引言

　　能源危機日益迫近以及人們對環(huán)境保護的期望日益增高，對高效無線網(wǎng)絡(luò)的運營來說節(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。對功率放大器進行監(jiān)控不僅可以提高功效、降低運營成本、提高輸出功率和線性度，而且可以使系統(tǒng)操作人員及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，進而提高可靠性和可維護性。

　　ADI公司提供三種PA監(jiān)測器實現(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)點是集成度高、成本低且可靠性高，但缺點是需要使用外部微控制器(MCU)來實現(xiàn)PA監(jiān)控功能。ADuC7026與AD7294具有很多相同的優(yōu)點，主要的區(qū)別是ADuC7026包含MCU。另外，ADuC7026支持外部同步采樣，這個特性在TD-SCDMA應(yīng)用中很有用。

　　本文介紹了一個基于ADuC7026實現(xiàn)功率放大器監(jiān)控的參考設(shè)計，功能包括設(shè)置輸出功率、監(jiān)測電壓駐波比(VSWR)、監(jiān)測橫向擴散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)場效應(yīng)管的漏極電流和溫度，并在某個參數(shù)超過預(yù)定的閾值時發(fā)出報警信號。

　　功率放大器簡介

　　在給定失真率條件下，能產(chǎn)生功率輸出以驅(qū)動某一負(fù)載(例如揚聲器)的放大器。利用三極管的電流控制作用或場效應(yīng)管的電壓控制作用將電源的功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號變化的電流。因為聲音是不同振幅和不同頻率的波，即交流信號電流，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，若將小信號注入基極，則集電極流過的電流會等于基極電流的β倍，然后將這個信號用隔直電容隔離出來，就得到了電流（或電壓）是原先的β倍的大信號，這現(xiàn)象成為三極管的放大作用。經(jīng)過不斷的電流及電壓放大，就完成了功率放大。

　　功率放大器，簡稱“功放”。很多情況下主機的額定輸出功率不能勝任帶動整個音響系統(tǒng)的任務(wù)，這時就要在主機和播放設(shè)備之間加裝功率放大器來補充所需的功率缺口，而功率放大器在整個音響系統(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)射機的末級，作用是將高頻已調(diào)波信號進行功率放大，以滿足發(fā)送功率的要求，然后經(jīng)過天線將其輻射到空間，保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收機可以接收到滿意的信號電平，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，功率放大器制造商一直在努力解決產(chǎn)品可靠性的問題，他們所取得的成果也各有不同。2001年，廠商開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)新高潮的時刻。

　　移動電話對于散熱要求日益嚴(yán)格，這是因為信號傳輸過程的負(fù)載周期很大，廠商還可能將多只天線整合到手機內(nèi)。產(chǎn)業(yè)趨勢的改變迫使廠商必須確保功率放大器不會受到溫度過高的影響。

　　功率放大器的可靠性需要進一步改善。傳統(tǒng)的可靠性評估方式主要依賴有限的熱模型以及平均故障時間 （MTTF） 等統(tǒng)計資料，它們通常會以特定溫度下的平均故障時間來代表產(chǎn)品的可靠性，這種做法其實并不適當(dāng)，因為并不知道實際操作時的接合溫度。為了確保功率放大器的長期操作可靠性，設(shè)計人員必須進一步提升產(chǎn)品的品質(zhì)。

　　業(yè)界多半利用廣為接受的統(tǒng)計方法來預(yù)測功率放大器的可靠性。不幸的是，制造商在評估時所依據(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間。然而可靠性是一種多面向的問題，不能只由某種屬性來代表——想要了解產(chǎn)品可靠性，就必須了解可靠性的計算方式。Arrhenius方程式是組件可靠性的基本計算公式：

　　其中：

　　(1)t1=溫度T1的平均故障時間

　　(2)t2=溫度T2的平均故障時間

　　(3)Ea=活化能 （制程特性）

　　(4)T1=計算t1時的溫度（開氏溫度）

　　(5)T2=計算t2時的溫度（開氏溫度）

　　方程式（1）會根據(jù)已知的平均故障時間 （t1）、故障活化能 （Ea） 和故障溫度 （T1） 來計算溫度為T2時的平均故障時間 （t2）。活化能是讓半導(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)過整理后可得到方程式 （2），它以平均故障時間 （MTTF） 來代表產(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（或信號失真度）等。這幾項指標(biāo)要求是互相矛盾的，在設(shè)計放大器時應(yīng)根據(jù)具體要求，突出一些指標(biāo)，兼顧其他一些指標(biāo)。例如實際中有些電路，防止干擾是主要矛盾，對諧波抑制度要求較高，而對帶寬要求可適當(dāng)降低等。功率放大器的效率是一個突出的問題，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)測器的系統(tǒng)框圖。RF信號在經(jīng)由可變電壓衰減器(VVA)、ADL5323預(yù)驅(qū)動器、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PA模塊中兩級LDMOS的溫度和電流及PA模塊的前向和反向功率進行采樣。MCU把采樣數(shù)據(jù)發(fā)送到PC以便在用戶界面(UI)上顯示。操作人員可通過用戶界面調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)。

圖1：系統(tǒng)框圖

　　PA監(jiān)測模塊

　　溫度監(jiān)測：功率放大器的功耗會影響其性能。PA某些時候工作在較高的靜態(tài)工作點，但輸出功率較低。大量的能量在LDMOS器件上被轉(zhuǎn)換成熱量，這不僅浪費了能量，而且降低了可靠性。監(jiān)測PA的溫度，調(diào)整其靜態(tài)工作點可以使系統(tǒng)達(dá)到性能。

　　圖2給出了溫度監(jiān)測器的功能框圖，該系統(tǒng)使用ADT75數(shù)字溫度傳感器來監(jiān)測兩個LDMOS級的溫度。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，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)測器功能框圖

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

　　圖3給出了電流監(jiān)測器的功能框圖。該系統(tǒng)使用AD8211高壓高分流放大器來采集PA模塊中兩個LDMOS級的漏極電流。AD8211的增益為固定的20V/V，在整個工作溫度范圍內(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進行采樣。漏極電流閾值由AD5243數(shù)字電位計設(shè)定，ADuC7026通過I22C總線對AD5243進行控制。系統(tǒng)根據(jù)ADCMP600比較器的輸出來判定漏極電流是否超過或低于閾值。如果漏極電流超過閾值，系統(tǒng)點亮相應(yīng)的LED向操作人員報警。

圖3：電流監(jiān)測器功能框圖

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

圖4：溫度監(jiān)測程序的流程圖

　　電壓駐波比(VSWR)監(jiān)測: VSWR是天線系統(tǒng)的一個關(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，反向功率過大會導(dǎo)致發(fā)射出去的信號產(chǎn)生失真。因而，有必要監(jiān)測VSWR使基站具有性能。

　　圖5給出了VSWR監(jiān)測器的功能框圖。該系統(tǒng)使用雙向耦合器和AD8364雙通道TruPwr?檢測器來測量前向和反向功率。AD8364雙通道有效值RF功率測量子系統(tǒng)可地測量和控制信號的功率。AD8364靈活性強，可方便地對RF功率放大器、無線電收發(fā)器AGC電路和其它通訊系統(tǒng)實施監(jiān)測和控制，其輸出可用于計算VSWR和監(jiān)測傳輸線的匹配度。較大的VSWR值表明天線出現(xiàn)故障，操作人員應(yīng)通過調(diào)整PA增益或電源電壓對系統(tǒng)進行保護。

圖5：VSWR監(jiān)測器功能框圖

　　自動功率控制：根據(jù)通信系統(tǒng)的要求，發(fā)射機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)，不至過小無法滿足網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時的覆蓋距離要求，而減少小區(qū)覆蓋范圍，又不會產(chǎn)生過強的輸出信號對相鄰基站造成干擾。由于過功率會引起功率放大器飽和并使信號發(fā)生非線性失真，系統(tǒng)應(yīng)提供過功率保護功能，保證功率放大器不工作在過功率條件下。基于上述原因，必須對輸出功率進行測量和控制以使之保持穩(wěn)定。

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

圖6：自動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)計算出輸出功率的期望值與實際值之差，以及下一個期望采樣值和控制電壓，并對DAC寄存器進行配置。這樣就完成了一個采樣和控制過程周期，這個過程不斷循環(huán)。

圖7：PID算法的流程圖

　　用戶界面

　　UI主要用來提供人機交互界面，實時顯示檢測數(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。程序運行后，首先要打開串行端口并啟動通訊鏈接。然后，可以選擇各功能模塊進行監(jiān)測和控制。

圖8：UI控制的流程圖

　　圖9給出了一個溫度測試結(jié)果。用戶可以隨時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，過溫警報燈變紅，PC發(fā)出連續(xù)的警鈴聲。

圖9：用于顯示溫度測試結(jié)果的界面

　　硬件連接

　　圖10給出了PA監(jiān)測器的演示電路板的連接圖。主板由6V適配器供電，它與PC機之間通過串口線相連，以便下位機ADuC7026與上位機PC通信;通過ADF4252評估板產(chǎn)生的RF信號，連接到主控板的RF信號輸入端，而后通過如下鏈路輸出：RF輸入→可調(diào)衰減器AV103→PA前級驅(qū)動功率放大器ADL5323→雙定向耦合器ZABDC10-25HP→RF輸出→頻譜儀Agilent 4396B。其中ADF4252評估板的輸出頻率通過PC機控制，PC與ADF4252之間通過一根并口轉(zhuǎn)串口的電纜連接。

圖10：PA監(jiān)測器演示電路板的硬件連接

　　結(jié)論

　　蜂窩基站(GSM、EDGE、UMTS、CDMA、TD-SCDMA)、點到多點和其它RF傳輸系統(tǒng)中監(jiān)測和控制PA提供了一個集成的解決方案作為參考設(shè)計。利用ADI公司的高模擬微控制器ADuC7026實現(xiàn)PA監(jiān)測器應(yīng)用可以增加靈活性，因為它具有多通道高性能12位ADC和DAC，以及片上可編程邏輯陣列(PLA)。其AD轉(zhuǎn)換可通過外部轉(zhuǎn)換輸入或PLA轉(zhuǎn)換輸出來啟動，這個特性對需使用同步信號對前向功率進行采樣的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、簡潔地實現(xiàn)各種邏輯。而且各種算法，例如PID控制、VSWR監(jiān)測、溫度監(jiān)測和電流監(jiān)測等算法都可通過ADuC7026來實現(xiàn)，無需使用其它控制器。從系統(tǒng)設(shè)計的角度來看，這個集成解決方案可節(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。