ADI:以模仿微控制器为中心构成低成本高效率的功率放大器监测器

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导言

考虑到日益迫近的全球能源危机和人们对环境维护的希望日益增高，节能对高效无线网络的运营至关重要。功率放大器(PA)是基站和中继器的中心，其功耗或许占基站总功耗的一半。对功率放大器进行监控不只能够进步成效、下降运营本钱、进步输出功率和线性度，并且能够使体系操作人员及时发现和解决问题，从而进步可靠性和可维护性。

ADI公司供给三种 PA监测器¹完成计划：一种是分立器材计划，一种是依据 AD7294² 的12位的集成型监测和操控体系的计划，以及一种依据 ADuC7026 高精度 模仿微操控器³的集成型计划。分立计划需求运用的器材较多，并且PCB布局杂乱，PCB面积也较大，这些要素都导致较高的本钱。A D7294的长处是集成度高、本钱低且可靠性高，但缺陷是需求运用外部微操控器(MCU)来完成PA监控功用。A DuC7026与A D7294具有许多相同的长处，首要的区别是A DuC7026包括MCU。别的，ADuC7026支撑外部同步采样，这个特性在TD-SCDMA运用中很有用。

本文介绍了一个依据A DuC7026完成功率放大器监控的参阅规划，功用包括设置输出功率、监测电压驻波比(VSW R)、监测横向分散金属氧化物半导体(L DMOS)场效应管的漏极电流和温度，并在某个参数超越预订的阈值时宣布报警信号。

体系框图

图1给出了PA监测器的体系框图。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)上显现。操作人员可经过用户界面调整体系参数。

PA监测模块

温度监测: 功率放大器的功耗会影响其功用。PA某些时分作业在较高的静态作业点，但输出功率较低。很多的能量在LDMOS器材上被转化成热量，这不只浪费了能量，并且下降了可靠性。监测PA的温度，调整其静态作业点能够使体系到达最佳功用

图2给出了温度监测器的功用框图，该体系运用 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封装方式可供挑选）把温度转化成分辨率为0.0625°C的 数字信号，其关断形式可将电源电流下降到3μA（典型值）。

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首要设置温度检测标识，然后经过I²C^®总线从A DT75读出温度数据，并把该数据发送到PC。接着，程序查看A DT75的过温引脚(O S/alert)状况，假如温度超越了阈值，则点亮LED。在收到配 置温度阈值的指令时，A DuC7026从PC读入装备数据并经过I²C总线把阈值温度写入到A DT75。当微操控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。

电流监测: 操控PA的漏极电流，使其在温度和时刻改动时坚持稳定，就能够极大地改进功放的总功用，一起又可确保功放作业在调整的输出功率规模之内。影响PA漏极电流的两个首要要素是PA的高压供电线的改动和片上温度的改动。PA晶体管的漏极电压很简单受高压供电线改动的影响。咱们能够用高电压分流监测器来丈量LDMOS的漏极电流。假如接连地监测漏极电流，当在电源上呈现电压动摇时，操作人员可从头调整栅极电压使LDMOS坚持在最佳作业点。

图4给出了电流监测器的功用框图。该体系运用A D 8211高压高精度分流放大器来收集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，在整个作业温度规模内的增益差错为±0.5%（典型值 ）。 AD8211 缓存的输出电压直接输出到模数转化器，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经过I²C总线对 AD5243 进行操控。 体系依据 ADCMP600 比较器的输出来断定漏极电流是否超越或低于阈值。假如漏极电流超越阈值，体系点亮相应的LED向操作人员报警。

电压驻波比(VSWR)监测: VSWR是天线体系的一个要害参数，它反映天线体系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发作失真。因此，有必要监测VSWR使基站具有最优功用。

图5给出了VSWR监测器的功用框图。该体系运用双向耦合器和 AD8364 双通道TruP wr^™检测器来丈量前向和反向功率。AD8364双通道有效值RF功率丈量子体系可精确地丈量和操控信号的功率。A D8364灵活性强，可便利地对RF功率放大器、无线电收发器AGC电路和其它通讯体系施行监测和操控，其输出可用于核算VSWR和监测传输线的匹配度。较大的VSWR值标明天线呈现毛病，操作人员应经过调整PA增益或电源电压对体系进行维护。

主动功率操控: 依据通讯体系的要求，发射机有必要确保功率放大器能满意发射的需求，调整基站发射功率坚持在精准值，操控输出功率在掩盖答应规模内，不至过小无法满意网络规划时的掩盖间隔要求，而削减小区掩盖规模，又不会发作过强的输出信号对相邻基站形成搅扰。由于过功率会引起功率放大器饱满并使信号发作非线性失真，体系应供给过功率维护功用，确保功率放大器不作业在过功率条件下。依据上述原因，有必要对输出功率进行丈量和操控以使之坚持稳定。

图6给出了主动功率操控回路的功用框图，该回路包括双向耦合器、TruP wr检测器、微操控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，检测器盯梢信号起伏的改动。A DuC7026的片上ADC对检测器的输出采样。微操控器比较输出功率的实践值与希望值，并运用PID算法来调整操控电压误差，使功率放大器作业在功用最佳的作业点上。

图7给出了PID算法的流程图。首要，该程序设定初始操控参数K_p、K_i和K_d并设定输出功率的希望值。然后，ADC对AD8364的输出采样，采样得到的数据经滤波后转化成功率。程序依据体系的传递函数核算出输出功率的希望值与实践值之差，以及下一个希望采样值和操控电压，并对DAC寄存器进行装备。这样就完成了一个采样和操控进程周期，这个进程不断循环。

用户界面

UI首要用来供给人机交互界面，实时显现检测数据，并呼应操作员的输入指令。图8给出了用户界面程序的流程图。程序运转后，首要要翻开串行端口并发动通讯链接。然后，能够挑选各功用模块进行监测和操控

图9给出了一个温度测验成果。用户能够随时改动高温文低温阈值。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宣布接连的警铃声。

硬件衔接

图10给出了PA监测器的演示电路板的衔接图。主板由6V适配器供电，它与PC机之间经过串口线相连，以便下位机ADuC7026与上位机PC通讯；经过 ADF4252 评价板发作的RF信号，衔接到主控板的RF信号输入端，然后经过如下链路输出：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。其间ADF4252评价板的输出频率经过PC机操控，PC与ADF4252之间经过一根并口转串口的电缆衔接。

定论

T该参阅 规划为在蜂窝基站（GSM、EDGE、UMTS、CDMA、TD-SCDMA），点到多点和其它RF传输体系中监测和操控PA供给了一个集成的解决计划。运用ADI公司的高精度模仿微操控器A DuC7026完成PA监测器运用能够添加灵活性，由于它具有多通道高功用12位ADC和DAC，以及片上可编程逻辑阵列(PL A)。其AD转化可经过外部转化输入或PLA转化输出来发动，这个特性对需运用同步信号对前向功率进行采样的TD-SCDM A运用体系很有协助。PLA集成到芯片上的优点十分显着：用户能够依据要求轻松、简练地完成各种逻辑。并且各种算法，例如PID操控、VSWR监测、温度监测和电流监测等算法都可经过ADuC7026来完成，无需运用其它操控器。从体系规划的视点来看，这个集成解决计划可节约PCB面积、便利PCB布局，下降体系本钱并进步体系可靠性。

参阅电路

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

² www.analog.com网站供给ADI公司一切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.