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极彩娱乐 官网平台-移动通讯体系包络盯梢(ET)电源规划总述

admin 2019-05-15 313人围观 ,发现0个评论

在现代移动通讯体系中,频谱有用调制格局已被广泛运用,这导致射频(RF)信号的包络是可变的而且具有大的峰均功率比(PAPR)。为了在没有失真的情况下扩大RF信号,选用线性功率扩大器(LPA),当由稳定电压供电时功率较低。本文剖析和比较了三种盛行的技能,即Doherty,包络消除和康复(EER),以及包络盯梢(ET)技能,以大大进步功率扩大器的功率,而且标明ET技能是最适合未来的移动通讯体系。在ET体系中,ET电源是要害设备,它主导着体系功率。跟着移动通讯体系的开展,包络信号的带宽和PAPR敏捷添加,这对ET电源的规划提出了严峻的应战。本文对文献中的ET电源进行了总结和分类,并给出了具体的比较,以辅导不同运用的ET电源挑选。最终,提出了包含软开关,慢包络和频带别离的办法,以进一步进步ET电源的功率。

图1、包络盯梢扩大器的运用示意图

II.ET(包络盯梢) 电源

图2、ET改进功率的原理图示

ET电源是ET技能的中心,在ET体系ET的功率中起着至关重要的效果。依据下图,ET能够近似为:

方程(1)

方程(1)中,PS是ET电源的功率,LPA是LPA的功率。

为了完成高ET,ET电源自身有望完成高功率。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盯梢包络,以确保LPA能够完成高功率。总归,ET电源应该完成宽带宽和高功率。表II给出了不同移动通讯体系的包络信号的PAPR和带宽。能够看出,跟着移动通讯体系的开展,包络信号的PAPR和带宽正在添加,这对规划ET电源提出了应战。

表II

曾经的出版物现已介绍了ET电源的各种结构,能够分为三类,即线性扩大器结构,开关方式转化器结构,以及开关 - 线性混合(SLH)结构。

A.线性扩大器结构

图3显现了典型线性扩大器的电路,其间LPA由RLd标明,因为它能够等效于由ET电源供电时的稳定电阻。图3(a)显现了A类线性扩大器的电路,其间T是功率器材。 A类线性扩大器可输出单向电压和电流,其理论最大功率为50%。图3(b)显现了AB类线性扩大器的电路,其间T1和T2是功率器材,Vbias是防止穿插失真的偏置电压。 T1在输入信号的正部分导通,T2导通在负部分。 AB类线性扩大器可输出单向电压和双向电流,其理论最大功率为78.5%。

图3.典型线性扩大器的电路。 (a)A类。(b)AB类。

线性扩大器具有高带宽和小输出电压纹波,而且具有杰出的盯梢包络信号的才能,确保LPA完成高功率且无频谱搅扰。图4显现了具有8.5 dB PAPR的包络信号的线性扩大器和概率密度散布(PDF)的功率曲线。能够看出,线性扩大器的功率随输出电压而下降。参阅PDF曲线,包络信号很可能坐落低起伏区域,其间线性扩大器功率较低。更重要的是,假如包络信号的PAPR变得更高,则PDF将向左移动,这将进一步下降线性扩大器的功率。在未来的移动通讯体系中,PAPR将不断添加,运用线性扩大器结构的ET电源功率不高。

图4

图4极彩娱乐 官网平台-移动通讯体系包络盯梢(ET)电源规划总述、线性扩大器的功率曲线和包络信号的PDF与归一化输出电压的联系曲线。

B.开关方式转化器结构

开关方式转化器能够完成高功率,而且优选结构ET电源。依据所运用的电源开关数量,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。因而,开关方式转化器结构能够分类为SS结构和MS结构。关于基站运用,需求降压转化器,而且因为其结构简略,开环操控降压转化器一般用作ET电源或根本单元。以下剖析根据降压转化器,剖析能够扩展到其他转化器。

1)SS结构

图5显现了具有m级滤波器的降压转化器的电路。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。

图5

图5.具有m级滤波器的降压转化器。

当m = 1时,图5中所示的电路将是传统的降压转化器(Buck)。为了衰减开关频率重量,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)能够标明为:

方程2

当降压转化器(Buck)是开环操控时,其带宽fBW近似等于fr1,即fBW≈fr1。因而,fBW << fs。为了盯梢宽带宽的包络信号,SS结构的开关频率应该十分高。例如,假如fBW = 20 MHz,则fs要求高于200 MHz。关于如此高的开关频率,传统的硅基电源开关将遭受明显的开关损耗,大大下降了ET电源的功率。走运的是,呈现了氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT),它们适合在十分高的频率下作业,开关损耗更小。在如此高的开关频率下作业时,封装和PCB布局的寄生参数对ET电源的功能有很大影响。为了有用地削减不需求的寄生参数的影响,操控电路和功率器材最好集成到单个芯片中。

为了以下降了的fs来盯梢包络信号,能够运用m级滤波器(m> 1)。此刻,开关频率Am(fs)处的衰减可标明为:

方程3

图6显现了单级和极彩娱乐 官网平台-移动通讯体系包络盯梢(ET)电源规划总述两级滤波器的增益曲线与频率的联系。很明显,关于fs处的相同衰减效应,两级滤波器的最小谐振频率fr1能够更挨近fs,这比单级滤波器的衰减效应更高。因而,能够添加运用m级滤波器(m> 1)的SS结构的带宽。可是,跟着m的添加,滤波器网络的规划十分复杂。一般,挑选m = 2。

图6

图6.单级和两级滤波器的增益曲线与频率的联系。

2)MS结构

MS结构的意图是添加等效的开关频率fe_s。因而,需求按捺的频率重量坐落nfs,其间n是开关网络中所运用的开关的数量。假如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结构是开环操控时,其带宽fBW_MS大约等于fe_r1。所以,咱们有fBW_MS≈fe_r1= n fr1。这意味着,与SS结构比较,MS结构的带宽fBW_MS能够添加n倍。

图7显现了典型MS结构的示意图:

图7

图7.典型MS结构的示意图。 (a)多级MS。 (b)多相MS。

这包含多级MS 和多相MS。图7(a)示出了多级MS结构的典型完成,其由电平供给器和电平挑选器组成。电平供给器发生一系列电压电平V1,V2,...,Vn(V1 <... 1)也能够运用于MS结构,以进一步进步带宽。可是,该体系十分复杂。

D)SLH结构

图8

图8.WCDMA包络信号的PSD和PIC。

为了无失真地盯梢包络信号,开关方式转化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。因而,盯梢宽带包络信号所需的开关频率依然很高。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。考虑到这种功率散布,提出了ET电源的SLH结构,其间,开关方式电源转化器用于供给高功率的大部分低频功率,而选用线性扩大器进行处理其他的小部分高频电源。 SLH ET电源集成了开关方式电源转化器和线性扩大器的长处,可一起完成高功率和高带宽。因为开关方式转化器仅处理包络信号的低频重量,因而与开关方式转化器结构比较,开关频率能够明显下降。

SLH结构可分为串联方式,并联方式,和串并联方式。

1)串联方式的SLH

图9

图9.串联式SLH ET电源的方框图和要害波形。 (a)方框图。 (b)要害电压波形。 (c)要害电流波形。

串联式SLH ET电源由压控开关方式转化器(VSC)和压控线性扩大器(VLA)组成,它们串联衔接,如图9(a)所示。 VSC一般由多电平转化器完成,如图7(a)所示,其输出阶跃波电压vVSC以组成负载电压vo,然后下降线性扩大器vlin的输出电压摆幅,如如图9(b)所示。这样,线性扩大器的损耗减小,因而SLH ET电源的功率大大进步。可是,线性扩大器的输出电流ilin依然是负载电流io,如图9(c)所示,它很大而且依然会导致相对大的损耗。

2)并联方式的 SLH

图10

图10.并联型SLH ET电源的方框图和要害波形。 (a)方框图。 (b)要害电压波形。 (c)要害电流波形。

并联方式的SLH ET电源由电流操控的开关方式转化器(CSC)和VLA组成,它们并联衔接,如图10(a)所示。 在这种方式中,预期CSC盯梢io,而且线性扩大器补偿io和CSC中的输出电流iCSC之间的纹波电流,如图10(c)所示。 因而,减小了线性扩大器的损耗,而且ET电源也能够完成相对高的功率。 可是,vlin等于负载电压vo,如图10(b)所示,即便ilin很小,依然会带来相对大的损耗。

3)串并联方式SLH

图11

图11.串并联方式SLH ET电源的框图。 (a)类型I.(b)类型II。

无论是串联方式仍是并联方式,线性扩大器依然具有相对较大的损耗,这阻止了SLH ET电源功率的进步。为了进一步下降线性扩大器的功率损耗,提出了串并联方式的SLH ET电源,它由一个线性扩大器和两个开关方式转化器组成,它们有两种组合,如图11所示,其间一个开关方式转化器是VSC,另一个是CSC。图12显现了串并联方式SLH ET电源的抱负电压和电流波形。如图所示,ilin和vlin都相对较小,导致线性扩大器的功率损耗下降。表III示出了线性扩大器结构,开关方式转化器结构和SLH结构ET电源的比较。能够看出,线性扩大器结构能够完成宽带宽和杰出的线性度。可是,它的功率相对较低。尽管开关方式转化器结构具有更高的功率,但却有更窄的带宽。 SLH结构结合了线性扩大器结构和开关方式转化器结构的长处,能够一起完成宽带宽和高功率,串并级SLH结构能够获得更高的功率和更宽的带宽,因为与串联方式和并联方式的扩大器比较,串并联方式SLH中的线性扩大器处理的功率下降。

图12

图12.串并联方式SLH ET电源的要害波形。 (a)要害电压波形。 (b)要害电流波形。

表III

表III具有不同结构的电源的比照概述

四。 进一步进步ET电源功率的办法

在4G移动通讯体系中,包络信号的带宽到达20MHz,而且在5G移动通讯体系中将高达100MHz。 为了盯梢这些宽带包络信号,ET电源中的开关方式转化器的开关频率应该十分高,然后导致大的开关损耗,然后下降功率。 为了完成高功率,在盯梢宽带信号时应下降ET电源的开关损耗或开关频率。

A.软切开关的办法

为了下降开关损耗,GaN器材是首选,因为削减了断电容和快速开关频率。一起,能够选用软开关办法。挑选简略降压转化器(Buck)来解说软切换办法的作业原理。图13显现了降压转化器(Buck)的等效电路和要害波形,其间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。注意到这儿滤波器电感器Lf有意规划得满意小,以使其电流为负。在t0之前极彩娱乐 官网平台-移动通讯体系包络盯梢(ET)电源规划总述,电源开关Q2导通而且电源开关Q1截止,电感器电流iL衰减而且过零,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,因而,vdg1和vds1(vdg1 = vds1,vdg1 = -vgd1)减小并穿插为零,等鲁自重效电路如图13(b)所示。在t1,vdg1衰减到-Vth,Q1反导游通,这为Q1供给了近似的零电压导通条件,如图13(c)所示。 [t2,t5]期间降压转化器的作业原理与[0,t2]期间的作业原理相似,此处不再赘述。如上所述,Q1和Q2都完成了零电压切换,简直消除了开关损耗。运用GaN器材和软开关办法报告了能够完成高于90%的功率。

图13

图13.降压转化器的等效电路和要害波形。 (a)t0之前的等效电路。 (b)[t0,t1]期间的等效电路。 (c)[t1,t2]期间极彩娱乐 官网平台-移动通讯体系包络盯梢(ET)电源规划总述的等效电路。 (d)要害波形。

B.慢包络办法

因为开关损耗与开关频率成份额,因而能够经过下降开关频率来下降开关损耗。现已提出慢包络办法来下降原始信号的带宽。经过用慢包络信号替换原始包络信号作为ET电源的参阅电压,能够下降ET电源的带宽,然后下降开关频率。因而,因为下降的开关损耗,能够进步ET电源的功率。

图14

图14.具有不同压摆率的包络信号。

图15

图15.具有不同转化速率的包络信号的功率谱密度。

如文献所述,发生了几个慢速包络,如图14所示。图15显现了相应包络信号的PSD,很清楚地看到包络信号的带宽能够经过运用慢包络办法大大削减。因而,减轻了对ET电源的要求。可是,献身了LPA的功率。因而,在ET电源和LPA的功率之间存在折衷规划。

C.频段别离的办法

包络信号包含低频和高频重量。为了准确地盯梢包络信号,ET电源应该具有准确盯梢高频信号重量的才能,这将在盯梢低频重量时糟蹋开关频率。因而,具有不同盯梢才能的多个转化器能够组合作为ET电源,以应对包络信号的不同频率重量,这是频带别离办法的根本思想。

图16

图16.频段别离技能的扩展。

SLH结构是运用频带别离办法的代表性示例。线性扩大器与开关方式转化器合作以供给包络信号的频率重量,即,低频重量由开关方式转化器处理,而高频重量由线性扩大器供给。开关方式转化器的带宽对全体功率有很大影响。较低的带宽将进步开关方式转化器的功率,但功率损耗会跟着VLA处理的功率的添加而添加。因而,开关方式转化器的带宽挑选应该折衷,以完成ET电源的全体功率。

图17

图17.具有多个开关方式转化器的SLH结构。 (a)具有多个VSC的系列SLH结构。 (b)具有多个CSC的并行方式SLH结构。

根据SLH结构,能够扩展频段别离办法。能够选用具有不同盯梢才能的多个开关方式转化器SC1,SC2,......和SCn,如图16所示,而且每个开关方式转化器能够独立优化。与具有单开关方式转化器的SLH结构比较,具有多个开关方式转化器的SLH结构能够完成更高的功率。因为开关方式转化器能够是电压操控的或电流操控的,因而具有多个开关方式转化器的根本SLH结构有两种组合,如图17所示。此外,频带别离技能也能够扩展进入串并联方式的SLH结构和开关方式转化器的结构中。

v。定论

移动通讯体系一直在不断开展,以满意高数据传输速率的需求。因而,现已选用了频谱有用调制格局,其特征在于具有大PAPR的RF信号的可变包络。选用LPA以满意RF输出信号的严厉线性要求。可是,由稳定电压供电的LPA具有低功率。本文介绍了三种盛行的功率增强技能,即Doherty,EER和ET技能,以大大进步功率扩大器的功率。剖析了各种技能的作业原理和特色,指出ET技能最适合未来的移动通讯体系。在ET体系中,ET电源是中心设备,对体系功率有很大影响。回忆了最先进的ET电源,这些ET电源分为线性扩大器结构,开关方式转化器结构和SLH结构。进行了比照剖析,标明SLH结构集成了前两种结构的长处,可一起完成高功率和高带宽。最终,提出了软切换办法,慢包络办法和频带别离办法,旨在进一步进步ET电源的功率。

(完)

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