引言

　　能源危機(jī)日益迫近以及人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的期望日益增高，對(duì)高效無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)來(lái)說(shuō)節(jié)能至關(guān)重要。功率放大器(PA)是基站和中繼器的，其功耗可能占基站總功耗的一半。對(duì)功率放大器進(jìn)行監(jiān)控不僅可以提高功效、降低運(yùn)營(yíng)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(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，進(jìn)而提高可靠性和可維護(hù)性。

　　ADI公司提供三種PA監(jiān)測(cè)器實(shí)現(xiàn)方案：一種是分立器件方案，一種是基于AD729422的12位的集成型監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的方案，以及一種基于ADuC7026高模擬微控制器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。AD7294的優(yōu)點(diǎn)是集成度高、成本低且可靠性高，但缺點(diǎn)是需要使用外部微控制器(MCU)來(lái)實(shí)現(xiàn)PA監(jiān)控功能。ADuC7026與AD7294具有很多相同的優(yōu)點(diǎn)，主要的區(qū)別是ADuC7026包含MCU。另外，ADuC7026支持外部同步采樣，這個(gè)特性在TD-SCDMA應(yīng)用中很有用。

　　本文介紹了一個(gè)基于ADuC7026實(shí)現(xiàn)功率放大器監(jiān)控的參考設(shè)計(jì)，功能包括設(shè)置輸出功率、監(jiān)測(cè)電壓駐波比(VSWR)、監(jiān)測(cè)橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)場(chǎng)效應(yīng)管的漏極電流和溫度，并在某個(gè)參數(shù)超過(guò)預(yù)定的閾值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

　　功率放大器簡(jiǎn)介

　　在給定失真率條件下，能產(chǎn)生功率輸出以驅(qū)動(dòng)某一負(fù)載(例如揚(yáng)聲器)的放大器。利用三極管的電流控制作用或場(chǎng)效應(yīng)管的電壓控制作用將電源的功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號(hào)變化的電流。因?yàn)槁曇羰遣煌穹筒煌l率的波，即交流信號(hào)電流，三極管的集電極電流永遠(yuǎn)是基極電流的β倍，β是三極管的交流放大倍數(shù)，應(yīng)用這一點(diǎn)，若將小信號(hào)注入基極，則集電極流過(guò)的電流會(huì)等于基極電流的β倍，然后將這個(gè)信號(hào)用隔直電容隔離出來(lái)，就得到了電流（或電壓）是原先的β倍的大信號(hào)，這現(xiàn)象成為三極管的放大作用。經(jīng)過(guò)不斷的電流及電壓放大，就完成了功率放大。

　　功率放大器，簡(jiǎn)稱“功放”。很多情況下主機(jī)的額定輸出功率不能勝任帶動(dòng)整個(gè)音響系統(tǒng)的任務(wù)，這時(shí)就要在主機(jī)和播放設(shè)備之間加裝功率放大器來(lái)補(bǔ)充所需的功率缺口，而功率放大器在整個(gè)音響系統(tǒng)中起到了“組織、協(xié)調(diào)”的樞紐作用，在某種程度上主宰著整個(gè)系統(tǒng)能否提供良好的音質(zhì)輸出。

　　　功率放大器原理

　　高頻功率放大器用于發(fā)射機(jī)的末級(jí)，作用是將高頻已調(diào)波信號(hào)進(jìn)行功率放大，以滿足發(fā)送功率的要求，然后經(jīng)過(guò)天線將其輻射到空間，保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)可以接收到滿意的信號(hào)電平，并且不干擾相鄰信道的通信。高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種，窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱為調(diào)諧功率放大器或諧振功率放大器；寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，因此又稱為非調(diào)諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出。

　　功率放大器可靠性的新標(biāo)準(zhǔn)

　　近年來(lái)，功率放大器制造商一直在努力解決產(chǎn)品可靠性的問(wèn)題，他們所取得的成果也各有不同。2001年，廠商開(kāi)始將功率控制功能與功率放大器整合在一起，這種做法使得生產(chǎn)良率大幅改善。新技術(shù)的出現(xiàn)通常會(huì)以五年為周期，因此現(xiàn)在應(yīng)該是出現(xiàn)另一波創(chuàng)新高潮的時(shí)刻。

　　移動(dòng)電話對(duì)于散熱要求日益嚴(yán)格，這是因?yàn)樾盘?hào)傳輸過(guò)程的負(fù)載周期很大，廠商還可能將多只天線整合到手機(jī)內(nèi)。產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)的改變迫使廠商必須確保功率放大器不會(huì)受到溫度過(guò)高的影響。

　　功率放大器的可靠性需要進(jìn)一步改善。傳統(tǒng)的可靠性評(píng)估方式主要依賴有限的熱模型以及平均故障時(shí)間 （MTTF） 等統(tǒng)計(jì)資料，它們通常會(huì)以特定溫度下的平均故障時(shí)間來(lái)代表產(chǎn)品的可靠性，這種做法其實(shí)并不適當(dāng)，因?yàn)椴⒉恢缹?shí)際操作時(shí)的接合溫度。為了確保功率放大器的長(zhǎng)期操作可靠性，設(shè)計(jì)人員必須進(jìn)一步提升產(chǎn)品的品質(zhì)。

　　業(yè)界多半利用廣為接受的統(tǒng)計(jì)方法來(lái)預(yù)測(cè)功率放大器的可靠性。不幸的是，制造商在評(píng)估時(shí)所依據(jù)的參數(shù)卻可能有所不同，例如有些制造商只引用活化能（activation energy），有些則使用平均故障時(shí)間。然而可靠性是一種多面向的問(wèn)題，不能只由某種屬性來(lái)代表——想要了解產(chǎn)品可靠性，就必須了解可靠性的計(jì)算方式。Arrhenius方程式是組件可靠性的基本計(jì)算公式：

　　其中：

　　(1)t1=溫度T1的平均故障時(shí)間

　　(2)t2=溫度T2的平均故障時(shí)間

　　(3)Ea=活化能 （制程特性）

　　(4)T1=計(jì)算t1時(shí)的溫度（開(kāi)氏溫度）

　　(5)T2=計(jì)算t2時(shí)的溫度（開(kāi)氏溫度）

　　方程式（1）會(huì)根據(jù)已知的平均故障時(shí)間 （t1）、故障活化能 （Ea） 和故障溫度 （T1） 來(lái)計(jì)算溫度為T(mén)2時(shí)的平均故障時(shí)間 （t2）?；罨苁亲尠雽?dǎo)體組件出現(xiàn)特定故障現(xiàn)象的所需能量，方程式（1）經(jīng)過(guò)整理后可得到方程式 （2），它以平均故障時(shí)間 （MTTF） 來(lái)代表產(chǎn)品壽命。

　　高頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)有：輸出功率、效率、功率增益、帶寬和諧波抑制度（或信號(hào)失真度）等。這幾項(xiàng)指標(biāo)要求是互相矛盾的，在設(shè)計(jì)放大器時(shí)應(yīng)根據(jù)具體要求，突出一些指標(biāo)，兼顧其他一些指標(biāo)。例如實(shí)際中有些電路，防止干擾是主要矛盾，對(duì)諧波抑制度要求較高，而對(duì)帶寬要求可適當(dāng)降低等。功率放大器的效率是一個(gè)突出的問(wèn)題，其效率的高低與放大器的工作狀態(tài)有直接的關(guān)系。

　　系統(tǒng)框圖

　　圖1給出了PA監(jiān)測(cè)器的系統(tǒng)框圖。RF信號(hào)在經(jīng)由可變電壓衰減器(VVA)、ADL5323預(yù)驅(qū)動(dòng)器、功率放大器和雙向耦合器處理后，由天線發(fā)射出去。ADuC7026的片上MCU對(duì)PA模塊中兩級(jí)LDMOS的溫度和電流及PA模塊的前向和反向功率進(jìn)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(guò)用戶界面調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)。

圖1：系統(tǒng)框圖

　　PA監(jiān)測(cè)模塊

　　溫度監(jiān)測(cè)：功率放大器的功耗會(huì)影響其性能。PA某些時(shí)候工作在較高的靜態(tài)工作點(diǎn)，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(fèi)了能量，而且降低了可靠性。監(jiān)測(cè)PA的溫度，調(diào)整其靜態(tài)工作點(diǎn)可以使系統(tǒng)達(dá)到性能。

　　圖2給出了溫度監(jiān)測(cè)器的功能框圖，該系統(tǒng)使用ADT75數(shù)字溫度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)兩個(gè)LDMOS級(jí)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℃的數(shù)字信號(hào)，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(cè)器功能框圖

　　電流監(jiān)測(cè): ：控制PA的漏極電流，使其在溫度和時(shí)間變化時(shí)保持恒定，就可以極大地改善功放的總性能，同時(shí)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(gè)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(cè)器來(lái)測(cè)量LDMOS的漏極電流。如果連續(xù)地監(jiān)測(cè)漏極電流，當(dāng)在電源上出現(xiàn)電壓波動(dòng)時(shí)，操作人員可重新調(diào)整柵極電壓使LDMOS保持在工作點(diǎn)。

　　圖3給出了電流監(jiān)測(cè)器的功能框圖。該系統(tǒng)使用AD8211高壓高分流放大器來(lái)采集PA模塊中兩個(gè)LDMOS級(jí)的漏極電流。AD8211的增益為固定的20V/V，在整個(gè)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ADuC7026的片上ADC進(jìn)行采樣。漏極電流閾值由AD5243數(shù)字電位計(jì)設(shè)定，ADuC7026通過(guò)I22C總線對(duì)AD5243進(jìn)行控制。系統(tǒng)根據(jù)ADCMP600比較器的輸出來(lái)判定漏極電流是否超過(guò)或低于閾值。如果漏極電流超過(guò)閾值，系統(tǒng)點(diǎn)亮相應(yīng)的LED向操作人員報(bào)警。

圖3：電流監(jiān)測(cè)器功能框圖

　　圖4給出了溫度監(jiān)測(cè)程序的流程圖。在收到溫度檢測(cè)指令后，ADuC7026 MCU首先設(shè)置溫度檢測(cè)標(biāo)識(shí)，然后通過(guò)I2C?總線從ADT75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ADT75的過(guò)溫引腳(OS/ALERT)狀態(tài)，如果溫度超過(guò)了閾值，則點(diǎn)亮LED。在收到配置溫度閾值的指令時(shí)，ADuC7026從PC讀入配置數(shù)據(jù)并通過(guò)I2C總線把閾值溫度寫(xiě)入到ADT75。當(dāng)微控制器收到讀入溫度閾值的指令時(shí)，它從ADT75讀入閾值溫度并把它傳送到PC。

圖4：溫度監(jiān)測(cè)程序的流程圖

　　電壓駐波比(VSWR)監(jiān)測(cè): VSWR是天線系統(tǒng)的一個(gè)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(guò)大會(huì)導(dǎo)致發(fā)射出去的信號(hào)產(chǎn)生失真。因而，有必要監(jiān)測(cè)VSWR使基站具有性能。

　　圖5給出了VSWR監(jiān)測(cè)器的功能框圖。該系統(tǒng)使用雙向耦合器和AD8364雙通道TruPwr?檢測(cè)器來(lái)測(cè)量前向和反向功率。AD8364雙通道有效值RF功率測(cè)量子系統(tǒng)可地測(cè)量和控制信號(hào)的功率。AD8364靈活性強(qiáng)，可方便地對(duì)RF功率放大器、無(wú)線電收發(fā)器AGC電路和其它通訊系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)測(cè)和控制，其輸出可用于計(jì)算VSWR和監(jiān)測(cè)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(guò)調(diào)整PA增益或電源電壓對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。

圖5：VSWR監(jiān)測(cè)器功能框圖

　　自動(dòng)功率控制：根據(jù)通信系統(tǒng)的要求，發(fā)射機(jī)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(guò)小無(wú)法滿足網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)的覆蓋距離要求，而減少小區(qū)覆蓋范圍，又不會(huì)產(chǎn)生過(guò)強(qiáng)的輸出信號(hào)對(duì)相鄰基站造成干擾。由于過(guò)功率會(huì)引起功率放大器飽和并使信號(hào)發(fā)生非線性失真，系統(tǒng)應(yīng)提供過(guò)功率保護(hù)功能，保證功率放大器不工作在過(guò)功率條件下。基于上述原因，必須對(duì)輸出功率進(jìn)行測(cè)量和控制以使之保持穩(wěn)定。

　　圖6給出了自動(dòng)功率控制回路的功能框圖，該回路包含雙向耦合器、TruPwr檢測(cè)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TruPwr檢測(cè)器，檢測(cè)器跟蹤信號(hào)幅度的變化。ADuC7026的片上ADC對(duì)檢測(cè)器的輸出采樣。微控制器比較輸出功率的實(shí)際值與期望值，并使用PID算法來(lái)調(diào)整控制電壓偏差，使功率放大器工作在性能的工作點(diǎn)上。

圖6：自動(dòng)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(duì)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(jì)算出輸出功率的期望值與實(shí)際值之差，以及下一個(gè)期望采樣值和控制電壓，并對(duì)DAC寄存器進(jìn)行配置。這樣就完成了一個(gè)采樣和控制過(guò)程周期，這個(gè)過(guò)程不斷循環(huán)。

圖7：PID算法的流程圖

　　用戶界面

　　UI主要用來(lái)提供人機(jī)交互界面，實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)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(yùn)行后，首先要打開(kāi)串行端口并啟動(dòng)通訊鏈接。然后，可以選擇各功能模塊進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

圖8：UI控制的流程圖

　　圖9給出了一個(gè)溫度測(cè)試結(jié)果。用戶可以隨時(shí)改變高溫和低溫閾值。在本例中，高溫閾值從35℃改到31℃。當(dāng)環(huán)境溫度上升到新閾值之上時(shí)，過(guò)溫警報(bào)燈變紅，PC發(fā)出連續(xù)的警鈴聲。

圖9：用于顯示溫度測(cè)試結(jié)果的界面

　　硬件連接

　　圖10給出了PA監(jiān)測(cè)器的演示電路板的連接圖。主板由6V適配器供電，它與PC機(jī)之間通過(guò)串口線相連，以便下位機(jī)ADuC7026與上位機(jī)PC通信;通過(guò)ADF4252評(píng)估板產(chǎn)生的RF信號(hào)，連接到主控板的RF信號(hào)輸入端，而后通過(guò)如下鏈路輸出：RF輸入→可調(diào)衰減器AV103→PA前級(jí)驅(qū)動(dòng)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(píng)估板的輸出頻率通過(guò)PC機(jī)控制，PC與ADF4252之間通過(guò)一根并口轉(zhuǎn)串口的電纜連接。

圖10：PA監(jiān)測(cè)器演示電路板的硬件連接

　　結(jié)論

　　蜂窩基站(GSM、EDGE、UMTS、CDMA、TD-SCDMA)、點(diǎn)到多點(diǎn)和其它RF傳輸系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)和控制PA提供了一個(gè)集成的解決方案作為參考設(shè)計(jì)。利用ADI公司的高模擬微控制器ADuC7026實(shí)現(xiàn)PA監(jiān)測(cè)器應(yīng)用可以增加靈活性，因?yàn)樗哂卸嗤ǖ栏咝阅?2位ADC和DAC，以及片上可編程邏輯陣列(PLA)。其AD轉(zhuǎn)換可通過(guò)外部轉(zhuǎn)換輸入或PLA轉(zhuǎn)換輸出來(lái)啟動(dòng)，這個(gè)特性對(duì)需使用同步信號(hào)對(duì)前向功率進(jìn)行采樣的TD-SCDMA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(jiǎn)潔地實(shí)現(xiàn)各種邏輯。而且各種算法，例如PID控制、VSWR監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)和電流監(jiān)測(cè)等算法都可通過(guò)ADuC7026來(lái)實(shí)現(xiàn)，無(wú)需使用其它控制器。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，這個(gè)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。