以模拟微控制器为核心构成低成本高效率的功率放大器监测器

引言

考虑到日益迫近的全球能源危机和人们对环境保护的期望日益增高,节能对高效无线网络的运营至关重要。功率放大器(PA)是基站和 中继器的核心,其功耗可能占基站总功耗的一半。对功率放大器进行监控不仅可以提高功效、降低运营成本、提高输出功率和线性度, 而且可以使系统操作人员及时发现和解决问题,进而提高可靠性和可维护性。

ADI公司提供三种 PA监测器1实现方案:一种是分立器件方案,一种是基于 AD72942 的 12位的集成型监测和控制系统的方案,以及一种基于 ADuC7026 高精度 模拟微控制器3的集成型方案。分立方案需要使用的器件较多,而且 PCB布局复杂,PCB面积也较大,这些因素都导致较高的成本。A D7294的优点是集成度高、成本低且可靠性高,但缺点是需要使用外部微控制器(MCU)来实现PA监控功能。 A DuC7026与A D7294具有很多相同的优点,主要的区别是A DuC7026包含MCU。另外,ADuC7026支持外部同步采样,这个特性在TD-SCDMA应用中很有用。

本文介绍了一个基于A DuC7026实现功率放大器监控的参考设计,功能包括设置输出功率、监测电压驻波比(VSW R)、监测横向扩散金属氧化物半导体 (L DMOS)场效应管的漏极电流和温度,并在某个参数超过预定的阈值时发出报警信号。

系统框图

图1给出了PA监测器的系统框图。RF信号在经由可变电压衰减器(VVA)、 ADL5323 预驱动器、功率放大器和双向耦合器处理后,由天线发射出去。A DuC7026的片上MCU对PA模块中两级LDMOS的温度和电流及PA模块的前向和反向功率进行采样。 MCU把采样数据发送到PC以便在用户界面(UI)上显示。操作人员可通过用户界面调整系统参数。

Figure 1
图1. 系统框图

PA监测模块

温度监测: 功率放大器的功耗会影响其性能。PA某些时候工作在较高的静态工作点,但输出功率较低。大量的能量在LDMOS器件上被 转换成热量,这不仅浪费了能量,而且降低了可靠性。监测PA的温度,调整其静态工作点可以使系统达到最佳性能

图2给出了温度监测器的功能框图,该系统使用 ADT75 数字温度传感 器来监测两个LDMOS级的温度。ADT75(有8引脚MSOP和SOIC封装形式可供选择)把温度转化成分辨率为0.0625°C的 数字信号,其关断模式可将电源电流降低到3μA(典型值)。

Figure 2
图2. 温度监测器功能框图。

图3给出了温度监测程序的流程图。在收到温度检测指令后,A Du C7026 MCU首先设置温度检测标识,然后通过I2C®总线从A DT75 读出温度数据,并把该数据发送到PC。接着,程序检查A DT75的过温引脚(O S/ALERT)状态,如果温度超过了阈值,则点亮LED。在收到配 置温度阈值的指令时, A DuC7026从PC读入配置数据并通过I2C总线把阈值温度写入到A DT75。当微控制器收到读入温度阈值的指令时,它从ADT75读入阈值温度并把它传送到PC。

Figure 3
图3. 温度监测程序的流程图

电流监测: 控制PA的漏极电流,使其在温度和时间变化时保持恒定,就可以极大地改善功放的总性能,同时又可确保功放工作在调整的 输出功率范围之内。影响PA漏极电流的两个主要因素是PA的高压供电线的变化和片上温度的变化。PA晶体管的漏极电压很容易受高压供电线变化的影响。我们可以用高电压分流监测器来测量LDMOS的漏极电流。如果连续地监测漏极电流,当在电源上出现电压波动时,操作人员可重新调整栅极电压使LDMOS保持在最佳工作点。

图4给出了电流监测器的功能框图。该系统使用A D 8211高压高精度分流放大器来采集PA模块中两个LDMOS级的漏极电流。A D 8211的增益为固定的20V/ V,在整个工作温度范围内的增益误差为±0.5%(典型值 )。 AD8211 缓存的输出电压直接输出到模数转换器,由A DuC7026 的片上ADC进行采样。漏极电流阈值由A D5243数字电位计设定,A DuC7026通过I2C总线对 AD5243 进行控制。 系统根据 ADCMP600 比较器的输出来判定漏极电流是否超过或低于阈值。如果漏极电流超过 阈值,系统点亮相应的LED向操作人员报警。

Figure 4
图4. 电流监测器功能框图。

电压驻波比(VSWR)监测: VSWR是天线系统的一个关键参数,它反映天线系统中元件之间的匹配程度。反向功率影响PA的输出功率,反 向功率过大会导致发射出去的信号产生失真。因而,有必要监测VSWR使基站具有最优性能。

图5给出了VSWR监测器的功能框图。该系统使用双向耦合器和 AD8364 双通道TruP wr检测器来测量前向和反向功率。AD8364双通道有效值RF功率测量子系统可精确地测量和控制信号的功率。A D8364 灵活性强,可方便地对RF功率放大器、无线电收发器AGC电路和其它通讯系统实施监测和控制,其输出可用于计算VSWR和监测传输线的匹配度。较大的VSWR 值表明天线出现故障,操作人员应通过调整PA增益或电源电压对系统进行保护。

Figure 5
图5. VSWR监测器功能框图。

自动功率控制: 根据通信系统的要求,发射机必须确保功率放大器能满足发射的需要,调整基站发射功率保持在精准值,控制输出功 率在覆盖允许范围内,不至过小无法满足网络规划时的覆盖距离要求,而减少小区覆盖范围,又不会产生过强的输出信号对相邻基站 造成干扰。由于过功率会引起功率放大器饱和并使信号发生非线性失真,系统应提供过功率保护功能,保证功率放大器不工作在过功率条件下。基于上述原因,必须对输出功率进行测量和控制以使之保持稳定。

图6给出了自动功率控制回路的功能框图,该回路包含双向耦合器、TruP wr检测器、微控制器和可变电压衰减器。双向耦合器把前向功率传送到TruP wr 检测器,检测器跟踪信号幅度的变化。A DuC7026的片上ADC对检测器的输出采样。微控制器比较输出功率的实际值与期望值,并使用PID 算法来调整控制电压偏差,使功率放大器工作在性能最佳的工作点上。

Figure 6
图6. 自动功率控制回路的功能框图

图7给出了PID算法的流程图。首先,该程序设定初始控制参数Kp、Ki和Kd并设定输出功率的期望值。然后, ADC对AD8364的输出采样,采样得到的数据经滤波后转换成功率。程序根据系统的传递函数计算出输出功率的期望值与实际值之差,以及下一个期望采样值和控制电压,并对 DAC寄存器进行配置。这样就完成了一个采样和控制过程周期,这个过程不断循环。

Figure 7
图7. PID算法的流程图

用户界面

UI主要用来提供人机交互界面,实时显示检测数据,并响应操作员的输入命令。图8给出了用户界面程序的流程图。程序运行后,首先 要打开串行端口并启动通讯链接。然后,可以选择各功能模块进行监测和控制

Figure 8
图8. UI控制的流程图。

图9给出了一个温度测试结果。用户可以随时改变高温和低温阈值。在本例中,高温阈值从35°C改到31°C。当环境温度上升到新阈值之上时,过温警报灯变红,PC发出连续的警铃声。

Figure 9
图 9. 用于显示温度测试结果的界面。

硬件连接

图10给出了PA监测器的演示电路板的连接图。主板由6V适配器供电,它与PC机之间通过串口线相连,以便下位机ADuC7026与上位机PC通信;通过 ADF4252 评估板产生的RF信号,连接到主控板的RF信号输入端,而后通过如下链路输出: RF输入→可调衰减器A V103→PA前级驱动功率放大器ADL5323→双定向耦合器ZABDC10-25HP→RF输出→频谱仪Agilent 4396B。其中ADF4252评估板的输出频率通过 PC机控制,PC与ADF4252之间通过一根并口转串口的电缆连接。

Figure 10
图 10. PA监测器演示电路板的硬件连接。

结论

T该参考 设计为在蜂窝基站(GSM、EDGE、UMTS、CDMA、TD-SCDMA),点到多点和其它RF传输系统中监测和控制PA提供了一个集成的解决方案。利用ADI 公司的高精度模拟微控制器A DuC7026实现PA监测器应用可以增加灵活性,因为它具有多通道高性能12位ADC和DAC,以及片上可编程逻辑阵列(PL A)。其 AD转换可通过外部转换输入或PLA转换输出来启动,这个特性对需使用同步信号对前向功率进行采样的TD-SCDM A应用系统很有帮助。PLA 集成到芯片上的好处非常明显:用户可以根据要求轻松、简洁地实现各种逻辑。而且各种算法,例如PID控制、VSWR监测、温度监测和电流监测等算法都可通 过ADuC7026来实现,无需使用其它控制器。从系统设计的角度来看,这个集成解决方案可节省PCB面积、方便PCB布局,降低系统成本并提高系统可靠性。


参考电路

1www.analog.com/cn/analog-dialogue/articles/power-amplifier-control-in-base-stations.html.

2 www.analog.com网站提供 ADI公司所有产品的说明书和进一步的产品信息。

3www.analog.com/cn/products/processors-dsp/analog-microcontrollers.html.

作者

Neil-Zhao

Neil Zhao

Neil Zhao has worked as a field applications engineer with the China Applications Support Team at ADI for one year. He provides technical support for horizontal analog products across China. In January 2008, Neil graduated from Beihang University with a master’s degree in communications and information systems. He has published several articles.

Mariah-Nie

Mariah Nie

Mariah Nie 是ADI公司中国技术支持中心经理,在ADI有5年的工作经历,负责向中国用户就ADI的模拟产品提供技术支持。她于2003年获北京理工大学电子工程专业硕士学位

Ning Jia

Ning Jia

Ning Jia 是ADI亚洲客户应用中心的一名应用工程师,负责整个亚洲地区关于众多模拟产品的技术支持。Ning毕业于北京邮电大学,获得信号与信息处理硕士学位,于2007年加入ADI。