《电子技术应用》

包络跟踪电源调制技术研究进展

2018年电子技术应用第7期
区力翔,李思臻,余 凯,章国豪
(广东工业大学 信息工程学院,广东 广州510006)
摘要: 包络跟踪功率放大器(Envelope Tracking Power Amplifier,ETPA)具有高效率和高线性度等优势,已成为目前现代移动通信技术的研究热点。包络跟踪电源调制器是ETPA的关键模块之一,因为它能够提升PA在功率回退时的效率,从而提升整个通信系统的效率。首先介绍包络跟踪技术(Envelope Tracking,ET)和包络消除与恢复技术(Envelope Elimination and Restoration,EER),对比两者的性能差异,重点介绍ET技术,分析其最常用的混合型包络放大器(Hybrid Envelope Tracking Amplifier,HETA)电路结构以及电路的关键的设计参数,然后对比和总结目前已有的HETA技术优化方案,接着列举ET技术在移动通信中的实际应用,最后考虑ET技术将要面临的挑战。
中图分类号: TN86
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.180398
中文引用格式: 区力翔,李思臻,余凯,等. 包络跟踪电源调制技术研究进展[J].电子技术应用,2018,44(7):28-33,41.
英文引用格式: Ou Lixiang,Li Sizhen,Yu Kai,et al. Research progress on envelope tracking power supply modulation technology[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(7):28-33,41.

Research progress on envelope tracking power supply modulation technology

Ou Lixiang,Li Sizhen,Yu Kai,Zhang Guohao
(School of Information Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)
Abstract: The envelope tracking power amplifier(ETPA) has the advantages of high efficiency and high linearity, and has become the research hotspot of modern mobile communication technology. Envelope tracking power modulator is one of the key modules in ETPA because it can improve the efficiency of PA in the power back-off region, resulting the overall efficiency of the communication system greatly improved. The introduction of the envelop tracking technique(ET) and the envelope elimination and restoration technique(EER) are firstly described, and the performance differences are compared. And then it focuses on the ET technique, analyzing the hybrid envelope tracking amplifier(HETA), the most commonly used circuit structure of ET technique, and its key design parameters. The comparison and summary of the existing HETA structures optimization scheme are developed, then the practical application of ET technology in mobile communication is enumerated. Finally, the facing challenge of ET technology is considered.

0 引言

    目前频谱资源日益紧缺,为了提高频谱利用率,信号调制方式从原来的恒包络调制发展为复杂的变包络调制,峰均比(PAPR)也随之增加。表1给出了从2G到4G的发展状况[1]。为了实现信号的无失真传输,PA需要工作在功率回退区,当采用传统的恒压供电时,其回退区工作效率会很低。在整个通信系统当中,PA是主要耗能模块,因此降低其能耗对整个系统的效率提升有很大的帮助,因此PA效率提升技术是一个很有发展前景的研究方向。

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    传统PA效率提升结构有Doherty和LINC,其中Doherty PA电路结构相对简单,而且工作效率较高,但带宽、线性度等因素始终限制着Doherty PA在宽带高效方面的应用[2];LINC PA效率比较高,而且线性度良好,但存在一个主要缺点,即两路SMPA需要非常好地匹配以获得足够小的带外抑制[3]。因此传统的PA电路结构并不能满足现代移动通信对性能的要求,另一种效率提升技术引起了业界的关注。包络跟踪电源调制技术使PA的供电电压跟随射频信号的包络变化而变化,从而使PA在功率回退时也能保持较高的效率。这种电源调制技术分为两种:包络消除与恢复技术(EER)和包络跟踪技术(ET)[4]

1 EER技术和ET技术

1.1 EER电源调制技术

    EER技术是KAHN L R在1952年提出的[5],系统结构如图1所示。射频输入信号进入系统后分为两路,一路经过限幅器(Limiter)去除幅度信号剩下相位信号;另一路通过包络检波(Detector)得到幅度信号,然后包络调制(Envelope Modulator,EM)对幅度信号进行进一步处理。因为相位信号不含幅度信息,所以可用高效率的开关模式功放(Switched Mode Power Amplifier,SMPA)对信号进行放大,例如Class D或者Class E。幅度信号经过EM后作为SMPA的供电电压,恢复射频输出信号的幅度信息。

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1.2 ET电源调制技术

    ET技术[6]与EER技术相似,图2是其系统结构图。ET技术与EER技术的不同在于,射频输入信号不需要进行相位和幅度的分离。因此,实现无失真传输需要PA工作在近线性状态,所以使用线性功率放大器(Linear Power Amplifier,LPA),如Class A PA或者Class AB PA。为了使LPA有更好的效率和线性度,可以在包络检波以后对幅度信号进行包络整形(Envelope Shaping)[7]

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    EER技术和ET技术的总结如下[8-10]

    (1)和EER技术相比,ET技术对于包络信号与射频信号之间的时间失配的敏感度较低,这是因为EER的相位信号具有更高的带宽要求;

    (2)ET技术在低输入功率时具有更高的增益,这是因ET技术可以结合Envelope Shaping技术让PA保持接近饱合状态;

    (3)ET技术能够处理更高的输入信号带宽;

    (4)EER PA的效率高于ET PA。

    EER技术使用SMPA,所以其整体效率会高于ETPA,但是EER技术存在明显不足,其中相位信号的高带宽和严格的时间对准降低了EER技术在实际应用中的吸引力[4]。基于上述原因,ET技术在现代移动通信系统中有更好应用前景。ETPA的整体效率表达式如下[1]

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    系统整体的效率由PA效率和ET效率决定,如果想要得到高效率的ETPA,那么ET的效率也必须要很高,因此ET技术如何实现宽带高效是接下来讨论的重点。

2 ET电源调制器

2.1 线性电源调制器

    图3是线性电源调制器(LDO)作为ET系统电源调制器的原理图[11]。电路由PMOS管、反馈网络β和误差放大器(EA)组成。LDO作为电源调制器具有宽带、高线性度和低输出纹波等优点[12],但是作为可变电阻的PMOS存在固有的电压差,所以电路整体效率较低,并不能满足ET系统高效率的要求。 

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2.2 线性放大器

    线性放大器(Linear Amplifier, LA)作为ET系统的电源调制器如图4所示。运算跨导放大器(Operational Transconductance Amplifiers,OTA)用于驱动输出功率管MP和MN,负反馈网络β用于提高线性度和带宽。LA的结构一般采用折叠式OTA或者自适应OTA[13]。与LDO相比,LA同样具有宽带、高线性度和低输出纹波的优点,但没有LDO结构存在固有电压差的缺点。LA的损耗主要来自Class AB输出对管MP和MN在推挽转换过程中产生的损耗,Isource和Isink分别是推挽输出时PMOS和NMOS的电流,其损耗计算如下:

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    从式(2)~式(4)可知,输出损耗会随着输出电压幅度增大而增大。同时,单位时间内信号变化次数越多,推挽次数也会随之而增加,动态损耗也会越高。因此,单独使用LA处理宽带,高PAPR的包络信号会产生很大的动态损耗,从而降低ET系统的效率。

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2.3 DC-DC变换器

    为了提高ET效率,可以使用DC-DC变换器作为电源调制器[14]。图5中输入包络进入控制器(Controller)产生控制信号控制DC-DC,滤波网络(LPF)去除DC-DC输出电流中的高次谐波分量。因为电路工作在开关状态,所以效率比LA要高。为了满足跟踪精度的要求,DC-DC的开关频率需要是输入包络信号带宽的3~5倍[15],电路的损耗主要来自MOS管的开关损耗,增加开关频率会提高损耗降低效率。

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2.4 混合型包络放大器

    如2.2和2.3小节所述,LA具有宽带低效的特点,DC-DC具有窄带高效的特点,而混合型包络放大器(HETA)[16]结合了两种结构的优点,其原理图如图6所示。输出电流(Im)由LA的输出电流(Iab)和降压式DC-DC变换器(BUCK)的输出电流(Isw)并联而成。射频调制信号的包络,其功率能量主要集中在直流到几千赫兹的范围内,99%的能量集中在20 MHz以下[17]。根据输入包络(Ven)的能量分布特点,可以使用BUCK处理低频部分的能量,用LA处理能量比例较少的高频部分。

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    图6中的BUCK在实际使用中有两种较常见的结构,实现的电路功能相同。其中,实线框的A结构较为常用,下面将以A结构为例,分析电路的原理。当Ven大于Vm时,Iab的变化经过采样电阻(Rsen)转化为控制电压Vsen,通过迟滞比较器和驱动电路控制MP导通,Isw增加;当Vsen小于Vm,控制MN导通,Isw减少。反之Isw增大。Isw的纹波电流通过LA推挽输出动态吸收。2.3上节提到,BUCK的效率和跟踪精度与开关频率有密切的联系,其也是决定HETA效率的重要部分。同时,Isw和Iab是并联关系,Isw与Im的差值直接影响到Iab的大小,由2.2小节对LA损耗的分析可知,Iab越大LA的动态损耗就越大,所以Iab的大小直接影响LA的整体效率。

    衡量Isw和Iab变化快慢的参数为电流摆率(SR)。因为Ven是随机信号,所以开关频率需要取平均处理,其中Vh是迟滞比较器的门限电压,L是电感值,VDC是包络信号的直流分量,Vrms是包络信号的有效值[18],表达式如下:

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    实际设计中,VDC、Vrms在Ven确定后可以得到,Rload在射频输出信号和漏极效率确定后可以得到。因此,需要设计的参数为Rsen、Vh和L。通过频率扫描找到SR匹配点,这个点对应的开关频率最小,效率最优,所对应的匹配电感值如下[19]: 

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    式中的Lmatch只是一个理想的计算值,在测试中需要根据实际情况对电感值进行相应的改变。迟滞比较器的门限电压需要根据实际性能要求在延时以及Im的输出电流纹波之间进行考虑。式(5)中的Rsen一般选取1 Ω左右,这是为了减小额外损耗和输出误差电压[20]

3 HETA优化技术

    从第2节分析得到了传统的HETA结构的不足,下面将讨论HETA结构的优化方案,主要可以分为以下几种[21-29]

    (1)提高开关电流在输出电流中所占的百分比;

    (2)降低开关级所需fsw_ave的同时提供足够的跟踪带宽;

    (3)提高LA工作效率。

3.1 多开关混合调制器

    多开关混合调制(HET with Multi-Switcher,HETMS)[21-23]的原理如图7所示。HETMS中核心的BUCK使用电感值较大的L1,负责跟踪信号的低频成分,辅助BUCK使用电感值较小的L2~Ln,在SRload较大的时候对Isw进行高频电流补偿。由于SRsw增加,在Im中所占的百分比增加,因此LA的动态损耗降低,整个系统的效率得到提高。采用Multi-Switcher变换器的缺点是面积大大增加,而且需要额外的控制电路实现,例如组合逻辑,这种方法增加整个控制环路的延时,直接使用DSP信号作为控制信号虽然加快了控制速度,但是大大增加了设计的复杂度和面积[24]

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3.2 多输入多开关混合调制器

    图8是多输入多开关混合调制(HET with Multilevel BUCK Convertor,HETMLC)[25-26]的原理图。HETMLC通过多电平产生电路和控制比较模块拟合出阶梯波对电感进行充电。与HETMS一样,HETMLC需要额外的控制电路。传统的Multilevel结构通常采用无源的滤波网络去掉多余的高频的分量,复杂的滤波网络增加电路设计的难度,同时占用的面积较大,而HETMLC通过LA就可以把Isw高频成分过滤从而得到Im。采用Multilevel结构可以降低所需的开关频率,提升系统的等效跟踪带宽和效率,但这需要以复杂的控制电路和额外的多电平产生电路为代价,若要降低拟合波形的高次谐波,则需要产生更多的直流电平[26]

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3.3 混合式混合调制器

    另一种提高的效率的结构是混合式混合调制(Combined HET,CHET)[27-29]。如前所述,LA的动态功耗是限制ET系统效率的主要因素之一,因此降低LA动态功耗有利于提高ET系统整体效率。图9中的辅助变换器(Auxiliary Converter,AC)通过动态调整LA的供电,降低其功率管在推挽过程中的动态功耗,使整个系统效率能够有效提升。AC的类型除了BUCK以外还可以使用升降压变换器[28]。AC同样需要额外的辅助控制电路,控制信号可以来自Ven,如文献[27]中为了提高AC效率,用Envelope Shaping的方法降低Ven输入带宽后作为AC输入信号,另一种方法通过采样电路内部信号作为控制信号[28-29]

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    目前已经有许多关于HETA的研究成果,采用上述的优化技术对HETA结构进行改进,文献中的电路性能对比如表2所示,在优化技术下的系统整体效率有明显的提高。

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4 ET技术实际应用

    目前ET技术已经应用到移动通信设备中,高通(Qualcomm)[30-31]、英国努吉拉(Nujira)[32]和Qorvo[33]这几家著名的外国半导体公司正在做ET芯片的研发。世界知名手机品牌苹果(Apple)和三星(Samsung)推出的手机分别采用了Qorvo公司和Qualcomm公司提供的ET芯片,延长了手机电池使用时间,如表3所示。因此,ET技术在目前移动通信领域具有较好的应用前景。

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5 ET技术的挑战与发展

    上一节提到,ET技术用于提高PA效率已经实现商用。现代移动通信发展迅速,将迎来5G时代。更高的数据传输速率同时带来更高的PAPR,使得PA在功率回退时的效率大大降低,严重缩短电池寿命,因此ET技术在5G PA效率提升上依然存在很大的吸引力[34],但是到了5G时代,ET电路需要更高的信号跟踪带宽,在电路实现上将会是一个巨大的挑战。因此,如何提高ET电路的跟踪带宽同时保持较高的系统效率将是之后研究的重点。由麻省理工(MIT)教授DAWSON J等人创立的Eta Devices公司提出的下一代ET技术ETAdvanced,有望将手机电池寿命将延长50%,在未来应用于5G通信[35]

6 结论

    ET技术对于现代移动通信的发展具有重要意义。本文首先介绍了现代移动通信中PA所遇到的问题,对比了EER和ET这两个效率提升技术的优缺点,得出ET技术对于提高PA效率具有很高的实用性的结论,接着针对ET技术对比了几种电路实现方式,然后通过分析HETA几个主要设计参数对电路性能的影响并对目前几种HETA优化技术方式的原理和实现方式进行了分析,列举并对比了目前这些技术的性能。最后提出ET技术研究的重点难点。

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文献[28]-[35]略



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区力翔,李思臻,余  凯,章国豪

(广东工业大学 信息工程学院,广东 广州510006)

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