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多级电压电流混合补偿的跟踪电源研究

作　者: 刘明雨
导　师: 张东来
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电气工程
关键词: 跟踪电源电压电流混合补偿多级电流源独立开关 BUCK-BOOST 概率模型
分类号: TN86
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 22次
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内容摘要

论文提出了一种跟踪电源的设计方案，用于射频功率放大器的效率提升。EER和ET是效率提升的两种主要方法，其共同的设计核心是高频高精度的跟踪电源（也称为包络放大器）。根据前沿文献中跟踪电源的设计方案，按照输出不同分成滤波器和线性电路两大类，又根据主电路组成分为若干子类，每种方法都有文献支撑。论文只从原理上分析总结各种技术的优缺点，而不是根据文献中所声明的成果，避免因为工艺水平和年代的差异造成错误判断。根据原理分析，选定开关电路补偿线性功率放大器方案，避免了滤波器模式下开关频率、纹波、跟踪带宽之间的矛盾。借鉴多电平的思想，将普通的电流补偿改造为多级电流源补偿以降低开关频率。接着将多级电流源补偿和多级电压源补偿（也称多电平供电）相结合提出了一种多级电压电流混合补偿的方案，能够显著减少线性功率放大器的热损耗，提高整体效率。一种基于概率密度函数的数学模型被提出以分析混合补偿下线性环节的热损耗和整体效率。该模型采用归一化简化计算，利用图示法直观描述补偿方式，使用待跟踪信号的概率密度函数和分段积分计算输入和输出功率。利用偏微分求极值的方法，求得特定概率分布和补偿策略下对应效率最高时补偿点的设置方法，并对比了不同设置下的效率情况。此外一种类似的离散模型也被提出，便于实用和计算机计算，并对多电平补偿进行了实例离散化分析。论文介绍了多级电压电流混合补偿线性功放拓扑的详细设计方法。首先介绍线性功放的不同设计方案，选取基于大功率线性射频N-MOS的方案，以达到高频高功率。然后介绍了多级补偿的控制器，分为纯开环和电流闭环两个方案。接着重点介绍了多级开关电流源的设计方法，改造了独立开关的BUCK-BOOST拓扑，有效构成阶梯状电流源，并利用同步开关管提高效率，利用P-MOS简化驱动。此外介绍了多级电压源的设计方法，比较了几种可选的电压源方案，分析了多电平选通环节的工作原理。论文包括一系列相关实验。通过两种复现型的实验，比较了滤波器方案和线性调节方案。然后利用实验证实了多级电流源补偿能大幅提高效率。最后介绍研制的实验样机，多级电压补偿下达到1MHz的跟踪频率，线性环节能耗减至1/2，混合补偿达到500kHz的跟踪频率，线性环节能耗减至1/6。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-22
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  9-11
    1.1.1 线性射频功率放大器主要缺陷  9
    1.1.2 射频电源效率改善方法  9-11
  1.2 跟踪电源国内外研究现状  11-21
    1.2.1 普通 PWM 调制型跟踪电源  11-13
    1.2.2 多相型（Multi-Phase）跟踪电源  13-14
    1.2.3 多电平型（Multi-Level）跟踪电源  14-16
    1.2.4 线性电源和开关电源协同工作型（Switch-Linear Hybrid）  16-20
    1.2.5 各类型跟踪电源总结  20-21
  1.3 本文的主要内容安排  21-22
第2章整体方案设计  22-29
  2.1 引言  22
  2.2 待选方案比较与分析  22-23
  2.3 基础拓扑设计  23-25
    2.3.1 多级电流源补偿  23-24
    2.3.2 多电平和多级电流源混合补偿  24-25
    2.3.3 基础拓扑设计流程  25
  2.4 相关复现型实验综述  25-28
    2.4.1 两相同步 BUCK 跟踪电源  25-27
    2.4.2 电流滞环补偿线性功放跟踪电源  27-28
  2.5 本章小结  28-29
第3章基于概率模型的热损耗分析  29-39
  3.1 引言  29
  3.2 模型介绍  29-33
    3.2.1 模型分析基于的基本假设  29-30
    3.2.2 模型图示方法介绍  30
    3.2.3 节能原理分析  30-31
    3.2.4 补偿策略概述  31-33
  3.3 效率分析  33-36
    3.3.1 特定波形下无补偿效率分析  33-34
    3.3.2 不同补偿策略下的效率分析  34-36
  3.4 分段离散化分析方法  36-38
    3.4.1 分段离散化分析方法介绍  36-37
    3.4.2 分段离散化分析计算方法  37
    3.4.3 一个效率分析实例（非理想状态）  37-38
  3.5 本章小结  38-39
第4章线性环节及多级补偿控制器的设计  39-47
  4.1 引言  39
  4.2 线性环节设计  39-42
    4.2.1 大功率运算放大器方案  40
    4.2.2 三极管射极跟随器方案  40-41
    4.2.3 基于高频线性 N-MOS 方案  41-42
  4.3 多级控制环节设计  42-43
    4.3.1 电压电流全开环  42
    4.3.2 电压开环电流闭环  42-43
  4.4 相关实验  43-46
    4.4.1 基于高频 N-MOS 的跟踪电源实验验  43-45
    4.4.2 全开环控制器测试  45-46
  4.5 本章小结  46-47
第5章多级电流源设计  47-58
  5.1 引言  47
  5.2 开关恒流源基础拓扑与实现  47-50
    5.2.1 开关恒流源基础拓扑介绍与分析  47-48
    5.2.2 开关恒流源拓扑实现  48-50
  5.3 开关恒流源电流检测及辅助环节设计  50-53
    5.3.1 电流检测方案设计  50-52
    5.3.2 相关辅助环节设计  52-53
  5.4 多级电流源及跟踪实验  53-57
    5.4.1 可控切入的开关电流源实验  53-55
    5.4.2 多级电流源实验  55-56
    5.4.3 多级电流源补偿线性环节跟踪实验  56-57
  5.5 本章小结  57-58
第6章多级电压源设计及混合补偿实验  58-68
  6.1 引言  58
  6.2 多级电压源设计  58-61
    6.2.1 恒压源拓扑选择  58-60
    6.2.2 多级电压源选通输出环节的设计  60-61
  6.3 多级电压补偿线性功放的跟踪电源实验  61-64
    6.3.1 多级电压源实验  61-62
    6.3.2 多级电压补偿线性电路跟踪实验  62-64
  6.4 多级电压电流混合补偿线性功放的跟踪电源实验  64-67
    6.4.1 混合补偿下跟踪性能实验  65-66
    6.4.2 混合补偿下线性环节功耗实验  66
    6.4.3 混合补偿下跟踪线性度实验  66-67
  6.5 本章小结  67-68
结论  68-69
参考文献  69-74
致谢  74

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