基于MASH结构的多级电源调制器设计

张良钿 鲍景富 黄洪云 电子科技大学 电子工程学院 (四川成都 611731)

摘要：本文设计并实现了一种基于MASH结构控制的多级电源调制器，该调制器具有超过100KHz的跟踪带宽以及高于87%的调制效率。

关键字：包络跟踪;电源调制器;多阶噪声成型;功率放大器

射频功率放大器被广泛应用于各种无线通信发射机中，影响着整个系统的性能。随着第三代移动通信系统的迅猛发展，对射频功放的效率和线性度提出了更高的要求。包络跟踪功放技术(ET)能有效提高功放的效率，越来越受到人们的重视。在包络跟踪功放中，末级RF功放晶体管由固定电压供电改为随已调RF信号的包络同步动态变化的电源供电，使得晶体管工作在临界饱和的线性区，从而提高功放效率。

　　ET技术

包络跟踪功放的原理如图1所示，可分为射频路径和包络路径。

射频路径是普通的线性功率放大器，虽然效率不高，但线性度很好，不对信号的幅值和相位产生失真。以B类线性功放为例，漏极效率可写为：

其中，是B类功放理论上的最大效率，Vrf是功放输出射频信号的包络，Vdd是功放漏极供电电压。如果Vdd=Vrf，那么功放就能获得理论上的最高效率。

包络路径能取样输入信号的包络，并控制一个电源调制器，使输出电压随信号包络同步变化，即Vdd=Vrf近似成立。因此如何设计一个高效的电源调制器成为包络跟踪功放技术研究的一个重要课题。

本文提出了一种基于多阶噪声成型(MASH)结构控制的电源调制器，该调制器跟踪带宽超过100KHz，直流转换效率高达87%，并具有很小的电源纹波。

　　MASH调制器

MASH通过将几个低阶的sigma-delta调制器级联而成，前一级的量化误差作为后一级的输入，这样通过误差校正函数可以将前几级的量化误差抵消，调制器的最终输出只保留最后一级的量化误差，并将该误差噪声整型到高频区，从而使得量化器的通带信噪比大大提高。

一个典型的2阶MASH调制器如图2所示。其中X(z)为输入信号， Y(z)为输出信号，Eq1(z)和Eq2(z)分别为2个1-bit量化器的量化误差。

一阶sigma-delta调制器的传输函数为：

在2阶MASH中，第一个sigma-delta调制器的量化误差作为第二个调制器的输入，因此MASH2的传输函数为：

传输函数中第一阶的量化噪声1()qEz被抵消了，噪声中只剩下()2121()qzEz−−×。同样地，可以推导出N阶MASH调制器的传输函数为：

量化噪声EqN(z)可以看作带限高斯白噪声，而系数−−则是一个线性相移的高通滤波器，幅频响应特性如图3所示。

因此MASH调制器能将量化噪声推到高频，起到了噪声整形的作用。当输入信号()Xz的频率远小于系统采样率(即()Yz的输出码率)时，MASH调制器后接的低通滤波器能将大部分噪声滤除，使得

在Simulink中，使用MASH2结构对一个100kHz的正弦波以5MHz速率调制，得到输出功率谱如图4所示，量化噪声功率都集中在高频区域，只要一个低通滤波器就可以获得大于40dB的信噪比。

　　MASH结构控制的电源调制器

2阶MASH调制器有四种输出：2、1、0、-1，正好可用作四级开关电源的控制，如图5所示。MASH调制器输出2时，电压最高的电源打开，其余三个电源关断;输出-1时，打开电压最低的电源，其余关断;输出1或0时，同理。

假设这四级开关电源的电压从低到高依次为VΔ、2VΔ、3VΔ、4VΔ，由于MASH2调制器的输入在0～1之间，因此电源调制器的输出在2VΔ~3VΔ之间，为了扩大电源的输出范围，需要MASH1和MASH2相结合。当输出电压在~2VVΔΔ之间，使用MASH1;电压在2~3VVΔΔ之间，使用MASH2;电压在3~4VVΔΔ之间，使用MASH1。这种一阶和二阶MASH相结合的方式同时兼顾了输出电压范围和纹波大小。包络的采样值可分为整数和小数部分，假设采样ADC为10bit，高2bit为整数部分，有00、01、10三种取值，低8bit作为小数部分输入到MASH调制器，输入包络与输出电压之间的关系见表1所示。

由此，可计算得到电源调制器输出电压为：

其中第一项为对输入信号包络的跟踪输出电压，第二项即为电源的纹波，由于量化噪声被系数()11Nz−−整型，因此纹波的能量都集中在高频。

　　MASH调制器的FPGA实现

如图6所示的一个累加器，传输函数为：

　　因此一个累加器即可实现一阶Sigma-Delta调制器结构，加法器的进位输出即为1bit量化输出，而加法器的和是量化误差的相反数。

前文所描述的MASH1和MASH2相结合的控制电路如图7所示。 为2bit整数部分，用以选择MASH1或MASH2的译码输出。 为8bit小数部分，范围在0～1之间，作为MASH调制器的输入。该电路在Xilinx的Spartan 3E平台上实现。

　　开关电源阵列设计

开关电源阵列主要采用MOSFET实现，如图8所示。

高速数字隔离器ISO722将FPGA产生的四个开关控制信号与右侧的开关电源隔离。MOSFET驱动选择MC33152，驱动电压选为15V，MOSFET为普通的IRF540，肖特基二极管IN5822用以防止当高电压MOSFET导通时，电流倒流进低电压的MOSFET管中。这四组电源输入选为8V、6V、4V、2V。

开关电源阵列后接一个4阶LC滤波器用以滤波开关噪声，如图9所示，其中以5Ω电阻负载来替代功放。该滤波器的幅频响应如图10所示。

　　测试结果

使用上述调制器生成如图11(a)所示的一个频率101kHz，幅值为1V～6.5V的正弦波(在负载电阻上测得)，可以看出其中间值处的纹波小于波峰和波谷处的纹波，这是因为MASH2的噪声远比MASH1的噪声小，这是本设计中采用MASH2和MASH1相结合的一个重要原因。图11(b)是FPGA产生的四个MOSFET的控制信号，高电平打开，低电平关断，在任一时刻有且只有一个MOSFET是打开的。

为了计算电源调制器的效率，使用该调制器在不同的开关频率下生成若干个直流电压加到5Ω电阻负载上，并记录下此时各组电源的输出电流，计算并绘制得到效率曲线如图12。

由测试结果可知，该电源调制器能获得高于87%的调制效率，开关频率越高，电源调制器的输出纹波越小，但其效率越低，因为此时MOSFET的开关功耗增大。

　　结语

本文设计了一种由MASH1和MASH2结合控制的多级电源调制器，实验测试结果表明，该调制器具有超过100kHz的跟踪带宽，调制效率高于89%，能够很好地应用于包络跟踪射频功率放大器中。