分析混合型包络放大器电路结构以及电路的关键的设计参数

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。

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。

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。

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]。

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]：

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。 

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：

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。

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。

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。

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：

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]： 

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]。

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]。

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]。

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。

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。

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。