以模擬微控制器為核心構(gòu)成低成本高效率的功率放大器監(jiān)測器
發(fā)布時間:2019-12-07 來源:Neil Zhao, Mariah Nie, 和 Ning Jia 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】考慮到日益迫近的全球能源危機和人們對環(huán)境保護的期望日益增高,節(jié)能對高效無線網(wǎng)絡(luò)的運營至關(guān)重要。功率放大器(PA)是基站和 中繼器的核心,其功耗可能占基站總功耗的一半。對功率放大器進行監(jiān)控不僅可以提高功效、降低運營成本、提高輸出功率和線性度, 而且可以使系統(tǒng)操作人員及時發(fā)現(xiàn)和解決問題,進而提高可靠性和可維護性。
ADI公司提供三種 PA監(jiān)測器1實現(xiàn)方案:一種是分立器件方案,一種是基于 AD72942 的 12位的集成型監(jiān)測和控制系統(tǒng)的方案,以及一種基于 ADuC7026 高精度 模擬微控制器3的集成型方案。分立方案需要使用的器件較多,而且 PCB布局復(fù)雜,PCB面積也較大,這些因素都導(dǎo)致較高的成本。A D7294的優(yōu)點是集成度高、成本低且可靠性高,但缺點是需要使用外部微控制器(MCU)來實現(xiàn)PA監(jiān)控功能。 A DuC7026與A D7294具有很多相同的優(yōu)點,主要的區(qū)別是A DuC7026包含MCU。另外,ADuC7026支持外部同步采樣,這個特性在TD-SCDMA應(yīng)用中很有用。
本文介紹了一個基于A DuC7026實現(xiàn)功率放大器監(jiān)控的參考設(shè)計,功能包括設(shè)置輸出功率、監(jiān)測電壓駐波比(VSW R)、監(jiān)測橫向擴散金屬氧化物半導(dǎo)體 (L DMOS)場效應(yīng)管的漏極電流和溫度,并在某個參數(shù)超過預(yù)定的閾值時發(fā)出報警信號。
系統(tǒng)框圖
圖1給出了PA監(jiān)測器的系統(tǒng)框圖。RF信號在經(jīng)由可變電壓衰減器(VVA)、 ADL5323 預(yù)驅(qū)動器、功率放大器和雙向耦合器處理后,由天線發(fā)射出去。A DuC7026的片上MCU對PA模塊中兩級LDMOS的溫度和電流及PA模塊的前向和反向功率進行采樣。 MCU把采樣數(shù)據(jù)發(fā)送到PC以便在用戶界面(UI)上顯示。操作人員可通過用戶界面調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)。
圖1. 系統(tǒng)框圖
PA監(jiān)測模塊
溫度監(jiān)測: 功率放大器的功耗會影響其性能。PA某些時候工作在較高的靜態(tài)工作點,但輸出功率較低。大量的能量在LDMOS器件上被 轉(zhuǎn)換成熱量,這不僅浪費了能量,而且降低了可靠性。監(jiān)測PA的溫度,調(diào)整其靜態(tài)工作點可以使系統(tǒng)達到最佳性能
圖2給出了溫度監(jiān)測器的功能框圖,該系統(tǒng)使用 ADT75 數(shù)字溫度傳感 器來監(jiān)測兩個LDMOS級的溫度。ADT75(有8引腳MSOP和SOIC封裝形式可供選擇)把溫度轉(zhuǎn)化成分辨率為0.0625°C的 數(shù)字信號,其關(guān)斷模式可將電源電流降低到3μA(典型值)。
圖2. 溫度監(jiān)測器功能框圖。
圖3給出了溫度監(jiān)測程序的流程圖。在收到溫度檢測指令后,A Du C7026 MCU首先設(shè)置溫度檢測標(biāo)識,然后通過I2C®總線從A DT75 讀出溫度數(shù)據(jù),并把該數(shù)據(jù)發(fā)送到PC。接著,程序檢查A DT75的過溫引腳(O S/ALERT)狀態(tài),如果溫度超過了閾值,則點亮LED。在收到配 置溫度閾值的指令時, A DuC7026從PC讀入配置數(shù)據(jù)并通過I2C總線把閾值溫度寫入到A DT75。當(dāng)微控制器收到讀入溫度閾值的指令時,它從ADT75讀入閾值溫度并把它傳送到PC。
圖3. 溫度監(jiān)測程序的流程圖
電流監(jiān)測: 控制PA的漏極電流,使其在溫度和時間變化時保持恒定,就可以極大地改善功放的總性能,同時又可確保功放工作在調(diào)整的 輸出功率范圍之內(nèi)。影響PA漏極電流的兩個主要因素是PA的高壓供電線的變化和片上溫度的變化。PA晶體管的漏極電壓很容易受高壓供電線變化的影響。我們可以用高電壓分流監(jiān)測器來測量LDMOS的漏極電流。如果連續(xù)地監(jiān)測漏極電流,當(dāng)在電源上出現(xiàn)電壓波動時,操作人員可重新調(diào)整柵極電壓使LDMOS保持在最佳工作點。
圖4給出了電流監(jiān)測器的功能框圖。該系統(tǒng)使用A D 8211高壓高精度分流放大器來采集PA模塊中兩個LDMOS級的漏極電流。A D 8211的增益為固定的20V/ V,在整個工作溫度范圍內(nèi)的增益誤差為±0.5%(典型值 )。 AD8211 緩存的輸出電壓直接輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器,由A DuC7026 的片上ADC進行采樣。漏極電流閾值由A D5243數(shù)字電位計設(shè)定,A DuC7026通過I2C總線對 AD5243 進行控制。 系統(tǒng)根據(jù) ADCMP600 比較器的輸出來判定漏極電流是否超過或低于閾值。如果漏極電流超過 閾值,系統(tǒng)點亮相應(yīng)的LED向操作人員報警。
圖4. 電流監(jiān)測器功能框圖。
電壓駐波比(VSWR)監(jiān)測: VSWR是天線系統(tǒng)的一個關(guān)鍵參數(shù),它反映天線系統(tǒng)中元件之間的匹配程度。反向功率影響PA的輸出功率,反 向功率過大會導(dǎo)致發(fā)射出去的信號產(chǎn)生失真。因而,有必要監(jiān)測VSWR使基站具有最優(yōu)性能。
圖5給出了VSWR監(jiān)測器的功能框圖。該系統(tǒng)使用雙向耦合器和 AD8364 雙通道TruP wr™檢測器來測量前向和反向功率。AD8364雙通道有效值RF功率測量子系統(tǒng)可精確地測量和控制信號的功率。A D8364 靈活性強,可方便地對RF功率放大器、無線電收發(fā)器AGC電路和其它通訊系統(tǒng)實施監(jiān)測和控制,其輸出可用于計算VSWR和監(jiān)測傳輸線的匹配度。較大的VSWR 值表明天線出現(xiàn)故障,操作人員應(yīng)通過調(diào)整PA增益或電源電壓對系統(tǒng)進行保護。
圖5. VSWR監(jiān)測器功能框圖。
自動功率控制: 根據(jù)通信系統(tǒng)的要求,發(fā)射機必須確保功率放大器能滿足發(fā)射的需要,調(diào)整基站發(fā)射功率保持在精準(zhǔn)值,控制輸出功 率在覆蓋允許范圍內(nèi),不至過小無法滿足網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時的覆蓋距離要求,而減少小區(qū)覆蓋范圍,又不會產(chǎn)生過強的輸出信號對相鄰基站 造成干擾。由于過功率會引起功率放大器飽和并使信號發(fā)生非線性失真,系統(tǒng)應(yīng)提供過功率保護功能,保證功率放大器不工作在過功率條件下?;谏鲜鲈颍仨殞敵龉β蔬M行測量和控制以使之保持穩(wěn)定。
圖6給出了自動功率控制回路的功能框圖,該回路包含雙向耦合器、TruP wr檢測器、微控制器和可變電壓衰減器。雙向耦合器把前向功率傳送到TruP wr 檢測器,檢測器跟蹤信號幅度的變化。A DuC7026的片上ADC對檢測器的輸出采樣。微控制器比較輸出功率的實際值與期望值,并使用PID 算法來調(diào)整控制電壓偏差,使功率放大器工作在性能最佳的工作點上。
圖6. 自動功率控制回路的功能框圖
圖7給出了PID算法的流程圖。首先,該程序設(shè)定初始控制參數(shù)Kp、Ki和Kd并設(shè)定輸出功率的期望值。然后, ADC對AD8364的輸出采樣,采樣得到的數(shù)據(jù)經(jīng)濾波后轉(zhuǎn)換成功率。程序根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)計算出輸出功率的期望值與實際值之差,以及下一個期望采樣值和控制電壓,并對 DAC寄存器進行配置。這樣就完成了一個采樣和控制過程周期,這個過程不斷循環(huán)。
圖7. PID算法的流程圖
用戶界面
UI主要用來提供人機交互界面,實時顯示檢測數(shù)據(jù),并響應(yīng)操作員的輸入命令。圖8給出了用戶界面程序的流程圖。程序運行后,首先 要打開串行端口并啟動通訊鏈接。然后,可以選擇各功能模塊進行監(jiān)測和控制
圖8. UI控制的流程圖。
圖9給出了一個溫度測試結(jié)果。用戶可以隨時改變高溫和低溫閾值。在本例中,高溫閾值從35°C改到31°C。當(dāng)環(huán)境溫度上升到新閾值之上時,過溫警報燈變紅,PC發(fā)出連續(xù)的警鈴聲。
圖 9. 用于顯示溫度測試結(jié)果的界面。
硬件連接
圖10給出了PA監(jiān)測器的演示電路板的連接圖。主板由6V適配器供電,它與PC機之間通過串口線相連,以便下位機ADuC7026與上位機PC通信;通過 ADF4252 評估板產(chǎn)生的RF信號,連接到主控板的RF信號輸入端,而后通過如下鏈路輸出: RF輸入→可調(diào)衰減器A V103→PA前級驅(qū)動功率放大器ADL5323→雙定向耦合器ZABDC10-25HP→RF輸出→頻譜儀Agilent 4396B。其中ADF4252評估板的輸出頻率通過 PC機控制,PC與ADF4252之間通過一根并口轉(zhuǎn)串口的電纜連接。
圖 10. PA監(jiān)測器演示電路板的硬件連接。
結(jié)論
T該參考 設(shè)計為在蜂窩基站(GSM、EDGE、UMTS、CDMA、TD-SCDMA),點到多點和其它RF傳輸系統(tǒng)中監(jiān)測和控制PA提供了一個集成的解決方案。利用ADI 公司的高精度模擬微控制器A DuC7026實現(xiàn)PA監(jiān)測器應(yīng)用可以增加靈活性,因為它具有多通道高性能12位ADC和DAC,以及片上可編程邏輯陣列(PL A)。其 AD轉(zhuǎn)換可通過外部轉(zhuǎn)換輸入或PLA轉(zhuǎn)換輸出來啟動,這個特性對需使用同步信號對前向功率進行采樣的TD-SCDM A應(yīng)用系統(tǒng)很有幫助。PLA 集成到芯片上的好處非常明顯:用戶可以根據(jù)要求輕松、簡潔地實現(xiàn)各種邏輯。而且各種算法,例如PID控制、VSWR監(jiān)測、溫度監(jiān)測和電流監(jiān)測等算法都可通 過ADuC7026來實現(xiàn),無需使用其它控制器。從系統(tǒng)設(shè)計的角度來看,這個集成解決方案可節(jié)省PCB面積、方便PCB布局,降低系統(tǒng)成本并提高系統(tǒng)可靠性。
推薦閱讀:
特別推薦
- 復(fù)雜的RF PCB焊接該如何確保恰到好處?
- 電源效率測試
- 科技的洪荒之力:可穿戴設(shè)備中的MEMS傳感器 助運動員爭金奪銀
- 輕松滿足檢測距離,勞易測新型電感式傳感器IS 200系列
- Aigtek推出ATA-400系列高壓功率放大器
- TDK推出使用壽命更長和熱點溫度更高的全新氮氣填充三相交流濾波電容器
- 博瑞集信推出低噪聲、高增益平坦度、低功耗 | 低噪聲放大器系列
技術(shù)文章更多>>
- 如何選擇和應(yīng)用機電繼電器實現(xiàn)多功能且可靠的信號切換
- 基于APM32F411的移動電源控制板應(yīng)用方案
- 數(shù)字儀表與模擬儀表:它們有何區(qū)別?
- 聚焦制造業(yè)企業(yè)貨量旺季“急難愁盼”,跨越速運打出紓困“連招”
- 選擇LDO時的主要考慮因素和挑戰(zhàn)
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
光收發(fā)器
光通訊器件
光纖連接器
軌道交通
國防航空
過流保護器
過熱保護
過壓保護
焊接設(shè)備
焊錫焊膏
恒溫振蕩器
恒壓變壓器
恒壓穩(wěn)壓器
紅外收發(fā)器
紅外線加熱
厚膜電阻
互連技術(shù)
滑動分壓器
滑動開關(guān)
輝曄
混合保護器
混合動力汽車
混頻器
霍爾傳感器
機電元件
基創(chuàng)卓越
激光二極管
激光器
計步器
繼電器