一种开关电容式高带宽包络线跟踪电源电路及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种开关电容式高带宽包络线跟踪电源电路，包括阶梯波电压发生电路和A类线性放大器，阶梯波电压发生电路与A类线性放大器采用级联连接，阶梯波电压发生电路的输出作为A类线性放大器的输入。阶梯波电压发生电路由n个结构相同的开关电容电路串联而成，每个开关电容电路中开关管的开关频率相对于跟踪信号频率可以实现(1/n):1的降频，同时有效扩展开关管的开通或关断时间，使其充分导通或关断，提升其在高带宽跟踪条件下的工作性能和可靠性；相对于传统方法，可以大幅减少供电电源的数量，降低电路的复杂程度和成本，提升系统效率。

【技术实现步骤摘要】
一种开关电容式高带宽包络线跟踪电源电路及其控制方法
本专利技术涉及一种开关电容式高带宽包络线跟踪电源，应用于无线通信场合。
技术介绍
移动通信的发展从20世纪70年代末商用的第一代移动通信(1stGeneration,1G)开始，到如今商用的第四代(4thGeneration,4G)移动通信，无论从调制方式还是从信息的传输量方面，都发生了巨大的变化。第一代移动通信技术(1G)主要采用模拟蜂窝网技术，实现的方式包括频分多址和载波复用，第二代移动通信技术(2ndGeneration,2G)采用数字通信技术，通过时分多址和码分多址技术实现射频信号(RadioFrequency,RF)的传输。功率放大器(PowerAmplifier,PA)负责对输入RF信号的功率放大。传统的1G和2G通信方式中，射频输入信号的包络线都是恒包络的，因此采用非线性功率放大器可以实现高效率的信号传输。但恒包络的RF输入信号占据的频段较宽，在固定频带内传输的信息量有限，难以实现声音、图像、视频等移动多媒体数据的传输。为了提高传输的信息量，第三代(3rdGeneration,3G)及第四代(4thGeneration,4G)移动通信技术采用正交频分复用和正交幅值调制等技术，对输入信号的相位、频率以及幅值进行调制，因此输入信号的包络线幅值不再恒定不变。此时，若延用恒定电压为功率放大器供电，系统效率甚至会低至15％。为了提高PA的效率，采用包络线跟踪技术(EnvelopeTracking,ET)可以实现在射频参考信号范围内的高效率传输，对减少PA的损耗及提高系统效率起到了至关重要的作用。目前，实现PA高效率工作的方式主要有三种。分别是Doherty技术，包络线消除及恢复(EnvelopeEliminationandRestoration,EER)技术以及包络线跟踪技术(EnvelopeTracking,ET)。其中Doherty技术需使用主次功放协同工作，成本较高，并且工作带宽较低。EER技术采用非线性功放，需要包络线恢复环节的输出电压与输入信号的包络线幅值完全一致，对功放的供电要求更加严苛。ET技术中，包络线输出电压跟踪射频参考信号，并且略高于RF参考信号的包络，对PA的供电方式没有EER技术中的电源要求严苛，因此ET技术具有较好的应用前景及实现方式。多电平开关线性复合结构ET电源由于其控制简单、鲁棒性强，目前受到越来越广泛的关注。该方案通过选择一系列不同幅值的电平形成阶梯波电压对输出电压进行拟合，并作为后级线性放大器的输入。阶梯波电压幅值略高于输出电压幅值，以保证线性放大器的正常工作。线性放大器即通过闭环控制，最终实现对参考信号的高线性度跟踪。为减小线性放大器的损耗，阶梯波电压中多电平的个数通常较多。为此，需要一级多路输出电源或多个模块电源为其提供多个电平幅值。这使得电路的复杂程度和成本增加，并且降低了系统效率；另一方面，由于ET电源所需跟踪的是RF信号的包络线，其带宽最高达几十MHz。而开关变换器直接跟踪变化幅值的参考信号时，其开关频率往往需要达到参考信号频率的5～10倍，这使得开关频率过高难以实现。同时，过高的开关频率还会导致开关器件的开通和关断时间缩短至几个ns级别，开关过程不够充分，甚至发生脉冲丢失，大大降低了系统可靠性，也严重限制了ET电源跟踪带宽的提高。
技术实现思路
本专利技术提出一种开关电容式高带宽包络线跟踪电源电路，该包络线跟踪电源电路通过控制选通开关对多个电容充放电，以电容两端的电压代替传统控制方法中的多路输出电源或多个模块电源，作为生成阶梯波电压的电平提供者，大大减少多路输出电源的路数或模块电源的数量；另一方面，可以将开关频率与跟踪信号频率的比值降低为(1/n):1，大大提升高带宽包络线跟踪的可行性，同时有效拓展开关管的开通及关断时间，提升开关管高频工作时的可靠性。为了实现上述目的，本专利技术采用的具体技术方案是：一种开关电容式高带宽包络线跟踪电源电路，包括阶梯波电压发生电路和A类线性放大器，所述阶梯波电压发生电路由n个结构相同的开关电容电路相互串联而成；其中，第n个开关电容电路包括一个电源Vn、第一级开关电容电路单元、第二级开关电容电路单元、……、第m-1级开关电容电路单元和第m级开关电容电路单元；所述第m级开关电容电路单元包括主开关管Qnm、辅开关管Qnmr、二极管Dnm和电容Cnm，所述主开关管Qnm的源极、辅开关管Qnmr的漏极和电容Cnm的一端相互连接，所述二极管Dnm的阳极与电源Vn的正极连接，所述二极管Dnm的阴极与电容Cnm的另一端连接；所述第一级开关电容电路单元中的主开关管Qn1的漏极和辅开关管Qn1r的源极分别连接在电源Vn的正极和负极；所述第m-1级开关电容电路单元中的电容Cn(m-1)的两端分别连接第m级开关电容电路单元中的主开关管Qnm的漏极和辅开关管Qnmr的源极；所述第n个开关电容电路的电源Vn的负极与第n-1个开关电容电路的第m级开关电容电路单元的二极管D(n-1)m的阴极连接；所述A类线性放大器包括功率管Q1、电压调节器、延时电路单元和分压电路单元，所述功率管Q1的一端与分压电路单元的一端连接且功率管Q1的此端用于给负载供电，分压电路单元的输出端与电压调节器连接，分压电路单元的另一端接地，延时电路单元的输入端用于输入参考电压，其输出与电压调节器连接，所述电压调节器与功率管Q1的控制端连接；所述第一个开关电容电路的电源V1的负极接地，所述第n个开关电容电路的第m级开关电容电路单元的二极管Dnm的阴极与A类线性放大器的功率管Q1的另一端连接，其中，n>＝2且为整数，m>＝2且为整数。进一步地,第P个开关电容电路设有一个二极管DncP，所述二极管DnP的阴极与二极管DncP的阴极以及电容CnP的另一端连接；所述二极管DncP的阳极与主开关管QnP漏极连接；其中，m>＝P>＝2，P取整数。本专利技术与现有技术相比，具有如下的特点：阶梯波电压发生电路与A类线性放大器采用级联连接，阶梯波电压发生电路的输出作为A类线性放大器的输入，阶梯波电压发生电路由n个结构相同的开关电容电路相互串联而成，每个开关电容电路中的开关管的开关频率相对于跟踪信号频率可以实现(1/n):1的降频，提升在高频跟踪信号条件下工作的可行性；同时，相对于传统方法减少模块电源的数量，电路复杂程度和成本降低。同时，在高带宽包络线跟踪条件下，本专利技术相对于传统方法可以有效扩展开关管的开通和关断时间，以确保其充分开通和充分关断，从而提升开关管高频工作时的开关性能和工作可靠性，真正实现高带宽包络线跟踪。附图说明图1所示为本专利技术的开关电容式高带宽包络线跟踪电源电路的第一实施例结构示意图。图2所示为本专利技术的开关电容式高带宽包络线跟踪电源电路的第二实施例结构示意图。图3所示为本专利技术中的各个开关管的控制信号的示意图。图4所示为实施例2中的单个开关电容电路的工作模态。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做进一步说明，以使更能理解本专利技术的创造点所在。实施例1参考图1，一种开关电容式高带宽包络线跟踪电源电路，包括阶梯波电压发生电路和A类线性放大器，所述阶梯波电压发生电路由n个结构相同的开关电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种开关电容式高带宽包络线跟踪电源电路，其特征在于,包括阶梯波电压发生电路和A类线性放大器，所述阶梯波电压发生电路由n个结构相同的开关电容电路相互串联而成；其中，第n个开关电容电路包括一个电源Vn、第一级开关电容电路单元、第二级开关电容电路单元、……、第m‑1级开关电容电路单元和第m级开关电容电路单元；所述第m级开关电容电路单元包括主开关管Qnm、辅开关管Qnmr、二极管Dnm和电容Cnm，所述主开关管Qnm的源极、辅开关管Qnmr的漏极和电容Cnm的一端相互连接，所述二极管Dnm的阳极与电源Vn的正极连接，所述二极管Dnm的阴极与电容Cnm的另一端连接；所述第一级开关电容电路单元中的主开关管Qn1的漏极和辅开关管Qn1r的源极分别连接在电源Vn的正极和负极；所述第m‑1级开关电容电路单元中的电容Cn(m‑1)的两端分别连接第m级开关电容电路单元中的主开关管Qnm的漏极和辅开关管Qnmr的源极；所述第n个开关电容电路的电源Vn的负极与第n‑1个开关电容电路的第m级开关电容电路单元的二极管D(n‑1)m的阴极连接；所述A类线性放大器包括功率管Q1、电压调节器、延时电路单元和分压电路单元，所述功率管Q1的一端与分压电路单元的一端连接且功率管Q1的此端用于给负载供电，分压电路单元的输出端与电压调节器连接，分压电路单元的另一端接地，延时电路单元的输入端用于输入参考电压，其输出与电压调节器连接，所述电压调节器与功率管Q1的控制端连接；所述第一个开关电容电路的电源V1的负极接地，所述第n个开关电容电路的第m级开关电容电路单元的二极管Dnm的阴极与A类线性放大器的功率管Q1的另一端连接，其中，n>＝2且为整数，m>＝2且为整数。...

【技术特征摘要】
1.一种开关电容式高带宽包络线跟踪电源电路，其特征在于,包括阶梯波电压发生电路和A类线性放大器，所述阶梯波电压发生电路由n个结构相同的开关电容电路相互串联而成；其中，第n个开关电容电路包括一个电源Vn、第一级开关电容电路单元、第二级开关电容电路单元、……、第m-1级开关电容电路单元和第m级开关电容电路单元；所述第m级开关电容电路单元包括主开关管Qnm、辅开关管Qnmr、二极管Dnm和电容Cnm，所述主开关管Qnm的源极、辅开关管Qnmr的漏极和电容Cnm的一端相互连接，所述二极管Dnm的阳极与电源Vn的正极连接，所述二极管Dnm的阴极与电容Cnm的另一端连接；所述第一级开关电容电路单元中的主开关管Qn1的漏极和辅开关管Qn1r的源极分别连接在电源Vn的正极和负极；所述第m-1级开关电容电路单元中的电容Cn(m-1)的两端分别连接第m级开关电容电路单元中的主开关管Qnm的漏极和辅开关管Qnmr的源极；所述第n个开关电容电路的电源Vn的负极与第n-1个开关电容电路的第m级开关电容电路单元的二极管D(n-1)m的阴极连接；所述A类线性放大器包括功率管Q1、电压调节器、延时电路单元和分压电路单元，所述功率管Q1的一端与分压电路单元的一端连接且功率管Q1的此端用于给负载供电，分压电路单元的输出端与电压调节器连接，分压电路单元的另一端接地，延时电路单元的输入端用于输入参考电压，其输出与电压调节器连接，所述电压调节器与功率管Q1的控制端连接；所述第一个开关电容电路的电源V1的负极接地，所述第n个开关电容电路的第m级开关电容电路单元的二极管Dnm的阴极与A类线性放大器的功率管Q1的另一端连接，其中，n>＝2且为整数，m>＝2且为整数。2.如权利要求1所述的一种开关电容式高带宽包络线跟踪电源电路，其特征在于,第P个开关电容电路设有一个二极管DncP，所述二极管DnP...

【专利技术属性】
技术研发人员：郗焕，刘宁，徐永健，曹娟，朱颖，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32