一種包絡跟蹤電源電路實驗設計

董千恒，李建勛，張國亮，劉恒，張秀再

（南京信息工程大學電子與信息工程學院，江蘇南京，210044）

0 引言

信息化時代不斷發展的過程中，用戶需傳輸的信息量不斷增多，對數據傳輸速率提升的要求也在不斷增多，使得通信系統的研發和設計過程越來越具有挑戰性。現代移動通信方式發展迅速，由于4G技術的不斷發展成熟，為了滿足用戶對未來通信系統的需求，目前正在推進對5G通信的推廣和應用，但是走進5G時代,功率放大電路需要更高的信號跟蹤帶寬，電路的應用實現面臨巨大的挑戰，作為支撐下一代通信技術的重要組成部分，對其提出了更高的要求，主要需求要有更高的使用效率、更長的電池壽命以及更高的帶寬。

功率放大器在移動通信手機基站中承擔著重要的作用，同時其功率消耗也達到基站功率的50%。選用效率更高的功率放大技術勢必會降低能耗，節約成本。目前用來提高功率放大器效率技術主要包括:Doherty技術[1]、包絡消除與恢 復（Envelope Elimination and Restoration,EER）[2]、異相功率放大器技術Linear Amplification with Nonlinear Components,LINC）[3]、包絡跟蹤技術（Envelope Tracking,ET）。

Doherty功率放大器由于采用恒定電壓供電，其整體效率不及采用ET電源供電方式[4]。此外最高工作效率受限于B類功率放大器飽和效率，但效率提升幅度仍有空間。EER的問題是采樣模擬方法進行幅度與相位分離時會產生較大的失真，同時用限幅器來提取的相位往往帶有殘余幅度調制信息，造成再次的信號調制失真。對包絡線恢復過程中的線性度有很高要求，受限于包絡帶寬高的場合如5G通信[5]等。LINC技術，用非線性元件的線性放大器是一種創新型的功放線性化技術，但由于該技術使用了隔離式功率合成器而產生額外的功耗，使得系統最后的平均效率成了與A類功率放大器相同的水平。

ET技術優點在動態范圍較寬，線性度以及效率可控制，比較適用于信號峰均比高的系統。本文首先介紹了包絡跟蹤電源系統結構，然后介紹了包絡檢波模塊、電源控制模塊、包絡電源模塊、功率放大模塊等原理與實現，然后實驗測試了每一個模塊性能參數，及級聯后的系統效率，對比恒壓供電功率放大器的效率，測試結果表明ET技術對比恒壓模式下的效率最高可提高36.5%，效率最高達到82%，極大得提升了功率放大器件的效率，驗證了芯片的低功耗性能與ET技術在芯片上的可行性。

1 系統電路設計

系統主要由包絡檢測、電源控制電路、包絡跟蹤電源、功率放大器等四個模塊組成，輸入信號Vi分為兩路，一路進入包絡檢測模塊，輸出包絡信號。電源控制電路根據前級輸出包絡信號的大小控制包絡跟蹤電源輸出電壓Vp的大小，從而改變功率放大器的供電電壓，在此過程中，包絡跟蹤電源輸入電壓Vs始終恒定。另一路作為功率放大器輸入信號，輸出電壓為Vo，系統原理框圖見圖1。

圖1 系統框圖

1.1 包絡檢測模塊原理與設計

系統輸入信號為等幅度的正弦波信號，包絡檢波采用閉環結構的峰值檢測電路，如圖2所示，峰值檢測電路主要由運算放大器TL082，二極管D1、D2，電容C2和反饋電阻R5組成。穩定狀態時，有V1=V3=V5=V7。當輸入信號Vin＞V2，V1＞V5+VD2時，二極管D2導通，電容C1充電，輸出電壓V7增大直至達到信號峰值，當信號小于峰值時，V1減小至小于V5和VD2之和，二極管D2截止，電容C1上電壓緩慢放電，輸出電壓幾乎保持不變。峰值檢測電路后接一級由OP07構成的二階有源低通濾波器，減小高頻雜波。

圖2 包絡檢波電路

1.2 包絡跟蹤電源原理與設計

設計采用峰值電流模式PWM控制BOOST型DC-DC轉換器來作為包絡電源的核心部分，圖3為峰值電流模式PWM控制BOOST型DC-DC轉換器[6]的結構框圖，輸出電壓VOUT通過電阻網絡分壓進入誤差放大器EA得到誤差電壓信號Vc，誤差信號進入PWM比較器與一個變化的、峰值代表輸出電感電流峰值的三角波或梯形尖角狀合成波形信號Vsign比較得到PWM脈沖關斷閾值，通過控制電感峰值電流間接地控制PWM脈沖寬度，PWM比較器生成的PWM波控制由功率管M1、電感L、二極管D、電容COUT等器件組成的boost升壓電路中的功率管M1的開關，從而形成一個反饋電路,實現輸出電壓的提升、穩定和控制。

圖3 BOOST型DC-DC轉換器結構圖

實際電路設計采用寬輸入同步Boost控制器LM25122-Q1芯片，實際電路如圖4，輸入電壓Vin=6V，FB引腳過電阻R29接控制電壓VJP1，可實現7～13.1V可調輸出電壓Vout。R23決定開關頻率fs,大小由式（1）決定：

圖4 包絡跟蹤電源電路設計

這里fs=250kHz。R16、R21電阻分壓后電壓VUVLO大于1.2V，芯片才能正常工作，阻值設置可由式（2）、（3）計算：

式（2）中VHYS為UVLO滯后值，取VHYS=0.5V。R22可設定斜坡補償量，由式（4）決定。

R26、R27、R28為分壓電阻，需滿足式（5）

反饋電壓接入FB引腳。

1.3 電源控制電路設計

電源控制電路主要由STM32F103單片機和電壓跟隨器實現，單片機通過自帶AD采集包絡檢測模塊輸出電壓，再根據包絡跟蹤電源[7]輸出電壓與控制電壓關系擬合出包絡檢測模塊輸出電壓與單片機DA輸出電壓的關系，DA輸出口接一個電壓跟隨器，減小單片機輸出阻抗帶來的分壓影響。通過單片機根據包絡檢測模塊輸出電壓控制包絡跟蹤電源模塊控制電壓的方法可以實現不同負載供電電壓的自由調節，提升電源效率。

1.4 功率放大器選擇與設計

設計為體現包絡跟蹤電源效率提升的效果，在包絡跟蹤電源后接一級功率放大器，通過對比恒定電壓供電和包絡跟蹤電源供電所得到的效率來體現包絡跟蹤電源效率提升的效果，本設計選用TAS5421-Q1功率放大器[8]，TAS5421-Q1是用于汽車環境的單聲道模擬輸入音頻放大器，具有寬工作電壓范圍，線性偏差小等特點[9]。圖5為電路設計圖，JP1為信號輸入口，C2、C3與放大器輸入阻抗組成一個高通濾波器，JP2為信號輸出口L1、L2、C8、C9、C10、C11組成兩個二階L-C低通濾波器濾除PWM調制載波頻率，JP3為電源供電口，C12、C13、C14、C15、E1、E2、E3、L3起去耦作用。

圖5 功率放大器電路

2 包括跟蹤電源電路測試及實驗分析

利用Altium Designer軟件設計電路原理圖，對照原理圖使用萬能板手工焊接，將各直插元器件合理排布，用電烙鐵將器件焊牢在萬能板上，利用銅柱將電路板支撐起來便于測試，測試電路見圖6。

圖6 測試電路

2.1 包絡檢測模塊性能測試

利用信號發生器產生頻率，幅度可調的正弦波信號接包絡檢測模塊輸入端[10-11]，輸出端接數字存儲示波器，正弦波信號頻率固定為1kHz，通過改變輸入信號的幅度，得到表1所示的測試結果，幅值動態范圍為100～1000mVpp，線性偏差不超過8mV。輸出波形如圖7所示，圖7在輸入交流信號VP=200mV條件下測得，輸出大小為200mV穩定直流信號，達到峰值檢測效果。

表1 包絡檢測模塊測試結果

圖7 包絡檢測模塊輸出波形

2.2 包絡跟蹤電源模塊測試

利用直流電源產生固定電壓6V和2.5V可調直流電壓，模塊輸入端接6V固定電壓，控制端口接0～2.5V可調直流電壓，輸出端口接入數字存儲示波器，通過改變控制電壓的幅度，改變輸出電壓，得到如表2所示測試結果，動態范圍為7.6～13.1V，輸出波形如圖8所示，圖8在控制電壓為0V條件下測得，輸出13.1V穩定直流信號，達到功率放大器所需最大工作電壓。

表2 包絡跟蹤電源模塊測試結果

圖8 包絡跟蹤電源模塊輸出波形

2.3 功率放大模塊測試

利用信號發生器產生頻率，幅度可調的正弦波信號到包絡檢測模塊輸入端，輸出端接數字存儲示波器，供電電壓為13V，正弦波信號頻率固定為1kHz，通過改變輸入信號的幅度，得到表3所示的測試結果，增益動態范圍為23.8～25.3dB，輸出波形如圖9所示，圖9在輸入信號Vpp=0.17V條件下測得，輸出信號峰峰值為3.12V，增益為25.3dB。

圖9 功率放大器輸出波形

表3 功率放大模塊測試結果

2.4 電源控制電路測試

根據實驗測得的控制電壓與包絡跟蹤電源模塊[12]輸出電壓的關系和不同幅值的信號進入功率放大器放大所需最小供電電壓，擬合出一條曲線，單片機根據此曲線來控制DA輸出直流電壓，此電壓作為電源模塊的控制電壓。測試時，STM32F103單片機A1口接可調直流電壓，輸出口A4接數字存儲示波器，通過改變A1口的電壓大小，得到表4結果，輸出波形如圖10所示，圖10在輸入0.2V直流電壓條件下測得，輸出大小為2.32V直流信號，符合關系式（6）：

表4 電源控制模塊測試結果

圖10 電源控制模塊輸出波形

2.5 系統整體測試

將所有模塊級聯，信號發生器接功率放大器和包絡檢測模塊輸入端，包絡跟蹤電源輸入口接6V直流電壓，功率放大器輸出接數字存儲示波器，調整正弦波信號幅值，記錄輸出電壓幅值與供電電壓和電流，計算效率，得到如表5所示結果，在保證波形不失真且增益相同的情況下，對比使用13V電壓供電的功率放大器效率，測試表明輸入信號在200～800mVpp范圍內，效率最高可提升36.5%，圖11為效率對比圖。

表5 系統整體測試結果

圖11 效率對比圖

3 結語

使用峰值檢測電路、STM32F103單片機、LM25122QPWPRQ升壓芯片設計并完成了一個包絡跟蹤電源，并用包絡跟蹤電源為功率放大器tas5421-q1供電，測得效率，對比增益相同、13V恒壓供電情況下功率放大器的效率，測試表明輸入信號峰峰值在200～800mVpp范圍內，效率最高可提升36.5%，其中峰峰值為200mVpp時，系統效率為65.45%，峰峰值為800mVpp時，系統效率為82.37%。電路可為音頻功放、藍牙等設備供電，大大提升電源利用率，節省能源，電路也可作為包絡跟蹤電源教學單元實驗。帶寬作為包絡跟蹤電源一個重要參數，在此實驗中沒有進行討論和分析，限制帶寬主要因素在于包絡檢測模塊帶寬限制，后續將通過提高包絡檢測模塊帶寬，繼續探究其他限制帶寬因素，來擴展電路帶寬。