南京邮电大学周岩教授团队:基于耦合电感协同控制的高带宽包络线跟踪电源设计

研究背景

ET 技术能根据输入射频信号的包络变化，实时调整供电电压，让 PA 始终工作在准饱和状态。射频包络信号的功率谱密度（PSD）主要集中在中、低频部分，目前主流的ET电源利用高效率的开关变换器跟踪提供主要的功率分量，线性放大器用来补充少量的高频功率分量，使得整个系统兼具高效率与高线性度的优点。为了提升开关变换器的跟踪带宽能力，ET电源通常需要构造多个不同电感量的开关电路（SC）来响应不同带宽的跳变信号，因此存在电路结构复杂、成本高等不足。

论文所解决的问题及意义

本文提出了使用耦合线圈代替分立电感的ET电源方案。详细研究了高带宽开关变换器电感设计原理及其对应的跟踪控制策略，通过在磁环上绕制不同匝数的线圈配置耦合电感，根据信号跳变率范围划分电感工作区间。与采用分立电感相比，实验结果表明所提耦合电感方案在实现拓宽ET电源开关变换器跟踪带宽、提高拟合精度和电源效率等方面具有显著优势。

论文方法及创新点

本文以并联型ET架构电源为例，其中SC电路由低带宽SC与高带宽 SC两部分组成，如图 1a 所示。低带宽SC采用滞环比较器控制追踪低频功率分量，高带宽 SC 根据电压变化率所在区间选择导通支路。图 1b 所示为射频功放供电电流叠加模型。

（a）并联混合型 ET架构

（b）射频功放供电电流叠加模型

图1 ET电源架构

在 IEEE 802.11a 协议下，基带信号在 QAM64和 64 路子载波 OFDM 等调制策略下生成射频输出信号，其归一化概率密度分布如图 2 所示。射频信号的 SR 分布广泛，为了获取较好的拟合精度，理论上需要若干电感值来拟合压摆率。为了降低设计的复杂度，将图2所示压摆率分割成若干典型区间。在某一区间内采用单一电感量，通过调整不同电感所覆盖的区间来获取最优的拟合精度与电源效率。

图2 包络压摆率归一化概率密度分布

采用耦合电感的方式可以实现利用少量的开关电路配置产生多个电感量。在单一个磁环上，可以根据所划分的压摆率区间设计绕组数量，根据需要的电感值调节匝数。同时，耦合线圈并联工作时会产生互感现象，与分立电感相比，耦合电感的并联等效电感值要小得多。因此耦合电感既可以拟合低压摆率包络信号，又可以用并联后的小电感跟踪高压摆率的跳变信号，进一步提高了包络线跟踪拟合精度。

图3 并联选择电路

图4a为所构建的ET电源样机，图4b示出了所对于的实验波形。与采用分立电感方式相比，相同工作条件下耦合电感包络线跟踪电源最高效率由 73.86%提升到 80.83%。

（a）ET原理样机

（b）实验波形

图4 实验验证

结论

随着 5G 网络向毫米波、Massive MIMO 持续演进，对PA的效率要求越来越高。ET供电技术不仅能帮助运营商降低基站能耗成本，而且在低轨卫星等依赖太阳能供电的功率受限场景极具应用价值。与采用传统分立电感ET电源相比，采用耦合电感协同控制的包络线跟踪电源架构更具有效率和成本优势。

南京邮电大学高频电力电子研究中心拥有教授1名、副教授1名和讲师3名。近年来，该团队完成了多个国家、省部级和企业的研究项目。

周岩

博士生导师，主要从事射频功放包络供电技术、无线供电技术、电力气象与新能源发电等创新性研究。