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文档简介

(航空航天大学,江苏OptimizedDesignoftheMultilevelConverterinSeries-formSwitch-LinearHybridEnvelope-TrackingPowerSupply(NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Nanjing :Inmodernradiocommunications,theenvelopeofradiofrequency(RF)signalfeatureswithlargepeaktoaveragepowerratio(PAPR).Thisnecessitatestheadoptionoflinearpoweramplifiers(PAs).InordertoachieveahighefficiencyforlinearPAs,envelopetracking(ET)techniqueisemployed,whichprovidesPAswithasupplyvoltagethattrackstheenvelopeofthetransmittedRFsignalinsteadofaconstantvoltage.Thispaperfocusesontheseries-formswitch-linearhybridETpowersupply,wheretheswitching-modeconverterusesamultilevelconverter.Themethodtoselectthesettingvoltagesunderthepremiseofvaluesandnumberofthevoltagelevelsofthemultilevelconverterareoptimizedusingapreciselossmodelbasedontheprobabilitydensityfunction(PDF)oftheenvelopesignal.Besides,thepulse-blankmethodisproposedtoimprovethesystemefficiencyfurther.Finally,aprototypeisbuiltaimingfortrackingtheenvelopesignalofwidebandcodedivisionmultipleaccess(WCDMA),with5MHzbandwidth,12V~27Voutputvoltage,4Waverageand10Wpeakoutputpower.TheexperimentalresultsshowthattheoutputvoltageoftheETpowersupplytracksthereferenceaccurayandthesystemefficiencycanreach76%.:Envelopetracking,lossmodel,multilevelconverter,optimizeddesign,poweramplifier:放大。包络线(EnvelopeTracking,ET)技术给线性功放提结构包络线电源,介绍了其工作原理并给出了各电平之间切换点电平的。为优化多电平变换器中电平值及

法进一步提高系统的效率。最后,本文以一台5MHz带10W的原理样机进行实验验证。实验结果验证了所提方案的有效性,电源整体效率为76%。:包络线损耗模型多电平变换器优化设计功相移键控(QuadraturePhaseShiftKeying,QPSK)及(QuadratureAmplitudeModulation,QAM)等复杂的调制方式[1],此类调制方式会造成射频(RadioFrequency,RF)输入信号的包络线幅值不(PeakToAveragePowerRatio,PAPR)RF信AAB类等线性功放(LinearPowerAmplifier,LPA)。然而,LPA在恒压供LPA效率,一种较为有效的方法是RFLPA供电,如图1所示。包络 供包络 供t图1包络 2ET此技术即为包络线(Envelopetracking,ET)技术[2−3]2ET技术的原理框图,其中检的输出给LPA供电。ET电源可以大致分为以下三类:单开关变换器结构[4],多开关变换器结构[5−7,开关线性复合点,已成为主流结构。SLHET电源可分为串联和并SLHETRLdET电V1V2Vn;电平vsw去初步拟合输出电A类放大状态,采样网络的输出与信为了保证Qlin工作性放大状态(对应三级管的线MOS管的饱和区),vswvo;又因为线从损耗的角度,vswvo。本文在保

相同。但是此方法忽略了RF输入信号包络线的分布平数越多,vsw拟合输出电压的程度越好,即线性放如前所述,vswRF输入信号包络线的点电平值相接近,vsw将会产生短电压脉冲。本文提本文针对串联型HTF来指导多电平变换器中电平值和电平数的选取。另5z1~2V40WT串联型SLHET+_ vo

<

<…<

=

3SLHET =2,3,…,n)为选通管,Dk为阻断二极管。为了避 D1BuckBuckn-BuckD1BuckBuckn-Buck__

4

+_+__+_

MOSvDS_b,以虚线形式表示。在分界线上有VGD等于MOS管开启电压VGS(th),因此vDS_b可表示为:vDS_bvGSvGDvGS 两个不同的电压源并联,D2至Dn-1分别和SW2

i GS DOvoiDVset2~Vsetn(Vset2<Vset3<…<Vsetn)进行比较,其iD

vDS_b D3D3D2 2 Comp33n

………………

vsminvsmax。为了保证在5 whenv when vwhen vvsw

(2kn whenv

A3,v

6N沟道MOSFETR (v ovv QRloss_lin

Vsetkk2,3,n),根据上述分析,VsetkVsetkVk-1v

iiD

VsetkvoVset(k+1)(2kn)Vk向负Vsetk(k2,3n)

)floor(Vsetkvo_min)

vo

7vsw和vo之间不同压差时vsw多电平变换器中电平值和电平数

vo(j)vo_min(j1)

结合式(7)~(9)Vkk2,3,n)向负载提

vo(i)V(v whenk

Rij RPjVv

(v when2k

R

ij(V j(v)v V(v whenk 络信号的概率密度分布函数(ProbabilityDensity

ij(Vsetk Function,PDF),其用于表征随机信号落在某段区 V2 区间长度定义为vPDF可通过下

变换器工作于电流连续模式(continuousConduction(vM(vx N DV iVinVkD 8WCDMAPDF,其中

LkL感电流有效值irms_Lk分别为:

irms_Qk

1T1Tk0.5i kts kLk2k

vo rms_Qk

1

j(v

ontoff

ij(vo_min

Ploss_lin(vo(i))(vo

因此,系统总损耗Ploss_total

VVk(1D Vkk1,2n)和包络信号PDF F V2 V

irms_LkkRack

RRR

eqk

初始化V1vo_minV2V1+Vn1V1+(n2),Vn=Vin。R

d

4)更新Vn1Vn1,若Vn1Vin d24

4d

步骤3,否则更新Vn2Vn2,Vn1Vn22频率处的深度。

至V1Vinn1)5)在迭代结果中查找系统损耗Ploss_total最小时k

V1=vo_min,V2=V1+λ,YNVn−2=Vn−2+λ,NYYLOOPNPcon_lsPdri_lsPsw_ls,以及二极管的导通损耗PD_ls,分别计算如下:j(v)v(i) (v con

ij(Vset2)

RLd

dri_lsg_lsk 1n )Vsetk(VV) k-1 k j(V)Vvo(i)(v F ij(v 为选通管的导通电阻;Qg_ls为总的门级电荷;Vdri_ls为驱动电压;ton_lstoff_ls分别为开通和关断时间。

结合式(2)和式(7),线性放大器的平均损耗 图9选取最优电平值的迭代流程表1 221,20,20.5,318,24,17.5,21,18.5,22.5,416.5,25.5,17,19.5,18.5,26.5,515.6,22.8,26.4,16,18,20,18.5,21,27,615,18,24,27,15.5,17,20.5,23.5,18.5,21,27,28,趋势。但是系统的复杂度随着电平数的增加而增加。值有很大概率较低。相应的串联型SLHET电源的技

10vsw输入电压:Vin30输出电压范围:12V~27包络信号带宽:5表1给出了在不平选择方法下,线性放大器

V Vinvo_min (k1,2,..., 以线性放大器效率最优方法[9]选取电平值可通过最

11(b)所示,且输出电压降低的对于实际信号,通常采用标幺化的方差(normalizedmeansquareerror,NMSE)[7]VV电平数n=4较为合适。

(b)上切脉冲消除后图11上切脉冲消除前后主要波形的对比图在容许的范围之内。NMSE的计算如下:(e

NMSE

(v

oi1

NMSE来衡

21%~2%e(i)e(i)

0f0.032 v 极大值点处。vchop可通过下式计算:vchopvo_m m

ff0m2NMSE m2

13m为在输出电压畸变区域中总的输出电压采样

表2V2chopV2

通过消除阶梯波中存在的下切短电压脉冲可以2b

2342345

t

t

SMU200A矢量信号发生器产生。3切换点电平选取之前(Vsetk=Vk-1vsmax,k=2, (b)下切脉冲消除 图12下切脉冲消除前后主要波形的对比Ploss_multi代表C2:vsw[10C1:vref[1C3:vo[10Time:[214SLHET电源原理样机

C1:vref[1C2:C1:vref[1C2:vsw[10C3:vo[10Time:[2C2:v[10C1:C2:v[10C1:vref[1C3:vo[10 Time:[2

17(a)

7别为优化选取切换点电平前后的效率对比。由图可6。Ploss_linearPloss_multiPloss_totalPloss_linearPloss_multiPloss_total23454平416.5,21,25.5,417,19.5,23,419,22.5,26,点电平根据负载大小动态的调整可取得更高的系统效率;基于RF为zARaabFH,AsbeckP,CrippsS,KeningtonPB,PopovicZB,PothecaryN,SevicJF,SokalNO.PoweramplifiersandtransmittersforRFandmicrowave[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryTechniques,2002,50(3):814826.BondadeR,ZhangY,MaD.Alinear-assisteddc-dchybridpowerconverterforenvelopetrackingRFpoweramplifiers[C].Proc.IEEEECCE,2014:5769-5773.ChinH,AndingZ,YanJJ,DraxlerP,KimballDF,LanfrancoS,AsbeckPM.Digitallyassisteddual-switchhigh-efficiencyenvelopeamplifierforenvelope-trackingbase-stationpoweramplifiers[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryTechniques,2011,59(11):29432952.HaningtonG,ChenP,AsbeckPM.High-efficiencypoweramplifierusingdynamicpower-supplyvoltageforCDMAapplications[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryTechniques,1999,48(8):14711476.WuPY,MokPKT.Atwo-phaseswitchinghybridsupplymodulatorforRFpoweramplifierswith9%efficiencyimprovement[J].IEEEJournalofSolid-StateCircuits,2010,45(12):25432556.RodriguezM,Fernandez-MiajaP,RodriguezA,SebastianJ.Amultiple-inputdigitallycontrolledbuckconverterforenvelopetrackingapplicationsinradiofrequencypoweramplifiers[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2010,25(2):369-381.MiajaPF,RodriguezA,SebastianJ.Buckderivedconvertersbasedongalliumnitridedevicesforenvelopetrackingapplications[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2015,30(4):2084–2095.KimballDF,JinhoJ,ChinH,DraxlerP,LanfrancoS,NagyW,LinthicumK,LarsonLE,AsbeckPM.High-efficiency

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