CN101341653A - 开关稳压功率放大器模块的改进控制 - Google Patents

Abstract

这里描述的各个实施例涉及功率管理单元和放大单元，其用于通信子系统的发射机中。功率管理单元提供了增益控制信号和电源电压的改进控制，增益控制信号提供给前置放大器，电源电压提供给功率放大器，这两个都位于放大器单元中。通过采用一种连续控制方法优化功率放大器所消耗的功率，其中采用了一个或多个反馈环路来考虑发射机组件和控制值的各种特征。

Description

开关稳压功率放大器模块的改进控制

技术领域

本发明一般涉及无线通信设备，尤其涉及利用输入驱动控制开关稳压功率放大器。

背景技术

手持无线通信设备由一个或多个内部电池提供电力。这类设备的一个重要性能指标就是它们的电池寿命，并且大部分的电池电力消耗在设备的发射机的功率放大单元上。在许多手持无线应用中，开关式电源开关式电源提供电源电压给功率放大单元中的功率放大器，并且被用于降低整体功耗。然而，这需要仔细控制开关式电源，从而获得最佳的功率节约。为了简化控制，许多传统设计采用了固定步长，或者连续控制技术，来控制开关式电源。然而，不利用额外信息，这两种技术可能导致次优化功率节约，可能校准起来更为麻烦，以及可能对输出信号的压缩噪声产生不利效果。在大多数设计中，相比较于信号功率，压缩噪声非常低，直到提供给功率放大器的电源电压逼近其压缩产品提高的发射功率极限。

发明内容

一方面，这里所描述的至少一个实施例提供了用于无线通信设备的发射机。该发射机包括功率放大单元，该功率放大单元包括：前置放大器，其配置成放大发射信号，从而产生前置放大发射信号；以及耦合到该前置放大器的功率放大器，其配置成放大该前置放大发射信号，从而产生放大发射信号。该发射机进一步包括检测器，其耦合到前置放大器的输出端，并配置成提供检测前置放大输出信号；以及功率管理单元。该功率管理单元包括开关稳压控制单元，其配置成基于检测前置放大输出信号产生开关电源控制信号；以及耦合到开关稳压控制单元的开关式电源，其配置成基于开关电源控制信号产生电源电压信号，以及提供该电源电压信号给该功率放大器。

另一方面，这里所描述的至少一个实施例提供了一种移动通信设备，其包括主处理器，该主处理器配置成控制该移动通信设备的操作；以及连接到主处理器的通信子系统，其配置成发送及接收数据。该通信子系统包括功率放大单元、检测器以及功率管理单元。功率放大单元包括前置放大器，其配置成放大发射信号来产生前置放大发射信号；以及功率放大器，其耦合到前置放大器上，并配置成放大该前置放大发射信号来产生放大发射信号。检测器耦合到前置放大器的输出端，并配制成提供检测前置放大输出信号。功率管理单元包括开关稳压控制单元，其配置成基于该检测前置放大输出信号产生开关电源控制信号；以及开关式电源，其耦合到开关稳压控制单元上，并配置成基于开关电源控制信号产生电源电压信号，并提供电源电压信号给功率放大器。

仍然在另一方面，这里所描述的至少一个实施例提供了一种用于将开关电源控制信号提供给发射机的功率放大单元的方法，该功率放大单元包括前置放大器和功率放大器。该方法包括检测前置放大器的输出以提供检测前置放大输出信号；基于该检测前置放大输出信号产生开关电源控制信号；以及通过将开关电源控制信号提供给开关式电源以产生电源电压信号。

附图说明

为了更好的理解这里所描述的实施例，以及为了更清楚地仅通过例子来示出如何实现这些实施例，将参照附图进行说明：

图1是一种无线通信设备的示例性实施例的方框图；

图2是图1的移动设备的通信子系统组件的示例性实施例的方框图；

图3是无线通信设备的通信子系统的功率管理单元和放大器单元的一部分的示例性实施例的方框图；

图4是示例性方法的流程图，该方法可以用于为功率管理单元的开关控制单元的开关控制传递函数找到适宜的值；以及

图5是功率管理单元的功率限制控制器的示例性实施例的方框图。

具体实施方式

应该理解，为了简要及清楚的说明，在考虑恰当的情况下，附图标记可以在图中重复使用，来指示相应的或类似的元件。另外，可以包括特定的细节，从而全面理解这里所描述的实施例。然而，本领域技术人员应该理解，没有这些特定的细节，也可以实施这里所描述的实施例。在其它例子中，为了不模糊这里所描述的实施例，不再详细描述已公知的方法、过程和组件。此外，本说明书不被视为限制了这里所描述的实施例的保护范围，而是仅仅描述了这里所描述的各种实施例的实现方式。

无线通信设备是具有高级数据通信能力的双向通信设备，其具有和其它计算机系统相通信的能力。该无线通信设备亦可以包括用于语音通信的能力。取决于由该无线通信设备所提供的功能，其可以称为数据通讯设备，双向传呼机，具有数据通讯能力的蜂窝式电话，无线因特网应用，或者数据通信设备(具有或不具有电话通讯能力)。该无线通信设备通过收发站网络和其它设备相通信。

首先参照图1，其中示出了一幅无线通信设备100的示例性实施例的方框图，该无线通信设备亦可以称为移动通信设备。该无线通信设备100包括多个诸如控制单元102之类的组件，控制单元控制该无线通信设备100的全部操作。该控制单元102可以是微处理器或微控制器。诸如来自ARM、Motorola、Intel及其类似公司的可用的微控制器之类的任意商用微控制器都可以用作控制单元102。

通过通信子系统104来执行包括数据和可能的语音通信的通信功能。通信子系统104从无线网络180接收消息，并将消息发送到无线网络180中。在一个实施例中，可以根据CDMA2000标准、或者根据全球移动通信系统(GSM)和通用分组无线业务(GPRS)标准来配置通信子系统104。GSM/GPRS无线网络在全球范围内使用，并期望这些标准将最终由增强数据GSM环境(EDGE)和通用移动无线通信服务(UMTS)标准取代。新的标准仍处在定义中，但相信它们将类似于这里所描述的网络行为，并且也将理解，该设备可以使用未来开发的任意其它适宜的标准。通过网络180连接该通信子系统104的无线链路代表一个或多个不同的射频(RF)信道，根据所定义的为了CDMA2000或GSM/GPRS通信而指定的协议进行操作。对这些网络协议而言，这些信道能够支持电路交换语音通信和分组交换数据通信。

控制单元102亦和其它诸如随机访问存储器(RAM)106、闪存108、显示器110、辅助输入/输出(I/O)子系统112、数据端口114、键盘116、扬声器118、麦克风120、短程通信子系统122和其它设备子系统124之类的子系统相交互。取决于特定类型的无线通信设备，这些组件中的一些是可选的。除了闪存108之外，可以使用现有技术中已知的其它类型的非易失性存储设备。键盘116可以是电话类型的键区，字母数字混合编排的键盘或一些其它适宜的键区。

无线通信设备100的一些子系统执行通信相关的功能，而其它子系统可以提供“常驻”或在机功能。通过例子，显示器110和键盘116既可以用于诸如通过网络180输入要传输的文本消息之类的通信相关功能，也可以用于诸如计算器或任务列表之类的设备常驻功能。控制单元102使用的操作系统软件，以及其它各种算法典型地存储在诸如闪存108之类的永久存储器中，闪存可以可选地是只读存储器(ROM)或类似的存储元件中(未示出)。本领域技术人员将理解，操作系统、特定设备应用程序或其中的部分，可以临时地载入到诸如RAM 106之类的易失性存储器中。

在已完成了所需要的网络注册或激活过程之后，无线通信设备100可以通过网络180发送和接收通信信号。网络访问和该无线通信设备100的用户相关联。为了识别用户，该无线通信设备100为了和网络180相通信，需要在SIM接口128(或R-UIM接口)中插入用户识别模块或“SIM”卡126或R-UIM(可拆装用户身份模块)。SIM卡或者R-UIM 126是一种传统的“智能卡”，这种智能卡用于标识该无线通信设备100的用户，以及个性化该无线通信设备100，等等。可选地，亦可以将用户识别信息编程到闪存108中。服务可以包括：诸如电子邮件、语音邮件、短信息服务(SMS)、以及多媒体消息服务(MMS)之类的网络浏览和通讯。可以包括更多高级服务：销售点、现场服务以及销售人员自动化。

该无线通信设备100是电池提供电力的设备，并包括电池接口132，用于接收一个或多个可再充电电池130。电池接口132耦合到稳压器上(未示出)，该稳压器帮助电池130提供电源V+给无线通信设备100。虽然当今技术利用了电池，但是诸如微燃料电池之类的未来的电源技术可以提供电力给无线通信设备100。

除其操作系统功能之外，控制单元102还使得能够执行在无线通信设备100上的软件应用程序。在制造无线通信设备100期间，一般将在其上安装一组应用程序，该组应用程序控制基本的设备操作，包括数据和语音通信应用程序。可以载入到无线通信设备100中的另一应用程序可以是个人信息管理器(PIM)。PIM具有组织和管理用户的兴趣数据项的能力，诸如但不局限于电子邮件，日历事件，语音邮件，约会以及任务项。PIM应用程序具有经由无线网络180发送和接收数据项的能力。在一个实施例中，经由无线网络180，利用无线通信设备用户的对应数据项来无缝地集成、同步及更新PIM数据项，该无线通信设备用户的对应数据项存储在主计算机系统中和/或和主计算机系统相关联。该功能关于这些项在无线通信设备100上创建一个镜像主计算机。这是特别有利的，其中主计算机系统是无线通信设备用户的办公计算机系统。

额外的应用程序通过网络180、辅助I/O子系统112、数据端口114、短程通信子系统122、或任意其它适宜的设备子系统124，也可以载入到无线通信设备100上。这种应用程序安装上的灵活性增加了无线通信设备100的功能，并可以提供增强的在机功能、通信相关功能，或者同时提供了这两种功能。例如，利用无线通信设备100，安全的通信应用程序可以使得执行电子商务功能及其它这样的财务事务。

数据端口114通过外部设备或软件应用程序使用户设置用户偏好，并且除了通过无线通信网络之外，通过提供信息或软件下载给移动设备100，来扩展移动设备100的能力。可选的下载途径可以例如用于通过一个直接但可靠可信的连接来将加密密钥载入到移动设备100上，从而提供安全的设备通信。

短程通信子系统122不使用网络180，就可以提供无线通信设备100和不同的系统或设备之间的通信。例如，子系统122可以包括红外设备以及用于短程通信的相关电路和组件。短程通信的例子可以包括由红外数据协会(IrDA)开发的标准，蓝牙，以及由IEEE开发的802.11标准族。

在使用中，诸如文本消息、电子邮件消息、网络网页下载之类的接收信号将由通信子系统104处理并输入到控制单元102中。接着控制单元102随后将处理该接收信号，输出到显示器110中，或可选地输出到辅助I/O子系统112中。用户亦可以例如利用键盘116结合显示器110及可能的辅助I/O子系统112来编写诸如电子邮件消息之类的数据项。辅助子系统112可以包括的设备诸如：触摸屏、鼠标、轨迹球、红外指纹检测器，或者具有动态按钮按压能力的滚轮。键盘116可以是字母数字混合编排的键盘，和/或电话类型的键区。可以通过通信子系统104经由网络150来传递所编写的项。

对于语音通信来说，除了大部分接收信号被输出到扬声器118中，以及大部分传输信号由麦克风120转换之外，无线通信设备100的全部操作实质上是类似的。诸如语音消息记录子系统之类的可选语音或音频I/O子系统亦可以在无线通信设备100上实现。虽然主要通过扬声器118实现语音或音频信号输出，但是显示器110亦可以用来提供诸如主叫方身份、语音呼叫持续时间、或其它语音呼叫相关信息之类的其它信息。

现在参照图2，示出了图1的通信子系统组件104的方框图。通信子系统104包括接收机150、发射机152、一个或多个嵌入式或内部天线元件154、156、本地振荡器(LOs)158、以及诸如数字信号处理器(DSP)160之类的处理模块。

通信子系统104的特定设计取决于移动设备100要运行于其中的网络180，，这样应该理解图2中描述的设计仅当作一个例子。通过网络180由天线154接收的信号被输入到接收机150，接收机150可以执行诸如信号放大、频率下转换、过滤、信道选择、以及模数(A/D)转换之类的普通接收机功能。接收信号的A/D转换允许诸如在DSP 160上执行的解调和解码之类的更复杂的通信功能。以类似方式，由DSP 160处理要发射的信号，包括调制和编码。借助天线156，经由网络180将这些DSP处理信号输入到发射机152中，进行数模(D/A)转换、上变频、滤波、放大及发射。DSP 160不仅处理通信信号，还提供接收机和发射机控制。例如，通过DSP 160中实现的自动增益控制算法，来适应性地控制被应用于接收机150和发射机180中的通信信号的增益。

移动设备100和网络180之间的无线链路可以包括一个或多个不同的信道，典型地不同的RF信道，以及用于移动设备100和网络180之间的相关协议。一般因为整个带宽的限制和移动设备100的有限的电池电力，RF信道是有限的资源，必须节约。

当移动设备100完全可操作时，发射机152典型地仅在其向网络180进行发送时接通或开启，而其它时候关闭以节约资源。类似地，接收机150周期性地关闭以节约电力，除非其在指定时间周期内必须接收信号或信息(如果有的话)。

这里描述的各种实施例涉及电源管理单元，其可以用于通信子系统104的发射机152中。电源管理单元提供了用于增益控制信号和电源电压的改进控制，该增益控制信号被提供给前置放大器，该电源电压被提供给功率放大器。该前置放大器和功率放大器都位于发射机152的功率放大单元中。通过使用一种连续的控制方案来优化功率放大器所消耗的功率，在这种控制方案中，使用至少一个反馈环路来考虑发射机的特定组件例如前置放大器和功率放大器的各种特性以及各种控制信号。电源管理单元的结构和其所使用的处理方法还引发了下面将详细描述的恒定编码域性能。

在使用正交的编码信道来组合及分离各种数据流的通信系统中，设计者必须小心不要由于使合成信号失真而意外地组合、泄漏或增加噪声到不同信道中。在大部分设计中，最终的放大器(通常是功率放大器)是最可能被驱动到非线性操作的设备。当使用了功率节约技术时尤为如此。如果功率放大器压缩的程度在其操作范围期间出现巨大变化，则可能编码域中未期望的效果会出现在一些功率级别中，而不出现在另一些功率级别中。这使得不可能前置补偿各个编码信道，除非随着功率要求改变，人们具有可以随之改变补偿的装置。具有近乎不变的压缩的功率放大器将辅助整体设计具有恒定编码阈性能的发射机，以及帮助简化基带设计，而不用牺牲功率效率。

现在参照图3，其中示出了通信子系统104的发射机152、双工机260和天线156的一部分的示例性实施例的方框图。发射机152包括功率放大单元202，检测器203，耦合器205，功率放大单元204，隔离器209和输出耦合器211。隔离器209和输出耦合器211如在下面进一步描述的是可选的。双工机260亦连接到接收机150上(未示出)。功率管理单元220包括功率限控单元207，开关稳压控制单元208，开关式电源210，补偿控制单元212，以及求和器213。功率放大单元204包括前置放大器214，以及功率放大器216。在可选实施例中，输出耦合器211可以连接到检测器上，用于一些情况下的功率限制。

亦应该注意到，在一些实施例中，功率限控单元207、补偿控制单元212、求和器213和TX_lim控制信号224是可选的。在这些实施例中，AGC信号222作为增益控制信号230提供给前置放大器214。取决于特定的应用，功率限控环路和补偿环路可以独立使用。这些环路下面作进一步地讨论。

无线通信设备100产生数据信号，该数据信号利用发射机152发射。该数据信号典型地是一种相对低频信号，一般称为基带信号。基带信号由通信子系统104的各种组件(未示出，但本领域技术人员公知)处理，并和载波信号混合，该载波信号具有实际上较高的频率，以便产生发射信号225。由功率放大单元204放大发射信号225，从而产生用于无线发射的放大发射信号227。接着，通过隔离器209、输出耦合器211以及双工机260发送该放大发射信号227，由天线156对该信号进行辐射传播。隔离器209保护功率放大单元204不受来自诸如天线156之类的下游组件的反射或其它信号能量的影响。隔离器209有时可以用来稳定双工机260的性能。

前置放大器214是可变增益放大器，其产生前置放大发射信号229。依赖于放大发射信号227的期望功率级别，改变前置放大器214的增益来提供第一增益量。由增益控制信号230规定前置放大器214的增益，增益控制信号由功率限控单元207提供。接着，功率放大器216放大前置放大发射信号229来提供所需增益的剩余部分。滤波器(未示出)可以可选地添加到前置放大器214之后，用于移除由前置放大器214和无线通信设备100的前级引入前置放大发射信号229的噪声。本领域技术人员将可以为该滤波器选择适宜的参数。

在操作期间任意点处，功率放大器216需要电源电压信号232，该信号具有足够的振幅，从而使可以产生具有最大可接受失真级别的放大发射信号227。如果功率放大器216总是用同一可接受失真级别进行操作，则可以进行对应基带数据的固定校正，来抵销失真而节约功率。因此，当放大发射信号227处于发射机动态范围内的任意功率时，功率放大器216应具有不变的净空，来确保放大发射信号227至多总是以相同方式失真。

功率放大单元204中相当多的功率损耗的原因之一是放大发射信号227很少处于上面提到的最大级别处，而是通常处于更低的功率级别。提供给功率放大器216的电源电压232和放大发射信号227的振幅之间的过量净空耗散为热。为了避免这种功率损失，开关式电源210由开关稳压控制单元208控制，以最小化该净空，但允许功率放大器216产生具有传输所需的瞬时最大功率的放大发射信号227。

配平信号220是由控制单元102提供给功率管理单元202的控制信号。配平信号220用于在无线通信设备100的工厂校准期间去除个体差异。该差异是由于用于构建发射机152和控制环路的组件的部件差异而导致的偏差产生的。配平信号220配平或减少由这些偏差/公差而导致的差异。通过在操作期间采样开关式电源210的输出，以及调整用于配平信号220的值可以做到这一点，以获得可接受的性能。另外，发射机152的压缩噪声可以被测量，调整配平信号220的值，直到观察到期望的失真量。取决于公差层级，在一些设计中，配平信号220是可选的。

检测器203经由耦合器205感测前置放大发射信号229，其是用于功率放大器216的输入驱动。接着，检测器203产生检测前置放大输出信号221。在一些实现方式中，检测器203可以近似于具有线性刻度输出的实际RMS检测器。然而，亦可以使用具有其它输出形式的检测器，包括对数输出。通过不和功率放大器216的输出相耦合来感测放大发射信号227，检测器203的位置造成环路稳定以及节约了功率。如果检测器203放置在可以受到增益扩大影响的地方(即，功率放大器224的输出端上)，则功率放大器216的增益扩大将导致具有右手极性的控制系统。在检测器203位于功率放大器216的输出端的情况下，功率增大例如将导致检测到的输出增大及抬高电源电压信号232，功率增大由增益扩大或可能的噪声造成。最终的增益扩大将进一步增大检测到的功率。接着，该过程将逐步升级。通过将检测器203放置在前置放大器214的输出端来避免这一点。

本领域技术人员可以选择适当的耦合器205来和检测器203一起使用。该选择过程基于诸如功率放大器216的类型、功率管理单元202中的各个控制单元的调谐、以及功率管理单元202的计划整体性能目标之类的参数。定向耦合器可以用作耦合器205，但如果前置放大器214具有足够的反向隔离，则亦可以使用电阻性分接头。

将检测到的前置放大输出信号221和配平信号220提供给功率管理单元202，来限制放大单元204的输出功率。通过利用这些信号和下面讨论的其它信息，来执行调整前置放大器214的增益和控制开关式电源210提供特定级别的电源电压信号232中的至少一种操作来做到这一点。应该注意到，发射机设计中差异的主要来源不是由于功率放大器216的热特性，而是由于前置放大器214的热特性和频率特性中的差异，其中的热特性和频率特性是很差的。因此，通过检测前置放大器214的输出功率229，当降低发射机152中的功率损失时，可以移除发射机152中的大部分差异。

基于配平信号220和检测前置放大输出信号221，开关稳压控制单元208以优化模式控制开关式电源210提供电源电压信号232。开关控制单元208将开关控制传递函数应用到检测前置放大输出信号221和配平信号220，以产生开关电源控制信号228来控制开关式电源210。另外，在一些实现方式中，欲从电源电压信号232中过滤特定的高频噪声分量。开关式电源210可以是DC-DC开关转换器。然而，很多设备可以用作开关式电源210，只要满足放大单元204的输出电压、电流、效率及噪声要求。

通过恰当选择检测器203以及用于开关控制传递函数的值，开关稳压控制单元208可以提供控制值给开关式电源210，以保持功率放大器216处于不变压缩状态。这意味着放大发射信号227的压缩噪声被保持在实际数据信号的不变部分。因此，通过最小化在所有可能的发射功率处的功率放大器216的电源电压开销来优化功率节约，放大发射信号227上的功率放大器216的压缩效果变成发射功率的恒定函数。这是因为，功率放大器216正由电源电压信号232提供尽量少的电源电力，而仍然满足大范围的发射功率上的各种诸如最大可接受失真之类的规定。这允许一种静态补偿应用于基带，而不是随发射功率变化的另一种补偿方法。换句话说，如果功率放大器216的压缩变作功率的函数，则需要相关编码阈功率的动态补偿。术语编码阈功率指的是所讨论的编码信道的相对功率对噪声比率(其它信道是正交的，看起来像噪声)。静态补偿指的是设置编码阈校正来补偿硬件特征，而不是变化的功率。

开关控制传递函数从对检测器203的响应，开关式电源210的控制曲线，以及到输入驱动的功率放大器216的响应的表征中取得。这些值通过方法300获得。

现在参照图3，其中示出了一种示例性方法300的流程图，该方法可以用于为开关稳压控制单元208的开关控制传递函数确定适当的值。在几个无线通信设备上执行方法300，并且集合测试结果形成由开关稳压控制单元208使用的开关控制传递函数。方法300开始于步骤302，此时开启发射机152。在步骤304，观察放大发射信号227和功率放大器216的压缩。在步骤306，开关稳压控制单元208被撤销(override)，并且调整开关式电源210，直到为功率放大器216取得期望压缩。如果电压调整过度地影响操作功率，则步骤306有时直接跳到步骤310(未示出)。在步骤308，检测器203的输出(即，检测前置放大输出信号221)以及开关式电源210的控制设置在数据表中标出。在步骤310，调整发射机152的功率，重复步骤304到310，直到获得足够的数据点。

换句话说，通过着眼于功率放大器216的几种不同输出功率级别，以及降低这些级别的电源电压信号，直到每个功率级别都获得了一个可接受的最小净空级别，可以产生开关控制传递函数。这提供了功率放大器216的功率级别和电源电压信号232的级别之间的第一关系。接着，这些不同的功率级别被与输入驱动(即，检测器203的输出端)的级别相关联，而电源电压信号232保持在对每个功率级别来说刚刚能发现的最小级别处，从而获得输入驱动级别和功率放大器216的功率级别之间的联系。接着组合这两种联系，来定义检测器203的输出和开关式电源210的输出之间的开关控制传递函数。接着或者通过建模或者实际测试，可以观察开关控制传递函数的阶跃响应，以及调整传递函数的特定参数来获得可接受的时序。

接着通过方法300产生的数据点被用于获取用于开关稳压控制单元208的优化开关控制传递函数。如果这样期望，则此时可选择在一些测量点之间进行内插。虽然方法300产生静态值，用于获得开关稳压控制单元208的开关控制传递函数时，但是可以修改方法300，其中对发射机功率进行步进式改变，以便于观察动态特征。此时可以增加可选校正，以获得功率管理和放大单元202和204的时间响应。这可以用硬件或软件进行。执行这些的步骤是：1)测量系统的阶跃响应，2)为了满足时序需求，分析响应的形状来确定传递函数所需要的补偿，3)应用补偿并测试系统，以及4)如果必需，则回到步骤1，并重复直到性能令人满意。这个过程是相当重复的，因为在测试期间，人们有时会发现一些意想不到的副作用。接着，通过着眼于功率管理和放大单元202及204的阶跃响应，以及产生适当的逆运算，可以在这一点定义开关控制传递函数。

通过利用具有线性、一阶低通函数和偏置的滤波器，可以用硬件实现开关稳压控制单元208所使用的开关控制传递函数。该滤波器被偏置了一位，来补偿开关/不正好在0伏操作的其它电路的响应。通过选取开关控制传输功能，对其应用拉普拉斯变换，接着基于产生的极点和0点来合成滤波器，可以实现滤波器。然而，通使用查找表，亦可以用软件实现开关控制传递函数。

由于整个发射机152的时间响应符合依赖于网络的功率和时间之间的关系的稳压需求，因此考虑开关控制传递函数的响应时间。同样地，由于例如开关式电源210中的松散性能意味着在别处需要更多补偿，因此考虑每个单元的响应。当软件用于实现开关控制传递函数时，时间响应亦是一个因素。利用软件，利用离散的时间步骤进行分析。软件的时间响应部分取决于用于计算和/或查找的软件保证响应时间。在具有许多应用程序并行运行的处理器上，时间响应取决于1)编码效率，以及2)当执行实时编码时，操作系统是否可以确保保证响应时间。一般来说，调整组件的时序来提供对定时要求的更好适应，该定时要求由标准及网络提供商规定。一个定时参数的值可能需要和另一个定时参数的值进行折衷。

基于各种输入，由功率限控单元207设置增益控制信号230。由控制单元102提供自动增益控制(AGC)信号222和传输限制(TX_lim)控制信号224。可选地，如果存在，可以由通信子系统104中的处理器(如果存在的话)提供这些信号。TX_lim控制信号224指定功率放大器216的输出的最大允许功率。AGC222由补偿控制单元212的输出修改。通过控制前置放大器214的增益，功率限控单元207亦接收检测前置放大输出信号221，并组合这些信号来降低到功率放大器216的输入驱动。降低的输入驱动的效果是放大发射信号227的功率的减少。

现在参照图5，其中示出了功率限控单元207的示例性实施例的方框图。功率限控单元207包括求和器402、限幅器404、积分器406、功率限制传递函数408和第二求和器410。功率限控单元207可以在过功率情况发生之前预测过功率情况，并为增益控制信号230提供适当的值，来避免该过功率情况出现。这基于用于功率限制传递函数408的特定值的选择，并且在为增益控制信号230产生新值之前，检查功率误差信号(即，求和器213的输出)和功率误差信号的变化率(即，误差信号412)。这些信号的变化率涉及检测器203的输出的变化率。如果具有高变化率，则将在输出功率中出现脉冲跳增，并将产生过量功率情况。

当求和器402从检测前置放大输出信号221中减去TX_lim信号224时，获取功率误差信号。接着将这个差顺序流通过限幅器404、积分器406以及功率限制传递函数408来产生误差信号412。限幅器404通过将所有负的输入值转换成0，以及利用调整因子传递正值来体现校正量，以产生限幅功率误差信号，其中校正量对校正最差的AGC误差被视为是必需的。因此，当TX_lim信号224具有比检测前置放大输出信号221更大的振幅时，限幅器404的输出是0。此外，当检测前置放大输出信号221大于TX_lim信号224时，限幅器404的输出值等于检测前置放大输出信号221和TX_lim信号224之间的振幅差值乘以调整因子。调整因子用于缩放目的来补偿所使用的各种组件的灵敏度。在没有限幅器404的情况下，功率限控单元242将迫使发射机152以最大功率运行，而不用管AGC信号222的值。接着积分器406积分限制功率误差信号来提供积分功率误差信号(以获取当功率限控单元207停止时，发射功率中的0功率残留误差)。可以以硬件或软件形式来实施积分器406。

功率限制传递函数408具有线性项和一阶导数项。功率限制传递函数408处理积分功率误差信号，以便在过功率出现之前检测过功率情况。在输出功率的快速斜上扬期间，功率控制环路，包括开关稳压控制单元208和开关式电源210，可能不足够迅速地独立响应。当检测到积分误差的大变化率时，人们可以认为已经超过限制，输出信号必须非常迅速地被箝位。该功能由包括功率限制传递函数408的功率限控单元207中的各个单元提供。选择功率限制传递函数408来获得功率限控单元207的期望瞬时性能。功率限制传递函数408亦补偿了前置放大器214的行为以及发射机152中的其它延迟。这可以通过应用不同形状的功率斜坡的现有知识来控制发射功率限制来做到。术语“功率斜坡”指的是功率和时间之间的关系，其用于在不同功率级别之间转换。诸如时间响应之类的期望形状的知识允许更精确设计的功率限制传递函数。

当超出发射机功率限制TX_lim时，通过求和器410从修正AGC信号223中减去误差信号412，从而产生增益控制信号230来控制前置放大器214的增益。可选地，如果没有超出功率限制TX_lim，则误差信号具有值0，并且增益控制信号230是修正AGC信号223。通过从AGC信号222中减去补偿控制单元212的输出，产生修改AGC信号223。

通过为检测信号221选择各个值可以生成功率限制传递函数408，从而测试关于发射功率控制信号TX_lim224的值的过功率的各个功率级别，以及为传递函数选择值，从而使误差信号412的级别被调整，以便于增益控制信号230导致产生一个可接受级别的输入驱动，其由前置放大器214的输出提供。这设置了功率限制传递函数408的稳定状态特征。接着，通过着眼于功率限制传递函数408的阶跃响应，观察功率限制传递函数408的瞬时特性。接着，调整功率限制传递函数408的值，以便于阶跃响应的脉冲跳增和沉降时间是可接受的。在包括开关控制环路、补偿环路以及功率限制环路的设计中，在调谐功率限制传递函数之前，首先选择并调谐开关控制传递函数和补偿传递函数。

当改变了电源电压信号232的振幅时，校准困难来自于功率放大器216的增益变化。随着电源电压信号232的振幅增大，功率放大器216的增益亦随之增大。在前面的控制方案中，电源电压信号232被控制作为AGC信号222的函数。随着AGC信号222增大，功率放大器216的增益可预见地增大，但输出在曲线中的特定点处增大更为迅速。这是由于增大前置驱动增益和功率放大器216中的增益变化的组合效果造成的，功率放大器中的增益变化是由于电源电压信号232造成的。因此，通过将额外补偿应用到AGC信号222中以及用修改增益控制信号230提供前置放大器214，可以消除控制曲线中的缺陷。

图2中的功率管理单元204的拓扑示出被设计成解决传统开关控制方案中的缺陷。功率管理单元204使用了补偿反馈环路来创建AGC信号222和放大发射信号227的功率之间的线性关系。补偿反馈环路包括补偿控制单元212和求和器213。补偿控制单元212是估算器，该估算器在开关式电源210的输出端采样电源电压信号232，并将电源电压信号232转换成增益校正信号234。接着，经由求和器213从AGC信号222中减去增益校正信号，从而产生修正增益控制信号223。通过改变电源电压信号232的量级引入到功率放大器216的副作用被补偿反馈环路消除。

补偿传递函数可以用于将电源电压信号232的值转换成增益校正信号234的值。首先，为几个功率放大器确定功率放大器216的增益和电源电压信号232之间的关系。一旦已获得平均关系，考虑前置放大器214的一些诸如前置放大器214的控制斜面之类的平均特性，对平均关系取反产生补偿传递函数，从而使增益和电源电压信号232之间具有线性关系。要考虑的前置放大器214的一个特性是平均增益对控制电压曲线。通过匹配检测器和发射机链的特性，可以在最高功率处补偿热特性。可选地，可以使用另一种使用强力软件补偿的设计，其具有所有功率级别处的温度补偿。一旦选定了补偿传递函数，通过查看阶跃响应，检查瞬时属性来确保该瞬时属性落在可接受限度内。在使用了开关控制传递函数的设计中，在选定并调谐开关控制传递函数之后，选定并调谐补偿传递函数。在亦使用了功率限制传递函数的设计中，将功率限控单元207的函数设置为高，以不影响选定并调谐补偿传递函数。

补偿传递函数可以通过查找表用软件实现，或者利用使用了硬件滤波器的硬件实现。当补偿传递函数经由查找表实现时电源电压信号232和该信号的变化率用于确定增益校正信号234的值。由于需要花一些时间对其它电路进行调整，因此电源电压信号232的变化率可以用于预测功率放大器216接下来的状态。在一种更高级设计中，人们可以监视其它偏压参数。

当补偿传递函数用滤波器实现时，将拉普拉斯变换应用于对应于补偿传递函数的时间响应或脉冲响应，并且接着基于由拉普拉斯变换操作产生的极点和0点来合成滤波器。补偿传递函数的选定不仅允许补偿静态增益变化，也允许由于功率管理控制及功率放大单元202和204中的迟延而导致的动态变化。补偿传递函数具有线性项和一阶导数项。

补偿反馈环路的效果是要线性化放大发射信号227的功率和发射机152的AGC信号222之间的关系。另一个结果是补偿反馈环路降低或延迟该关系的饱和效果。此外，从补偿控制函数中分离功率限制函数降低了补偿控制单元212的精度要求。

应该注意到，通过选择检测器203以及调谐功率限制控制单元207的方式，提供精确的数据率独立功率限制。随着平均功率比率的峰改变，检测器203的观察到的输出也随之变化，如果其不是实际RMS检测器的话。功率限制传递函数408的精确性将取决于检测实际RMS功率。而且，一些检测器将具有对数输出。利用对数输出，进一步压缩刻度的顶部，因此输出功率的精确控制涉及比较愈来愈小的电压差异。利用线性的实际RMS检测器，测量独立于数据率，并且刻度的顶端被扩展。然而，在一些设计中，可以使用非RMS检测器。

由于使用开关控制传递函数，可以用具有滤波器的硬件实现功率限制传递函数408和补偿控制传递函数。可选地，可以用软件(即，作为一个查找表)实现这些传递函数。

通过将检测器203放置在前置放大器214之后以及功率放大器216之前，可以取消隔离器209和输出耦合器211。相反，如果检测器203放置在功率放大器216的输出端，则需要隔离器209和/或输出耦合器211来避免检测器203感测到反射功率。此外，如果放置在功率放大器216的输出端，由于耦合器205进行采样，放大发射信号227中具有功率损失。

由于功率放大器216的反向绝缘避免反射功率到达检测器203，因此可以移除隔离器209和输出耦合器211。S₁₂参数指示了功率放大器216的反向隔离，该参数是功率放大器216的输入端功率和功率放大器216的输出端功率之间的比率，这时不提供输入信号给功率放大器216，并且功率在功率放大器216的输出端注入。通过控制功率放大器216的最终增益级的漏极栅极电容(对于FET功率放大器)或功率放大器216的最终增益级的集电极基极电容(对于HBT功率放大器)，可以获得好的反向隔离。

由于使用数量减少的组件实现发射机152，移除隔离器209和输出耦合器211导致成本节约。此外，移除隔离器209和输出耦合器211消除了额外组件，其中功率可以在功率放大单元204和天线156之间转移或消耗，这降低了放大发射信号227到达天线156之前信号中的功率损失量。

然而，在移除隔离器209和输出耦合器211的情况下，功率放大器216必须匹配双工机260来避免负载感应功率变化(尤其如果移除了隔离器209)。通过混乱功率放大器216的操作点，作为负载转移结果的功率放大器216的输出端的反射功率可能导致正向发射功率变化。而且，如果反向隔离差，则反射功率有时可以扰乱功率放大器216的输入。然而，在具有好的反向隔离以及和双工机260匹配的情况下，可以移除隔离器209和输出耦合器211，而不会招致一般最大输出功率精确性代价。

应该注意到，功率管理单元202的结构和检测器203的位置导致：1)精确，比率独立功率限制(由于功率限制传递函数408和检测器选择的组合导致扩展的上部范围)，以及2)线性化放大器单元204的AGC曲线对发射功率，以及3)几乎不变的功率放大器压缩对发射功率。此外，以涉及其功能的适宜方式调谐每个传递函数，并且各单元中使用的传递函数彼此不同。

这里描述的结构和方法允许以独立于发射机152的功率的不变压缩操作功率放大器216。这造成：a)由于用少量电源电压提供给功率放大器216，因此优化了功率节约，如上所述，以及b)不变的编码阈性能。发射机152的结构亦允许功率放大器216和天线156之间更低的损耗，而不用招致功率精确性代价。

功率管理单元204可以划分成三个子组件：一个开关稳压控制环路，一个补偿反馈环路，以及一个功率限制反馈环路。开关稳压控制环路包括耦合器205、检测器203、开关稳压控制单元208、以及开关式电源210。补偿反馈环路包括开关稳压控制环路的组件和补偿控制单元212以及求和器213，并接收来自AGC控制信号222和TX_lim控制信号224的输入。功率限制反馈环路包括耦合器205、检测器203、以及功率限控单元207，并接收来自求和器213的输出和TX_lim控制信号224的输入。

这里仅是通过例子的方式描述各个实施例。在不脱离这些实施例的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和变化，其精神和范围由后附的权利要求定义。

Claims (21)

1、一种用于无线通信设备的发射机，其中该发射机包括：

功率放大单元，包括：

前置放大器，配置成放大发射信号，从而产生前置放大发射信号；以及

耦合到该前置放大器的功率放大器，配置成放大该前置放大发射信号，从而产生放大发射信号；

检测器，耦合到前置放大器的输出端，并配置成提供检测前置放大输出信号；以及

功率管理单元，包括：

开关稳压控制单元，配置成基于该检测前置放大输出信号产生开关电源控制信号；以及

开关式电源，耦合到开关稳压控制单元，并配置成基于开关电源控制信号产生电源电压信号，以及将该电源电压信号提供给功率放大器。

2、根据权利要求1的发射机，其中开关稳压控制单元包括开关控制传递函数，其用于基于该检测前置放大输出信号产生开关电源控制信号。

3、根据权利要求1和2中任一个的发射机，其中开关稳压控制单元进一步配置成也使用配平信号来产生开关电源控制信号，该配平信号被产生以补偿用于构建发射机的组件的公差。

4、根据权利要求1-3中任一个的发射机，其中开关稳压控制单元配置成提供控制值给开关式电源，以保持功率放大器处于恒定压缩状态。

5、根据权利要求2的发射机，其中基于对检测器的响应、开关式电源的控制曲线、以及功率放大器对输入驱动的响应的表征来获得开关控制传递函数。

6、根据权利要求1-5中任一个的发射机，其中功率管理单元进一步包括功率限控单元，该功率限控单元配置成提供增益控制信号给前置放大器，以限制功率放大单元的发射功率，其中功率限控单元耦合到检测器，并基于检测前置放大输出信号、发射功率限制信号以及第二增益控制信号产生增益控制信号。

7、根据权利要求1到5中的任一个的发射机，其中功率管理单元进一步包括补偿控制单元，补偿控制单元配置成基于电源电压信号提供增益校正信号，以及其中从自动增益控制(AGC)信号中减去增益校正信号，以产生前置放大器的增益控制信号。

8、一种移动通信设备，包括：

主处理器，该主处理器配置成控制该移动通信设备的操作；

连接到主处理器的通信子系统，该通信子系统配置成发送及接收数据，该通信子系统包括：

功率放大单元，包括前置放大器，该前置放大器配置成放大发射信号，从而产生前置放大发射信号；以及耦合到该前置放大器的功率放大器，该功率放大器配置成放大该前置放大发射信号，从而产生放大发射信号；

检测器，耦合到前置放大器的输出端，并配置成提供检测前置放大输出信号；以及

功率管理单元，其包括：开关稳压控制单元，配置成基于该检测前置放大输出信号产生开关电源控制信号；以及开关式电源，耦合到开关稳压控制单元，并配置成基于开关电源控制信号产生电源电压信号，以及将该电源电压信号提供给功率放大器。

9、根据权利要求8的移动通信设备，其中开关稳压控制单元包括开关控制传递函数，适用于基于检测前置放大输出信号产生开关电源控制信号。

10、根据权利要求8和9任一个的移动通信设备，其中开关稳压控制单元进一步配置成也使用配平信号来产生开关电源控制信号，该配平信号被产生以补偿用于构建通信子系统的组件的公差。

11、根据权利要求7到10中任一个的移动通信设备，其中开关稳压控制单元配置成提供控制值给开关式电源，以保持功率放大器处于恒定压缩状态。

12、根据权利要求9的移动通信设备，其中基于对检测器的响应、开关式电源的控制曲线、以及功率放大器对输入驱动的响应的表征来获得开关控制传递函数。

13、根据权利要求8到12中的任一个的移动通信设备，其中功率管理单元进一步包括功率限控单元，该功率限控单元配置成提供增益控制信号给前置放大器，以限制功率放大单元的发射功率，其中功率限控单元耦合到检测器，并基于检测前置放大输出信号、发射功率限制信号以及第二增益控制信号来产生增益控制信号。

14、根据权利要求8到12的任一个的移动通信设备，其中功率管理单元进一步包括补偿控制单元，该补偿控制单元配置成基于电源电压信号提供增益校正信号，以及其中从自动增益控制(AGC)信号中减去增益校正信号，以产生前置放大器的增益控制信号。

15、一种用于将开关电源控制信号提供给发射机的功率放大单元的方法，功率放大单元包括前置放大器和功率放大器，其中该方法包括：

检测前置放大器的输出以提供检测前置放大输出信号；

基于该检测前置放大输出信号产生开关电源控制信号；以及

通过提供开关电源控制信号给开关式电源产生电源电压信号。

16、根据权利要求15的方法，其中该方法进一步包括利用开关控制传递函数来基于检测前置放大输出信号产生开关电源控制信号。

17、根据权利要求15和16中任一个的方法，其中该方法进一步包括还利用配平信号产生开关电源控制信号，该配平信号被产生以补偿用于构建发射机的组件的公差。

18、根据权利要求15到17中任一个的方法，其中该方法包括产生开关电源控制信号，该开关电源控制信号进行开关操作来提供电源电压信号，以保持功率放大器在使用期间处于恒定压缩状态。

19、根据权利要求16的方法，其中该方法进一步包括基于对检测器的响应、开关式电源的控制曲线以及功率放大器对输入驱动的响应的表征来获得开关控制传递函数。

20、根据权利要求15到19中任一个的方法，其中该方法进一步包括提供增益控制信号给前置放大器，以限制功率放大单元的发射功率，其中基于检测前置放大输出信号、发射功率限制信号以及第二增益控制信号产生增益控制信号。

21、权利要求15到19的任一个的方法，其中该方法进一步包括基于电源电压信号提供增益校正信号，以及从自动增益控制(AGC)信号中减去增益校正信号，以产生前置放大器的增益控制信号。

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