用于包络跟踪功率放大器的三电平包络调制器

为了实现高速数据传输，现代移动通信从传统的恒包络调制逐渐发展为复杂的变包络调制，信号的带宽和峰均功率比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)随之上升，因此功率放大器需要长时间处于低效率的功率回退区以换取足够的线性度^[1-2]。主流的功率放大器效率提升技术有Doherty技术^[3]、包络消除与恢复技术^[4-5]、包络跟踪技术^[6-8]等。其中包络跟踪技术能有效提升功率放大器在功率回退时的效率，但是传统的包络调制器结构存在不足之处。当输入包络幅度增加时，开关变换器的输出电流摆率并不能随之增加，线性放大器的输出电流加大，损耗上升。

本文提出一种三级(3-level)包络调制器，其开关变换器输出电流摆率能自适应地跟随输入包络变化，从而减小损耗，提高系统效率。

1 3-level包络调制器设计

1.1 线性放大器动态功耗分析

包络调制器通常选用线性放大器、开关变换器并联的混合型结构，如图1所示，开关变换器提供绝大部分负载电流，线性放大器吸收开关级的纹波电流。由于包络信号中绝大部分的能量集中在低频部分，只有小部分能量在高频处，因此混合结构能够实现宽带高效。

为简化分析，图1可以简化为图2的形式，其中功率管M1、M2，反馈网络β_la和跨导放大器(OTA)组成线性放大器，2-level开关变换器等效为受采样电压控制的电流源。

功率放大器等效为电阻R_load，阻值大小为：

其中η_PA是功率放大器效率，P_out是功率放大器输出功率，A_rms是输出包络有效值。本文等效电阻大小为7 Ω。

线性放大器功耗主要来自于功率管推挽大电流时产生的动态损耗，M1和M2动态功耗表达式近似为：

其中V_{DD_LA}、V_la和I_la是分别是线性放大器供电电压、输出电压和输出电流。从上式可知，在输入包络和线性放大器电源电压一定时，功率管的动态功耗与I_la的大小成正比。

1.2 3-level开关变换器设计

由图2可知I_la是负载电流I_load和开关电流I_sw的差值(I_la=I_load-I_sw)，随着输入包络幅度的增加，当I_load的摆率大于I_sw的摆率时，I_la提供大摆率的输出电流，损耗上升；提升I_sw对I_load的跟随能力能有效减少I_la的大小，降低损耗。首先定义3-level开关变换器逻辑控制函数，表达式为：

根据上述式子设计开关级，本文的3-level开关变换器如图3所示，串联功率管M2P和M2N传输中间电平V_DD/2，M1传输V_DD，M3传输零^[9]。采用判决方式与2-level相似，不同在于，3-level采用两个阈值大小相同符号相反的单限比较器而2-level采用迟滞比较器。3-level开关变换器工作原理为：当V_sen<-V_s时，V_sw=0；当-V_s≤V_sen≤V_s时，V_sw=V_DD/2；当V_sen>V_s时，V_sw=VDD。逻辑仿真结果如图4所示，V_DD=3.3 V，输入±20 mV三角波，从仿真图上看到，3-level开关变换器工作正常。

1.3 线性放大器设计

线性放大器需要实现宽带高增益，通常采用折叠式共源共栅结构，如图5所示^[10]，M4、M6和M8、M10组成的折叠式共源共栅实现高增益，M12和M13、M11和M15分别组成两个源跟随器，为Class-AB输出提供偏置。环路增益和相位裕度如图6所示，环路增益约为71 dB，单位增益带宽约为118 MHz，相位裕度约为61°。因此该结构同时实现了宽带和高增益。

输入信号采用最恶劣情况下的单音信号，线性放大器瞬态仿真如图7所示，输入频率10 MHz，线性放大器放大倍数为2，输出单音信号范围在1 V~3 V，从图上看到输出能较好地跟随输入线性变化。

图8是整体系统框图，除开关变换器外，电流采样控制、线性放大器与传统包络调制器相同。

2 系统仿真与分析

输入10 MHz LTE包络信号，输出包络信号幅度约为1 V~3 V，负载电阻7 Ω。图9是负载电流、开关变换器输出电流、线性放大器输出电流以及归一化开关电压的仿真波形，从图上看到，3-level开关变换器实现了其输出电流摆率自适应，提高了对负载电流的跟踪能力。

图10是3-level与2-level结构下线性放大器输出电流的仿真结果对比，在相同的电感与基本相同平均开关频率下^[11]，3-level结构与传统的2-level结构相比能有效减少线性放大器的输出电流，降低线性放大器动态功耗，从而提升系统整体效率。

图11是输入输出包络仿真，从图上看到，输出范围在1 V~3 V之间，输出能够准确跟随输入线性变化。

3 结论

本文针对传统包络调制器在开关变换器输出电流跟踪能力上的不足，提出了3-level包络调制器架构。仿真结果表明，该结构通过三电平拟合技术，提高了开关变换器对负载电流的跟踪能力，有效减小线性放大器的输出电流，降低线性放大器动态功耗，从而提升系统整体效率。在7 Ω负载，输出1 V~3 V，10 MHz LTE信号时，功率放大器输出功率27.5 dBm，效率约为85%，与传统结构相比，效率提升了约2%。

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作者信息:

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)