[发明专利]一种接力充电式开关电容高带宽包络线跟踪电源电路

说明书

本发明公开了一种接力充电式开关电容高带宽包络线跟踪电源电路，其包括接力充电式开关电容多电平变换器和A类线性放大器，两者采用级联连接，接力充电式开关电容多电平变换器的输出作为A类线性放大器的输入。接力充电式开关电容多电平变换器实现了开关管中的开关频率相对于跟踪信号频率的1/n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，实现了接力式的电容充电方式，保证了开关电容在各种工作模式下的充分充电，维持了其两端电压的稳定；相对于传统方法，只需要1个电压源，可以大幅减少供电电源的数量，降低电路的复杂程度、成本和功率变换级数，提升系统效率。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种接力充电式开关电容高带宽包络线跟踪电源电路。

背景技术

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(1st Generation,1G)开始，到如今商用的第四代(4th Generation,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(2nd Generation,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(Radio Frequency,RF)的传输。功率放大器(Power Amplifier,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(4th Generation,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(Envelope Tracking,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(Envelope Elimination and Restoration,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。

发明内容