，0.6 V )(即V2 - V,)。
如果测量的Vbatt高于所期望的PA电源电压V,加上预置净空(例如，0.6 V)，则旁路开关BPSW1被激活以将电池电压直接连接到输出节点C和降压SMPS3，步骤46。
如果测量的Vbatt低于所期望的PA电源电压V,加上预置净空(例如，0，6V)，则借助施加到比较器25的升压控制信号将升压V2的值设定为稍高于所期望的PA电源电压V,加上预置净空(例如，0，6 V)，步骤47。
在步骤48，检查调制方法是GMSK (在GSM模式中)还是WCDMA。如果调制方法是WCDMA,则升压SMPS 2被设定为第二分段模式(选择升压开关BHSW2和BLSW2)，步骤49。
如果步骤48中的调制方法是GSMK，则检查使用的是高频带PA4还是低频带PA5，步骤50,。如果使用了低频带PA5，则借助升压分段选择信号将升压SMPS2设定为第一分段模式(选择所有的升压开关)，步骤51。如果使用了高频带PA4，则升压SMPS 2被设定为第二分段模式(选择升压开关BHSW1和BLSW1 )，步骤52。
降压SMPS3的控制
参见图5,首先在步骤61中检查发射机是否操作在EER或ET模式中。如果发射机操作在EER或ET模式中，则借助施加到生成器32的降压频率控制信号将降压开关频率设定为频率1 (例如，11 MHz)，步骤63。在本发明的一个实施例中，可以分别为EER和ET设定不同的降压开关频率1和l'。可以在ET模式中使用较低的频率1 ',因为它比EER更加线性。然而，用较高的开关频率更容易实现包络跟踪，例如用于EER的开关频率。如果发射机没有操作在EER或ET模式中，则在步骤62中，假设PA操作在基本上线性的模式(这样的PT模式)中，并且将降压开关频率设定为频率2 (例如，6 MHz)。在步骤64,检查调制方法是GSMK还是WCDMA。如果调制方法是GMSK,则检查使用的是高频带PA4还是低频带PA5，步骤65。
如果使用高频带PA 4,则检查选择的测功率是否等于1300或高于1300,步骤66。这对应于具有值大约为(1300*4.7V/2048 =) 3V的PA电源电压V,。如果测功率等于或高于1300，则借助降压分段选择信号将降压SMPS3设定为第一分段模式(选择所有的降压开关)，步骤67。
如果测功率低于1300，则检查选择的测功率是否等于或高于650。这对应于具有值大约为(650*4.7V/2048 1.5V的PA电源电压V,。如果测功率等于或高于650,则降压SMPS 3被设定为第二分段模式(选择开关BUHSW1和BULSW1 ),步骤69。
如果测功率低于650,则降压SMPS 3被设定为第三分段模式(选择开关BUHSW2和BULSW2)，步骤70。
如果确定在步骤55中使用的是低频带PA 5,则检查选择的测功率是否等于或高于800，步骤71。这对应于具有值大约为(80(^4.7V/2048=)1.8V的PA电源电压V，。如果测功率等于或高于800，则借助降压分段选择信号将降压SMPS 3设定为第一分段模式(选择所有降压开关)，步骤67。
如果测功率低于800,则检查选择的测功率是否等于或高于400，步骤72。这对应于具有值大约为(400*47V/2048 = ) 0.9V的PA电源电压Vt。在步骤69,如果测功率等于或高于400,则降压SMPS3被设定为第二分段模式(选择开关BUHSW1和BULSW1 )。
如果测功率低于400,则降压SMPS 3被设定为第三分段模式(选择开关BUHSW2和BULSW2),步骤70。
如果在步骤64中确定调制方法是WCDMA,则4全查4吏用的是高频带PA4还是低频带PA5，步骤73。
如果使用的是高频带PA 4,则检查选择的测功率是否等于1400或高于1400，步骤74。这对应于具有值大约为(1400*4.7V/2048 = )3.2V的PA电源电压V,。如果测功率等于或高于1400,则借助降压分段选择信号将降压SMPS 3设定为第二分段模式(选择开关BUHSW1和 BULSW1 ),步骤75。
如果在步骤63中确定使用的是低频带PA 5,则检查选择的测功 率是否等于或高于900,步骤77。这对应于具有值大约为(90(^4.7V/2048 -) 2.0V的PA电源电压V,。如果测功率等于或高于900，则借助降压 分段选择信号将降压SMPS 3设定为第二分段模式(选择开关BUHSW1 和BULSW1),步骤75。
如果测功率低于900,则降压SMPS 3被设定为第三分段模式(选 择开关BUHSW2和BULSW2)，步骤76。
应当理解，用于模式选择切换的阈值在上面只是作为说明性的示 例给出，它们例如可以取决于每个具体发射机中使用的开关模式电源 SMPS和射频功率放大器PA而改变。 一般来说，不同制造商的射频功 率放大器可以有不同的电流和集电极电压。使用的阈值能以表格格式存 储在通信设备中。通过测量来自不同制造商的几个功率放大器以及比较 电压/电流曲线与测量的SMPS效率曲线来创建阈值表，或者可以通过 搜索最佳切换点(在那个输出电压处的最低电池电流)分别开始制作这 些表。
此外，应当理解关于图4和图5所述的示例性控制算法只意在说 明本发明，而且在不背离本发明范围的前提下可以应用各种不同的控制 算法。
可以通过各种装置来实现根据本发明的不同实施例的控制功能。 例如，这些功能或控制单元8可以用硬件(一个或多个设备)、固件(一 个或多个设备)、软件(一个或多个模块)或其结合来实现。对于硬件 实现，用于沟道估计的处理单元在一个或多个专用集成电路(ASIC)、 数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑 设备(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控 制器、微处理器、设计用于执行此处所述的功能的其他电子单元，或其 组合内实现。对于固件或软件，实施 以贯穿执行此处所述的功能的模 块(例如，过程、功能)。软件代码可以存储在存储单元中且由处理器执行。存储单元可以实现在处理器之内或之外，而在这样情况下它可以 经由本领域中所知的各种装置被通信耦合到处理器。另外，本领域技术 人员应当理解，此处所述的系统的元件可以被重新布置或者由补充元件 进行补充，以便于实现此处所述的各个方面、目标、优点等等，并且不 限于给定附图中所阐述的明确配置。
根据本发明的一些实施例，控制单元S可以是发射机控制单元8 或控制如蜂窝电话的无线通信设备整体操作的控制单元，。
根据本发明实施例的升压型和降压型开关模式电源、功率放大器 和发射机可以用分立的电子器件、 一个或多个电路芯片或分立元件和一 个或多个集成芯片的任何组合来实现。集成芯片可以使用任何适当的集
成电路制造技术，包括双极的、CMOS和双CMOS技术。
之前对公开实施例的描述被用于使任何本领域的技术人员能够 制造或者使用本发明。对这些实施例的各种修改对于本领域技术人员来 说将是显然的，并且在不背离本发明的精神或范围的前提下，此处定义 的一般原理可以被应用到其他实施例。因此，本发明不是意在受限于此 处所述的实施例，而是与符合此处公开的原理和新颖特征的最宽范围一 致。
2权利要求
1.一种控制方法，包括测量输入到向射频功率放大器提供电源电压的升压型开关模式电源和降压型开关模式电源的级联连接的电池电压；比较测量的电池电压与对应于降压型开关模式电源所需的输入电源电压的阈值；如果所述测量的电池电压超过所述所需的输入电源电压，则绕过所述升压型开关模式电源并且将所述电池电压直接耦合到所述降压型开关模式电源；如果所述测量的电池电压低于所述所需的输入电源电压，则控制所述升压型开关模式电源以便将所述电池电压升高到至少所述所需的输入电源电压；根据下列一个或多个条件，控制降压型开关模式电源以操作在至少两个分段模式中的一个模式中所述功率放大器的操作模式、所述功率放大器的频带、调制方法以及所述功率放大器的传输功率。
2. 根据权利要求1所述的方法，还包括根据下列 一个或多个条件，控制降压型开关模式电源以操作在至少 两个开关频率中的一个开关频率中所述功率放大器的操作模式、所述 功率放大器的频带、调制方法以及所述功率放大器的传输功率。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，还包括根据下列 一个或多个条件，控制升压型开关模式电源以操作在至少 两个开关频率中的一个开关频率中所述功率放大器的操作模式、所述 功率放大器的频带、调制方法以及所述功率放大器的传输功率。
4. 根据权利要求l、 2或3所述的方法，还包括根据下列 一个或多个，控制升压型开关模式电源以操作在至少两个 分段模式中的一个中所述功率放大器的操作模式、所述功率放大器的 频带、调制方法以及所述功率放大器的传输功率。
5. 根据权利要求所述的1、 2、 3和4中任意一个所述的方法，还包括控制升压型开关模式电源或升压型开关模式电源以操作在抖动模 式中，其中，开关频率逐个循环地随机改变。
6. —种在计算机可读媒介上实现的计算机程序，所述计算机程序 包括用于控制处理器以执行根据权利要求1-5中任意一个所述的方法 的程序代码。
7. —种装置，包括 至少一个射频功率放大器；升压型开关模式电源，其具有用于来自电池的电池电压的输入；降压型开关模式电源，其与所述升压型开关模式电源级联连接并且 具有用于所述射频功率放大器的电源电压输出，旁路开关，如果所述电池电压超过对应于所述降压型开关模式电源 所需输入电源电压的阈值，则所述旁路开关可控制以绕过所述升压型开 关模式电源并且将所述电池电压直接耦合到所述降压型开关模式电源；如果所述电池电压低于所述阈值，则所述升压型开关模式电源可控 制以将所述电池电压升高到至少所述所需的输入电源电压；以及根据下列一个或多个，所述降压型开关模式电源包括至少可选的两 个分段模式所述功率放大器的操作模式、所述功率放大器的频带、调 制方法以及所述功率放大器的传输功率。
8. 根据权利要求7所述的装置，其中，根据下列一个或多个条件， 所述降压型开关模式电源和所述升压型开关模式电源中的至少一个可 控制以操作在至少两个开关频率中的一个中所述功率放大器的操作模 式、所述功率放大器的频带、调制方法以及所述功率放大器的传输功率。
9. 根据权利要求7或8所述的装置，其中，根据下列一个或多个 条件，所述升压型开关模式电源可控制以操作在至少两个分段模式中的 一个中所述功率放大器的操作模式、所述功率放大器的频带、调制方 法以及所述功率放大器的传输功率。
10. 根据权利要求所述的7、 8或9所述的装置，其中，所述降压 型开关模式电源和所述升压型开关模式电源中的至少 一个可控制以操作在抖动模式中，其中，所述开关频率从逐个循环地随机改变。
11. 根据权利要求7到10中任意一个所述的装置，其中，所述降 压型开关模式电源和所述升压型开关模式电源中的至少一个包括具有 至少两个并联开关的至少两个分段模式，因此在所述分段模式的第 一个 模式中，所述两个并联开关二者都以所述开关频率闭合和断开以向所述 至少 一个功率放大器提供最大负载电流，而在所述分段模式中的第二个 模式中，所述并联开关的第 一个以所述开关频率闭合和断开。
12. 根据权利要求11所述的装置，其中，在所述分段模式的第三个模式中，所述两个并联开关的第二个以所述开关频率闭合和断开。
13. 根据权利要求11或12所述的装置，其中，所述两个并联开关 被调整大小以用于不同的负载电流。
14. 根据权利要求7到13中任意一个所述的装置，其中，所述至 少一个功率放大器包括用于第一传输频带的第一射频功率放大器和用于第二传输频带的第二射频放大器，所述第一传输频带在频域中低于第二传输频带。
15. 根据权利要求14所述的装置，其中，所述第一射频频带在所 述频域中大约位于900 MHz,所述第二射频频带在所述频域中大约位于 1800 MHz或1900 MHz。
16. 根据权利要求14或15所述的装置，其中，所述降压型开关模 式电源包括具有至少两个并联开关的至少两个分段模式，因此在所述分 段模式的第一个模式中，所述两个并联开关二者都以所述开关频率闭合 和断开到提供最大负载电流，在所述分段模式的第二个模式中，所述并 联开关的第一个以所述开关频率闭合和断开，并且其中，当使用第一调 制，使用所述第一功率放大器并且所需功率达到第一功率阈值时，或者 当使用所述第一调制，使用所述第二功率放大器并且所述所需功率达到 第二功率阈值时，所述降压型电源可控制以操作在第一分段模式中。
17. 根据权利要求16所迷的装置，其中，当使用所述第一调制， 使用所述第一功率放大器以及所需功率低于所述第一功率阈值但是高 于第三功率阈值时，或者当使用所述第一调制，使用所述第二功率放大器并且所需功率低于所述第二功率阈值但是高于第四功率阈值时，所述 降压型电源可控制以操作在所述第二分段模式中。
18. 根据权利要求17所述的装置，其中，所述降压型开关模式电 源包括第三分段模式，其中，所述两个并联开关的第二个以所述开关频 率闭合和断开，并且其中，当使用所述第一调制，使用所述第一功率放 大器并且所述所需功率低于所述第三功率阈值时，或者当使用所述第二 功率放大器并且所述所需功率低于所述第四功率阈值时，所述降压型电 源可控制以操作在所述第三分段模式中。
19. 根据权利要求16所述的装置，其中，所述功率阈值对于不同 的调制方法和/或不同的功率放大器是不同的。
20. 根据权利要求16、 17、 18或19所述的装置，其中，所述第一 调制是GMSK调制。
21. 根据权利要求16到20中任意一个所述的装置，其中，当使用 第二调制，使用所述第 一功率放大器并且所述所需功率达到第五功率阈 值时，或者当使用所述第二调制，使用所述第二功率放大器并且所述所 需功率达到第六功率阈值时，所述降压型电源可控制以操作在所述第二 分段模式中，并且其中，当使用所述第二调制，使用所述第一功率放大 器并且所述所需功率低于所述第五功率阈值时，或者当使用所述第二调 制，使用所述第二功率放大器并且所述所需功率低于所述第六功率阈值 时，所述降压型电源可控制以操作在所述第三分段;漠式中。
22. 根据权利要求21所述的装置，其中，所述第二调制是WCDMA。
23. 根据权利要求7到22中任意一个所述的装置，其中，所述升 压型开关模式电源包括具有至少两个并联开关的至少两个分段模式，因 此在所述分段模式的第一个模式中，所述两个并联开关二者都以所述开 关频率闭合和断开以提供最大负载电流，而在所述分段模式的第二个模 式中，所述并联开关的第一个以所述开关频率闭合和断开，并且其中， 当使用第一调制时，所述升压型电源可控制以操作在所述第一分段模式 中，当使用第二调制时，所述升压型电源可控制以操作在所述第二分段 模式中。
24. 根据权利要求7到22中任意一个所述的装置，其中，所述升 压型开关模式电源包括具有至少两个并联开关的至少两个分段模式，因 此在所述分段模式的第一个模式中，所述两个并联开关二者都以所述开 关频率闭合和断开以提供最大负载电流，而在所述分段模式的第二个模 式中，所述并联开关的第一个以所述开关频率闭合和断开，并且其中， 当使用第一调制和第一频带时，所述升压型电源可控制以操作在所述第 一分段模式中，而当使用第一调制和第二频带时，所述升压型电源可控 制以操作在所述第二分段模式中。
25. 根据权利要求24所述的装置，其中，所述升压型开关模式电 源包括第三分段模式，其中，所述两个并联开关的第二个以所述开关频 率闭合和断开，并且其中，当使用第二调制时，所述升压型电源可控制 以操作在所述第三分段模式中。
26. 根据权利要求24所述的装置，其中，所述第一调制是GSMK。
27. 根据权利要求25所述的装置，其中，所述第二调制是WCDMA。
28. 根据权利要求7到27中任意一个所述的装置，其中，当所述 功率放大器操作在包络消除与恢复(EER)模式或包络跟踪(ET)模式 中时，所述降压型开关模式电源或所述升压型开关模式电源可控制以便 以较高开关频率操作，并且当所述功率放大器操作在功率电平跟踪(PT) 模式中时，所述降压型开关模式电源或所述升压型开关模式电源可控制 以便以较低开关频率操作。
29. 根据权利要求28所述的装置，其中，所述开关频率对于所述 升压型开关模式电源和所述降压型开关模式电源来说是不同的。
30. 根据权利要求7到29中任意一个所述的装置，其中，所述开 关包括场效应晶体管，其电流性能由沟道宽度确定。
31. 根据权利要求7到30中任意一个所述的装置，其中，当所述 旁路开关被控制以绕过所述升压型开关模式电源时，所述升压型开关模 式电源的一个或多个升压开关被配置用于提供从所述电池到所述降压型开关模式电源的并联电流路径。
32. 根据权利要求7到31中任意一个所述的装置，其中，所述升压型开关模式电源、所述降压型开关模式电源和所述功率放大器用分立 的电子元件、用一个或多个电路芯片、或者用分立的电子元件和一个或 多个集成芯片的任何组合来实现。
33. 根据权利要求7到32中任意一个所述的装置，包括控制器， 用于控制升压型开关模式电源和降压型开关模式电源。
34. 根据权利要求33所述的装置，其中，所述控制器用硬件、固 件、软件或其组合实现。
35. 根据权利要求7到34中任意一个所述的装置，其中，所述装 置用射频发射机实现。
36. 根据权利要求7到35中任意一个所述的装置，其中，所述装 置用无线通信设备实现。
37. —种控制方法，包括提供升压型开关模式电源和降压型开关模式电源的级联连接，以从 电池电压向射频功率放大器提供电源电压；控制所述升压型开关模式电源以将所述电池电压升高到至少所述 降压型开关模式电源所需的输入电源电压；根据下列 一个或多个条件，控制降压型开关模式电源以操作在至少 两个分段模式中的一个模式中所述功率放大器的操作模式、所述功率 放大器的频带、调制方法以及所述功率放大器的传输功率。
38. 根据权利要求37所述的方法，还包括根据下列 一个或多个条件，控制降压型开关模式电源以操作在至少 两个开关频率中的一个开关频率中所述功率放大器的操作模式、所述 功率放大器的频带、调制方法以及所述功率放大器的传输功率。
39. 4艮据权利要求37或38所述的方法，还包括根据下列 一个或多个条件，控制升压型开关模式电源以操作在至少 两个开关频率中的一个开关频率中所述功率放大器的操作模式、所述 功率放大器的频带、调制方法以及所述功率放大器的传输功率。
40. 根据权利要求37、 38或39之一所述的方法，还包括根据下列 一个或多个条件，控制升压型开关模式电源以操作在至少两个分段模式中的一个中所述功率放大器的操作模式、所述功率放大 器的频带、调制方法以及所述功率放大器的传输功率。
41. 一种控制方法，包括「提供升压型开关模式电源和降压型开关模式电源的级联连接，以从 电池电压向射频功率放大器提供电源电压；控制所述升压型开关模式电源以将所述电池电压升高到至少所述 降压型开关模式电源所需的输入电源电压；当所述功率放大器操作在包络消除与恢复(EER)模式或包络跟踪 (ET)模式中时，控制所述降压型开关模式电源以操作在较高的开关频 率，并且当所述功率放大器操作在线性模型中时，控制所述降压型开关 模式电源以操作在较低的开关频率。
42. 根据权利要求41所述的控制方法，其中，用于所述包络跟踪 (ET)的所述开关频率相同或低于用于所述包络消除与恢复(EER)的开关频率，但是高于用于所述线性模式的所述开关频率。
43. 根据权利要求40或42所述的控制方法，其中，所述线性模式 包括功率电平跟踪(PT)模式。
44. 一种在计算机可读媒介上实现的计算机程序，所述计算机程序 包括程序代码，用于控制处理器执行根据权利要求36到43中任意一个 所述的方法。
45. —种控制器，包括用于实现根据权利要求1到6和36到43中 任意 一 个所述的控制方法的装置。
46. 根据权利要求45所述的控制器，其中，所述装置用硬件、固 件、软件或其组合实现。
全文摘要
在电池供电的无线发射机设备中用于射频(RF)功率放大器的开关模式电源(SMPS)及其控制方法。根据本发明的实施例，控制级联连接的升压型SMPS和降压型SMPS，因此为各种负载和传输功率电平提供了高效率。可以基于发射机的操作模式控制升压SMPS 2和降压SMPS，例如实际电池电压、所需输出功率、选择的频率频带、选择的射频功率放大器(PA)、选择的传输信号调制方法，和/或诸如包络消除与恢复(EER)技术、包络跟踪(ET)技术、或功率电平跟踪(PT)之类的选择的PA电压控制方法。
文档编号H03F1/02GK101689806SQ200880023159
公开日2010年3月31日 申请日期2008年5月6日 优先权日2007年5月7日
发明者S·玛尔托雅尔维 申请人:诺基亚公司