以模擬微控制器為核心構成低成本高效率的功率放大器監測器

　　引言

　　考慮到日益迫近的全球能源危機和人們對環(huán)境保護的期望日益增高，節能對高效無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的運營(yíng)至關(guān)重要。功率放大器（PA）是基站和中繼器的核心，其功耗可能占基站總功耗的一半。對功率放大器進(jìn)行監控不僅可以提高功效、降低運營(yíng)成本、提高輸出功率和線(xiàn)性度，而且可以使系統操作人員及時(shí)發(fā)現和解決問(wèn)題，進(jìn)而提高可靠性和可維護性。

　　ADI公司提供三種PA監測器1實(shí)現方案：一種是分立器件方案，一種是基于A(yíng)D729422的12位的集成型監測和控制系統的方案，以及一種基于A(yíng)DuC7026高精度模擬微控制器3的集成型方案。分立方案需要使用的器件較多，而且PCB布局復雜，PCB面積也較大，這些因素都導致較高的成本。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PA監控功能。ADuC7026與AD7294具有很多相同的優(yōu)點(diǎn)，主要的區別是ADuC7026包含MCU。另外，ADuC7026支持外部同步采樣，這個(gè)特性在TD-SCDMA應用中很有用。

　　本文介紹了一個(gè)基于A(yíng)DuC7026實(shí)現功率放大器監控的參考設計，功能包括設置輸出功率、監測電壓駐波比（VSWR）、監測橫向擴散金屬氧化物半導體（LDMOS）場(chǎng)效應管的漏極電流和溫度，并在某個(gè)參數超過(guò)預定的閾值時(shí)發(fā)出報警信號。

　　系統框圖

　　圖1給出了PA監測器的系統框圖。RF信號在經(jīng)由可變電壓衰減器（VVA）、ADL5323預驅動(dòng)器、功率放大器和雙向耦合器處理后，由天線(xiàn)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(jìn)行采樣。MCU把采樣數據發(fā)送到PC以便在用戶(hù)界面（UI）上顯示。操作人員可通過(guò)用戶(hù)界面調整系統參數。

　　圖1：系統框圖。

　　PA監測模塊

　　溫度監測：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器件上被轉換成熱量，這不僅浪費了能量，而且降低了可靠性。監測PA的溫度，調整其靜態(tài)工作點(diǎn)可以使系統達到最佳性能。

　　圖2給出了溫度監測器的功能框圖，該系統使用ADT75數字溫度傳感器來(lái)監測兩個(gè)LDMOS級的溫度。ADT75（有8引腳MSOP和SOIC封裝形式可供選擇）把溫度轉化成分辨率為0.0625℃的數字信號，其關(guān)斷模式可將電源電流降低到3μA（典型值）。

　　圖2：溫度監測器功能框圖。

　　圖3給出了溫度監測程序的流程圖。在收到溫度檢測指令后，ADuC7026 MCU首先設置溫度檢測標識，然后通過(guò)I2C?總線(xiàn)從ADT75讀出溫度數據，并把該數據發(fā)送到PC。接著(zhù)，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讀入配置數據并通過(guò)I2C總線(xiàn)把閾值溫度寫(xiě)入到ADT75。當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3：溫度監測程序的流程圖。

　　電流監測： ：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整的輸出功率范圍之內。影響PA漏極電流的兩個(gè)主要因素是PA的高壓供電線(xiàn)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(xiàn)變化的影響。我們可以用高電壓分流監測器來(lái)測量LDMOS的漏極電流。如果連續地監測漏極電流，當在電源上出現電壓波動(dòng)時(shí)，操作人員可重新調整柵極電壓使LDMOS保持在最佳工作點(diǎn)。

　　圖4給出了電流監測器的功能框圖。該系統使用AD8211高壓高精度分流放大器來(lái)采集PA模塊中兩個(gè)LDMOS級的漏極電流。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轉換器，由ADuC7026的片上ADC進(jìn)行采樣。漏極電流閾值由AD5243數字電位計設定，ADuC7026通過(guò)I22C總線(xiàn)對AD5243進(jìn)行控制。系統根據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，系統點(diǎn)亮相應的LED向操作人員報警。

　　圖4：電流監測器功能框圖。

　　電壓駐波比（VSWR）監測： VSWR是天線(xiàn)系統的一個(gè)關(guān)鍵參數，它反映天線(xiàn)系統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 )導致發(fā)射出去的信號產(chǎn)生失真。因而，有必要監測VSWR使基站具有最優(yōu)性能。

　　圖5給出了VSWR監測器的功能框圖。該系統使用雙向耦合器和AD8364雙通道TruPwr?檢測器來(lái)測量前向和反向功率。AD8364雙通道有效值RF功率測量子系統可精確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(wú)線(xiàn)電收發(fā)器AGC電路和其它通訊系統實(shí)施監測和控制，其輸出可用于計算VSWR和監測傳輸線(xiàn)的匹配度。較大的VSWR值表明天線(xiàn)出現故障，操作人員應通過(guò)調整PA增益或電源電壓對系統進(jìn)行保護。

　　圖5：VSWR監測器功能框圖。

自動(dòng)功率控制 ：根據通信系統的要求，發(fā)射機必須確保功率放大器能滿(mǎn)足發(fā)射的需要，調整基站發(fā)射功率保持在精準值，控制輸出功率在覆蓋允許范圍內，不至過(guò)小無(wú)法滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )規劃時(shí)的覆蓋距離要求，而減少小區覆蓋范圍，又不會(huì )產(chǎn)生過(guò)強的輸出信號對相鄰基站造成干擾。由于過(guò)功率會(huì )引起功率放大器飽和并使信號發(fā)生非線(xiàn)性失真，系統應提供過(guò)功率保護功能，保證功率放大器不工作在過(guò)功率條件下?；谏鲜鲈?，必須對輸出功率進(jìn)行測量和控制以使之保持穩定。

　　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(shí)際值與期望值，并使用PID算法來(lái)調整控制電壓偏差，使功率放大器工作在性能最佳的工作點(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，該程序設定初始控制參數Kp、Ki和Kd并設定輸出功率的期望值。然后，ADC對AD8364的輸出采樣，采樣得到的數據經(jīng)濾波后轉換成功率。程序根據系統的傳遞函數計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(hù)界面

　　UI主要用來(lái)提供人機交互界面，實(shí)時(shí)顯示檢測數據，并響應操作員的輸入命令。圖8給出了用戶(hù)界面程序的流程圖。程序運行后，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)行監測和控制。

　　圖8：UI控制的流程圖。

　　圖9給出了一個(gè)溫度測試結果。用戶(hù)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℃。當環(huán)境溫度上升到新閾值之上時(shí)，過(guò)溫警報燈變紅，PC發(fā)出連續的警鈴聲。