一种具有动态供电功能的包络线跟踪电源

1.本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种具有动态供电功能的包络线跟踪电源。


背景技术：

2.在老一代移动通信技术中，射频输入信号的幅值是不变的，即这种射频信号拥有恒定的包络线作为射频功率放大器的供电参考，可直接采用恒压输出的静态供电模式。但随着第五代通信技术的到来，射频输入信号的频率和幅值均处于动态变化中，信号的峰均比也呈增大趋势。这种复杂的射频输入信号不再拥有恒定的包络线，这种变包络线的特性对射频功放的供电系统提出了更高的要求。同时也对信号带宽和频谱利用率也提出了更高的要求。对变包络的射频输入信号而言，传统的静态供电电压与变包络线电压间形成的压差会造成较大的功放损耗，因此，需要通过包络线跟踪电源提供动态供电电压。包络线跟踪电源可根据功率及指标要求选择不同的电路拓扑，为了同时兼顾开关电源高效率特点和线性电源的高精度特点，包络线跟踪电源中一般将二者以串联或并联等方式结合起来，同时兼顾二者的优点。另外，在这种多路同时进行跟踪放大动作的电路中，需要严格把控各个环节在跟踪放大过程中的延时问题，否则将大大降低系统效率，该延时问题对包络线跟踪电源的设计提出了更高的要求。


技术实现要素：

3.本发明目的在于提供一种具有动态供电功能的包络线跟踪电源，以解决传统的静态供电电压与变包络线电压间形成的压差会造成较大的功放损耗，包络线跟踪电源中开关环节和线性环节在跟踪放大过程中延时的技术问题。
4.为解决上述技术问题，本发明的一种具有动态供电功能的包络线跟踪电源的具体技术方案如下：一种基于数字同步采样的具有动态供电功能的包络线跟踪电源，包括开关环节电路、线性环节电路、数字控制器、模拟控制器、负载、跟踪信号及直流电源dc；所述开关环节电路和线性环节电路的输出端同时和后级负载相连，开关环节电路和线性环节电路呈并联结构；所述开关环节电路输入端连接至直流电源dc，输出端连接至负载，所述线性环节电路输入端连接至直流电源dc，输出端连接至负载，所述开关环节电路的控制信号由数字控制器的输出端给出，所述线性环节电路的控制信号由模拟控制器的输出端给出，所述模拟控制器的参考信号直接由跟踪信号输出端给出，所述数字控制器的参考信号由数字控制器的同步采样端口对跟踪信号进行同步采样得到，所述开关环节电路的输出电流在电流控制环路的控制下，实现对包络线的快速跟踪。
5.进一步的，所述开关环节电路包括第一开关管s1、第二开关管s2、功率电感l2、第一滤波电容c1、第二滤波电容c2、第一滤波电感l1、负载r1和第一直流电压源v1；所述第一开关管s1的源极和第二开关管s2的漏极与功率电感l2的一端相连，所述功率电感l2的另一
端和负载r1相连，所述负载r1的另一端和参考地平面相连，所述第一开关管s1和第二开关管s2的栅极和栅极驱动信号的生成电路相连，所述第一滤波电感l1的一端同时与第一滤波电容c1和第一直流电压源v1的阳极相连，所述第一滤波电感l1的另一端同时与第二滤波电容c2和第一开关管s1的漏极相连，所述第二开关管s2的源极、第二滤波电容c2的另一端、第一滤波电容c1的另一端、第一直流电压源v1的阴极同时与参考地平面相连。
6.进一步的，所述线性环节电路包括第一线性管t1、第二线性管t2、第一偏置二极管d1、第二偏置二极管d2、恒流源i1、第三滤波电容c3、第四滤波电容c4、第三滤波电感l3、第二直流电压源v2；所述恒流源i1的一端和第一线性管t1的集电极、第三滤波电感l3、第四滤波电容c4相连，所述恒流源i1的另一端同时与第一线性管t1的基极和第一偏置二极管d1的阳极相连，所述第三滤波电感l3的另一端同时与第三滤波电容c3和第二直流电压源v2的阳极相连，所述第二直流电压源v2的阴极、第三滤波电容c3的另一端、第四滤波电容c4的另一端同时与参考地平面相连，所述第一偏置二极管d1的阴极和第二偏置二极管d2的阳极相连，所述第二偏置二极管d2的阴极同时与第二线性管t2的基极和线性环节输入信号的生成电路相连，所述第二线性管t2的射极同时与第一线性管t1的射极和负载r1相连，所述第二线性管t2的集电极和参考地平面相连。
7.进一步的，所述恒流源i1由工作在放大区的三极管和电阻组成，用于提供稳定的直流电流，该电流流经第一偏置二极管d1和第二偏置二极管d2时产生正向压降，所述第一偏置二极管d1和第二偏置二极管d2的正向压降和第一线性管t1和第二线性管t2的开启电压保持一致。
8.进一步的，当线性环节输入信号为零时，所述第一线性管t1和第二线性管t2均处于微导通状态，当第一线性管t1和第二线性管t2特性高度一致时，线性环节电路输出也为零；当线性环节输入信号大于零时，所述第一线性管t1处于射极正偏，集电极反偏的状态，所述第二线性管t2的射极反偏，不参与此阶段的功率转换，所述线性环节电路等效为以第一线性管t1构成的共集放大电路；当线性环节电路输入信号小于零时，所述第二线性管t2处于射极正偏，集电极反偏的状态，所述第一线性管t1的射极反偏，不参与此阶段的功率转换，所述线性环节电路等效为以第二线性管t2构成的共集放大电路。
9.进一步的，当所述开关环节电路输出电流小于负载电流时，所述线性环节电路等效为以第一线性管t1构成的共集放大电路，所述线性环节电路的输出端口为第一线性管t1的射极；当开关环节电路输出电流大于负载电流时，所述线性环节电路提供反向的输出电流，所述线性环节电路等效为以第二线性管t2构成的共集放大电路，所述线性环节的输出端口为第二线性管t2的射极。
10.进一步的，所述开关环节电路的控制环路由数字控制器实现，电流采样环节通过硬件采样电路采集开关环节电路的输出电流并传递给数字控制器作为此时被控电流的实际值，同时，数字控制器通过高速采样端口对跟踪信号进行同步采样作为电流环路的电流参考信号，得到此时电流环路的误差信号，该误差信号通过电流补偿环节进行比例积分计算，计算得到的电流调制信号通过pwm调制环节得到包含占空比信息的信号级别的栅极驱动信号，该栅极驱动信号通过栅极驱动电路生成大电流级别的栅极驱动信号，用于驱动第一开关管s1、第二开关管s2，控制第一开关管s1、第二开关管s2的开通和关断。
11.进一步的，所述线性环节的控制环路由模拟控制器实现，电压采样环节通过硬件
采样电路采集线性环节的输出电压并传递给由电阻、电容和集成运放构成的模拟控制器作为此时被控电流的实际值，同时，跟踪信号作为电压环路的参考信号给定到电压补偿环节中，电压补偿环节通对二者误差进行比例积分等运算得到电压调制信号，该调制信号经过电压放大环节的放大作用后传递给线性环节电路作为线性环节的输入信号。
12.本发明的一种具有动态供电功能的包络线跟踪电源具有以下优点：本发明的具有动态供电功能的包络线跟踪电源将跟踪信号同时赋给线性环节的参考输入端口和数字控制器的adc采样引脚，让两个环节的控制环路参考具有高度同步性，提高了开关环节的跟踪精度，同时降低了线性环节的损耗，提高了包络线跟踪电源的整体效率。另外，数字控制器还能通过比例积分等运算对电流环路进行补偿，再通过pwm调制生成栅极驱动信号，这有利于开关环节采样部分和控制部分的集成。在控制对象的选取上，开关环节的控制对象为开关环节自身的输出电流，使得开关环节成为一个独立的闭环控制系统，有利于控制参数的设计。
附图说明
13.图1为本发明的一种具有动态供电功能的包络线跟踪电源的结构示意图；图2为本发明的包络线跟踪电源的电路原理图；图3为本发明的开关环节和线性环节基于数字同步采样时的控制框图；图4为本发明的包络线跟踪电源与传统恒压电源在为线性功放供电时的供电损耗对比图。
具体实施方式
14.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种具有动态供电功能的包络线跟踪电源做进一步详细的描述。
15.本发明针对线性功放在放大变包络信号时所产生的较大损耗问题，将传统的恒压供电方案替换成以包络线跟踪电源为主的动态供电方案。针对包络线跟踪电源中开关环节和线性环节在跟踪放大过程中的延时问题，提出了一种基于数字控制器的数字同步采样方案，且该数字控制器还能通过比例积分等运算对电流环路进行补偿，再通过pwm调制生成栅极驱动信号，这有利于开关环节采样部分和控制部分的集成。另外，现有的控制方案大多对线性环节的输出电流进行采样和控制，但这种控制方法在设计控制参数的过程中存在两个系统的耦合问题，需进行相应的解耦分析才能独立地设计两个环节的控制参数，本发明中开关环节的采样和控制对象均为开关环节的输出电流，使得开关环节成为一个独立的闭环控制系统，有利于控制参数的设计。
16.如图1所示，本发明的一种基于数字同步采样的具有动态供电功能的包络线跟踪电源，包括：开关环节电路、线性环节电路、数字控制器、模拟控制器、负载、跟踪信号及直流电源dc。开关环节电路和线性环节电路的输出端同时和后级负载相连，开关环节电路和线性环节电路呈并联结构。
17.开关环节电路输入端连接至直流电源dc，输出端连接至负载，线性环节电路输入端连接至直流电源dc，输出端连接至负载，开关环节电路的控制信号由数字控制器的输出端给出，线性环节电路的控制信号由模拟控制器的输出端给出，模拟控制器的参考信号直
接由跟踪信号输出端给出，跟踪信号可以是射频信号中的包络线信号或其他应用场景下需要被跟踪放大的高速时变信号。数字控制器的参考信号由数字控制器的同步采样端口对跟踪信号进行同步采样得到。为了保证开关电路的跟踪放大过程与线性电路的跟踪放大过程在时域上保持高度同步，在跟踪信号输入到线性环节电路控制环路的同时，利用数字控制器的高速采样口对跟踪信号进行同步采样并将采样后的跟踪信号作为参考信号输入到开关环节电路的控制环路中。
18.开关环节电路的输出电流在电流控制环路的控制下，实现对包络线的快速跟踪，虽然由于电流环路带宽等因素，开关环节电路对于包络线的跟踪存在一定的跟踪误差，但这一部分跟踪误差可以由线性环节电路的输出电流来补偿，最终可以让输出电压和输出电流呈包络线形状的稳定输出。开关环节电路和线性环节电路相结合，构成了可根据跟踪信号提供时变输出的动态供电电源。
19.如图2所示，开关环节电路包括第一开关管s1、第二开关管s2、功率电感l2、第一滤波电容c1、第二滤波电容c2、第一滤波电感l1、负载r1和第一直流电压源v1。第一开关管s1的源极和第二开关管s2的漏极与功率电感l2的一端相连，功率电感l2的另一端和负载r1相连，负载r1的另一端和参考地平面相连，第一开关管s1和第二开关管s2的栅极和栅极驱动信号的生成电路相连，第一滤波电感l1的一端同时与第一滤波电容c1和第一直流电压源v1的阳极相连，第一滤波电感l1的另一端同时与第二滤波电容c2和第一开关管s1的漏极相连，第二开关管s2的源极、第二滤波电容c2的另一端、第一滤波电容c1的另一端、第一直流电压源v1的阴极同时与参考地平面相连。
20.如图2所示，线性环节电路包括第一线性管t1、第二线性管t2、第一偏置二极管d1、第二偏置二极管d2、恒流源i1、第三滤波电容c3、第四滤波电容c4、第三滤波电感l3、第二直流电压源v2。恒流源i1的一端和第一线性管t1的集电极、第三滤波电感l3、第四滤波电容c4相连，恒流源i1的另一端同时与第一线性管t1的基极和第一偏置二极管d1的阳极相连，第三滤波电感l3的另一端同时与第三滤波电容c3和第二直流电压源v2的阳极相连，第二直流电压源v2的阴极、第三滤波电容c3的另一端、第四滤波电容c4的另一端同时与参考地平面相连，第一偏置二极管d1的阴极和第二偏置二极管d2的阳极相连，第二偏置二极管d2的阴极同时与第二线性管t2的基极和线性环节输入信号的生成电路相连，第二线性管t2的射极同时与第一线性管t1的射极和负载r1相连，第二线性管t2的集电极和参考地平面相连。
21.恒流源i1由工作在放大区的三极管和电阻组成，用于提供稳定的直流电流，该电流流经第一偏置二极管d1和第二偏置二极管d2时产生正向压降，所述第一偏置二极管d1和第二偏置二极管d2的正向压降和第一线性管t1和第二线性管t2的开启电压保持一致，以达到消除交越失真的目的。
22.线性环节电路中线性管交替工作的原理为：由于有恒流源i1和偏置二极管的存在，当线性环节输入信号为零时，第一线性管t1和第二线性管t2均处于微导通状态，当第一线性管t1和第二线性管t2特性高度一致时，线性环节电路输出也为零；当线性环节输入信号大于零时，第一线性管t1处于射极正偏，集电极反偏的状态，而第二线性管t2的射极反偏，不参与此阶段的功率转换，此时线性环节电路可以等效为以第一线性管t1构成的共集放大电路；当线性环节电路输入信号小于零时，第二线性管t2处于射极正偏，集电极反偏的状态，而第一线性管t1的射极反偏，不参与此阶段的功率转换，此时线性环节电路可以等效
为以第二线性管t2构成的共集放大电路。
23.开关环节电路在数字控制器的控制下产生的输出电流呈现时而大于负载电流时而小于负载电流的现象，即线性环节电路的输出电流需要补偿两个方向的电流，从开关环节电路输出电流大小的角度来分析线性环节电路的工作状态，即当开关环节电路输出电流小于负载电流时，线性环节电路可以等效为以第一线性管t1构成的共集放大电路，线性环节电路的输出端口为第一线性管t1的射极；当开关环节电路输出电流大于负载电流时，线性环节电路需要提供反向的输出电流，线性环节电路可以等效为以第二线性管t2构成的共集放大电路，线性环节电路的输出端口为第二线性管t2的射极。
24.如图3所示，开关环节电路的控制环路主要由数字控制器实现，电流采样环节通过硬件采样电路采集开关环节电路的输出电流并传递给数字控制器作为此时被控电流的实际值，与此同时，数字控制器通过高速采样端口对跟踪信号进行同步采样作为电流环路的电流参考信号，以此得到此时电流环路的误差信号，该误差信号通过电流补偿环节进行比例积分等计算，计算得到的电流调制信号通过pwm调制环节得到包含占空比信息的信号级别的栅极驱动信号，该栅极驱动信号通过栅极驱动电路生成大电流级别的栅极驱动信号，用于驱动第一开关管s1、第二开关管s2，控制第一开关管s1、第二开关管s2的开通和关断。
25.线性环节的控制环路主要由模拟控制器实现，电压采样环节通过硬件采样电路采集线性环节的输出电压并传递给由电阻、电容和集成运放构成的模拟控制器作为此时被控电流的实际值，与此同时，跟踪信号作为电压环路的参考信号给定到电压补偿环节中，电压补偿环节通对二者误差进行比例积分等运算得到电压调制信号，该调制信号经过电压放大环节的放大作用后传递给线性环节电路作为线性环节的输入信号。
26.如图4所示，一种具有动态供电功能的包络线跟踪电源在为线性功放供电时，与传统恒压供电方式对比，两种不同的供电方式存在较大的损耗差，采用包络线跟踪电源进行动态供电可降低线性功放的损耗，提高系统效率。
27.可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。