摘要：

包絡(luò)跟蹤功率放大器(Envelope Tracking Power Amplifier，ETPA)具有高效率和高線性度等優(yōu)勢(shì)，已成為目前現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)的研究熱點(diǎn)。包絡(luò)跟蹤電源調(diào)制器是ETPA的關(guān)鍵模塊之一，因?yàn)樗軌蛱嵘齈A在功率回退時(shí)的效率，從而提升整個(gè)通信系統(tǒng)的效率。首先介紹包絡(luò)跟蹤技術(shù)(Envelope Tracking，ET)和包絡(luò)消除與恢復(fù)技術(shù)(Envelope Elimination and Restoration，EER)，對(duì)比兩者的性能差異，重點(diǎn)介紹ET技術(shù)，分析其最常用的混合型包絡(luò)放大器(Hybrid Envelope Tracking Amplifier，HETA)電路結(jié)構(gòu)以及電路的關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)，然后對(duì)比和總結(jié)目前已有的HETA技術(shù)優(yōu)化方案，接著列舉ET技術(shù)在移動(dòng)通信中的實(shí)際應(yīng)用，最后考慮ET技術(shù)將要面臨的挑戰(zhàn)。

0 引言

目前頻譜資源日益緊缺，為了提高頻譜利用率，信號(hào)調(diào)制方式從原來(lái)的恒包絡(luò)調(diào)制發(fā)展為復(fù)雜的變包絡(luò)調(diào)制，峰均比(PAPR)也隨之增加。表1給出了從2G到4G的發(fā)展?fàn)顩r[1]。為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)失真?zhèn)鬏敚琍A需要工作在功率回退區(qū)，當(dāng)采用傳統(tǒng)的恒壓供電時(shí)，其回退區(qū)工作效率會(huì)很低。在整個(gè)通信系統(tǒng)當(dāng)中，PA是主要耗能模塊，因此降低其能耗對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效率提升有很大的幫助，因此PA效率提升技術(shù)是一個(gè)很有發(fā)展前景的研究方向。

傳統(tǒng)PA效率提升結(jié)構(gòu)有Doherty和LINC，其中Doherty PA電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，而且工作效率較高，但帶寬、線性度等因素始終限制著Doherty PA在寬帶高效方面的應(yīng)用[2]；LINC PA效率比較高，而且線性度良好，但存在一個(gè)主要缺點(diǎn)，即兩路SMPA需要非常好地匹配以獲得足夠小的帶外抑制[3]。因此傳統(tǒng)的PA電路結(jié)構(gòu)并不能滿足現(xiàn)代移動(dòng)通信對(duì)性能的要求，另一種效率提升技術(shù)引起了業(yè)界的關(guān)注。包絡(luò)跟蹤電源調(diào)制技術(shù)使PA的供電電壓跟隨射頻信號(hào)的包絡(luò)變化而變化，從而使PA在功率回退時(shí)也能保持較高的效率。這種電源調(diào)制技術(shù)分為兩種：包絡(luò)消除與恢復(fù)技術(shù)(EER)和包絡(luò)跟蹤技術(shù)(ET)[4]。

1 EER技術(shù)和ET技術(shù)

1.1 EER電源調(diào)制技術(shù)

EER技術(shù)是KAHN L R在1952年提出的[5]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。射頻輸入信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)后分為兩路，一路經(jīng)過(guò)限幅器(Limiter)去除幅度信號(hào)剩下相位信號(hào)；另一路通過(guò)包絡(luò)檢波(Detector)得到幅度信號(hào)，然后包絡(luò)調(diào)制(Envelope Modulator，EM)對(duì)幅度信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理。因?yàn)橄辔恍盘?hào)不含幅度信息，所以可用高效率的開關(guān)模式功放(Switched Mode Power Amplifier，SMPA)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，例如Class D或者Class E。幅度信號(hào)經(jīng)過(guò)EM后作為SMPA的供電電壓，恢復(fù)射頻輸出信號(hào)的幅度信息。

1.2 ET電源調(diào)制技術(shù)

ET技術(shù)[6]與EER技術(shù)相似，圖2是其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。ET技術(shù)與EER技術(shù)的不同在于，射頻輸入信號(hào)不需要進(jìn)行相位和幅度的分離。因此，實(shí)現(xiàn)無(wú)失真?zhèn)鬏斝枰狿A工作在近線性狀態(tài)，所以使用線性功率放大器(Linear Power Amplifier，LPA)，如Class A PA或者Class AB PA。為了使LPA有更好的效率和線性度，可以在包絡(luò)檢波以后對(duì)幅度信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)整形(Envelope Shaping)[7]。

EER技術(shù)和ET技術(shù)的總結(jié)如下[8-10]：

(1)和EER技術(shù)相比，ET技術(shù)對(duì)于包絡(luò)信號(hào)與射頻信號(hào)之間的時(shí)間失配的敏感度較低，這是因?yàn)镋ER的相位信號(hào)具有更高的帶寬要求；

(2)ET技術(shù)在低輸入功率時(shí)具有更高的增益，這是因ET技術(shù)可以結(jié)合Envelope Shaping技術(shù)讓PA保持接近飽合狀態(tài)；

(3)ET技術(shù)能夠處理更高的輸入信號(hào)帶寬；

(4)EER PA的效率高于ET PA。

EER技術(shù)使用SMPA，所以其整體效率會(huì)高于ETPA，但是EER技術(shù)存在明顯不足，其中相位信號(hào)的高帶寬和嚴(yán)格的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)降低了EER技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的吸引力[4]。基于上述原因，ET技術(shù)在現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)中有更好應(yīng)用前景。ETPA的整體效率表達(dá)式如下[1]：

系統(tǒng)整體的效率由PA效率和ET效率決定，如果想要得到高效率的ETPA，那么ET的效率也必須要很高，因此ET技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)寬帶高效是接下來(lái)討論的重點(diǎn)。

2 ET電源調(diào)制器

2.1 線性電源調(diào)制器

圖3是線性電源調(diào)制器(LDO)作為ET系統(tǒng)電源調(diào)制器的原理圖[11]。電路由PMOS管、反饋網(wǎng)絡(luò)β和誤差放大器(EA)組成。LDO作為電源調(diào)制器具有寬帶、高線性度和低輸出紋波等優(yōu)點(diǎn)[12]，但是作為可變電阻的PMOS存在固有的電壓差，所以電路整體效率較低，并不能滿足ET系統(tǒng)高效率的要求。

2.2 線性放大器

線性放大器(Linear Amplifier, LA)作為ET系統(tǒng)的電源調(diào)制器如圖4所示。運(yùn)算跨導(dǎo)放大器(Operational Transconductance Amplifiers，OTA)用于驅(qū)動(dòng)輸出功率管MP和MN，負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)β用于提高線性度和帶寬。LA的結(jié)構(gòu)一般采用折疊式OTA或者自適應(yīng)OTA[13]。與LDO相比，LA同樣具有寬帶、高線性度和低輸出紋波的優(yōu)點(diǎn)，但沒(méi)有LDO結(jié)構(gòu)存在固有電壓差的缺點(diǎn)。LA的損耗主要來(lái)自Class AB輸出對(duì)管MP和MN在推挽轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的損耗，Isource和Isink分別是推挽輸出時(shí)PMOS和NMOS的電流，其損耗計(jì)算如下：

從式(2)～式(4)可知，輸出損耗會(huì)隨著輸出電壓幅度增大而增大。同時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)變化次數(shù)越多，推挽次數(shù)也會(huì)隨之而增加，動(dòng)態(tài)損耗也會(huì)越高。因此，單獨(dú)使用LA處理寬帶，高PAPR的包絡(luò)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生很大的動(dòng)態(tài)損耗，從而降低ET系統(tǒng)的效率。

2.3 DC-DC變換器

為了提高ET效率，可以使用DC-DC變換器作為電源調(diào)制器[14]。圖5中輸入包絡(luò)進(jìn)入控制器(Controller)產(chǎn)生控制信號(hào)控制DC-DC，濾波網(wǎng)絡(luò)(LPF)去除DC-DC輸出電流中的高次諧波分量。因?yàn)殡娐饭ぷ髟陂_關(guān)狀態(tài)，所以效率比LA要高。為了滿足跟蹤精度的要求，DC-DC的開關(guān)頻率需要是輸入包絡(luò)信號(hào)帶寬的3～5倍[15]，電路的損耗主要來(lái)自MOS管的開關(guān)損耗，增加開關(guān)頻率會(huì)提高損耗降低效率。

2.4 混合型包絡(luò)放大器

如2.2和2.3小節(jié)所述，LA具有寬帶低效的特點(diǎn)，DC-DC具有窄帶高效的特點(diǎn)，而混合型包絡(luò)放大器(HETA)[16]結(jié)合了兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，其原理圖如圖6所示。輸出電流(Im)由LA的輸出電流(Iab)和降壓式DC-DC變換器(BUCK)的輸出電流(Isw)并聯(lián)而成。射頻調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)，其功率能量主要集中在直流到幾千赫茲的范圍內(nèi)，99%的能量集中在20 MHz以下[17]。根據(jù)輸入包絡(luò)(Ven)的能量分布特點(diǎn)，可以使用BUCK處理低頻部分的能量，用LA處理能量比例較少的高頻部分。

圖6中的BUCK在實(shí)際使用中有兩種較常見的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)的電路功能相同。其中，實(shí)線框的A結(jié)構(gòu)較為常用，下面將以A結(jié)構(gòu)為例，分析電路的原理。當(dāng)Ven大于Vm時(shí)，Iab的變化經(jīng)過(guò)采樣電阻(Rsen)轉(zhuǎn)化為控制電壓Vsen，通過(guò)遲滯比較器和驅(qū)動(dòng)電路控制MP導(dǎo)通，Isw增加；當(dāng)Vsen小于Vm，控制MN導(dǎo)通，Isw減少。反之Isw增大。Isw的紋波電流通過(guò)LA推挽輸出動(dòng)態(tài)吸收。2.3上節(jié)提到，BUCK的效率和跟蹤精度與開關(guān)頻率有密切的聯(lián)系，其也是決定HETA效率的重要部分。同時(shí)，Isw和Iab是并聯(lián)關(guān)系，Isw與Im的差值直接影響到Iab的大小，由2.2小節(jié)對(duì)LA損耗的分析可知，Iab越大LA的動(dòng)態(tài)損耗就越大，所以Iab的大小直接影響LA的整體效率。

衡量Isw和Iab變化快慢的參數(shù)為電流擺率(SR)。因?yàn)閂en是隨機(jī)信號(hào)，所以開關(guān)頻率需要取平均處理，其中Vh是遲滯比較器的門限電壓，L是電感值，VDC是包絡(luò)信號(hào)的直流分量，Vrms是包絡(luò)信號(hào)的有效值[18]，表達(dá)式如下：

實(shí)際設(shè)計(jì)中，VDC、Vrms在Ven確定后可以得到，Rload在射頻輸出信號(hào)和漏極效率確定后可以得到。因此，需要設(shè)計(jì)的參數(shù)為Rsen、Vh和L。通過(guò)頻率掃描找到SR匹配點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的開關(guān)頻率最小，效率最優(yōu)，所對(duì)應(yīng)的匹配電感值如下[19]：

式中的Lmatch只是一個(gè)理想的計(jì)算值，在測(cè)試中需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)電感值進(jìn)行相應(yīng)的改變。遲滯比較器的門限電壓需要根據(jù)實(shí)際性能要求在延時(shí)以及Im的輸出電流紋波之間進(jìn)行考慮。式(5)中的Rsen一般選取1 Ω左右，這是為了減小額外損耗和輸出誤差電壓[20]。

3 HETA優(yōu)化技術(shù)

從第2節(jié)分析得到了傳統(tǒng)的HETA結(jié)構(gòu)的不足，下面將討論HETA結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，主要可以分為以下幾種[21-29]：

(1)提高開關(guān)電流在輸出電流中所占的百分比；

(2)降低開關(guān)級(jí)所需fsw_ave的同時(shí)提供足夠的跟蹤帶寬；

(3)提高LA工作效率。

3.1 多開關(guān)混合調(diào)制器

多開關(guān)混合調(diào)制(HET with Multi-Switcher，HETMS)[21-23]的原理如圖7所示。HETMS中核心的BUCK使用電感值較大的L1，負(fù)責(zé)跟蹤信號(hào)的低頻成分，輔助BUCK使用電感值較小的L2～Ln，在SRload較大的時(shí)候?qū)sw進(jìn)行高頻電流補(bǔ)償。由于SRsw增加，在Im中所占的百分比增加，因此LA的動(dòng)態(tài)損耗降低，整個(gè)系統(tǒng)的效率得到提高。采用Multi-Switcher變換器的缺點(diǎn)是面積大大增加，而且需要額外的控制電路實(shí)現(xiàn)，例如組合邏輯，這種方法增加整個(gè)控制環(huán)路的延時(shí)，直接使用DSP信號(hào)作為控制信號(hào)雖然加快了控制速度，但是大大增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和面積[24]。

3.2 多輸入多開關(guān)混合調(diào)制器

圖8是多輸入多開關(guān)混合調(diào)制(HET with Multilevel BUCK Convertor，HETMLC)[25-26]的原理圖。HETMLC通過(guò)多電平產(chǎn)生電路和控制比較模塊擬合出階梯波對(duì)電感進(jìn)行充電。與HETMS一樣，HETMLC需要額外的控制電路。傳統(tǒng)的Multilevel結(jié)構(gòu)通常采用無(wú)源的濾波網(wǎng)絡(luò)去掉多余的高頻的分量，復(fù)雜的濾波網(wǎng)絡(luò)增加電路設(shè)計(jì)的難度，同時(shí)占用的面積較大，而HETMLC通過(guò)LA就可以把Isw高頻成分過(guò)濾從而得到Im。采用Multilevel結(jié)構(gòu)可以降低所需的開關(guān)頻率，提升系統(tǒng)的等效跟蹤帶寬和效率，但這需要以復(fù)雜的控制電路和額外的多電平產(chǎn)生電路為代價(jià)，若要降低擬合波形的高次諧波，則需要產(chǎn)生更多的直流電平[26]。

3.3 混合式混合調(diào)制器

另一種提高的效率的結(jié)構(gòu)是混合式混合調(diào)制(Combined HET，CHET)[27-29]。如前所述，LA的動(dòng)態(tài)功耗是限制ET系統(tǒng)效率的主要因素之一，因此降低LA動(dòng)態(tài)功耗有利于提高ET系統(tǒng)整體效率。圖9中的輔助變換器(Auxiliary Converter，AC)通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整LA的供電，降低其功率管在推挽過(guò)程中的動(dòng)態(tài)功耗，使整個(gè)系統(tǒng)效率能夠有效提升。AC的類型除了BUCK以外還可以使用升降壓變換器[28]。AC同樣需要額外的輔助控制電路，控制信號(hào)可以來(lái)自Ven，如文獻(xiàn)[27]中為了提高AC效率，用Envelope Shaping的方法降低Ven輸入帶寬后作為AC輸入信號(hào)，另一種方法通過(guò)采樣電路內(nèi)部信號(hào)作為控制信號(hào)[28-29]。

目前已經(jīng)有許多關(guān)于HETA的研究成果，采用上述的優(yōu)化技術(shù)對(duì)HETA結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，文獻(xiàn)中的電路性能對(duì)比如表2所示，在優(yōu)化技術(shù)下的系統(tǒng)整體效率有明顯的提高。

4 ET技術(shù)實(shí)際應(yīng)用

目前ET技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到移動(dòng)通信設(shè)備中，高通(Qualcomm)[30-31]、英國(guó)努吉拉(Nujira)[32]和Qorvo[33]這幾家著名的外國(guó)半導(dǎo)體公司正在做ET芯片的研發(fā)。世界知名手機(jī)品牌蘋果(Apple)和三星(Samsung)推出的手機(jī)分別采用了Qorvo公司和Qualcomm公司提供的ET芯片，延長(zhǎng)了手機(jī)電池使用時(shí)間，如表3所示。因此，ET技術(shù)在目前移動(dòng)通信領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

5 ET技術(shù)的挑戰(zhàn)與發(fā)展

上一節(jié)提到，ET技術(shù)用于提高PA效率已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商用。現(xiàn)代移動(dòng)通信發(fā)展迅速，將迎來(lái)5G時(shí)代。更高的數(shù)據(jù)傳輸速率同時(shí)帶來(lái)更高的PAPR，使得PA在功率回退時(shí)的效率大大降低，嚴(yán)重縮短電池壽命，因此ET技術(shù)在5G PA效率提升上依然存在很大的吸引力[34]，但是到了5G時(shí)代，ET電路需要更高的信號(hào)跟蹤帶寬，在電路實(shí)現(xiàn)上將會(huì)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。因此，如何提高ET電路的跟蹤帶寬同時(shí)保持較高的系統(tǒng)效率將是之后研究的重點(diǎn)。由麻省理工(MIT)教授DAWSON J等人創(chuàng)立的Eta Devices公司提出的下一代ET技術(shù)ETAdvanced，有望將手機(jī)電池壽命將延長(zhǎng)50%，在未來(lái)應(yīng)用于5G通信[35]。

6 結(jié)論

ET技術(shù)對(duì)于現(xiàn)代移動(dòng)通信的發(fā)展具有重要意義。本文首先介紹了現(xiàn)代移動(dòng)通信中PA所遇到的問(wèn)題，對(duì)比了EER和ET這兩個(gè)效率提升技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，得出ET技術(shù)對(duì)于提高PA效率具有很高的實(shí)用性的結(jié)論，接著針對(duì)ET技術(shù)對(duì)比了幾種電路實(shí)現(xiàn)方式，然后通過(guò)分析HETA幾個(gè)主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)電路性能的影響并對(duì)目前幾種HETA優(yōu)化技術(shù)方式的原理和實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了分析，列舉并對(duì)比了目前這些技術(shù)的性能。最后提出ET技術(shù)研究的重點(diǎn)難點(diǎn)。