應用于手持設備功率放大器的開關電源設計

王雨辰，嚴 偉，2，時廣軼，3，王振宇，牛 旭

（1.北京大學 軟件與微電子學院，北京100871；2.上海北京大學微電子研究院(SHRIME)，上海201203; 3.北京大學深圳研究生院，廣東 深圳518055；4.唯捷創芯(天津)電子技術有限公司，天津300457）

應用于手持設備功率放大器的開關電源設計

王雨辰1，嚴 偉1，2，時廣軼1，3，王振宇1，牛 旭4

（1.北京大學 軟件與微電子學院，北京100871；2.上海北京大學微電子研究院(SHRIME)，上海201203; 3.北京大學深圳研究生院，廣東 深圳518055；4.唯捷創芯(天津)電子技術有限公司，天津300457）

提出了一種應用于TD-LTE信號手持設備功率放大器MRF9742的開關電源設計。該電源采用脈沖寬度調制的降壓電路結構，采用包絡跟蹤技術，通過輸入信號功率值來動態調節功率放大器的供電電壓，與使用穩壓電源供電的功率放大器相比，在不影響輸出的條件下降低直流功耗，因此提高了功率放大器的功率附加效率。使用開關電源進行供電的功率放大器比使用穩壓電源供電的功率放大器PAE提高了10%左右。故在手持設備中采用開關電源進行供電可以提高電源的使用效率，從而延長了手持設備的使用時間。

TD-LTE；包絡跟蹤；開關電源；高效率

0 引言

隨著無線通信技術的發展，信號的傳輸量、傳輸速度都有很大的提升，對于手持設備，從最初的2G文字時代到3G圖片時代，再到現在的4G視頻時代，每個時代都伴隨著新技術的產生。4G系統(即LTE系統)是3GPP系統指定的下一代系統，其兩大主要特點是多輸入輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)和正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)，4G系統可以提供高達100 Mb/s甚至更高的數據傳輸速率，不僅支持語音業務，還能支持視頻等業務。隨著傳輸速率的提高，信號的峰均比(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)也會提高。對于2G和3G系統(如WCDMA、EDGE)，其PAPR約為3.5dB，但對于 LTE系統，由于采用了正交頻分復用的調制方法，其PAPR會上升到8～10 dB[1]，如圖1所示。高PAPR信號會對手持設備中的功率放大器產生更高的需求，為了保證信號的線性度，功率放大器往往要

進行功率回退，這樣降低了功率放大器的工作效率。同時一般的手持設備中的功率放大器常使用線性穩壓電源（LDO）進行供電，功率放大器只能在達到峰值功率時提供最高效率，而大部分時間功率放大器都無法有效利用輸入的功率，無用功率會轉變為熱能，這會降低功率放大器的工作效率，使得部分電量白白損失。

圖1 通信系統的峰值功率與平均功率

為了滿足4G信號的需求，提高功率放大器的工作效率，多種技術被應用到功率放大器的設計中，這些技術大體分為兩類，一種是對功率放大器的輸入信號進行處理，一種是根據輸入信號采用開關電源代替穩壓電源對功率放大器進行供電。文獻[2]-[4]采用了數字預失真（DPD）的方法來提高功率放大器的效率，這種方法通過產生一個與失真信號相反的信號并將其輸入到功率放大器，以抵消失真信號產生的影響，但其控制電路較為復雜，在手持設備中受面積制約。文獻[5]-[7]采用了Doherty的結構來針對高PAPR信號，這種電路在基站中應用較為廣泛，在手持設備中的匹配較難處理。文獻[8] -[10]采用了包絡跟蹤(Envelope Tracking，ET)技術，通過輸入信號的包絡變化，利用控制電路來動態調節功率放大器的漏極電壓，以降低功率放大器的靜態功耗，提高效率，這種控制電路正嘗試應用于手持設備中，但技術尚不成熟，且效率的提高不是非常明顯。本文基于文獻[10]的包絡跟蹤技術，從功率放大器的需求出發，通過采用線性回歸曲線方法構建出MRF9742工作效率最大化條件下漏極電壓與輸入信號功率的曲線，并根據此曲線設計了一種開關電源以及控制電路，在工作頻率為2.35 GHz時使用開關電源比使用穩壓電源的效率有較明顯的提升，提升的最大值為 11.7%，在相同輸出功率情況下PAE比文獻[10]中提高了4.6%。

1 功率放大器供電電壓確定

本設計是針對手持設備，故功率放大器選取應用于手持設備的功率放大器芯片 MRF9742，將該芯片的模型利用Agilent公司的ADS2011軟件進行仿真。先確定靜態工作點為偏置電壓取 2.0 V，取電源電壓為固定值5 V，直流電流取 1 mA，為了滿足LTE信號的要求，確定其工作頻率為2.35 GHz。之后利用負載牽引進行匹配電路設計，確定 MRF9742功率放大器的電路圖，將該電路進行仿真，通過掃描輸入功率的變化得到如圖2所示PAE的曲線。此功放的PAE最大值為50.1%，此時對應的輸入功率為23 dBm，5 V的電源電壓能夠滿足功放的工作需求，但是當輸入功率增大時，電源電壓不能滿足功放的需求，同時當輸入功率降低時，電源電壓又會有剩余，從而有一部分的功率被白白消耗。為了使得功率放大器總能保持最大效率進行工作，可以采用開關電源對功率放大器供電，以保持功率放大器漏極電壓隨著輸入功率的變化而變化。

圖2 功率放大器PAE與輸入功率的關系曲線

為了實現此目標，首先要確定PAE與漏極電壓的關系?？梢宰屳斎牍β?Pin保持不變，動態掃描功率放大器的漏極電壓Vdd，仿真出功率放大器的功率附加效率PAE與漏極電壓Vdd的關系曲線，從曲線中找出功率附加效率最大值時對應的漏極電壓值，這樣就得到了一組Pin與 Vdd的值。取 Pin=20 dBm，掃描 Vdd，當PAE取最大值時對應的 Vdd=5.785 V，如圖3所示。同理改變 Pin，繼續仿真功率放大器的功率附加效率 PAE與漏極電壓 Vdd的關系曲線，可以得到PAE最大時相對應的Vdd值。將PAE與Vdd的對應值利用線性回歸算法進行擬合，可以得到如圖4所示的擬合直線，即當功率放大器的漏極電壓與輸入功率滿足Vdd=0.325 5 Pin-0.47時，可以使得功放的效率最大，同時 Vdd的大部分取值小于 6 V，能滿足手持設備輸入功率的需求和供電電源的要求。

圖3 當輸入功率Pin為20 dBm時，功放PAE與漏極電壓Vdd的關系曲線

2 包絡跟蹤開關電源電路設計

為了提高功率放大器的工作效率，滿足擬合出來的功率放大器輸入功率 Pin與 Vdd的關系，可以采用包絡跟蹤的方法來進行控制電路的設計。該電路可以采集功率放大器輸入信號的包絡，并將其放大作為控制信號，將這個控制信號作為開關電源中MOS管的驅動，用來控

制開關電源的占空比，進而控制開關電源的輸出電壓。由于本設計針對手持設備需要對功率放大器 MRF9742進行供電，故此包絡跟蹤開關電源電路通過一個脈沖寬度調制（PWM）模式的降壓電路（Buck-Convertor）來實現。其基本電路包括包絡檢測電路、誤差放大電路、比較電路和驅動電路等，如圖5所示。

圖4 Vdd與的Pin擬合直線

圖5 PWM型降壓電路電路

圖5中的誤差放大電路(EA)將輸出的電壓 Vdd返回值與輸入電壓Vin進行比較，經放大產生一個輸出電壓VEA作為比較電路的輸入，同時誤差放電電路可以進行頻率補償以保證系統的穩定性。PWM比較電路用于比較 VEA與參考電壓 Vref，其輸出結果是邏輯高電平和低電平，將這兩個變化電平輸入到驅動電路中來驅動MOS管，通過控制MOS的導通時間來控制開關電源的占空比。MOS管、電感、二極管、電阻和電容構成降壓電路的形式，其中功率放大器PA用并聯的電阻與電容來等效。為了保證電感上電流的連續性，在理想情況下降壓電路的輸入與輸出滿足如下關系：

其中 D為開關的占空比，Vpower為電源電壓。在PWM模式下，開關的周期保持不變，只是導通時間發生變化，故可以通過改變開關的導通時間來控制其占空比。根據上述得到的功率放大器的漏極電壓與輸入功率的擬合直線，可以得到：Vdd= DVpower=0.325 5 Pin-0.47。此時的包絡跟蹤控制電路的輸出電壓與輸入功率成線性關系，調節電路中各參數值以滿足此關系式。在Virtuoso中畫出PWM型降壓電路圖，如圖6、圖7所示。

圖6 誤差放大器電路

圖7 比較器電路

3 功率放大器開關電源仿真

將該功率放大器利用變化的電源對其供電，其他參數保持不變。利用ADS軟件進行仿真，可以得到該功放的使用開關電源與穩壓電壓對應的PAE，如圖8所示。根據圖8可得，在工作頻率為 2.35 GHz時，使用開關電源的功率放大器比使用穩壓電源的功率放大器PAE提高10%左右，提升的最大值為 11.7%。表1總結了使用開關電源與穩壓電源功率放大器的參數。

圖8 使用開關電源與穩壓電源功率放大器的PAE

表1 使用開關電源與穩壓電源功率放大器的各項參數

4 結論

本文通過對手機功率放大器芯片 MRF9742利用負載牽引進行匹配電路設計，使其工作頻率在 2.35 GHz滿足TD-LTE信號的需求。之后為了保證該功率放大器工作效率的最大化，在保持輸入功率不變的條件下，確定了此時PAE最大時漏極電壓的取值，同時利用線性回歸算法，擬合出漏極電壓與輸入功率的關系直線。為了實現此關系直線，在開關電源控制電路采用包絡跟蹤

控制電路實現。最后利用ADS軟件進行仿真，可以得到該功率放大器使用開關電源供電時比使用穩壓電源供電時效率提高 10%左右，提升最大值為 11.7%，這樣可以提高電源的使用效率，從而延長手持設備的使用時間。

[1]CHOI J，KIM D，KANG D，et al.Envelope tracking power amplifier robust to battery depletion[C].2010 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest.Anaheim，CA，2010：1.

[2]PRESTI C，METZGER A G，BANBROOK H M，et al.Efficiency improvement of a handset WCDMA PA module using adaptive digital pre-distortion[C].2010 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest.Anaheim，CA，2010：23-28.

[3]PRESTI C，KIMBLL D F，ASBECK P M.Closed-loop digital pre-distortion system with fast real-time adaptation applied to a handset WCDMA PA module[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2012，60(3)：604-618.

[4]Liu Ying，Pan Wensheng，Shao Shihai，et al.A new digital pre-distortion using indirect learning with constrained feedback bandwidth for wideband power amplifiers[C].2014 IEEE MTT-S InternationalMicrowave Symposium(IMS).Tampa，FL，2014：1-3.

[5]MUSOIFF C，KAMPER M，CHAHINE Z，et al.Linear and efficient doherty PA revisited[J].IEEE Microwave Magazine，2014，15(1)：73-79.

[6]CHO Y，KANG D，KIM J，et al.Linear doherty power amplifier with an enhanced back-off efficiency mode for handset applications[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2014，62(3)：567-578.

[7]KANG D，KIM D，CHO Y，et al.1.6-2.1 GHz broadband doherty power amplifiers for LTE handset applications[C]. 2011 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest.Baltimore，MD，2011：1-4.

[8]KIM J，KIM D，CHO Y，et al.Envelope-tracking two-stage power amplifier with dual-mode supply modulator for LTE applications[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2012，61(1)：543-552.

[9]Li Yan，LOPEZ J，WU P H，et al.A SiGe envelope-tracking power amplifier with an integrated CMOS envelope modulator for mobile WiMax/3GPP LTE transmitters[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2011，59(10)：2525-2536.

[10]Li Yan，LOPEZ J，SCHECHT C，et al.Design of high efficiency monolithic power amplifier with envelope-tracking and transistor resizing for broadband wireless applications[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits，2012，47(9)：2007-2018.

圖4 直流電壓突變時實驗波形

4 結論

本文將三相逆變器系統的仿射非線性數學模型，經過精確線性化得到具有參數嚴格反饋形式模型，再應用反步設計方法，推導出系統的控制模型。最后通過實驗驗證了該復合控制策略的有效性。

參考文獻

[1]徐德鴻.電力電子系統建模與控制[M].北京：機械工業出版社，2006：6-12.

[2]胡躍明．非線性控制系統理論與應用[M]．北京：國防工業出版社，2005：188-193．

[3]鄧衛華，張波，胡宗波，等．CCM Buck變換器的狀態反饋精確線性化的非線性解耦控制研究[J]．中國電機工程學報，2004，24(5)：120-125.

[4]帥定新，謝運祥，楊金明，等.基于狀態反饋精確線性化單相全橋逆變器的最優控制[J]．電工技術學報，2009，24 (11)：120-126.

[5]YANG J H，WU J，HU Y M．Backstepping method and its applications to nonlinear robustcontrol[J]．Control and Decision，2002，17(S)：64l-647.

(收稿日期：2014-12-03)

作者簡介：

董鋒斌（1973-），男，博士，副教授，主要研究方向：電力電子系統建模與控制。

侯波（1978-），男，碩士，講師，主要研究方向：電力電子系統建模與控制。

The design of power amplifier switch mode power supply for handset applications

Wang Yuchen1，Yan Wei1，2，Shi Guangyi1，3，Wang Zhenyu1，Niu Xu4
(1.School of Software and Microelectronics,Peking University,Beijing 100871，China；2.Shanghai Research Institute of Microelectronics，Shanghai 201203，China；3.Peking University Shenzhen Graduate School，Shenzhen 518055，China；4.Vanchip(Tianjin)Electronic Technology Co.Ltd.,Tianjin 300457，China)

This paper presents a design of switch mode power supply used in the handheld power amplifier MRF9742 for the TD-LTE signal.This power supply uses PWM mode buck-convertor structure and envelope tracking technology,which can acquire the envelope of input signal to dynamically adjust the MRF9742 power amplifier′s supply voltage.Therefore,the DC power can be as low as possible with no effect on the output compared with the LDO power supply and the PAE can be increased.The PA with switching mode power supply can increase its PAE about 10%compared with LDO.So the handheld devices with switching mode power supply can increase the efficiency of the power supply to extend the using time of themselves.

TD-LTE；envelope tracking；switching mode power supply；high efficiency

TN86；TN722.3

A

0258-7998(2015)04-0132-04

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.04.033

2014-12-19)

王雨辰（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：開關電源、CMOS控制等。

牛旭(1987-)，通信作者，男，碩士，工程師，主要研究方向：GaAs功率放大器設計、CMOS功率放大器設計等，E-mail：niuxu2012@163.com。