跟踪滤波器是恒带宽_移动通信系统包络跟踪（ET）电源设计综述

向右看齐 2023-01-10 09:43 162阅读 0赞

在现代移动通信系统中，频谱有效调制格式已被广泛使用，这导致射频(RF)信号的包络是可变的并且具有大的峰均功率比(PAPR)。为了在没有失真的情况下放大RF信号，采用线性功率放大器(LPA)，当由恒定电压供电时效率较低。本文分析和比较了三种流行的技术，即Doherty，包络消除和恢复(EER)，以及包络跟踪(ET)技术，以大大提高功率放大器的效率，并且表明ET技术是最适合未来的移动通信系统。在ET系统中，ET电源是关键设备，它主导着系统效率。随着移动通信系统的发展，包络信号的带宽和PAPR迅速增加，这对ET电源的设计提出了严峻的挑战。本文对文献中的ET电源进行了总结和分类，并给出了详细的比较，以指导不同应用的ET电源选择。最后，提出了包括软开关，慢包络和频带分离的方法，以进一步提高ET电源的效率。

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图1、包络跟踪放大器的应用示意图

II.ET(包络跟踪) 电源

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图2、ET改善效率的原理图示

ET电源是ET技术的核心，在ET系统ηET的效率中起着至关重要的作用。根据下图，ηET可以近似为：

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方程(1)

方程(1)中，ηPS是ET电源的效率，ηLPA是LPA的效率。

为了实现高ηET，ET电源本身有望实现高效率。此外，ET电源应具有比RF输入信号的包络更高的带宽，以使其输出电压能够很好地跟踪包络，以保证LPA能够实现高效率。总之，ET电源应该实现宽带宽和高效率。表II给出了不同移动通信系统的包络信号的PAPR和带宽。可以看出，随着移动通信系统的发展，包络信号的PAPR和带宽正在增加，这对设计ET电源提出了挑战。

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表II

以前的出版物已经介绍了ET电源的各种结构，可以分为三类，即线性放大器结构，开关模式转换器结构，以及开关 - 线性混合(SLH)结构。

A.线性放大器结构

图3显示了典型线性放大器的电路，其中LPA由RLd表示，因为它可以等效于由ET电源供电时的恒定电阻。图3(a)显示了A类线性放大器的电路，其中T是功率器件。 A类线性放大器可输出单向电压和电流，其理论最大效率为50％。图3(b)显示了AB类线性放大器的电路，其中T1和T2是功率器件，Vbias是避免交叉失真的偏置电压。 T1在输入信号的正部分导通，T2导通在负部分。 AB类线性放大器可输出单向电压和双向电流，其理论最大效率为78.5％。

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图3.典型线性放大器的电路。 (a)A类。(b)AB类。

线性放大器具有高带宽和小输出电压纹波，并且具有良好的跟踪包络信号的能力，保证LPA实现高效率且无频谱干扰。图4显示了具有8.5 dB PAPR的包络信号的线性放大器和概率密度分布(PDF)的效率曲线。可以看出，线性放大器的效率随输出电压而降低。参考PDF曲线，包络信号很可能位于低幅度区域，其中线性放大器效率较低。更重要的是，如果包络信号的PAPR变得更高，则PDF将向左移动，这将进一步降低线性放大器的效率。在未来的移动通信系统中，PAPR将不断增加，使用线性放大器结构的ET电源效率不高。

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图4

图4、线性放大器的效率曲线和包络信号的PDF与归一化输出电压的关系曲线。

B.开关模式转换器结构

开关模式转换器可以实现高效率，并且优选构造ET电源。根据所使用的电源开关数量，开关电源网络可分为单开关电源(SS)网络和多开关电源(MS)网络。因此，开关模式转换器结构可以分类为SS结构和MS结构。对于基站应用，需要降压转换器，并且由于其结构简单，开环控制降压转换器通常用作ET电源或基本单元。以下分析基于降压转换器，分析可以扩展到其他转换器。

1)SS结构

图5显示了具有m级滤波器的降压转换器的电路。每级滤波器由电感和电容组成，每级滤波器的谐振频率分别为fr1，fr2，...，frm。

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图5

图5.具有m级滤波器的降压转换器。

当m = 1时，图5中所示的电路将是传统的降压转换器(Buck)。为了衰减开关频率分量，谐振频率fr1应远低于开关频率fs，即fr1 << fs。开关频率的衰减A1(fs)可以表示为：

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方程2

当降压转换器(Buck)是开环控制时，其带宽fBW近似等于fr1，即fBW≈fr1。因此，fBW << fs。为了跟踪宽带宽的包络信号，SS结构的开关频率应该非常高。例如，如果fBW = 20 MHz，则fs要求高于200 MHz。对于如此高的开关频率，传统的硅基电源开关将遭受显着的开关损耗，大大降低了ET电源的效率。幸运的是，出现了氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)，它们适合在非常高的频率下工作，开关损耗更小。在如此高的开关频率下工作时，封装和PCB布局的寄生参数对ET电源的性能有很大影响。为了有效地减少不需要的寄生参数的影响，控制电路和功率器件最好集成到单个芯片中。

为了以降低了的fs来跟踪包络信号，可以使用m级滤波器(m> 1)。此时，开关频率Am(fs)处的衰减可表示为：

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方程3

图6显示了单级和两级滤波器的增益曲线与频率的关系。很明显，对于fs处的相同衰减效应，两级滤波器的最小谐振频率fr1可以更接近fs，这比单级滤波器的衰减效应更高。因此，可以增加使用m级滤波器(m> 1)的SS结构的带宽。然而，随着m的增加，滤波器网络的设计非常复杂。通常，选择m = 2。

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图6

图6.单级和两级滤波器的增益曲线与频率的关系。

2)MS结构

MS结构的目的是增加等效的开关频率fe\_s。因此，需要抑制的频率分量位于nfs，其中n是开关网络中所使用的开关的数量。如果fe\_s处的衰减效应与SS结构中fs处的衰减效应相同，则MS结构中滤波器的谐振频率fe\_r1将是fr1的n倍。此外，当MS结构是开环控制时，其带宽fBW\_MS大约等于fe\_r1。所以，我们有fBW\_MS≈fe\_r1= n fr1。这意味着，与SS结构相比，MS结构的带宽fBW\_MS可以增加n倍。

图7显示了典型MS结构的示意图：

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图7

图7.典型MS结构的示意图。 (a)多级MS。 (b)多相MS。

这包括多级MS 和多相MS。图7(a)示出了多级MS结构的典型实现，其由电平提供器和电平选择器组成。电平提供器产生一系列电压电平V1，V2，...，Vn(V1 1)也可以应用于MS结构，以进一步提高带宽。但是，该系统非常复杂。

D)SLH结构

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图8

图8.WCDMA包络信号的PSD和PIC。

为了无失真地跟踪包络信号，开关模式转换器结构的开关频率或等效开关频率应该高于包络信号的带宽。因此，跟踪宽带包络信号所需的开关频率仍然很高。图8示出了宽带码分多址(WCDMA)包络信号的功率谱密度(PSD)和功率积分曲线(PIC)。如图所示，大约85％的功率从直流分配到300kHz，14％的功率在300kHz到5MHz之间。考虑到这种功率分布，提出了ET电源的SLH结构，其中，开关模式电源转换器用于提供高效率的大部分低频功率，而采用线性放大器进行处理其余的小部分高频电源。 SLH ET电源集成了开关模式电源转换器和线性放大器的优点，可同时实现高效率和高带宽。由于开关模式转换器仅处理包络信号的低频分量，因此与开关模式转换器结构相比，开关频率可以显着降低。

SLH结构可分为串联形式，并联形式，和串并联形式。

1)串联形式的SLH

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图9

图9.串联式SLH ET电源的方框图和关键波形。 (a)方框图。 (b)关键电压波形。 (c)关键电流波形。

串联式SLH ET电源由压控开关模式转换器(VSC)和压控线性放大器(VLA)组成，它们串联连接，如图9(a)所示。 VSC通常由多电平转换器实现，如图7(a)所示，其输出阶跃波电压vVSC以合成负载电压vo，从而降低线性放大器vlin的输出电压摆幅，如如图9(b)所示。这样，线性放大器的损耗减小，因此SLH ET电源的效率大大提高。然而，线性放大器的输出电流ilin仍然是负载电流io，如图9(c)所示，它很大并且仍然会导致相对大的损耗。

2)并联形式的 SLH

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图10

图10.并联型SLH ET电源的方框图和关键波形。 (a)方框图。 (b)关键电压波形。 (c)关键电流波形。

并联形式的SLH ET电源由电流控制的开关模式转换器(CSC)和VLA组成，它们并联连接，如图10(a)所示。 在这种形式中，预期CSC跟踪io，并且线性放大器补偿io和CSC中的输出电流iCSC之间的纹波电流，如图10(c)所示。 因此，减小了线性放大器的损耗，并且ET电源也可以实现相对高的效率。 然而，vlin等于负载电压vo，如图10(b)所示，即使ilin很小，仍然会带来相对大的损耗。

3)串并联形式SLH

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图11

图11.串并联形式SLH ET电源的框图。 (a)类型I.(b)类型II。

无论是串联形式还是并联形式，线性放大器仍然具有相对较大的损耗，这阻碍了SLH ET电源效率的提高。为了进一步降低线性放大器的功率损耗，提出了串并联形式的SLH ET电源，它由一个线性放大器和两个开关模式转换器组成，它们有两种组合，如图11所示，其中一个开关模式转换器是VSC，另一个是CSC。图12显示了串并联形式SLH ET电源的理想电压和电流波形。如图所示，ilin和vlin都相对较小，导致线性放大器的功率损耗降低。表III示出了线性放大器结构，开关模式转换器结构和SLH结构ET电源的比较。可以看出，线性放大器结构可以实现宽带宽和良好的线性度。但是，它的效率相对较低。虽然开关模式转换器结构具有更高的效率，但却有更窄的带宽。 SLH结构结合了线性放大器结构和开关模式转换器结构的优点，可以同时实现宽带宽和高效率，串并级SLH结构可以获得更高的效率和更宽的带宽，因为与串联形式和并联形式的放大器相比，串并联形式SLH中的线性放大器处理的功率降低。

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图12

图12.串并联形式SLH ET电源的关键波形。 (a)关键电压波形。 (b)关键电流波形。

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表III

表III具有不同结构的电源的对比概述

# **四。 进一步提高ET电源效率的方法** #

在4G移动通信系统中，包络信号的带宽达到20MHz，并且在5G移动通信系统中将高达100MHz。 为了跟踪这些宽带包络信号，ET电源中的开关模式转换器的开关频率应该非常高，从而导致大的开关损耗，从而降低效率。 为了实现高效率，在跟踪宽带信号时应降低ET电源的开关损耗或开关频率。

A.软切开关的方法

为了降低开关损耗，GaN器件是首选，因为减少了结电容和快速开关频率。同时，可以采用软开关方法。选择简单降压转换器(Buck)来解释软切换方法的工作原理。图13显示了降压转换器(Buck)的等效电路和关键波形，其中Q1和Q2是电源开关，Cds1和Cds2是漏 - 源结电容，Cgs1和Cgs2是栅 - 源结电容，Cgd1和Cgd2是栅极 - 漏极结电容，vgs1和vgs2分别是Q1和Q2的驱动信号。注意到这里滤波器电感器Lf有意设计得足够小，以使其电流为负。在t0之前，电源开关Q2导通并且电源开关Q1截止，电感器电流iL衰减并且过零，如图13(a)所示。在t0，电源开关Q2截止，负电感电流iL对Cgd2和Cds2充电，并放电Cgd1和Cds1，因此，vdg1和vds1(vdg1 = vds1，vdg1 = -vgd1)减小并交叉为零，等效电路如图13(b)所示。在t1，vdg1衰减到-Vth，Q1反向导通，这为Q1提供了近似的零电压导通条件，如图13(c)所示。 \[t2，t5\]期间降压转换器的工作原理与\[0，t2\]期间的工作原理类似，此处不再赘述。如上所述，Q1和Q2都实现了零电压切换，几乎消除了开关损耗。使用GaN器件和软开关方法报告了可以实现高于90％的效率。

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图13

图13.降压转换器的等效电路和关键波形。 (a)t0之前的等效电路。 (b)\[t0，t1\]期间的等效电路。 (c)\[t1，t2\]期间的等效电路。 (d)关键波形。

B.慢包络方法

由于开关损耗与开关频率成比例，因此可以通过降低开关频率来降低开关损耗。已经提出慢包络方法来降低原始信号的带宽。通过用慢包络信号替换原始包络信号作为ET电源的参考电压，可以降低ET电源的带宽，从而降低开关频率。因此，由于降低的开关损耗，可以提高ET电源的效率。

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图14

图14.具有不同压摆率的包络信号。

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图15

图15.具有不同转换速率的包络信号的功率谱密度。

如文献所述，产生了几个慢速包络，如图14所示。图15显示了相应包络信号的PSD，很清楚地看到包络信号的带宽可以通过应用慢包络方法大大减少。因此，减轻了对ET电源的要求。但是，牺牲了LPA的效率。因此，在ET电源和LPA的效率之间存在折衷设计。

C.频段分离的方法

包络信号包括低频和高频分量。为了准确地跟踪包络信号，ET电源应该具有精确跟踪高频信号分量的能力，这将在跟踪低频分量时浪费开关频率。因此，具有不同跟踪能力的多个转换器可以组合作为ET电源，以应对包络信号的不同频率分量，这是频带分离方法的基本思想。

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图16

图16.频段分离技术的扩展。

SLH结构是应用频带分离方法的代表性示例。线性放大器与开关模式转换器配合以提供包络信号的频率分量，即，低频分量由开关模式转换器处理，而高频分量由线性放大器提供。开关模式转换器的带宽对整体效率有很大影响。较低的带宽将提高开关模式转换器的效率，但功率损耗会随着VLA处理的功率的增加而增加。因此，开关模式转换器的带宽选择应该折衷，以实现ET电源的整体效率。

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图17

图17.具有多个开关模式转换器的SLH结构。 (a)具有多个VSC的系列SLH结构。 (b)具有多个CSC的并行形式SLH结构。

基于SLH结构，可以扩展频段分离方法。可以采用具有不同跟踪能力的多个开关模式转换器SC1，SC2，......和SCn，如图16所示，并且每个开关模式转换器可以独立优化。与具有单开关模式转换器的SLH结构相比，具有多个开关模式转换器的SLH结构可以实现更高的效率。由于开关模式转换器可以是电压控制的或电流控制的，因此具有多个开关模式转换器的基本SLH结构有两种组合，如图17所示。此外，频带分离技术也可以扩展进入串并联形式的SLH结构和开关模式转换器的结构中。

v。结论

移动通信系统一直在不断发展，以满足高数据传输速率的需求。因此，已经采用了频谱有效调制格式，其特征在于具有大PAPR的RF信号的可变包络。采用LPA以满足RF输出信号的严格线性要求。然而，由恒定电压供电的LPA具有低效率。本文介绍了三种流行的效率增强技术，即Doherty，EER和ET技术，以大大提高功率放大器的效率。分析了各种技术的工作原理和特点，指出ET技术最适合未来的移动通信系统。在ET系统中，ET电源是核心设备，对系统效率有很大影响。回顾了最先进的ET电源，这些ET电源分为线性放大器结构，开关模式转换器结构和SLH结构。进行了对比分析，表明SLH结构集成了前两种结构的优点，可同时实现高效率和高带宽。最后，提出了软切换方法，慢包络方法和频带分离方法，旨在进一步提高ET电源的效率。

(完)

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