专利名称：一种并联结构包络线跟踪电源的制作方法
技术领域：
本发明属于通信及功率变换领域，特别涉及一种应用于无线通信基站供电系统的并联结构包络线跟踪电源。
背景技术：
身处信息时代，人们对信息的依赖程度越来越大，随时随地取得迅速可靠的通信，即所谓的移动通信，成为人们不断追求的目标。移动通信技术发展至今经历了三个阶段第一代移动通信系统使用模拟式频分多址技术，这在1980年代是一项具有重大意义的革新。但模拟式通信系统容量相对较小，业务类型也比较单一，仅限于语音服务，因此在经历了短暂的辉煌后迅速被第二代移动通信所取代。从第二代开始，移动通信技术采用数字化的处理方式，它克服了传统模拟式的缺点，系统容量得到扩大，并且可以支持一定速率的数据传输。其中典型的频移键控和相移键控采用矩形数据脉冲，其射频(Radio Frequency,RF)信号的包络线是恒定的，此时采用非线性的功率放大器(Power Amplifier,PA)可以对信号实现高效的放大。但是，这类“恒包络”的调制方式所导致的频谱延展将占用较大的频带，因此它们比较适合低数据率和相对宽松的频带要求场合。随着移动通信用户的迅猛增长，现有的系统容量已不能满足要求。同时，人们对数据传输率要求的进一步提高以及数据传输类型的多样化等要求也促成了第三代(3G)移动通信的产生。以正交相移键控和正交幅值调制为典型代表，第三代移动通信采用整形化的数据脉冲，需要对数据波形的幅值和相位同时进行调制。同时，与多载波技术相结合，数据脉冲的包络线不再恒定不变。若此时仍然使用恒定电压为PA供电，则会产生较大的功率损耗，降低整个系统的效率。例如，对手机基站而言，PA占用着其中50%的功率使用量，而其恒压供电时效率只有15%左右，这造成了极大的能源浪费。因此，较优化的供电策略应该是电源电压幅值跟随RF输入信号包络线的变化而变化，即采用包络线跟随供电方式。据相关研究报道，对一个包含20000个基站的欧洲典型通信网络而言，在3G通信时采用包络线跟随的供电方式，将比传统的供电方式每年节省28MW的功率消耗和3000万美元的电费开支，并可减少11万吨的C02排放量。现阶段，国际电信联盟确定的3G主流无线接口标准主要有WCDMA，CDMA2000和TD-SCDMA三种，而无论采用哪种标准，其RF输入信号都具有多载波和非恒定包络的共同特点。因此，包络线跟踪电源具有广阔的应用前景和巨大的社会、经济价值，同时对保护环境和减弱温室效应也具有重要的现实意义。基于前述分析，本发明人针对包络线跟踪电源技术进行深入研究，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种并联结构包络线跟踪电源，其主要针对开关变换器与AB类线性放大器，采用输出电压全前馈的控制方法，提高系统效率。为了达成上述目的，本发明的解决方案是—种并联结构包络线跟踪电源，包括开关变换器、AB类线性放大器和全前馈控制电路，其中，开关变换器采用Buck变换器或同步整流Buck变换器，全前馈控制电路包括电流采样电路、电流调节器、比例微分前馈电路、反相器、加法器、PWM调制器和驱动电路；电流采样电路检测AB类线性放大器的输出电流，并将其与电流基准信号进行比较，将误差信号送入电流调节器；比例微分前馈电路的输出信号经过反相器，与电流调节器的输出信号由加法器进行加法运算后送入PWM调制器，再经由驱动电路得到开关变换器的驱动信号。上述开关变换器采用同步整流Buck变换器，包括两个开关管和一个电感，所述第一开关管的漏极用于输入电压，源极分别连接第二开关管的漏极和电感的一端，所述第二开关管的源极接地，电感的另一端用于输出电压，该电感的另一端还经由一负载电阻接地； 所述电感的另一端与AB类线性放大器的输出端连接。上述开关管为MOSFET或三极管。 上述变换器采用Buck变换器，包括一个开关管、一个二极管和一个电感，所述开关管的漏极用于输入电压，源极分别连接二极管的阴极和电感的一端，所述二极管的阳极接地，电感的另一端用于输出电压，该电感的另一端还经由一负载电阻接地；所述电感的另一端与AB类线性放大器的输出端连接。采用上述方案后，本发明与现有技术相比，其主要特点如下采用输出电压全前馈控制方法，完全消除输出电压对线性放大器输出电流的影响，大幅减小线性放大器输出电流的有效值，提高系统效率。
图I是并联结构包络线跟踪电源的系统结构示意图及全前馈控制电路图；图2是未加入全前馈控制电路的系统控制框图；图3是未加入全前馈控制电路的主要工作波形；图4是加入全前馈控制电路的系统控制框图；图5是全前馈控制电路的主要工作波形。上述附图中的主要符号名称其中Vin是Buck变换器的输入电压，Q1A2为开关管， L是滤波电感，Rl是负载电阻。isw是Buck变换器的输出电流，iline是AB类线性放大器的输出电流，i。是负载电流，V。是输出电压，iMf是全前馈控制电路的电流基准信号。\是电流调节器的输出电压，vc是调制波电压。Ql t和Q2 t分别为开关管Q1和Q2的驱动信号。Rp R2> R3> R4为比例微分前馈电路中的电阻，C1为其中的电容。R5、R6为加法器电路中的电阻。 Hi是AB类线性放大器的电流采样系数，Kpwm是PWM调制器的传递函数。
具体实施例方式以下将结合附图，对本发明的实现过程进行详细说明。如图I所示，本发明提供一种并联结构包络线跟踪电源，包括开关变换器、AB类线性放大器和全前馈控制电路，其中，开关变换器主要是指Buck变换器或同步整流Buck变换器两种类型，本实施例中是以同步整流Buck变换器为例进行说明的；本发明主要是由AB类线性放大器控制输出电压，保证输出电压的线性度；采样AB类线性放大器的输出电流，并与基准电流进行比较，以脉宽调制(PWM)方式调节Buck变换器或同步整流Buck变换器的占空比，控制开关动作，让其提供绝大部分的负载功率；同时引入全前馈控制电路，消除输出电压对AB类线性放大器输出电流的影响，提高系统效率。配合图I所示，所述AB类线性放大器采用电压源型输出，其作用是控制输出电压波形。当开关电源的电流不足以提供负载电流时，AB类线性放大器提供不足部分电流；反之，当开关电源的电流大于负载电流时，其吸收多余部分电流。所述全前馈控制电路包括电流采样电路、电流调节器、比例微分前馈电路、反相器、加法器、PWM调制器和驱动电路，其中，电流采样电路检测AB类线性放大器的输出电流iliM，将它与电流基准信号iMf进行比较，其误差信号送入电流调节器；比例微分前馈电路的输出信号经过反相器，与电流调节器的输出信号由加法器进行加法运算后送入PWM调制器，从而得到两路驱动信号Qut和 Q2—当iline大于Uf时，电流调节器的输出减小，则加法器的输出V。变大，使Buck变换器Q1管的占空比变大，以提供更多的负载电流，从而使iline减小；反之，如果iline小于iMf，则使Buck变换器的占空比变小，iline相应增大。电流控制的目的是使iliM尽量小，由于isw+iliM = i。，而在纯阻性负载条件下，i0由AB类线性放大器所控制的输出电压V。所确定。因此iliM尽量小，意味着isw幅值和相位都能很好地拟合i。，即实现由Buck变换器提供绝大部分负载功率，而AB类线性放大器只处理纹波电流的目的，从而大幅提高系统效率。因此这里将iline的基准设置为零。图2给出了未加入前馈控制电路的系统控制框图，其中Hi为电流采样系数，Gcd(S)为电流调节器的传递函数，Kpwm为PWM调制器的传递函数，其表达式为^pwm =TTl⑴
m式中，Vin为输入电压，Vm为锯齿波的幅值。根据图2可得AB类线性放大器输出电流iliM的频域表达式为
丄丄iHne ⑷=去 7^7 · Kef O) + R\ ^ · ' O)(2)
Hi I+ TJ1 + 7J其中，Ti = (Hi · Gci · KpJ/(sL)，为环路增益，s表示在复频域内运算，即sL表示电感L在复频域内的阻抗。由式⑵可知，V。到ilin的传递函数，也即AB类线性放大器闭环负载导纳的表达式为
丄丄其中，Υι { = γ^ψ(4)Ysw { = Y^(5)对AB类线性放大器而言，负载电阻和Buck变换器并联在其输出端，可以看成是它的两个负载。因此，Yw(S)和Ysw(S)实际上是分别由负载电阻和Buck变换器部分引起的负载导纳。图3给出了为未加入全前馈控制电路时的关键工作波形。很明显，由于负载导纳YLd(s)和Ysw(S)的存在，Buck变换器的输出电流isw滞后于负载电流i。一个较大的相位，这使得AB类线性放大器输出电流iliM中包含一个较大的基波电流分量，严重影响了系统的效率。为了消除AB类线性放大器负载导纳的影响，分别引入输出电压比例前馈和微分前馈，将AB类线性放大器的负载导纳减小为零。图4给出了加入全前馈控制电路的系统控制框图，由图可得到AB类线性放大器电流的频域表达式
权利要求
1.一种并联结构包络线跟踪电源，其特征在于包括开关变换器、AB类线性放大器和全前馈控制电路，其中，变换器采用Buck变换器或同步整流Buck变换器，全前馈控制电路包括电流采样电路、电流调节器、比例微分前馈电路、反相器、加法器、PWM调制器和驱动电路；电流采样电路检测AB类线性放大器的输出电流，并将其与电流基准信号进行比较，将误差信号送入电流调节器；比例微分前馈电路的输出信号经过反相器，与电流调节器的输出信号由加法器进行加法运算后送入PWM调制器，再经由驱动电路得到开关变换器的驱动信号。
2.如权利要求I所述的一种并联结构包络线跟踪电源，其特征在于所述开关变换器采用同步整流Buck变换器，包括两个开关管和一个电感，所述第一开关管的漏极用于输入电压，源极分别连接第二开关管的漏极和电感的一端，所述第二开关管的源极接地，电感的另一端用于输出电压，该电感的另一端还经由一负载电阻接地；所述电感的另一端与AB类线性放大器的输出端连接。
3.如权利要求2所述的一种并联结构包络线跟踪电源，其特征在于所述开关管为 MOSFET或三极管。
4.如权利要求I所述的一种并联结构包络线跟踪电源，其特征在于所述开关变换器采用Buck变换器，包括一个开关管、一个二极管和一个电感，所述开关管的漏极用于输入电压，源极分别连接二极管的阴极和电感的一端，所述二极管的阳极接地，电感的另一端用于输出电压，该电感的另一端还经由一负载电阻接地；所述电感的另一端与AB类线性放大器的输出端连接。
全文摘要
本发明公开一种并联结构包络线跟踪电源，包括开关变换器、AB类线性放大器和全前馈控制电路，其中，开关变换器采用Buck变换器或同步整流Buck变换器，全前馈控制电路包括电流采样电路、电流调节器、比例微分前馈电路、反相器、加法器、PWM调制器和驱动电路；电流采样电路检测AB类线性放大器的输出电流，并将其与电流基准信号进行比较，将误差信号送入电流调节器；比例微分前馈电路的输出信号经过反相器，与电流调节器的输出信号由加法器进行加法运算后送入PWM调制器，再经由驱动电路得到开关变换器的驱动信号。此结构主要针对开关Buck变换器与AB类线性放大器，采用输出电压全前馈的控制方法，提高系统效率。
文档编号H02M3/156GK102624231SQ20121010454
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月10日 优先权日2012年4月10日
发明者熊小玲, 郗焕, 金茜, 阮新波 申请人:南京航空航天大学