包络线跟踪电源中开关变换器基准信号生成方法和系统

摘要

本发明公开了一种包络线跟踪电源中开关变换器基准信号生成方法和系统，生成方法包括：经由指定频率段滤波器对RF包络信号进行滤波，根据滤波后不同时间区间内的信号特征生成不同的恒定基准值，并将生成的恒定基准值作为基准控制信号提供给包络线跟踪电源系统中的开关变换器，以提升射频功放供电系统的整体效率。本发明按照RF包络线滤波后的信号特征划分不同的时间区间，并在不同时间区间内取不同恒定基准值以生成开关变换器所需的基准信号。该方法不仅有利于降低控制硬件计算量，而且可有效提高包络线跟踪电源的射频功放供电效率。

权利要求

1.一种包络线跟踪电源中开关变换器基准信号生成方法，其特征在于，所述生成方法包括以下步骤：经由指定滤波器的滤波频率段对RF包络信号进行滤波，并对滤波后的信号以有利于提升包络线跟踪电源的射频功放供电效率确定每个定义时间区间内的恒定基准值，将该定义时间区间内的恒定基准值作为基准控制信号提供给包络线跟踪电源系统中的开关变换器；

所述滤波器的滤波频率段最大频率点小于所对应开关变换器的开关频率fs；

所述对滤波后的信号每个恒定基准值的时间区间取值方式，包括但不限于以下三种：(1)对滤波后的信号固定以对应开关变换器开关周期N倍的时间区间内以生成恒定的基准值，所述N为大于1的正整数；

(2)根据滤波器滤波后信号波形幅值变化区间定义对应的每个时间区间以生成恒定的基准值；

(3)根据滤波器滤波后信号波形曲线，以相邻谷底点或以任意两个谷底点区域之间的时间值作为所定义的时间区间以生成恒定的基准值；

所述时间区间满足以下条件：

相对于直接采用滤波后的信号，采用所定义时间区间恒定基准值做为基准信号时，包络线跟踪电源的射频功放供电效率变高。

2.根据权利要求1所述的包络线跟踪电源中开关变换器基准信号生成方法，其特征在于，所述生成方法还包括：当包络线跟踪电源中含有多个开关变换器时，由多个频率段滤波器对RF包络信号进行滤波处理以生成多个滤波信号，分别对生成的多个滤波信号在每个定义时间区间内确定恒定基准值，以作为基准控制信号提供给包络线跟踪电源系统中相应的开关变换器。

3.根据权利要求2所述的包络线跟踪电源中开关变换器基准信号生成方法，其特征在于，所述生成方法还包括：引入减法器，对不同频率段滤波器的输出信号和RF包络信号中的任意两个进行减法计算以生成中间信号，对中间信号进行滤波，以生成新的在每个定义时间区间内基准控制信号。

4.根据权利要求2所述的包络线跟踪电源中开关变换器基准信号生成方法，其特征在于，多个开关变换器具有不同的开关频率，滤波器的滤波频率段最大频率点小于其对应的开关变换器的工作频率；因此，低频滤波器生成的滤波信号在每个定义时间区间内取恒定基准值后提供给低频开关变换器工作，高频段滤波器生成的滤波信号在每个定义时间区间内取恒定基准值后提供给高频开关变换器工作。

5.根据权利要求1所述的包络线跟踪电源中开关变换器基准信号生成方法，其特征在于，所述每个时间区间内恒定基准值取值满足以下条件中的其中一个：(1)滤波后信号在不同时间区间恒定基准值取值与该时间区间实际包络线或滤波后信号之间的差值不超过定义的均方根误差值；

(2)滤波后信号在不同时间区间恒定基准值为该时间区间实际包络线或滤波后信号的峰值或峰值的百分比值；

(3)滤波后信号在不同时间区间恒定基准值所构成的面积与该时间区间实际包络线或滤波后信号实际面积相等或取其百分比值。

6.根据权利要求1所述的包络线跟踪电源中开关变换器基准信号生成方法，其特征在于，跟踪电源中不同开关变换器确定恒定基准值的时间区间相互独立。

7.一种包络线跟踪电源中开关变换器基准信号生成系统，其特征在于，所述生成系统采用如权利要求1‑6任一项中所述生成方法以生成基准信号；所述生成系统包括滤波器和恒定基准值生成模块；

所述滤波器用于对RF包络信号进行滤波；

所述恒定基准值生成模块连接在滤波器和开关变换器之间，用于对滤波后的信号以有利于提升包络线跟踪电源的射频功放供电效率的时间区间内确定恒定基准值，将确定得到的恒定基准值作为基准控制信号提供给包络线跟踪电源系统中的开关变换器。

8.根据权利要求7所述的包络线跟踪电源中开关变换器基准信号生成系统，其特征在于，当包络线跟踪电源中含有M个开关变换器时，所述生成系统中包括M个滤波器和M个恒定基准值生成模块；滤波器、恒定基准值生成模块和开关变换器具有对应关系；所述M为大于1的正整数；

至少一个滤波器的输入端与包络线检测模块连接，对接收到的RF包络信号进行滤波处理以生成至少一个滤波信号；其余滤波器的输入端通过减法器与包络线检测模块连接，减法器用于对其中一个滤波信号和RF包络信号确定差值信号；

每个滤波器输出的滤波信号直接导入对应的恒定基准值生成模块，或者与另一个滤波器输出的滤波信号经减法计算后再导入对应的恒定基准值生成模块，以确定得到恒定基准值。

9.根据权利要求7所述的包络线跟踪电源中开关变换器基准信号生成系统，其特征在于，所述恒定基准值生成模块中设定的时间区间满足以下条件：滤波后信号在不同时间区间恒定基准值与该时间区间实际包络线或滤波后信号之间的差值，不超过定义的均方根误差值。

说明书

包络线跟踪电源中开关变换器基准信号生成方法和系统

技术领域

[0001] 本发明涉及技术领域，具体而言涉及一种包络线跟踪电源中开关变换器基准信号生成方法和系统。

背景技术

[0002] 为了在相同频带内提高传输信息量，5G等现代移动通信中调制策略对RF输入信号的幅值、相位和频率进行调制，RF输入信号的包络线幅值不为恒定信号，RF信号的峰均比值不断提高。为保证RF输入信号所携带信息不失真地传输，如采用恒压供电方式的射频线性功放，其工作效率非常低。同时由于损耗的电能以热量形式耗散，基站还需要增大空调制冷的耗电，给运营商带来了沉重的电费负担。因此提高基站射频线性功放效率是现代移动通信基站节能的源头。目前，包络线跟踪(Envelope Tracking，ET)技术是提高射频功放效率最有前途的方法之一。

[0003] RF包络信号中包含的频谱能量丰富，但是能量集中在低频部分，高频部分的能量相对较少。开关变换器处理能量效率高，工作带宽相对较低，比较适合处理低频段能量。线性变换器工作带宽高、效率低，比较适合处理高频段能量。由线性放大器和开关变换器的组合结构的包络线跟踪电源，其可有效提高射频功放的工作效率。但由于开关变换器中储能元件具有一定的响应时间，如果开关变换器的基准直接由滤波后的信号生成，则所需的开关变换器工作频率太高而导致效率下降，硬件计算工作量大且跟踪精度也得不到保证。如采用固定不变的基准，则不利于射频功放的工作效率提升。

发明内容

[0004] 本发明针对现有技术中的不足，提供一种包络线跟踪电源中开关变换器基准信号生成方法和系统，将RF包络线信号经过滤波器处理后按照设定的周期内取恒定基准值，生成相应的开关变换器中基准信号，借由RF包络线信号和开关变化器的自身特性来合理降低开关变换器的工作频率，有效提高了包络线跟踪电源的射频功放供电效率，确保了跟踪精度。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0006] 第一方面，本发明实施例提出了一种包络线跟踪电源中开关变换器基准信号生成方法，所述生成方法包括以下步骤：

[0007] 经由指定滤波器的滤波频率段对RF包络信号进行滤波，并对滤波后的信号以有利于提升包络线跟踪电源的射频功放供电效率确定每个定义时间区间内的恒定基准值，将该定义时间区间内的恒定基准值作为基准控制信号提供给包络线跟踪电源系统中的开关变换器；

[0008] 所述滤波器的滤波频率段最大频率点小于所对应开关变换器的开关频率fs。

[0009] 可选地，所述生成方法还包括：

[0010] 当包络线跟踪电源中含有多个开关变换器时，由多个频率段滤波器对RF包络信号进行滤波处理以生成多个滤波信号，分别对生成的多个滤波信号在每个定义时间区间内确定恒定基准值，以作为基准控制信号提供给包络线跟踪电源系统中相应的开关变换器。

[0011] 可选地，所述生成方法还包括：

[0012] 引入减法器，对不同频率段滤波器的输出信号和RF包络信号中的任意两个进行减法计算以生成中间信号，对中间信号进行滤波，以生成新的在每个定义时间区间内基准控制信号。

[0013] 可选地，多个开关变换器具有不同的开关频率，滤波器的滤波频率段最大频率点小于其对应的开关变换器的工作频率；因此，低频滤波器生成的滤波信号在每个定义时间区间内取恒定基准值后提供给低频开关变换器工作，高频段滤波器生成的滤波信号在每个定义时间区间内取恒定基准值后提供给高频开关变换器工作。

[0014] 可选地，所述对滤波后的信号每个恒定基准值的时间区间取值方式，包括但不限于以下三种：

[0015] (1)对滤波后的信号固定以对应开关变换器开关周期N倍的时间区间内以生成恒定的基准值，所述N为大于1的正整数；

[0016] (2)根据滤波器滤波后信号波形幅值变化区间定义对应的每个时间区间以生成恒定的基准值；

[0017] (3)根据滤波器滤波后信号波形曲线，以相邻谷底点或以任意两个谷底点区域之间的时间值作为所定义的时间区间以生成恒定的基准值；

[0018] 所述时间区间满足以下条件：

[0019] 相对于直接采用滤波后的信号，采用所定义时间区间区间恒定基准值做为基准信号时，包络线跟踪电源的射频功放供电效率变高。

[0020] 可选地，所述每个时间区间内恒定基准值取值满足以下条件中的其中一种：

[0021] (1)滤波后信号在不同时间区间恒定基准值取值与该时间区间实际包络线或滤波后信号之间的差值不超过定义的均方根误差值；

[0022] (2)滤波后信号在不同时间区间恒定基准值为该时间区间实际包络线或滤波后信号的峰值或峰值的百分比值；

[0023] (3)滤波后信号在不同时间区间恒定基准值所构成的面积与该时间区间实际包络线或滤波后信号实际面积相等或取其百分比值。

[0024] 可选地，跟踪电源中不同开关变换器确定恒定基准值的时间区间相互独立。

[0025] 第二方面，本发明实施例提出了一种包络线跟踪电源中开关变换器基准信号生成系统，所述生成系统中包括滤波器和分段恒定基准模块；

[0026] 所述滤波器用于对RF包络信号进行滤波；

[0027] 所述分段恒定基准模块连接在滤波器和开关变换器之间，用于对滤波后的信号以有利于提升包络线跟踪电源的射频功放供电效率的时间区间内确定恒定基准值，将确定得到的恒定基准值作为基准控制信号提供给包络线跟踪电源系统中的开关变换器。

[0028] 可选地，当包络线跟踪电源中含有M个开关变换器时，所述生成系统中包括M个滤波器和M个分段恒定基准模块；滤波器、分段恒定基准模块和开关变换器具有对应关系；所述M为大于1的正整数；

[0029] 至少一个滤波器的输入端与包络线检测模块连接，对接收到的RF包络信号进行滤波处理以生成至少一个滤波信号；其余滤波器的输入端通过减法器与包络线检测模块连接，减法器用于对其中一个滤波信号和RF包络信号确定差值信号；

[0030] 所述滤波器输出的滤波信号直接导入对应的分段恒定基准模块，或者与另一个滤波器输出的滤波信号经减法计算后再导入对应的分段恒定基准模块，以确定得到恒定基准值。

[0031] 可选地，所述分段恒定基准模块中设定的时间区间满足以下条件：

[0032] 滤波后信号在不同时间区间恒定基准值与该时间区间实际包络线或滤波后信号之间的差值，不超过定义的均方根误差值。

[0033] 本发明的有益效果是：

[0034] 本发明将RF包络线信号经过滤波器处理后按照设定的不同时间区间内取恒定基准值，生成相应的开关变换器中基准信号，借由RF包络线信号和开关变化器的自身特性来合理确定所取得时间区间及其对应的恒定基准值，有效提高了包络线跟踪电源的射频功放供电效率，降低所需硬件计算资源。

附图说明

[0035] 图1是典型的包络线跟踪电源架构示意图。

[0036] 图2为包络线跟踪电源中只有一组开关变换器时的基准信号生成原理图。

[0037] 图3为包络线跟踪电源中存在两组开关变换器时的第一种基准信号生成原理图。

[0038] 图4为包络线跟踪电源中存在两组开关变换器时的第二种基准信号生成原理图。

[0039] 图5为包络线跟踪电源中存在两组开关变换器时的第三种基准信号生成原理图。

[0040] 图6为基于第二种基准信号生成方式时包络线跟踪电源系统中所生成的开关变换器参考基准曲线示意图。

具体实施方式

[0041] 现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

[0042] 需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

[0043] 实施例一

[0044] 图1是典型的包络线跟踪电源架构示意图。包络线检测环节生成的RF包络信号如果滤波后直接作为开关变换器的基准信号，则硬件计算量过大、且开关变换器的工作频率变化剧烈导致效率下降。开关变换器由于电感、电容等储能器件的影响存在一定的响应时间，客观上开关变换器也无法跟踪急剧变化的参考基准信号。由于包络线跟踪电源输出功率是由线性放大器和开关变换器组合产生，如开关变换器的基准恒定，其输出功率不能体现射频信号的变化特征动态提供合适的能量。因此，如何选择合适的电平及其持续的时间，成为了亟需解决的关键技术问题。

[0045] 基于前述技术问题，本发明实施例提出了一种包络线跟踪电源中开关变换器基准信号生成方法，该生成方法包括以下步骤：

[0046] 经由指定滤波器的滤波频率段对RF包络信号进行滤波，并对滤波后的信号以有利于提升包络线跟踪电源的射频功放供电效率确定每个定义时间区间内的恒定基准值，将该定义时间区间内的恒定基准值作为基准控制信号提供给包络线跟踪电源系统中的开关变换器；

[0047] 所述滤波器的滤波频率段最大频率点小于所对应开关变换器的开关频率fs。

[0048] 具体的，所述对滤波后的信号每个恒定基准值的时间区间取值方式，包括但不限于三种：

[0049] (1)对滤波后的信号固定以对应开关变换器开关周期N倍的时间区间内以生成恒定的基准值，所述N为大于1的正整数；

[0050] (2)根据滤波器滤波后信号波形幅值变化区间定义对应的每个时间区间以生成恒定的基准值；

[0051] (3)根据滤波器滤波后信号波形曲线，以相邻谷底点或以任意两个谷底点区域之间的时间值作为所定义的时间区间以生成恒定的基准值。

[0052] 但无论采用哪种方式，均需满足以下条件，即：相对于直接采用滤波后的信号，采用该时间区间的滤波信号恒定基准值时，包络线跟踪电源的射频功放供电效率变高。

[0053] 关于时间区间的范围，可以以包络线跟踪电源的射频功放供电效率为判断基准。在实际应用中，通常会更倾向于选择最优时间区间或者近似最优时间区间来尽可能达到最好的射频功放供电效率。示例性地，如果选择采用第一种方式，可以通过逐步调整前述N的取值，比对不同取值对应的包络线跟踪电源的射频功放供电效率，选取最大射频功放供电效率的N取值来设定最终的时间区间。其他两种方式类似，例如在第三种方式中，通过逐步选取距离更远的两个谷底点区域的时间值，来判断最适配的平均周期区间。

[0054] 为了简化时间区间的选择过程，本实施例还提出以下时间区间的确认方式：

[0055] 比较滤波后信号在不同时间区间恒定基准值与该时间区间实际包络线或滤波后信号之间的差值，以不超过定义的均方根误差值确定所需的滤波信号时间区间。

[0056] 具体的，所述每个时间区间内恒定基准值取值满足以下但不限于以下条件中的其中一种：

[0057] (1)滤波后信号在不同时间区间恒定基准值取值与该时间区间实际包络线或滤波后信号之间的差值不超过定义的均方根误差值。

[0058] (2)滤波后信号在不同时间区间恒定基准值为该时间区间实际包络线或滤波后信号的峰值或峰值的百分比值。

[0059] (3)滤波后信号在不同时间区间恒定基准值所构成的面积与该时间区间实际包络线或滤波后信号实际面积相等或取其百分比值。

[0060] 下面结合具体实例对前述基准信号生成方法进行详细阐述。

[0061] (一)只有一组开关变换器时

[0062] 实例1：图2为包络线跟踪电源中只有一组开关变换器时的基准信号生成原理图。该包络线跟踪电源中含有1组开关变换器。对RF包络线信号经由低通或带通或其他类型的滤波器进行滤波处理，通过取开关变换器工作周期的N倍为固定时间区间，取该时间区间内滤波信号峰值为恒定基准值，并提供给开关变换器作为其基准控制信号。

[0063] (二)含有多组变换器时

[0064] 当包络线跟踪电源中含有多个开关变换器时，由多个频率段滤波器对RF包络信号进行滤波处理以生成多个滤波信号，分别对生成的多个滤波信号在定义时间区间内内确定恒定基准值，以作为基准控制信号提供给包络线跟踪电源系统中相应的开关变换器。

[0065] 实例2：图3为包络线跟踪电源中存在两组开关变换器时的第一种基准信号生成原理图。该包络线跟踪电源中含有2组开关变换器。对RF包络线信号经由低通或带通或其他类型的滤波器进行滤波处理。若滤波器1的类型为低通滤波器，滤波器2的类型为高通滤波器，则RF包络线信号分别经由低通滤波器1和高通滤波器2后得到信号1和2，通过取开关变换器工作周期的N倍为固定时间区间，取该时间区间内滤波信号1和2的峰值为恒定基准值，得到Vref.1、Vref.2，即为提供给开关变换器作为其基准控制信号。

[0066] 在本实施例中，并未限制滤波器的形式，以图3中的结构为例，滤波器1和滤波器2也可以同为低通滤波器或者同为带通滤波器。但在多个开关变换器具有不同的开关频率时，滤波器的滤波频率段最大频率点与开关变换器的工作频率大小存在对应关系。具体的，低频滤波器生成的滤波信号取恒定基准值后提供给低频开关变换器工作，高频段滤波器生成的滤波信号取恒定基准值后提供给高频开关变换器工作。

[0067] 除以上直接并联多组滤波器和分段恒定基准模块的组合之外，还可以引入减法器，对不同频率段滤波器的输出信号和RF包络信号中的任意两个进行减法计算以生成中间信号，对中间信号进行滤波或者确定恒定基准值处理，以生成新的基准控制信号。

[0068] 实例3：图4示出了包络线跟踪电源中存在两组开关变换器时的第二种基准信号生成原理图，该包络线跟踪电源中含有2组开关变换器。对RF包络线信号经由低通或带通或其他类型的滤波器进行滤波处理。若滤波器的类型为低通滤波器，则RF包络线信号经由低通滤波器1滤出信号1，原始RF包络线信号经由低通滤波器2后再减去信号1得到信号2(滤波器2的截止频率比滤波器1高)。通过取开关变换器工作周期的N倍为固定时间区间，取该时间区间内滤波信号1和2的峰值为恒定基准值，得到Vref.1、Vref.2，即为提供给开关变换器作为其基准控制信号。

[0069] 实例4：图5示出了包络线跟踪电源中存在两组开关变换器时的第三种基准信号生成原理图，该包络线跟踪电源中含有2组开关变换器。对RF包络线信号经由低通或带通或其他类型的滤波器进行滤波处理。若滤波器的类型为低通滤波器，则RF包络线信号经由低通滤波器1滤出信号1，原始RF包络线信号减去滤波出的信号1再经由低通滤波器2得到信号2(滤波器2的截止频率比滤波器1高)。通过取开关变换器工作周期的N倍为固定时间区间，取该时间区间内滤波信号1和2的峰值为恒定基准值，得到Vref.1、Vref.2，即为提供给开关变换器作为其基准控制信号。

[0070] 图3～图5只是其中的三种滤波信号的实现方式，在实际应用中，可以根据开关变换器的数量，结合减法器进行滤波器的组合，以获取更多种形式的滤波信号，但需满足“低频滤波器生成的滤波信号取恒定基准值后提供给低频开关变换器工作，高频段滤波器生成的滤波信号取恒定基准值后提供给高频开关变换器工作”的基本条件，同时需要考虑滤波器的截止频率高低关系。另外，当跟踪电源中包含多个开关变换器时，不同开关变换器的时间区间选择方式或者具体的参数是相互独立的，例如一个跟踪电源中包含开关变换器1和开关变换器2，两者可采用不同的开关变换器开关周期倍数作为时间区间，开关变换器1和开关变换器2采用的倍数是相互独立的，两者的时间区间各自对应其自身的开关周期整数倍。

[0071] 图6示出了基于实例3的具体实现波形说明，滤波器1、2的类型都为低通滤波器。对RF包络信号具体的处理步骤如下：

[0072] 步骤A：RF包络信号(例图6中①)同时经由两个低通滤波器1、2，其中低通滤波器1、2的截至频率分别为10k、50k。10k截止频率低通滤波器滤出信号1(例图6中②)，50k截止频率低通滤出的信号减去信号得到信号2(例图6中④)。

[0073] 步骤B：信号1与2都以10M的采样率进行采样然后进行累加最后取恒定基准值，其中信号1对应的第一组开关变换器的工作频率为200kHz，以100us周期(即为第一组开关变换器开关周期的20倍)输出恒定基准值Vref.1(例图6中的③)。信号2对应的第二组开关变换器的工作频率为500kHz，而以20us周期(即为第二组开关变换器开关周期的10倍)输出恒定基准值Vref.2(例图6中的⑤)。两个开关变换器电路输出的电流按照一定的放大的倍数拟合恒定基准值波形③和⑤。

[0074] 开关变换器的输出与实际的包络线信号存在一定差值，即为上述的差值信号，此信号经由线性功放放大输出。线性功放的输出和开关变换器的输出叠加形成射频功放的所需要的工作电压。

[0075] 实施例二

[0076] 本发明实施例提出了一种包络线跟踪电源中开关变换器基准信号生成系统，该生成系统中包括滤波器和分段恒定基准模块。滤波器用于对RF包络信号进行滤波；分段恒定基准模块连接在滤波器和开关变换器之间，用于对滤波后的信号以有利于提升包络线跟踪电源的射频功放供电效率的时间区间内确定恒定基准值，将确定得到的恒定基准值作为基准控制信号提供给包络线跟踪电源系统中的开关变换器。

[0077] 可选地，当包络线跟踪电源中含有M个开关变换器时，所述生成系统中包括M个滤波器和M个分段恒定基准模块；滤波器、分段恒定基准模块和开关变换器具有对应关系；所述M为大于1的正整数。

[0078] 至少一个滤波器的输入端与包络线检测模块连接，对接收到的RF包络信号进行滤波处理以生成至少一个滤波信号；其余滤波器的输入端通过减法器与包络线检测模块连接，减法器用于对其中一个滤波信号和RF包络信号确定差值信号。

[0079] 滤波器输出的滤波信号直接导入对应的分段恒定基准模块，或者与另一个滤波器输出的滤波信号经减法计算后再导入对应的分段恒定基准模块，以确定得到恒定基准值。

[0080] 可选地，分段恒定基准模块中设定的时间区间满足以下条件：

[0081] 滤波后信号在不同时间区间恒定基准值与该时间区间实际包络线或滤波后信号之间的差值，不超过定义的均方根误差值。

[0082] 以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。