中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)主辦，2017年6月21-24日在河北省張北縣舉辦，大會(huì)圍繞新能源發(fā)展戰(zhàn)略、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)、微電網(wǎng)及儲(chǔ)能等重要議題展開交流。瀏覽會(huì)議詳情和在線報(bào)名參會(huì)請長按識別二維碼。
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中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)主辦，2017年6月21-24日在河北省張北縣舉辦，大會(huì)圍繞新能源發(fā)展戰(zhàn)略、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)、微電網(wǎng)及儲(chǔ)能等重要議題展開交流。瀏覽會(huì)議詳情和在線報(bào)名參會(huì)請長按識別二維碼。 南京航空航天大學(xué)多電飛機(jī)電氣系統(tǒng)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室阮新波、金茜，在2017年第4期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出，隨著第四代移動(dòng)通信的高速發(fā)展，射頻輸入信號的包絡(luò)帶寬越來越寬，功率峰均比越來越大，導(dǎo)致采用恒壓供電的基站功放效率越來越低。 包絡(luò)線跟蹤（ET）技術(shù)是大幅提高功放效率的有效方法之一，對于節(jié)能減排和緩解環(huán)境污染具有重要意義。ET電源是ET技術(shù)的核心裝置，一般采用開關(guān)線性復(fù)合（SLH）結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)結(jié)合了開關(guān)變換器高效率和線性放大器高帶寬的優(yōu)點(diǎn)。 本文首先介紹高帶寬線性放大器和高效率開關(guān)變換器的實(shí)現(xiàn)方法，然后介紹SLH ET電源的兩個(gè)基本架構(gòu)，即串聯(lián)和并聯(lián)架構(gòu)。在分析這兩個(gè)基本架構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出SLH ET電源的串并聯(lián)架構(gòu)的概念，以進(jìn)一步減小線性放大器輸出的功率，提高SLH ET電源的效率。 最后，針對現(xiàn)代移動(dòng)通信對ET電源的要求，從階梯波提供單元的優(yōu)化、GaN器件在ET電源中的應(yīng)用、包絡(luò)信號功率頻譜的分段方法以及開關(guān)變換器控制策略的改進(jìn)等四個(gè)方面提出進(jìn)一步提升ET電源效率的方法。 移動(dòng)通信自20世紀(jì)70年代出現(xiàn)以來，一直以驚人的速度迅猛發(fā)展，對人們的生活方式帶來了巨大改變，并已成為帶動(dòng)全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要高科技產(chǎn)業(yè)之一。移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展至今可分為四代。 第一代移動(dòng)通信采用模擬電路，其頻帶利用率低，抗干擾能力差，傳輸信號差錯(cuò)率高，只能滿足區(qū)域性的移動(dòng)通信。為提高信號傳輸?shù)目煽啃?，?shù)字化移動(dòng)通信得到了快速發(fā)展。 第二代（Second Generation, 2G）移動(dòng)通信采用諸如頻移鍵控、高斯最小頻移鍵控等數(shù)字調(diào)制方式，對射頻（Radio Frequency,RF）輸入信號進(jìn)行頻率和相位調(diào)制，具有較高的抗噪聲性能。由于這些數(shù)字調(diào)制方式不對RF輸入信號的幅值進(jìn)行調(diào)制，因此其包絡(luò)線幅值是恒定的，這樣就不需要對RF輸入信號進(jìn)行線性放大[1]，采用恒壓供電的C類等高效率的非線性功放即可。由于恒包絡(luò)的RF輸入信號占據(jù)的頻段較寬，在固定頻帶內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘坑邢蓿y以滿足聲音、圖像、視頻等移動(dòng)多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/span> 為了在相同頻帶內(nèi)大幅提高傳輸信息量，第三代（Third Generation, 3G）和第四代（FourthGeneration, 4G）移動(dòng)通信不僅對RF輸入信號的相位和頻率進(jìn)行調(diào)制，而且對其幅值進(jìn)行調(diào)制，此時(shí)RF輸入信號的包絡(luò)線幅值不再恒定。為保證RF輸入信號所攜帶信息不失真地傳輸，需采用A類、AB類等線性功放[2,3]。當(dāng)線性功放為恒壓供電時(shí)，其效率非常低，在第四代移動(dòng)通信技術(shù)中約為10%[4]。 圖1給出了移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和基站的能耗分布[5]，圖中可以看出，移動(dòng)通信基站的能耗為整個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)總能耗的73%，而基站功放所消耗的電能為移動(dòng)通信基站總能耗的51%。由于功放效率較低，而且其損耗的電能以熱量形式耗散， 圖1 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和基站的能耗分布 增大了空調(diào)制冷的耗電量，因此提高線性功放效率，不僅可以減小功放自身能耗，而且可以降低空調(diào)能耗，是移動(dòng)通信基站節(jié)能的源頭。 目前，提高功放效率的方法主要有Doherty技術(shù)[6-8]、包絡(luò)線消除與恢復(fù)（EnvelopeElimination and Restoration, EER）技術(shù)[9,10]和包絡(luò)線跟蹤（EnvelopeTracking, ET）技術(shù)[11-13]三種。 圖2給出了Doherty技術(shù)的功放結(jié)構(gòu)示意圖，它由AB類主功放和C類輔助功放組成。當(dāng)RF輸入信號幅值較低時(shí)，只有主功放工作；當(dāng)輸入信號幅值較高時(shí)，主功放進(jìn)入飽和狀態(tài)，輔助功放與主功放一起工作。目前，Ericsson、Motorola、Siemens、華為、中興等公司為無線基站所提供的功放模塊均采用該技術(shù)。 Doherty技術(shù)是以犧牲RF輸入信號峰值處的線性度為代價(jià)，來提高恒壓供電時(shí)功放的平均效率[14]。另外，Doherty技術(shù)還存在以下幾個(gè)問題：①需要主功放和輔助功放配合使用，成本較高； ②工作頻段較窄，一般為幾百MHz，無法同時(shí)覆蓋多個(gè)頻段信號的傳輸。 圖2 采用Doherty技術(shù)的功放結(jié)構(gòu)示意圖 L. R. Kahn于1952年提出了EER技術(shù)[15]，其控制原理如圖3所示。RF輸入信號的放大分為兩條通路。第一條通路中，包絡(luò)線幅值信息消除環(huán)節(jié)（通常為一個(gè)限幅器）將RF輸入信號的幅值信息去除，成為一個(gè)只包含相位信息的相位調(diào)制載波，其包絡(luò)線是恒定的，因此可以采用非線性功放進(jìn)行高效率地放大；第二條通路中，包絡(luò)線檢測環(huán)節(jié)將RF輸入信號的包絡(luò)線檢出，并將其作為包絡(luò)線恢復(fù)環(huán)節(jié)的參考信號。 包絡(luò)線恢復(fù)環(huán)節(jié)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)DC-DC變換器，它用來為非線性功放供電，其輸出電壓跟蹤RF輸入信號包絡(luò)線。因此，RF輸入信號的幅值和相位分別由包絡(luò)線恢復(fù)環(huán)節(jié)和非線性功放來實(shí)現(xiàn)功率放大。圖中引入的延時(shí)環(huán)節(jié)是用來匹配兩條通路的傳輸延時(shí)，以保證兩條通路的同步。 EER技術(shù)具有工作頻段寬和效率高等優(yōu)點(diǎn)[9]。由于EER技術(shù)采用的是非線性功放，因此為了保證RF輸出信號的線性度，包絡(luò)線恢復(fù)環(huán)節(jié)的輸出電壓必須與RF輸入信號的包絡(luò)線幅值完全相等，這就對該環(huán)節(jié)（即DC-DC變換器）跟蹤包絡(luò)線的性能提出了很高的 要求。 圖3 EER技術(shù)控制原理 圖4給出了采用ET技術(shù)的功放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[13]。RF輸入信號通過驅(qū)動(dòng)電路送給線性功放，其包絡(luò)線通過包絡(luò)線檢測環(huán)節(jié)檢出，作為ET電源輸出電壓的參考信號。ET電源的輸出電壓跟蹤RF輸入信號的包絡(luò)線，并為線性RF功放供電。 值得說明的是，ET電源的輸出電壓（即功放供電電壓）始終略高于RF輸出信號的包絡(luò)。因此，ET電源輸出電壓的線性度要求沒有EER技術(shù)中包絡(luò)線恢復(fù)環(huán)節(jié)那么嚴(yán)格。 圖4 采用ET技術(shù)的功放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 表1給出了移動(dòng)通信的三種功放系統(tǒng)技術(shù)的對比。Doherty技術(shù)是現(xiàn)在較為主流的功放模式，由于采用恒定電壓供電，其整體效率不如采用ET電源供電的方式。EER技術(shù)采用非線性功放，效率優(yōu)于采用線性功放的ET技術(shù)，但對包絡(luò)線恢復(fù)環(huán)節(jié)線性度要求很高，在包絡(luò)帶寬很高的場合受到限制。因此，ET技術(shù)有望成為下一代主流功放技術(shù)。 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，采用ET技術(shù)取代恒壓供電方案，全球每年可以節(jié)省100萬kW·h的電能消耗和28億美元的電費(fèi)開支，并可減少2 600萬噸的CO2排放量[16]?？梢?，ET技術(shù)的研究對于節(jié)能減排和緩解環(huán)境污染具有十分重要的意義。與此同時(shí)，采用ET電源時(shí)，系統(tǒng)損耗分布在ET電源和線性功放中，有利于系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)和管理。 表1 三種功放技術(shù)的對比 ET電源是ET技術(shù)的核心裝置。ET電源的輸出電壓必須很好地跟蹤RF輸入信號的包絡(luò)線，以保證線性功放無失真地對RF輸入信號進(jìn)行放大。ET電源還要具有高的變換效率，以提高整個(gè)功放系統(tǒng)的效率。 隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，RF輸入信號的包絡(luò)帶寬和功率峰均比（Peak-to-AveragePower Ratio, PAPR）不斷提高。表2列出了移動(dòng)通信系統(tǒng)演進(jìn)下不同RF信號的PAPR和帶寬[17]。 全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile communications, GSM）是2G移動(dòng)通信最為成功的代表，其RF信號采用高斯最小相移鍵控調(diào)制方式，RF輸入信號的包絡(luò)是恒定的。2.5G移動(dòng)通信采用八相相移鍵控調(diào)制方式，其RF信號的包絡(luò)不再恒定，且PAPR達(dá)到3.2dB。 3G移動(dòng)通信采用正交相移鍵控調(diào)制方式，大幅提高了RF信號的調(diào)制效率，并于2003年投入商用，移動(dòng)通信進(jìn)入新的紀(jì)元。國際電信聯(lián)盟確定的3G主流標(biāo)準(zhǔn)主要有WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三種，無論采用哪種標(biāo)準(zhǔn)，其包絡(luò)信號帶寬都達(dá)到MHz量級，且PAPR也有了大幅增加。現(xiàn)在，4G移動(dòng)通信得到了飛速發(fā)展，更高效的調(diào)制技術(shù)不斷被采用，第三代合作伙伴計(jì)劃（the 3rd 表2 移動(dòng)通信系統(tǒng)演進(jìn)下射頻信號標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展 Generation Partnership Project, 3GPP）長期演進(jìn)（Long TermEvolution, LTE）項(xiàng)目中，RF信號的包絡(luò)帶寬已高達(dá)20MHz，PAPR也提高至8.5～13dB，這意味著相比于恒包絡(luò)RF信號，在相同平均輸出功率下，信號峰值功率將增加至7～20倍。如何跟蹤大擺幅且高速變化的包絡(luò)信號，對ET電源的設(shè)計(jì)提出了極大的挑戰(zhàn)。 本文將介紹分別采用高帶寬線性放大器和高效率開關(guān)變換器實(shí)現(xiàn)ET電源的方法和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，介紹SLH ET電源，該電源集成了線性放大器跟蹤帶寬高和開關(guān)變換器變換效率高的優(yōu)點(diǎn)。 SLH ET電源的基本架構(gòu)包括串聯(lián)和并聯(lián)兩種，在此基礎(chǔ)上，本文提出SLH ET電源的串并聯(lián)架構(gòu)，以進(jìn)一步減小線性放大器的輸出功率，提高整體效率。最后針對ET電源發(fā)展面臨的問題，從階梯波提供單元的優(yōu)化、GaN器件的應(yīng)用、包絡(luò)信號功率頻譜分段方法以及開關(guān)變換器控制策略的改進(jìn)等四個(gè)方面提出解決思路。 1 線性放大器 線性放大器具有高工作帶寬和輸出電壓線性度高的優(yōu)點(diǎn)，可以很好地實(shí)現(xiàn)對高帶寬包絡(luò)信號的功率放大。當(dāng)采用線性放大器實(shí)現(xiàn)ET電源時(shí)，需滿足以下要求：①輸出電壓擺幅大；②輸出帶寬高；③電流輸出能力強(qiáng)。因此，線性放大器一般由電壓調(diào)整級、電壓放大級和功率輸出級構(gòu)成。 運(yùn)算放大器是一種常見的線性放大器件，具有集成度高和帶寬高的優(yōu)點(diǎn)，常用于電壓調(diào)整級和電壓放大級，以實(shí)現(xiàn)高增益和高帶寬的放大。但運(yùn)算放大器的輸出電流能力有限，一般為幾十毫安[18,19]。文獻(xiàn)[20]將48個(gè)射極跟隨器并聯(lián)構(gòu)成輸出級，將線性放大器的輸出能力提高至7A/30V，最高帶寬達(dá)到100MHz。該方案的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且成本較高。因此，功率輸出級多采用雙極型功率三極管或MOSFET來實(shí)現(xiàn)，滿足線性放大器的輸出要求。 由單個(gè)三極管構(gòu)成的放大電路有三種基本接法，即共基極、共集電極和共射級。其中，共集電極放大電路的輸入阻抗大、輸出阻抗小，因此從信號源索取的電流小而帶負(fù)載能力強(qiáng)，常用于多級放大電路的輸出級[21]。圖5給出了基本共集電極線性放大電路原理，其中，VT為雙極型功率三極管，RLd為負(fù)載，Vdc為直流供電電壓，vi和vo分別為輸入電壓和輸出電壓。 根據(jù)基極偏置電路的不同，基本線性放大電路可以工作在A類、AB類和B類三種線性放大狀態(tài)[21]，其中AB類和B類線性放大電路都會(huì)在輸入信號負(fù)半周出現(xiàn)失真。為了克服這個(gè)問題，可以采用一對功率管構(gòu)成互補(bǔ)對稱電路，分別實(shí)現(xiàn)對輸入信號正半周期和負(fù)半周期的放大。 圖6和圖7分別給出了AB類和B類互補(bǔ)對稱電路的原理[21]。當(dāng)正弦輸入信號處于正半周期時(shí)，VT2管發(fā)射結(jié)正偏導(dǎo)通，VT1管發(fā)射結(jié)反偏截止，電流通過VT2管流入負(fù)載RLd；當(dāng)正弦輸入信號處于負(fù)半周期時(shí)，VT1管正偏導(dǎo)通而VT2管反偏截止，電流通過VT1管流入負(fù)載。 需要注意的是，實(shí)際電路中，輸入電壓幅值必須大于VT1和VT2的門坎電壓才能正常工作，否則會(huì)處于截止?fàn)顟B(tài)，因此B類互補(bǔ)對稱電路實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)存在交越失真[21]。為解決這個(gè)問題，需要在VT1和VT2的基極加入合適的偏置電壓Vbias，使得VT1和VT2在靜態(tài)時(shí)處于微導(dǎo)通狀態(tài)，如圖7所示。 此時(shí)，輸入信號在其幅值低于門坎電壓的時(shí)間段內(nèi)，仍然能夠得到線性放大。由于VT1和VT2的實(shí)際導(dǎo)通角度略大于，因此稱此電路為AB類互補(bǔ)對稱電路。顯然，AB類互補(bǔ)對稱電路的線性度優(yōu)于B類互補(bǔ)對稱電路。 圖5 基本共集電極線性放大電路原理 圖6 B類互補(bǔ)對稱電路原理 采用線性放大器實(shí)現(xiàn)ET電源時(shí)，為保證輸出電壓線性度，功率輸出級通常采用A類共集電極電路或者AB類互補(bǔ)對稱電路，以下分別簡稱為A類線性放大器和AB類線性放大器，如圖8所示。其中，vlin、ilin分別為線性放大器的輸出電壓和輸出 圖7 AB類互補(bǔ)對稱電路原理示意圖 圖8 A類和AB類線性放大器簡化原理
電流。為保證線性放大器工作在線性放大區(qū)，Vdc需大于vlin。根據(jù)線性放大器結(jié)構(gòu)不同，A類放大器只能工作在第一象限，輸出單方向的電壓和電流；而AB類線性放大器可以工作在第一、第二象限，輸出單方向的電壓和雙方向的電流。 線性放大器的損耗主要來自輸出級的功率器件。因此，A類和AB類線性放大器的損耗分別表示為 從式（1）和式（2）可以看出，線性放大器的損耗與其輸出電壓vlin的擺幅和輸出電流ilin成正比。當(dāng)vlin的擺幅較大或輸出電流ilin較大時(shí)，線性放大器的損耗較大，變換效率較低。 2 開關(guān)變換器 開關(guān)變換器具有變換效率高的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)采用開關(guān)變換器實(shí)現(xiàn)ET電源時(shí)，一般由開關(guān)單元擬合包絡(luò)信號的電壓或電流形狀，再通過無源濾波網(wǎng)絡(luò)濾除開關(guān)頻率次諧波，保證輸出電壓的線性度。開關(guān)變換器實(shí)現(xiàn)ET電源的方式多種多樣，常見的結(jié)構(gòu)主要有單開關(guān)變換器結(jié)構(gòu)[22,23]和多開關(guān)變換器結(jié)構(gòu)[24,25]。 2.1 單開關(guān)變換器結(jié)構(gòu) 圖9給出了最典型的單開關(guān)變換器結(jié)構(gòu)ET電源[22]及其關(guān)鍵點(diǎn)波形。它實(shí)際上是一個(gè)Buck變換器，開關(guān)單元的輸出電壓vpul以電壓脈沖的形式擬合負(fù)載電壓的形狀，隨后由LC濾波網(wǎng)絡(luò)濾除vpul中的開關(guān)頻率及其倍數(shù)次頻率的諧波分量，得到最終輸出電壓vo。采用脈寬調(diào)制方法調(diào)節(jié)vpul的脈沖寬度，則可使vo復(fù)現(xiàn)包絡(luò)信號venv的形狀。 圖9 單開關(guān)變換器結(jié)構(gòu)的ET電源及其關(guān)鍵點(diǎn)波形
為保證單開關(guān)變換器輸出電壓的線性度，無源濾波網(wǎng)絡(luò)需對開關(guān)單元產(chǎn)生的諧波分量進(jìn)行有效衰減，一般要求濾波網(wǎng)絡(luò)在諧波頻率處幅值衰減大于20dB。同時(shí)，為避免濾波網(wǎng)絡(luò)對輸出有用信號幅值和相位造成影響，濾波網(wǎng)絡(luò)的截止頻率應(yīng)至少高于輸出有用信號頻率的3～5倍[26]。 因此，為了獲得高的跟蹤帶寬，采用單開關(guān)變換器構(gòu)成ET電源時(shí)，往往需要很高的開關(guān)頻率。文獻(xiàn)[23]中，為實(shí)現(xiàn)1.25MHz帶寬包絡(luò)信號的跟蹤，開關(guān)頻率達(dá)到20MHz。 單開關(guān)變換器結(jié)構(gòu)簡單、易于集成，但需要很高的開關(guān)頻率。普通的晶體管或MOSFET很難滿足要求，需采用諸如氮化鎵（Gallium Nitride,GaN）晶體管或異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管（Heterojunction Bipolar Transistor, HBT）等特殊開關(guān)器件。 但是，工作在如此高頻的器件一般能夠處理的功率都比較小。因此，單開關(guān)變換器結(jié)構(gòu)的ET電源一般應(yīng)用于手持移動(dòng)終端[27]等輸出電壓較低、輸出功率較小的場合。 特別地，Buck變換器的輸出電壓低于輸入電壓，適用于直流電壓源供電的場合[22]；Boost變換器的輸出電壓高于輸入電壓，適用于電池供電且輸出電壓幅值較高的場合[28]；SEPIC和Zeta變換器的輸出電壓可高于或低于輸入電壓，適用于輸出電壓擺幅較大且電池供電的場合[23]。 2.2 多開關(guān)變換器結(jié)構(gòu) 多開關(guān)變換器結(jié)構(gòu)采用多個(gè)開關(guān)單元組合的方式擬合負(fù)載電壓或負(fù)載電流的形狀，可以等效提高開關(guān)頻率，在相同開關(guān)頻率下獲得更高的跟蹤帶寬。與單開關(guān)變換器結(jié)構(gòu)類似，開關(guān)單元在擬合負(fù)載電壓或電流時(shí)需盡量減小擬合電壓或電流中的諧波分量，以便于濾波器設(shè)計(jì)。因此，仍然需要較高的等效開關(guān)頻率。 多開關(guān)變換器結(jié)構(gòu)主要有兩種形式：①多電平開關(guān)單元結(jié)構(gòu)；②多路并聯(lián)開關(guān)單元結(jié)構(gòu)。其中，多電平開關(guān)單元結(jié)構(gòu)是由多個(gè)電壓源串聯(lián)組成[24]，而多路并聯(lián)開關(guān)單元結(jié)構(gòu)是由多個(gè)電流源并聯(lián)組成[29]。 圖10以多電平開關(guān)變換器為例，給出其電路結(jié)構(gòu)及其典型波形[29]。其中，Vi（i=1, 2, ???, n）為多個(gè)獨(dú)立輸入電壓源，vmul為多電平開關(guān)單元的輸出電壓，組合不同的開關(guān)時(shí)序，vmul幅值有n種 圖10 多電平開關(guān)變換器結(jié)構(gòu)ET電源及其關(guān)鍵點(diǎn)波形
選擇。當(dāng)負(fù)載電壓的幅值發(fā)生變化時(shí)，采用最接近的電平值去擬合負(fù)載電壓，從而大幅減小擬合電壓中的諧波分量，有利于減小濾波器的體積和重量。多電平和多路并聯(lián)開關(guān)變換器結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，常用于通信基站等輸出功率較大的場合[24,25]。 3 開關(guān)線性復(fù)合ET電源 線性放大器具有較高的工作帶寬，可以很好地實(shí)現(xiàn)對包絡(luò)信號的跟蹤，但是其變換效率較低。為了提高線性放大器的變換效率，可以將開關(guān)變換器和線性放大器結(jié)合，由開關(guān)變換器提供絕大部分負(fù)載功率，以提高ET電源效率；線性放大器用來實(shí)現(xiàn)高的輸出電壓線性度和跟蹤帶寬，并提供不足的負(fù)載功率。 這種結(jié)構(gòu)稱為開關(guān)線性復(fù)合（Switch- Linear Hybrid, SLH）ET電源。SLH ET電源集成了線性放大器高跟蹤帶寬和開關(guān)變換器高效率的優(yōu)點(diǎn)，已成為ET電源的主流結(jié)構(gòu)。 3.1 SLH ET電源的基本架構(gòu) 在SLH ET電源中，線性放大器同時(shí)起著有源濾波器的作用，可以取代開關(guān)變換器中的濾波網(wǎng)絡(luò)。因此，可直接采用開關(guān)單元與線性放大器進(jìn)行組合來構(gòu)成SLH ET電源。由于開關(guān)單元的擬合誤差由線性放大器補(bǔ)償，因此SLH ET電源對開關(guān)單元擬合精度要求并沒有那么高，也就是說，可以大幅減小對開關(guān)頻率的要求。換句話說，在相同開關(guān)頻率下，可以大大提高ET電源的跟蹤帶寬。 在第2節(jié)中已指出，線性放大器的損耗與其輸出電壓的擺幅和輸出電流成正比。為了減小線性放大器輸出電壓的擺幅，可將電壓源型輸出開關(guān)單元（Voltage-controlledSwitching Cell, VSC）與線性放大器串聯(lián)，此架構(gòu)稱為開關(guān)線性串聯(lián)架構(gòu)[30-33]。 圖11給出了其原理及典型波形，其中VSC輸出一個(gè)階梯波形狀的電壓（其具體實(shí)現(xiàn)將在4.1節(jié)介紹）擬合負(fù)載電壓的形狀，其電壓誤差由線性放大器提供，從而大大減小線性放大器輸出電壓的擺幅。 需要注意的是，由于線性放大器只能輸出單方向的電壓，因此該階梯波電壓應(yīng)始終低于負(fù)載電壓。由于ET電源的負(fù)載電流一般含有較大直流分量，且幅值始終大于零，因此串聯(lián)架構(gòu)中的線性放大器只需提供單方向的電流，可采用A類線性放大器。 圖11 SLH ET電源的串聯(lián)架構(gòu)原理及關(guān)鍵點(diǎn)波形
類似地，為了減小線性放大器的輸出電流，可將電流源型輸出開關(guān)單元（Current-controlledSwitching Cell, CSC）與線性放大器并聯(lián)，此架構(gòu)稱為開關(guān)線性并聯(lián)架構(gòu)[29,34-36]，其原理及典型波形如圖12所示，其中開關(guān)變換器的輸出電流擬合負(fù)載電流，其差值由線性放大器提供，從而大大減小線性放大器的輸出電流。 在并聯(lián)架構(gòu)中，可能存在兩種情況：①CSC的輸出電流始終小于負(fù)載電流，線性放大器只需輸出正向電流，如圖12b所示，此時(shí)可采用A類線性放大電路；②CSC的輸出電流的平均值擬合負(fù)載電流形狀，線性放大器需要提供雙向的電流，如圖12c所示，可采用AB類線性放大器。 圖12 SLH ET電源的并聯(lián)架構(gòu)原理及關(guān)鍵點(diǎn)波形
3.2 SLH ET電源的串并聯(lián)架構(gòu) 在串聯(lián)架構(gòu)中，線性放大器的輸出電流等于負(fù)載電流；在并聯(lián)架構(gòu)中，線性放大器的輸出電壓等于負(fù)載電壓。因此，當(dāng)負(fù)載電壓擺幅較大，負(fù)載功率大時(shí)，不論串聯(lián)架構(gòu)還是并聯(lián)架構(gòu)，其線性放大器輸出功率仍然都較大[37]，這不僅會(huì)影響ET電源的整體效率，其跟蹤帶寬也將受到影響[38]。 為進(jìn)一步減小線性放大器的輸出功率，有必要同時(shí)減小線性放大器輸出電壓的擺幅和輸出電流。具體方法為： ①在圖11a所示的串聯(lián)架構(gòu)上，增加一個(gè)CSC，它可以并聯(lián)在串聯(lián)支路上，也可以直接與線性放大器并聯(lián)，從而減小線性放大器的輸出電流，如圖13a和圖13b所示。將這兩種架構(gòu)定義為串并聯(lián)架構(gòu)SLH ET電源； ②在圖12a所示的并聯(lián)架構(gòu)上，增加一個(gè)VSC，它可以串聯(lián)在并聯(lián)支路上[39]，也可以直接與線性放大器串聯(lián)，以減小線性放大器的輸出電壓擺幅，由此得到的兩種架構(gòu)與基于串聯(lián)架構(gòu)得到的結(jié)構(gòu)具有相同的實(shí)現(xiàn)形式，分別如圖13a和圖13b所示。 圖13 串并聯(lián)架構(gòu)SLHET電源原理及關(guān)鍵點(diǎn)波形
綜上所述，不論是從串聯(lián)架構(gòu)還是并聯(lián)架構(gòu)得到的串并聯(lián)架構(gòu)SLH ET電源都只有兩種實(shí)現(xiàn)方式，均由兩個(gè)開關(guān)單元和一個(gè)線性放大器組成。圖13c給出了串并聯(lián)架構(gòu)SLH ET電源中負(fù)載電壓和負(fù)載電流的理想分配方案，此時(shí)線性放大器的功率損耗得到了最大幅度的減小，大大改善了ET電源整體的效率。 4 進(jìn)一步提升ET電源效率的方法 移動(dòng)通信的飛速發(fā)展，對ET電源的設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本節(jié)將從階梯波生成單元的優(yōu)化、GaN器件的應(yīng)用、包絡(luò)信號功率頻譜劃分和有效控制策略等四個(gè)方面提出進(jìn)一步提升ET電源效率的方法。 4.1 階梯波生成單元的的優(yōu)化 采用階梯波方式的開關(guān)變換器可以根據(jù)所需跟蹤的包絡(luò)線幅值，選擇一系列與之最接近的電平進(jìn)行擬合。當(dāng)電平數(shù)足夠多時(shí)，就可以較好地?cái)M合出包絡(luò)線的形狀，達(dá)到包絡(luò)線跟蹤的目的[30,32,40]。 圖14給出了常見的階梯波生成單元實(shí)現(xiàn)方式，其輸出電壓以階梯波的形式擬合參考信號，在一個(gè)跟蹤周期內(nèi)，每個(gè)開關(guān)管只需動(dòng)作一次，大幅降低了開關(guān)器件的工作頻率，有利于減小開關(guān)損耗。此結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于串聯(lián)架構(gòu)SLH ET電源[32]，也可以應(yīng)用于并聯(lián)架構(gòu)SLH ET電源[40]。 圖14 典型多電平變換器結(jié)構(gòu)
階梯波生成單元由電平提供單元和電平切換單元構(gòu)成。其中，電平提供單元將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換成多個(gè)不同幅值的直流電平，有多種實(shí)現(xiàn)方式。 文獻(xiàn)[28]采用多路輸出反激變換器來輸出多個(gè)電平，但是各路輸出之間存在交叉影響，各個(gè)電平穩(wěn)壓精度不高。文獻(xiàn)[40]采用多個(gè)獨(dú)立控制的Buck變換器作為電平提供單元，各路電平穩(wěn)壓精度高，而且具有良好的擴(kuò)展性，但電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。電平切換單元根據(jù)選通信號控制相應(yīng)的電平輸出，從而得到與參考信號形狀相同的階梯波電壓。顯然，電平數(shù)越多，電壓擬合效果越好，但電路也隨之變得復(fù)雜。 文獻(xiàn)[41]提出了根據(jù)包絡(luò)信號幅值分布特點(diǎn)優(yōu)化電平數(shù)和電平值的方法，以獲得最優(yōu)的SLH ET電源整體效率。同時(shí)還提出了消除階梯波電壓中短脈沖的方法，等效減小了電平切換單元的開關(guān)頻率，進(jìn)一步提高了階梯波產(chǎn)生單元效率。 4.2 GaN器件在ET電源中的應(yīng)用 近年來，GaN器件已得到長足發(fā)展，其開關(guān)頻率可達(dá)幾十MHz，為進(jìn)一步提高ET電源的跟蹤帶寬和效率提供了可能。不少學(xué)者已開始探索GaN器件在ET電源中的應(yīng)用[42-44]。文獻(xiàn)[43]應(yīng)用開關(guān)頻率為10MHz的GaN器件，實(shí)現(xiàn)了對500kHz帶寬64QAM包絡(luò)信號的跟蹤。 與Si MOSFET器件和LDMOSFET開關(guān)器件相比，采用GaN器件可顯著提高效率[43]，散熱裝置也明顯減小。電路中的二極管也是限制跟蹤帶寬提高的一個(gè)重要器件，其反向恢復(fù)及寄生參數(shù)的影響在高頻應(yīng)用場合尤為嚴(yán)重。一種有效的解決方法是將開關(guān)管代替二極管[44]，不僅可以降低二極管的導(dǎo)通損耗，同時(shí)也可以減小寄生參數(shù)的影響，有利于提高開關(guān)變換器的效率及跟蹤帶寬。 4.3 包絡(luò)線功率頻譜的合理劃分 為了提高開關(guān)變換器的跟蹤帶寬，需要提高其開關(guān)頻率，但開關(guān)損耗也會(huì)隨之增大，導(dǎo)致ET電源整體效率降低。也就是說，高跟蹤帶寬和高效率之間存在一定的矛盾。實(shí)際上，RF輸入信號的包絡(luò)線具有明確的功率譜密度函數(shù)，其包絡(luò)線功率主要集中在低頻段，頻率越高的分量的功率越低。 圖15給出了帶寬為5MHz的WCDMA（wideband codedivision multiple access）RF輸入信號包絡(luò)線功率與頻率的關(guān)系，通過統(tǒng)計(jì)可知，80%的功率集中在0～300kHz，19%的功率集中在300kHz～5MHz范圍內(nèi)[45]。 圖15 WCDMA信號的功率譜密度
因此，可以對RF輸入信號包絡(luò)線的功率頻譜進(jìn)行合理劃分，在不同頻段由不同的開關(guān)變換器來承擔(dān)功率變換，以獲得更優(yōu)化的整體效率[24,46]。具體來說，就是占據(jù)大部分信號功率的直流和低頻分量由較低跟蹤帶寬（開關(guān)頻率較低）的開關(guān)變換器輸出，占據(jù)小部分信號功率的中間頻段分量由較高跟蹤帶寬（開關(guān)頻率較高）的開關(guān)變換器輸出，剩余高頻段分量由線性放大器輸出。 將此思想應(yīng)用于串聯(lián)和并聯(lián)架構(gòu)SLH ET電源中，可以得到如圖16所示的電路形式。在串聯(lián)架構(gòu)中，慢速變換器、快速變換器和線性放大器均以電壓源型輸出，且三者的輸出電壓串聯(lián)得到最終的輸出電壓[46]；并聯(lián)架構(gòu)中，線性放大器以電壓源型輸出，其輸出電壓即為最終的輸出電壓，而慢速變換器和快速變換器均以電流源型輸出，提供負(fù)載中直流、低頻及中頻分量電流[24]。 類似地，結(jié)合串并聯(lián)架構(gòu)SLH ET電源，通過組合多個(gè)不同跟蹤帶寬的開關(guān)變換器和線性放大器，有望獲得優(yōu)化的整體效率。 圖16 采用功率頻譜分段思想的SLHET電源結(jié)構(gòu)
4.4 開關(guān)變換器控制策略的改進(jìn) SLH結(jié)構(gòu)已成為ET電源的主流結(jié)構(gòu)，其控制策略對于實(shí)現(xiàn)高的整體效率十分重要。在并聯(lián)架構(gòu)SLH ET電源中，線性放大器的輸出電壓和負(fù)載都會(huì)對開關(guān)變換器輸出電流的控制產(chǎn)生影響，需要提高控制環(huán)路帶寬以抑制此干擾，使開關(guān)變換器輸出電流有效跟蹤負(fù)載電流，以減小線性放大器的輸出電流。一般的做法是大幅提高開關(guān)變換器的開關(guān)頻率來獲得高的控制環(huán)路帶寬。文獻(xiàn)[24]為了實(shí)現(xiàn)對包絡(luò)帶寬為200kHz的EDGE（enhanced datarates for GSM evolution）信號的跟蹤，其開關(guān)頻率達(dá)到4MHz，是跟蹤帶寬的20倍。 文獻(xiàn)[34]提出了負(fù)載電壓全前饋的控制策略，有效抑制了線性放大器輸出電壓和負(fù)載對開關(guān)變換器輸出電流的影響，減小了對控制環(huán)路帶寬的要求，此時(shí)開關(guān)頻率僅需要為跟蹤帶寬的10倍，有效降低了開關(guān)損耗，提高了整體效率。在串聯(lián)架構(gòu)SLH ET電源中，開關(guān)變換器的輸出電壓（方波或階梯波）會(huì)導(dǎo)致線性放大器輸出電壓的線性度降低。 文獻(xiàn)[32]提出了開關(guān)變換器輸出電壓前饋控制策略，有效提高了負(fù)載電壓的線性度。類似地，對于串并聯(lián)架構(gòu)SLH ET電源來說，它存在多個(gè)開關(guān)變換器和線性放大器，相互之間的影響更加復(fù)雜。這就需要研究多個(gè)控制環(huán)路之間的解耦方法，抑制各變換器之間的相互影響，以確保開關(guān)變換器對負(fù)載電壓和電流的跟蹤效果。 5 結(jié)論 ET電源是ET技術(shù)的核心裝置，對大幅提高現(xiàn)代移動(dòng)通信中功放效率具有重要意義。本文詳細(xì)介紹了ET電源的應(yīng)用背景及技術(shù)難點(diǎn)，并分析了采用高帶寬線性放大器和高效率開關(guān)變換器實(shí)現(xiàn)ET電源的方法及其優(yōu)缺點(diǎn)。SLH ET電源結(jié)合了線性放大器高帶寬和開關(guān)變換器高效率的優(yōu)點(diǎn)，已成為主流的結(jié)構(gòu)。 本文針對串聯(lián)和并聯(lián)架構(gòu)SLH ET電源中線性放大器輸出功率過大問題，提出了串并聯(lián)架構(gòu)SLH ET電源。最后，從階梯波生成單元的優(yōu)化、GaN器件的應(yīng)用、包絡(luò)信號功率頻譜劃分和有效控制策略等四個(gè)方面提出了進(jìn)一步提高ET電源效率的思路。 |
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