《電子技術(shù)應用》
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應用于手持設(shè)備功率放大器的開關(guān)電源設(shè)計
2015年電子技術(shù)應用第4期
王雨辰1,,嚴 偉1,,2,時廣軼1,3,,王振宇1,,牛 旭4
1.北京大學 軟件與微電子學院,,北京100871,; 2.上海北京大學微電子研究院(SHRIME),上海201203; 3.北京大學深圳研究生院,,廣東 深圳518055,; 4.唯捷創(chuàng)芯(天津)電子技術(shù)有限公司,天津300457
摘要: 提出了一種應用于TD-LTE信號手持設(shè)備功率放大器MRF9742的開關(guān)電源設(shè)計,。該電源采用脈沖寬度調(diào)制的降壓電路結(jié)構(gòu),,采用包絡(luò)跟蹤技術(shù),通過輸入信號功率值來動態(tài)調(diào)節(jié)功率放大器的供電電壓,,與使用穩(wěn)壓電源供電的功率放大器相比,,在不影響輸出的條件下降低直流功耗,因此提高了功率放大器的功率附加效率,。使用開關(guān)電源進行供電的功率放大器比使用穩(wěn)壓電源供電的功率放大器PAE提高了10%左右,。故在手持設(shè)備中采用開關(guān)電源進行供電可以提高電源的使用效率,從而延長了手持設(shè)備的使用時間,。
中圖分類號: TN86,;TN722.3
文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2015)04-0132-04
The design of power amplifier switch mode power supply for handset applications
Wang Yuchen1,Yan Wei1,,2,,Shi Guangyi1,3,,Wang Zhenyu1,,Niu Xu4
1.School of Software and Microelectronics, Peking University, Beijing 100871,China,; 2.Shanghai Research Institute of Microelectronics,,Shanghai 201203,China,; 3.Peking University Shenzhen Graduate School,,Shenzhen 518055,China,; 4.Vanchip(Tianjin)Electronic Technology Co.Ltd.,Tianjin 300457,,China
Abstract: This paper presents a design of switch mode power supply used in the handheld power amplifier MRF9742 for the TD-LTE signal. This power supply uses PWM mode buck-convertor structure and envelope tracking technology, which can acquire the envelope of input signal to dynamically adjust the MRF9742 power amplifier′s supply voltage. Therefore, the DC power can be as low as possible with no effect on the output compared with the LDO power supply and the PAE can be increased. The PA with switching mode power supply can increase its PAE about 10% compared with LDO. So the handheld devices with switching mode power supply can increase the efficiency of the power supply to extend the using time of themselves.
Key words : TD-LTE;envelope tracking,;switching mode power supply,;high efficiency

  

0 引言

  隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,信號的傳輸量,、傳輸速度都有很大的提升,,對于手持設(shè)備,從最初的2G文字時代到3G圖片時代,,再到現(xiàn)在的4G視頻時代,,每個時代都伴隨著新技術(shù)的產(chǎn)生。4G系統(tǒng)(即LTE系統(tǒng))是3GPP系統(tǒng)指定的下一代系統(tǒng),,其兩大主要特點是多輸入輸出(Multiple Input Multiple Output,,MIMO)和正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM),,4G系統(tǒng)可以提供高達100 Mb/s甚至更高的數(shù)據(jù)傳輸速率,,不僅支持語音業(yè)務,還能支持視頻等業(yè)務,。隨著傳輸速率的提高,,信號的峰均比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)也會提高,。對于2G和3G系統(tǒng)(如WCDMA,、EDGE),其PAPR約為3.5dB,,但對于LTE系統(tǒng),,由于采用了正交頻分復用的調(diào)制方法,其PAPR會上升到8~10 dB[1],,如圖1所示,。高PAPR信號會對手持設(shè)備中的功率放大器產(chǎn)生更高的需求,為了保證信號的線性度,,功率放大器往往要進行功率回退,,這樣降低了功率放大器的工作效率,。同時一般的手持設(shè)備中的功率放大器常使用線性穩(wěn)壓電源(LDO)進行供電,功率放大器只能在達到峰值功率時提供最高效率,,而大部分時間功率放大器都無法有效利用輸入的功率,,無用功率會轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽@會降低功率放大器的工作效率,,使得部分電量白白損失,。

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  為了滿足4G信號的需求,提高功率放大器的工作效率,,多種技術(shù)被應用到功率放大器的設(shè)計中,,這些技術(shù)大體分為兩類,一種是對功率放大器的輸入信號進行處理,,一種是根據(jù)輸入信號采用開關(guān)電源代替穩(wěn)壓電源對功率放大器進行供電,。文獻[2]-[4]采用了數(shù)字預失真(DPD)的方法來提高功率放大器的效率,這種方法通過產(chǎn)生一個與失真信號相反的信號并將其輸入到功率放大器,,以抵消失真信號產(chǎn)生的影響,,但其控制電路較為復雜,在手持設(shè)備中受面積制約,。文獻[5]-[7]采用了Doherty的結(jié)構(gòu)來針對高PAPR信號,,這種電路在基站中應用較為廣泛,在手持設(shè)備中的匹配較難處理,。文獻[8]-[10]采用了包絡(luò)跟蹤(Envelope Tracking,,ET)技術(shù),通過輸入信號的包絡(luò)變化,,利用控制電路來動態(tài)調(diào)節(jié)功率放大器的漏極電壓,,以降低功率放大器的靜態(tài)功耗,提高效率,,這種控制電路正嘗試應用于手持設(shè)備中,,但技術(shù)尚不成熟,且效率的提高不是非常明顯,。本文基于文獻[10]的包絡(luò)跟蹤技術(shù),,從功率放大器的需求出發(fā),通過采用線性回歸曲線方法構(gòu)建出MRF9742工作效率最大化條件下漏極電壓與輸入信號功率的曲線,,并根據(jù)此曲線設(shè)計了一種開關(guān)電源以及控制電路,,在工作頻率為2.35 GHz時使用開關(guān)電源比使用穩(wěn)壓電源的效率有較明顯的提升,提升的最大值為11.7%,,在相同輸出功率情況下PAE比文獻[10]中提高了4.6%,。

1 功率放大器供電電壓確定

  本設(shè)計是針對手持設(shè)備,故功率放大器選取應用于手持設(shè)備的功率放大器芯片MRF9742,將該芯片的模型利用Agilent公司的ADS2011軟件進行仿真,。先確定靜態(tài)工作點為偏置電壓取2.0 V,,取電源電壓為固定值5 V,直流電流取1 mA,,為了滿足LTE信號的要求,,確定其工作頻率為2.35 GHz。之后利用負載牽引進行匹配電路設(shè)計,,確定MRF9742功率放大器的電路圖,將該電路進行仿真,,通過掃描輸入功率的變化得到如圖2所示PAE的曲線,。此功放的PAE最大值為50.1%,此時對應的輸入功率為23 dBm,,5 V的電源電壓能夠滿足功放的工作需求,,但是當輸入功率增大時,電源電壓不能滿足功放的需求,,同時當輸入功率降低時,,電源電壓又會有剩余,從而有一部分的功率被白白消耗,。為了使得功率放大器總能保持最大效率進行工作,,可以采用開關(guān)電源對功率放大器供電,以保持功率放大器漏極電壓隨著輸入功率的變化而變化,。

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  為了實現(xiàn)此目標,,首先要確定PAE與漏極電壓的關(guān)系??梢宰屳斎牍β蔖in保持不變,,動態(tài)掃描功率放大器的漏極電壓Vdd,仿真出功率放大器的功率附加效率PAE與漏極電壓Vdd的關(guān)系曲線,,從曲線中找出功率附加效率最大值時對應的漏極電壓值,,這樣就得到了一組Pin與Vdd的值。取Pin=20 dBm,,掃描Vdd,,當PAE取最大值時對應的Vdd=5.785 V,如圖3所示,。同理改變Pin,,繼續(xù)仿真功率放大器的功率附加效率PAE與漏極電壓Vdd的關(guān)系曲線,可以得到PAE最大時相對應的Vdd值,。將PAE與Vdd的對應值利用線性回歸算法進行擬合,,可以得到如圖4所示的擬合直線,即當功率放大器的漏極電壓與輸入功率滿足Vdd=0.325 5 Pin-0.47時,可以使得功放的效率最大,,同時Vdd的大部分取值小于6 V,,能滿足手持設(shè)備輸入功率的需求和供電電源的要求。

2 包絡(luò)跟蹤開關(guān)電源電路設(shè)計

  為了提高功率放大器的工作效率,,滿足擬合出來的功率放大器輸入功率Pin與Vdd的關(guān)系,,可以采用包絡(luò)跟蹤的方法來進行控制電路的設(shè)計。該電路可以采集功率放大器輸入信號的包絡(luò),,并將其放大作為控制信號,,將這個控制信號作為開關(guān)電源中MOS管的驅(qū)動,用來控制開關(guān)電源的占空比,,進而控制開關(guān)電源的輸出電壓,。由于本設(shè)計針對手持設(shè)備需要對功率放大器MRF9742進行供電,故此包絡(luò)跟蹤開關(guān)電源電路通過一個脈沖寬度調(diào)制(PWM)模式的降壓電路(Buck-Convertor)來實現(xiàn),。其基本電路包括包絡(luò)檢測電路,、誤差放大電路、比較電路和驅(qū)動電路等,,如圖5所示,。

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  圖5中的誤差放大電路(EA)將輸出的電壓Vdd返回值與輸入電壓Vin進行比較,經(jīng)放大產(chǎn)生一個輸出電壓VEA作為比較電路的輸入,,同時誤差放電電路可以進行頻率補償以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。PWM比較電路用于比較VEA與參考電壓Vref,其輸出結(jié)果是邏輯高電平和低電平,,將這兩個變化電平輸入到驅(qū)動電路中來驅(qū)動MOS管,,通過控制MOS的導通時間來控制開關(guān)電源的占空比。MOS管,、電感,、二極管、電阻和電容構(gòu)成降壓電路的形式,,其中功率放大器PA用并聯(lián)的電阻與電容來等效,。為了保證電感上電流的連續(xù)性,在理想情況下降壓電路的輸入與輸出滿足如下關(guān)系:

  Vdd=DVpower(1)

  其中D為開關(guān)的占空比,,Vpower為電源電壓,。在PWM模式下,開關(guān)的周期保持不變,,只是導通時間發(fā)生變化,,故可以通過改變開關(guān)的導通時間來控制其占空比。根據(jù)上述得到的功率放大器的漏極電壓與輸入功率的擬合直線,,可以得到:Vdd=DVpower=0.325 5 Pin-0.47,。此時的包絡(luò)跟蹤控制電路的輸出電壓與輸入功率成線性關(guān)系,,調(diào)節(jié)電路中各參數(shù)值以滿足此關(guān)系式。在Virtuoso中畫出PWM型降壓電路圖,,如圖6,、圖7所示。

3 功率放大器開關(guān)電源仿真


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  將該功率放大器利用變化的電源對其供電,,其他參數(shù)保持不變,。利用ADS軟件進行仿真,可以得到該功放的使用開關(guān)電源與穩(wěn)壓電壓對應的PAE,,如圖8所示,。根據(jù)圖8可得,在工作頻率為2.35 GHz時,,使用開關(guān)電源的功率放大器比使用穩(wěn)壓電源的功率放大器PAE提高10%左右,,提升的最大值為11.7%。表1總結(jié)了使用開關(guān)電源與穩(wěn)壓電源功率放大器的參數(shù),。

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4 結(jié)論

  本文通過對手機功率放大器芯片MRF9742利用負載牽引進行匹配電路設(shè)計,使其工作頻率在2.35 GHz滿足TD-LTE信號的需求,。之后為了保證該功率放大器工作效率的最大化,,在保持輸入功率不變的條件下,確定了此時PAE最大時漏極電壓的取值,,同時利用線性回歸算法,,擬合出漏極電壓與輸入功率的關(guān)系直線。為了實現(xiàn)此關(guān)系直線,,在開關(guān)電源控制電路采用包絡(luò)跟蹤控制電路實現(xiàn),。最后利用ADS軟件進行仿真,可以得到該功率放大器使用開關(guān)電源供電時比使用穩(wěn)壓電源供電時效率提高10%左右,,提升最大值為11.7%,,這樣可以提高電源的使用效率,從而延長手持設(shè)備的使用時間,。

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