《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 模擬設(shè)計(jì) > 解決方案 > 以模擬微控制器為核心構(gòu)成低成本高效率的功率放大器監(jiān)測器

以模擬微控制器為核心構(gòu)成低成本高效率的功率放大器監(jiān)測器

2011-01-05
作者:Neil Zhao, Mariah Nie, Ning Jia

  引言

  考慮到日益迫近的全球能源危機(jī)和人們對環(huán)境保護(hù)的期望日益增高,,節(jié)能對高效無線網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營至關(guān)重要。功率放大器(PA)是基站和中繼器的核心,,其功耗可能占基站總功耗的一半,。對功率放大器進(jìn)行監(jiān)控不僅可以提高功效、降低運(yùn)營成本,、提高輸出功率和線性度,,而且可以使系統(tǒng)操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題,進(jìn)而提高可靠性和可維護(hù)性,。

  ADI公司提供三種PA監(jiān)測器1實(shí)現(xiàn)方案:一種是分立器件方案,,一種是基于AD729422的12位的集成型監(jiān)測和控制系統(tǒng)的方案,以及一種基于ADuC7026高精度模擬微控制器3的集成型方案,。分立方案需要使用的器件較多,,而且PCB布局復(fù)雜,PCB面積也較大,,這些因素都導(dǎo)致較高的成本,。AD7294的優(yōu)點(diǎn)是集成度高、成本低且可靠性高,,但缺點(diǎn)是需要使用外部微控制器(MCU)來實(shí)現(xiàn)PA監(jiān)控功能,。ADuC7026與AD7294具有很多相同的優(yōu)點(diǎn),主要的區(qū)別是ADuC7026包含MCU,。另外,,ADuC7026支持外部同步采樣,這個(gè)特性在TD-SCDMA應(yīng)用中很有用,。

  本文介紹了一個(gè)基于ADuC7026實(shí)現(xiàn)功率放大器監(jiān)控的參考設(shè)計(jì),,功能包括設(shè)置輸出功率、監(jiān)測電壓駐波比(VSWR),、監(jiān)測橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)場效應(yīng)管的漏極電流和溫度,,并在某個(gè)參數(shù)超過預(yù)定的閾值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號。

  系統(tǒng)框圖

  圖1給出了PA監(jiān)測器的系統(tǒng)框圖,。RF信號在經(jīng)由可變電壓衰減器(VVA),、ADL5323預(yù)驅(qū)動器、功率放大器和雙向耦合器處理后,,由天線發(fā)射出去,。ADuC7026的片上MCU對PA模塊中兩級LDMOS的溫度和電流及PA模塊的前向和反向功率進(jìn)行采樣。MCU把采樣數(shù)據(jù)發(fā)送到PC以便在用戶界面(UI)上顯示,。操作人員可通過用戶界面調(diào)整系統(tǒng)參數(shù),。

  

  圖1:系統(tǒng)框圖。

  引言

  考慮到日益迫近的全球能源危機(jī)和人們對環(huán)境保護(hù)的期望日益增高,,節(jié)能對高效無線網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營至關(guān)重要,。功率放大器(PA)是基站和中繼器的核心,,其功耗可能占基站總功耗的一半。對功率放大器進(jìn)行監(jiān)控不僅可以提高功效,、降低運(yùn)營成本,、提高輸出功率和線性度,而且可以使系統(tǒng)操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題,,進(jìn)而提高可靠性和可維護(hù)性,。

  ADI公司提供三種PA監(jiān)測器1實(shí)現(xiàn)方案:一種是分立器件方案,一種是基于AD729422的12位的集成型監(jiān)測和控制系統(tǒng)的方案,,以及一種基于ADuC7026高精度模擬微控制器3的集成型方案,。分立方案需要使用的器件較多,而且PCB布局復(fù)雜,,PCB面積也較大,,這些因素都導(dǎo)致較高的成本。AD7294的優(yōu)點(diǎn)是集成度高,、成本低且可靠性高,,但缺點(diǎn)是需要使用外部微控制器(MCU)來實(shí)現(xiàn)PA監(jiān)控功能。ADuC7026與AD7294具有很多相同的優(yōu)點(diǎn),,主要的區(qū)別是ADuC7026包含MCU,。另外,ADuC7026支持外部同步采樣,,這個(gè)特性在TD-SCDMA應(yīng)用中很有用。

  本文介紹了一個(gè)基于ADuC7026實(shí)現(xiàn)功率放大器監(jiān)控的參考設(shè)計(jì),,功能包括設(shè)置輸出功率,、監(jiān)測電壓駐波比(VSWR)、監(jiān)測橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)場效應(yīng)管的漏極電流和溫度,,并在某個(gè)參數(shù)超過預(yù)定的閾值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號,。

  系統(tǒng)框圖

  圖1給出了PA監(jiān)測器的系統(tǒng)框圖。RF信號在經(jīng)由可變電壓衰減器(VVA),、ADL5323預(yù)驅(qū)動器,、功率放大器和雙向耦合器處理后,由天線發(fā)射出去,。ADuC7026的片上MCU對PA模塊中兩級LDMOS的溫度和電流及PA模塊的前向和反向功率進(jìn)行采樣,。MCU把采樣數(shù)據(jù)發(fā)送到PC以便在用戶界面(UI)上顯示。操作人員可通過用戶界面調(diào)整系統(tǒng)參數(shù),。

  

  圖1:系統(tǒng)框圖,。

  PA監(jiān)測模塊

  溫度監(jiān)測:功率放大器的功耗會影響其性能。PA某些時(shí)候工作在較高的靜態(tài)工作點(diǎn),,但輸出功率較低,。大量的能量在LDMOS器件上被轉(zhuǎn)換成熱量,,這不僅浪費(fèi)了能量,而且降低了可靠性,。監(jiān)測PA的溫度,,調(diào)整其靜態(tài)工作點(diǎn)可以使系統(tǒng)達(dá)到最佳性能。

  圖2給出了溫度監(jiān)測器的功能框圖,,該系統(tǒng)使用ADT75數(shù)字溫度傳感器來監(jiān)測兩個(gè)LDMOS級的溫度,。ADT75(有8引腳MSOP和SOIC封裝形式可供選擇)把溫度轉(zhuǎn)化成分辨率為0.0625℃的數(shù)字信號,其關(guān)斷模式可將電源電流降低到3µA(典型值),。

  

  圖2:溫度監(jiān)測器功能框圖,。

  圖3給出了溫度監(jiān)測程序的流程圖。在收到溫度檢測指令后,,ADuC7026 MCU首先設(shè)置溫度檢測標(biāo)識,,然后通過I2C®總線從ADT75讀出溫度數(shù)據(jù),并把該數(shù)據(jù)發(fā)送到PC,。接著,,程序檢查ADT75的過溫引腳(OS/ALERT)狀態(tài),如果溫度超過了閾值,,則點(diǎn)亮LED,。在收到配置溫度閾值的指令時(shí),ADuC7026從PC讀入配置數(shù)據(jù)并通過I2C總線把閾值溫度寫入到ADT75,。當(dāng)微控制器收到讀入溫度閾值的指令時(shí),,它從ADT75讀入閾值溫度并把它傳送到PC。

  

  圖3:溫度監(jiān)測程序的流程圖,。

  電流監(jiān)測: :控制PA的漏極電流,,使其在溫度和時(shí)間變化時(shí)保持恒定,就可以極大地改善功放的總性能,,同時(shí)又可確保功放工作在調(diào)整的輸出功率范圍之內(nèi),。影響PA漏極電流的兩個(gè)主要因素是PA的高壓供電線的變化和片上溫度的變化。PA晶體管的漏極電壓很容易受高壓供電線變化的影響,。我們可以用高電壓分流監(jiān)測器來測量LDMOS的漏極電流,。如果連續(xù)地監(jiān)測漏極電流,當(dāng)在電源上出現(xiàn)電壓波動時(shí),,操作人員可重新調(diào)整柵極電壓使LDMOS保持在最佳工作點(diǎn),。

  圖4給出了電流監(jiān)測器的功能框圖。該系統(tǒng)使用AD8211高壓高精度分流放大器來采集PA模塊中兩個(gè)LDMOS級的漏極電流,。AD8211的增益為固定的20V/V,,在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的增益誤差為±0.5%(典型值)。AD8211緩存的輸出電壓直接輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器,,由ADuC7026的片上ADC進(jìn)行采樣,。漏極電流閾值由AD5243數(shù)字電位計(jì)設(shè)定,,ADuC7026通過I22C總線對AD5243進(jìn)行控制。系統(tǒng)根據(jù)ADCMP600比較器的輸出來判定漏極電流是否超過或低于閾值,。如果漏極電流超過閾值,,系統(tǒng)點(diǎn)亮相應(yīng)的LED向操作人員報(bào)警。

  

  圖4:電流監(jiān)測器功能框圖,。

  電壓駐波比(VSWR)監(jiān)測: VSWR是天線系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),,它反映天線系統(tǒng)中元件之間的匹配程度。反向功率影響PA的輸出功率,,反向功率過大會導(dǎo)致發(fā)射出去的信號產(chǎn)生失真,。因而,有必要監(jiān)測VSWR使基站具有最優(yōu)性能,。

  圖5給出了VSWR監(jiān)測器的功能框圖,。該系統(tǒng)使用雙向耦合器和AD8364雙通道TruPwr™檢測器來測量前向和反向功率。AD8364雙通道有效值RF功率測量子系統(tǒng)可精確地測量和控制信號的功率,。AD8364靈活性強(qiáng),,可方便地對RF功率放大器、無線電收發(fā)器AGC電路和其它通訊系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)測和控制,,其輸出可用于計(jì)算VSWR和監(jiān)測傳輸線的匹配度,。較大的VSWR值表明天線出現(xiàn)故障,操作人員應(yīng)通過調(diào)整PA增益或電源電壓對系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù),。

  

  圖5:VSWR監(jiān)測器功能框圖,。

        自動功率控制 :根據(jù)通信系統(tǒng)的要求,發(fā)射機(jī)必須確保功率放大器能滿足發(fā)射的需要,,調(diào)整基站發(fā)射功率保持在精準(zhǔn)值,,控制輸出功率在覆蓋允許范圍內(nèi),不至過小無法滿足網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)的覆蓋距離要求,,而減少小區(qū)覆蓋范圍,,又不會產(chǎn)生過強(qiáng)的輸出信號對相鄰基站造成干擾,。由于過功率會引起功率放大器飽和并使信號發(fā)生非線性失真,,系統(tǒng)應(yīng)提供過功率保護(hù)功能,保證功率放大器不工作在過功率條件下,?;谏鲜鲈颍仨殞敵龉β蔬M(jìn)行測量和控制以使之保持穩(wěn)定,。

  圖6給出了自動功率控制回路的功能框圖,,該回路包含雙向耦合器、TruPwr檢測器,、微控制器和可變電壓衰減器,。雙向耦合器把前向功率傳送到TruPwr檢測器,,檢測器跟蹤信號幅度的變化。ADuC7026的片上ADC對檢測器的輸出采樣,。微控制器比較輸出功率的實(shí)際值與期望值,,并使用PID算法來調(diào)整控制電壓偏差,使功率放大器工作在性能最佳的工作點(diǎn)上,。

  

  圖6:自動功率控制回路的功能框圖,。

  圖7給出了PID算法的流程圖。首先,,該程序設(shè)定初始控制參數(shù)Kp,、Ki和Kd并設(shè)定輸出功率的期望值。然后,,ADC對AD8364的輸出采樣,,采樣得到的數(shù)據(jù)經(jīng)濾波后轉(zhuǎn)換成功率。程序根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)計(jì)算出輸出功率的期望值與實(shí)際值之差,,以及下一個(gè)期望采樣值和控制電壓,,并對DAC寄存器進(jìn)行配置。這樣就完成了一個(gè)采樣和控制過程周期,,這個(gè)過程不斷循環(huán),。

  

  圖7:PID算法的流程圖。

  用戶界面

  UI主要用來提供人機(jī)交互界面,,實(shí)時(shí)顯示檢測數(shù)據(jù),,并響應(yīng)操作員的輸入命令。圖8給出了用戶界面程序的流程圖,。程序運(yùn)行后,,首先要打開串行端口并啟動通訊鏈接。然后,,可以選擇各功能模塊進(jìn)行監(jiān)測和控制,。

  

  圖8:UI控制的流程圖。

  圖9給出了一個(gè)溫度測試結(jié)果,。用戶可以隨時(shí)改變高溫和低溫閾值,。在本例中,高溫閾值從35℃改到31℃,。當(dāng)環(huán)境溫度上升到新閾值之上時(shí),,過溫警報(bào)燈變紅,PC發(fā)出連續(xù)的警鈴聲,。

  

  圖9:用于顯示溫度測試結(jié)果的界面,。

  硬件連接

  圖10給出了PA監(jiān)測器的演示電路板的連接圖。主板由6V適配器供電,它與PC機(jī)之間通過串口線相連,,以便下位機(jī)ADuC7026與上位機(jī)PC通信,;通過ADF4252評估板產(chǎn)生的RF信號,連接到主控板的RF信號輸入端,,而后通過如下鏈路輸出:RF輸入→可調(diào)衰減器AV103→PA前級驅(qū)動功率放大器ADL5323→雙定向耦合器ZABDC10-25HP→RF輸出→頻譜儀Agilent 4396B,。其中ADF4252評估板的輸出頻率通過PC機(jī)控制,PC與ADF4252之間通過一根并口轉(zhuǎn)串口的電纜連接,。

  

  圖10:PA監(jiān)測器演示電路板的硬件連接,。

  結(jié)論

  該參考設(shè)計(jì)為在蜂窩基站(GSM、EDGE,、UMTS,、CDMA、TD-SCDMA),、點(diǎn)到多點(diǎn)和其它RF傳輸系統(tǒng)中監(jiān)測和控制PA提供了一個(gè)集成的解決方案,。利用ADI公司的高精度模擬微控制器ADuC7026實(shí)現(xiàn)PA監(jiān)測器應(yīng)用可以增加靈活性,因?yàn)樗哂卸嗤ǖ栏咝阅?2位ADC和DAC,,以及片上可編程邏輯陣列(PLA),。其AD轉(zhuǎn)換可通過外部轉(zhuǎn)換輸入或PLA轉(zhuǎn)換輸出來啟動,這個(gè)特性對需使用同步信號對前向功率進(jìn)行采樣的TD-SCDMA應(yīng)用系統(tǒng)很有幫助,。PLA集成到芯片上的好處非常明顯:用戶可以根據(jù)要求輕松,、簡潔地實(shí)現(xiàn)各種邏輯。而且各種算法,,例如PID控制,、VSWR監(jiān)測、溫度監(jiān)測和電流監(jiān)測等算法都可通過ADuC7026來實(shí)現(xiàn),,無需使用其它控制器,。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度來看,這個(gè)集成解決方案可節(jié)省PCB面積,、方便PCB布局,,降低系統(tǒng)成本并提高系統(tǒng)可靠性。

本站內(nèi)容除特別聲明的原創(chuàng)文章之外,,轉(zhuǎn)載內(nèi)容只為傳遞更多信息,,并不代表本網(wǎng)站贊同其觀點(diǎn)。轉(zhuǎn)載的所有的文章,、圖片,、音/視頻文件等資料的版權(quán)歸版權(quán)所有權(quán)人所有,。本站采用的非本站原創(chuàng)文章及圖片等內(nèi)容無法一一聯(lián)系確認(rèn)版權(quán)者,。如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問題,請及時(shí)通過電子郵件或電話通知我們,,以便迅速采取適當(dāng)措施,,避免給雙方造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。聯(lián)系電話:010-82306118,;郵箱:[email protected],。