一种包络跟踪电源电路实验设计

董千恒，李建勋，张国亮，刘恒，张秀再

（南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏南京，210044）

0 引言

信息化时代不断发展的过程中，用户需传输的信息量不断增多，对数据传输速率提升的要求也在不断增多，使得通信系统的研发和设计过程越来越具有挑战性。现代移动通信方式发展迅速，由于4G技术的不断发展成熟，为了满足用户对未来通信系统的需求，目前正在推进对5G通信的推广和应用，但是走进5G时代,功率放大电路需要更高的信号跟踪带宽，电路的应用实现面临巨大的挑战，作为支撑下一代通信技术的重要组成部分，对其提出了更高的要求，主要需求要有更高的使用效率、更长的电池寿命以及更高的带宽。

功率放大器在移动通信手机基站中承担着重要的作用，同时其功率消耗也达到基站功率的50%。选用效率更高的功率放大技术势必会降低能耗，节约成本。目前用来提高功率放大器效率技术主要包括:Doherty技术[1]、包络消除与恢 复（Envelope Elimination and Restoration,EER）[2]、异相功率放大器技术Linear Amplification with Nonlinear Components,LINC）[3]、包络跟踪技术（Envelope Tracking,ET）。

Doherty功率放大器由于采用恒定电压供电，其整体效率不及采用ET电源供电方式[4]。此外最高工作效率受限于B类功率放大器饱和效率，但效率提升幅度仍有空间。EER的问题是采样模拟方法进行幅度与相位分离时会产生较大的失真，同时用限幅器来提取的相位往往带有残余幅度调制信息，造成再次的信号调制失真。对包络线恢复过程中的线性度有很高要求，受限于包络带宽高的场合如5G通信[5]等。LINC技术，用非线性元件的线性放大器是一种创新型的功放线性化技术，但由于该技术使用了隔离式功率合成器而产生额外的功耗，使得系统最后的平均效率成了与A类功率放大器相同的水平。

ET技术优点在动态范围较宽，线性度以及效率可控制，比较适用于信号峰均比高的系统。本文首先介绍了包络跟踪电源系统结构，然后介绍了包络检波模块、电源控制模块、包络电源模块、功率放大模块等原理与实现，然后实验测试了每一个模块性能参数，及级联后的系统效率，对比恒压供电功率放大器的效率，测试结果表明ET技术对比恒压模式下的效率最高可提高36.5%，效率最高达到82%，极大得提升了功率放大器件的效率，验证了芯片的低功耗性能与ET技术在芯片上的可行性。

1 系统电路设计

系统主要由包络检测、电源控制电路、包络跟踪电源、功率放大器等四个模块组成，输入信号Vi分为两路，一路进入包络检测模块，输出包络信号。电源控制电路根据前级输出包络信号的大小控制包络跟踪电源输出电压Vp的大小，从而改变功率放大器的供电电压，在此过程中，包络跟踪电源输入电压Vs始终恒定。另一路作为功率放大器输入信号，输出电压为Vo，系统原理框图见图1。

图1 系统框图

1.1 包络检测模块原理与设计

系统输入信号为等幅度的正弦波信号，包络检波采用闭环结构的峰值检测电路，如图2所示，峰值检测电路主要由运算放大器TL082，二极管D1、D2，电容C2和反馈电阻R5组成。稳定状态时，有V1=V3=V5=V7。当输入信号Vin＞V2，V1＞V5+VD2时，二极管D2导通，电容C1充电，输出电压V7增大直至达到信号峰值，当信号小于峰值时，V1减小至小于V5和VD2之和，二极管D2截止，电容C1上电压缓慢放电，输出电压几乎保持不变。峰值检测电路后接一级由OP07构成的二阶有源低通滤波器，减小高频杂波。

图2 包络检波电路

1.2 包络跟踪电源原理与设计

设计采用峰值电流模式PWM控制BOOST型DC-DC转换器来作为包络电源的核心部分，图3为峰值电流模式PWM控制BOOST型DC-DC转换器[6]的结构框图，输出电压VOUT通过电阻网络分压进入误差放大器EA得到误差电压信号Vc，误差信号进入PWM比较器与一个变化的、峰值代表输出电感电流峰值的三角波或梯形尖角状合成波形信号Vsign比较得到PWM脉冲关断阈值，通过控制电感峰值电流间接地控制PWM脉冲宽度，PWM比较器生成的PWM波控制由功率管M1、电感L、二极管D、电容COUT等器件组成的boost升压电路中的功率管M1的开关，从而形成一个反馈电路,实现输出电压的提升、稳定和控制。

图3 BOOST型DC-DC转换器结构图

实际电路设计采用宽输入同步Boost控制器LM25122-Q1芯片，实际电路如图4，输入电压Vin=6V，FB引脚过电阻R29接控制电压VJP1，可实现7～13.1V可调输出电压Vout。R23决定开关频率fs,大小由式（1）决定：

图4 包络跟踪电源电路设计

这里fs=250kHz。R16、R21电阻分压后电压VUVLO大于1.2V，芯片才能正常工作，阻值设置可由式（2）、（3）计算：

式（2）中VHYS为UVLO滞后值，取VHYS=0.5V。R22可设定斜坡补偿量，由式（4）决定。

R26、R27、R28为分压电阻，需满足式（5）

反馈电压接入FB引脚。

1.3 电源控制电路设计

电源控制电路主要由STM32F103单片机和电压跟随器实现，单片机通过自带AD采集包络检测模块输出电压，再根据包络跟踪电源[7]输出电压与控制电压关系拟合出包络检测模块输出电压与单片机DA输出电压的关系，DA输出口接一个电压跟随器，减小单片机输出阻抗带来的分压影响。通过单片机根据包络检测模块输出电压控制包络跟踪电源模块控制电压的方法可以实现不同负载供电电压的自由调节，提升电源效率。

1.4 功率放大器选择与设计

设计为体现包络跟踪电源效率提升的效果，在包络跟踪电源后接一级功率放大器，通过对比恒定电压供电和包络跟踪电源供电所得到的效率来体现包络跟踪电源效率提升的效果，本设计选用TAS5421-Q1功率放大器[8]，TAS5421-Q1是用于汽车环境的单声道模拟输入音频放大器，具有宽工作电压范围，线性偏差小等特点[9]。图5为电路设计图，JP1为信号输入口，C2、C3与放大器输入阻抗组成一个高通滤波器，JP2为信号输出口L1、L2、C8、C9、C10、C11组成两个二阶L-C低通滤波器滤除PWM调制载波频率，JP3为电源供电口，C12、C13、C14、C15、E1、E2、E3、L3起去耦作用。

图5 功率放大器电路

2 包括跟踪电源电路测试及实验分析

利用Altium Designer软件设计电路原理图，对照原理图使用万能板手工焊接，将各直插元器件合理排布，用电烙铁将器件焊牢在万能板上，利用铜柱将电路板支撑起来便于测试，测试电路见图6。

图6 测试电路

2.1 包络检测模块性能测试

利用信号发生器产生频率，幅度可调的正弦波信号接包络检测模块输入端[10-11]，输出端接数字存储示波器，正弦波信号频率固定为1kHz，通过改变输入信号的幅度，得到表1所示的测试结果，幅值动态范围为100～1000mVpp，线性偏差不超过8mV。输出波形如图7所示，图7在输入交流信号VP=200mV条件下测得，输出大小为200mV稳定直流信号，达到峰值检测效果。

表1 包络检测模块测试结果

图7 包络检测模块输出波形

2.2 包络跟踪电源模块测试

利用直流电源产生固定电压6V和2.5V可调直流电压，模块输入端接6V固定电压，控制端口接0～2.5V可调直流电压，输出端口接入数字存储示波器，通过改变控制电压的幅度，改变输出电压，得到如表2所示测试结果，动态范围为7.6～13.1V，输出波形如图8所示，图8在控制电压为0V条件下测得，输出13.1V稳定直流信号，达到功率放大器所需最大工作电压。

表2 包络跟踪电源模块测试结果

图8 包络跟踪电源模块输出波形

2.3 功率放大模块测试

利用信号发生器产生频率，幅度可调的正弦波信号到包络检测模块输入端，输出端接数字存储示波器，供电电压为13V，正弦波信号频率固定为1kHz，通过改变输入信号的幅度，得到表3所示的测试结果，增益动态范围为23.8～25.3dB，输出波形如图9所示，图9在输入信号Vpp=0.17V条件下测得，输出信号峰峰值为3.12V，增益为25.3dB。

图9 功率放大器输出波形

表3 功率放大模块测试结果

2.4 电源控制电路测试

根据实验测得的控制电压与包络跟踪电源模块[12]输出电压的关系和不同幅值的信号进入功率放大器放大所需最小供电电压，拟合出一条曲线，单片机根据此曲线来控制DA输出直流电压，此电压作为电源模块的控制电压。测试时，STM32F103单片机A1口接可调直流电压，输出口A4接数字存储示波器，通过改变A1口的电压大小，得到表4结果，输出波形如图10所示，图10在输入0.2V直流电压条件下测得，输出大小为2.32V直流信号，符合关系式（6）：

表4 电源控制模块测试结果

图10 电源控制模块输出波形

2.5 系统整体测试

将所有模块级联，信号发生器接功率放大器和包络检测模块输入端，包络跟踪电源输入口接6V直流电压，功率放大器输出接数字存储示波器，调整正弦波信号幅值，记录输出电压幅值与供电电压和电流，计算效率，得到如表5所示结果，在保证波形不失真且增益相同的情况下，对比使用13V电压供电的功率放大器效率，测试表明输入信号在200～800mVpp范围内，效率最高可提升36.5%，图11为效率对比图。

表5 系统整体测试结果

图11 效率对比图

3 结语

使用峰值检测电路、STM32F103单片机、LM25122QPWPRQ升压芯片设计并完成了一个包络跟踪电源，并用包络跟踪电源为功率放大器tas5421-q1供电，测得效率，对比增益相同、13V恒压供电情况下功率放大器的效率，测试表明输入信号峰峰值在200～800mVpp范围内，效率最高可提升36.5%，其中峰峰值为200mVpp时，系统效率为65.45%，峰峰值为800mVpp时，系统效率为82.37%。电路可为音频功放、蓝牙等设备供电，大大提升电源利用率，节省能源，电路也可作为包络跟踪电源教学单元实验。带宽作为包络跟踪电源一个重要参数，在此实验中没有进行讨论和分析，限制带宽主要因素在于包络检测模块带宽限制，后续将通过提高包络检测模块带宽，继续探究其他限制带宽因素，来扩展电路带宽。