阅读说明：本技术 多电平直流电源及参考电压跟踪射频功率放大器 (Multi-level direct-current power supply and reference voltage tracking radio-frequency power amplifier ) 是由 张亮 王奎 王辉 李永东 于 2018-08-10 设计创作，主要内容包括：本申请实施例提供了一种多电平直流电源及参考电压跟踪射频功率放大器，实现多电平直流电源输出多个不同的电平，减少射频功放上的损耗。一种多电平直流电源，包括：至少两个三电平单元和一个低通滤波器；各三电平单元的两个输出端依次串联，串联后得到的多电平单元与所述低通滤波器并联。一种参考电压跟踪射频功率放大器，包括所述多电平直流电源，其中，射频功率放大器的电源输入端接所述的多电平直流电源。(The embodiment of the application provides a multi-level direct-current power supply and a reference voltage tracking radio-frequency power amplifier, which realizes that the multi-level direct-current power supply outputs a plurality of different levels and reduces the loss on the radio-frequency power amplifier. A multi-level direct current power supply comprising: at least two three-level units and a low-pass filter; and two output ends of each three-level unit are sequentially connected in series, and a multi-level unit obtained after series connection is connected with the low-pass filter in parallel. A reference voltage tracking radio frequency power amplifier comprises the multi-level direct current power supply, wherein the power supply input end of the radio frequency power amplifier is connected with the multi-level direct current power supply.)

多电平直流电源及参考电压跟踪射频功率放大器

技术领域

本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种多电平直流电源及参考电压跟踪射频功率放大器。

背景技术

在现代通信领域，通信信号需要通过现行射频功放进行功率放大后再发射出去，由于通信信号的峰值按照一定的包络线在变化，当采用恒定直流电源供电时，就会造成线性射频功放效率极低。而包络跟踪技术是一种采用幅值变化的直流电源给线性射频功放供电的技术，可以大幅减少射频功放上的损耗，使其一直工作在高效区，提高整个系统的效率和功率密度。为此，需要给出一种多电平直流电源和相应的射频功率放大器。

发明内容

本申请实施例提供一种多电平直流电源及参考电压跟踪射频功率放大器，用于输出幅值变化的直流电，给线性射频功放供电，减少射频功放上的损耗。

一种多电平直流电源，包括：至少两个三电平单元和一个低通滤波器；

各三电平单元的两个输出端依次串联，串联后得到的多电平单元与所述低通滤波器并联。

一种参考电压跟踪射频功率放大器，包括：

射频功率放大器和上述多电平直流电源；其中，射频功率放大器的电源输入端接上述多电平直流电源。

本申请实施例中，多个三电平单元依次串联，控制不同的三电平单元输出相同或不同的电平，即可实现多电平直流电源输出多个不同的电平，也即输出幅值变化的电压。此外，使用低通滤波器滤除开关频率及以上的谐波，使得输出的电压纹波及谐波较小。进一步地，将此能实现幅值变化的多电平直流电源为线性射频功放供电，可大幅减少射频功放上的损耗。

附图说明

图1为本申请实施例提供的多电平直流电源主电路；

图2为本申请实施例提供的三电平单元；

图3为本申请实施例提供的另一三电平单元；

图4为本申请实施例提供的每个三电平单元采用双电源供电的多电平直流电源主电路；

图5为本申请实施例提供的控制方法的示意图；

图6为本申请实施例提供的以两个三电平单元串联为例的仿真结果示意图。

具体实施方式

本申请实施例提供一种多电平直流电源和相应的射频功率放大器，实现多电平直流电源输出多个不同的电平，减少射频功放上的损耗。

以下结合说明书附图对本申请的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本申请，并不用于限定本申请。并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，其为申请实施例提供的多电平直流电源主电路包括：至少两个三电平单元和一个低通滤波器；

各三电平单元的两个输出端依次串联，串联后得到的多电平单元与所述低通滤波器并联。

图1中，第一个三电平单元的第二输出端X2接第二个三电平单元的第一输出端X1，第二个三电平单元的第二输出端X2接第三个三电平单元的第一输出端X1，以此类推直到第n个三电平单元，第一个三电平单元的第一输出端X1和第n个三电平单元的第二输出端X2接入低通滤波器的输入端，滤波器的输出端为整个系统的输出。

低通滤波器的作用是滤除开关频率及以上的谐波，阶数越高，输出电压纹波越小，谐波也越小。

每个三电平单元的电路图可如图2所示，包括以下元器件：

2个直流电容器，分别为第一直流电容器C_d1和第二直流电容器C_d2；

2个开关管，分别为第一开关管S₁和第二开关管S₂；

2个二极管，分别为第一二极管D₁和第二二极管D₂。

本申请实施例中，三电平电路中的开关管可以为可控开关管，具有控制端、输入端和输出端。可以为三极管，也可以为场效应管。

在开关管为三极管时，控制端、输入端和输出端分别为：基极、集电极和发射极；

在开关管为MOS(Metal Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体管)、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体管)或IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)时，控制端、输入端和输出端分别为：栅极、漏极和源极。

元器件的连接关系为：

第一直流电容器C_d1和第二直流电容器C_d2串联，第一直流电容器C_d1的负极接第二直流电容器C_d2的正极；第一二极管D₁的阳极接第一直流电容器C_d1的负极；

第一开关管S₁的输入端接第一直流电容器C_d1的正极，第一开关管S₁的输出端与第一二极管D₁的阴极连接后作为三电平单元的第一输出端X1；

第二二极管D₂的阴极接第二直流电容器C_d2的阳极；

第二开关管S₂的输出端接第二直流电容器C_d2的负极，第二开关管S₂的输入端与第二二极管D₂的阳极连接后作为三电平单元的第二输出端X2。

每个三电平单元的电路图还可如图3所示，包括以下元器件：

2个直流电容器，分别为第一直流电容器C_d1和第二直流电容器C_d2；

4个开关管，分别为第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₁′和第四开关管S₂′；

元器件的连接关系为：

第一直流电容器C_d1和第二直流电容器C_d2串联，第一直流电容器C_d1的负极接第二直流电容器C_d2的正极；

第三开关管S₁′的输出端接第一直流电容器C_d1的负极；

第一开关管S₁的输入端接第一直流电容器C_d1的正极，第一开关管S₁的输出端与第三开关管S₁′的输入端连接后作为三电平单元的第一输出端X1；

第四开关管S₂′的输入端接第二直流电容器C_d2的阳极；

第二开关管S₂的输出端接第二直流电容器C_d2的负极，第二开关管S₂的输入端与第四开关管S₂′的输出端连接后作为三电平单元的第二输出端X2。

图2与图3的区别在于，图3中用第三开关管S₁′代替图2中的第一二级管D₁，用第四开关管S₂′代替图2中的第二二级管D₂。

每个三电平单元可采用一个直流电源给两个直流电容器供电，如图1所示，此时一共需要n个独立直流电源Vin_1、Vin_2…Vin_n。也可以采用两个直流电源分别给每个直流电容器供电，如图4所示，此时一共需要2n个独立直流电源Vin_p1、Vin_n1、…Vin_pn、Vin_nn。

较佳的，为保证输出电压谐波最小，控制最简便，所有独立直流电源的电压均相等，且各三电平单元内的第一直流电容器的电容和第二直流电容器的电容相同。具体包括以下三种情形：

1)多电平单元中的全部三电平单元均采用一个独立直流电源给第一直流电容器和第二直流电容器供电时，全部三电平单元的独立直流电源的电压均相等；

2)多电平单元中的全部三电平单元均采用两个独立直流电源分别给第一直流电容器和第二直流电容器供电时，全部三电平单元的独立直流电源的电压均相等；

3)多电平单元的第一部分三电平单元均采用一个独立直流电源给第一直流电容器和第二直流电容器供电，第二部分三电平单元均采用两个独立直流电源分别给第一直流电容器和第二直流电容器供电时，该第一部分三电平单元的独立直流电源的电压均相等，该第二部分三电平单元的独立直流电源的电压均相等，且第一部分三电平单元的独立直流电源的电压为该第二部分三电平单元的独立直流电源的电压的2倍。

每个三电平单元有4种开关状态，假设直流母线上、下电容器C_d1和C_d2电压相等且均为E，则所有开关状态以及对应的三个电平如下表(1)所示。

S<sub>1</sub>	S<sub>2</sub>	输出电压V<sub>o</sub>
			0	0	0
1	0	E
			0	1	E
1	1	2E

表(1)所有开关状态以及对应的三个电平

其中，V_o为输出端X1和X2之间电压。对于n个三电平单元串联(n＝1,2,3……)，则最多能够输出0～2nE共2n+1个电平。

较佳的，为提高系统效率和功率密度，所有开关管，诸如第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S1′、第四开关管S2′，可选用开关时长小于100纳秒的可控开关管，例如氮化镓GaN，其开关时长在20-30纳秒左右；再例如碳化硅SiC,开关时长在20-30纳秒左右的。这些均为高速开关器件。

较佳的，为提高系统效率和功率密度，第一二极管D₁和第二二极管D₂可选用肖特基二极管，也可采用开关管来实现，如图4所示，此时第三开关管S1′、第四开关管S2′分别与第一开关管S1、第二开关管S2的控制信号互补。

较佳的，所述多电平直流电源用于跟踪参考电压，此时，所述控制单元基于三电平电路的不同，主要是采用的开关管的个数不同，相应有两种实现方案：

第一种方案，每一三电平电路包含第一开关管S1和第二开关管S2，此时，控制单元与各三电平单元的第一开关管S1的控制端和第二开关管S2的控制端连接；

所述控制单元，用于将归一化的参考电压的幅值分别与每个三电平单元中的第一开关管和第二开关管对应的载波信号的幅值进行比较，当归一化的参考电压的幅值大于载波信号的幅值时，向相应的第一开关管S1的控制端或第二开关管S2的控制端输出高电平，反之向相应的第一开关管S1的控制端或第二开关管S2的控制端输出低电平；

其中，每个三电平单元的第一开关管S1和第二开关管S2分别对应一个载波信号，且采用载波移相PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)进行控制，多电平单元内的所有第一开关管S1和第二开关管S2对应的载波信号之间依次相移π/(多电平单元内三电平单元的个数)，且每个三电平单元内的第一开关管和第二开关管对应的载波信号之间相位差为π/(多电平单元内三电平单元的个数)。

第二种方案，每一三电平电路包含第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S1′和第四开关管S2′，此时，控制单元与各三电平单元的第一开关管S₁的控制端、第二开关管S₂的控制端、第三开关管S1′的控制端、第四开关管S2′的控制端连接；

此时，所述控制单元除用于按照第一种方案中的控制信号输出方式向第一开关管S₁和第二开关管S₂输入控制信号外，还用于向第三开关管S1′输入与向第一开关管S₁输入的控制信号互补的控制信号，向第四开关管S2′输入与向第二开关管S₂输入的控制信号互补的控制信号。

这里，每个三电平单元的第一开关管S₁和第二开关管S₂分别对应一个载波信号，则n个三电平单元的2n个开关管，对应2n个三角载波信号，所有三角载波之间依次移相180°/n，每个三电平单元内的2个三角载波相位差是180o/n。

如图5所示，其为本申请实施提供的控制方法的示意图。具体如下：

首先将输入参考电压进行归一化处理，假设输入参考电压为u_ref，且0≤u_ref≤2nE。归一化之后的参考电压为u_ref′＝u_ref/2nE，其幅值范围为[0,1]，将其分别与每个三电平单元对应的2个三角载波信号进行比较，当参考电压大于三角载波时输出高电平，当参考电压小于三角载波时输出低电平，从而得到每个三电平单元的2个控制信号。

图6为以两个三电平单元串联为例的仿真结果示意图，采用4个三角载波依次移相90°，每个电容器电压设置为15V，输出电压则有0、15V、30V、45V、60V共5个电平，能够很好地跟踪给定参考电压。

此外，本申请实施例还提供一种参考电压跟踪射频功率放大器，包括：

射频功率放大器和上述的任一多电平直流电源；其中，射频功率放大器的电源输入端接上述的任一多电平直流电源。

此外，在任意波形发生器、医疗等领域也经常需要用到本申请实施例中的具有快速跟踪参考电压能力的多电平直流电源。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请实施例可以通过硬件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式实现。

基于这样的理解，本申请实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述的方法。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本申请所必须的。

本领域技术人员可以理解实施例中终端中的模块可以按照实施例描述进行分布于实施例的终端中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个终端中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。