以模拟微控制器为核心构成低成本高效率的功率放大器监测器

　　引言

　　考虑到日益迫近的全球能源危机和人们对环境保护的期望日益增高，节能对高效无线网络的运营至关重要。功率放大器（PA）是基站和中继器的核心，其功耗可能占基站总功耗的一半。对功率放大器进行监控不仅可以提高功效、降低运营成本、提高输出功率和线性度，而且可以使系统操作人员及时发现和解决问题，进而提高可靠性和可维护性。

　　ADI公司提供三种PA监测器1实现方案：一种是分立器件方案，一种是基于AD729422的12位的集成型监测和控制系统的方案，以及一种基于ADuC7026高精度模拟微控制器3的集成型方案。分立方案需要使用的器件较多，而且PCB布局复杂，PCB面积也较大，这些因素都导致较高的成本。AD7294的优点是集成度高、成本低且可靠性高，但缺点是需要使用外部微控制器（MCU）来实现PA监控功能。ADuC7026与AD7294具有很多相同的优点，主要的区别是ADuC7026包含MCU。另外，ADuC7026支持外部同步采样，这个特性在TD-SCDMA应用中很有用。

　　本文介绍了一个基于ADuC7026实现功率放大器监控的参考设计，功能包括设置输出功率、监测电压驻波比（VSWR）、监测横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）场效应管的漏极电流和温度，并在某个参数超过预定的阈值时发出报警信号。

　　系统框图

　　图1给出了PA监测器的系统框图。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。ADuC7026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）上显示。操作人员可通过用户界面调整系统参数。

　　图1：系统框图。

　　PA监测模块

　　温度监测：功率放大器的功耗会影响其性能。PA某些时候工作在较高的静态工作点，但输出功率较低。大量的能量在LDMOS器件上被转换成热量，这不仅浪费了能量，而且降低了可靠性。监测PA的温度，调整其静态工作点可以使系统达到最佳性能。

　　图2给出了温度监测器的功能框图，该系统使用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封装形式可供选择）把温度转化成分辨率为0.0625℃的数字信号，其关断模式可将电源电流降低到3µA（典型值）。

　　图2：温度监测器功能框图。

　　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，ADuC7026 MCU首先设置温度检测标识，然后通过I2C®总线从ADT75读出温度数据，并把该数据发送到PC。接着，程序检查ADT75的过温引脚（OS/ALERT）状态，如果温度超过了阈值，则点亮LED。在收到配置温度阈值的指令时，ADuC7026从PC读入配置数据并通过I2C总线把阈值温度写入到ADT75。当微控制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。

　　图3：温度监测程序的流程图。

　　电流监测： ：控制PA的漏极电流，使其在温度和时间变化时保持恒定，就可以极大地改善功放的总性能，同时又可确保功放工作在调整的输出功率范围之内。影响PA漏极电流的两个主要因素是PA的高压供电线的变化和片上温度的变化。PA晶体管的漏极电压很容易受高压供电线变化的影响。我们可以用高电压分流监测器来测量LDMOS的漏极电流。如果连续地监测漏极电流，当在电源上出现电压波动时，操作人员可重新调整栅极电压使LDMOS保持在最佳工作点。

　　图4给出了电流监测器的功能框图。该系统使用AD8211高压高精度分流放大器来采集PA模块中两个LDMOS级的漏极电流。AD8211的增益为固定的20V/V，在整个工作温度范围内的增益误差为±0.5%（典型值）。AD8211缓存的输出电压直接输出到模数转换器，由ADuC7026的片上ADC进行采样。漏极电流阈值由AD5243数字电位计设定，ADuC7026通过I22C总线对AD5243进行控制。系统根据ADCMP600比较器的输出来判定漏极电流是否超过或低于阈值。如果漏极电流超过阈值，系统点亮相应的LED向操作人员报警。

　　图4：电流监测器功能框图。

　　电压驻波比（VSWR）监测： VSWR是天线系统的一个关键参数，它反映天线系统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产生失真。因而，有必要监测VSWR使基站具有最优性能。

　　图5给出了VSWR监测器的功能框图。该系统使用双向耦合器和AD8364双通道TruPwr™检测器来测量前向和反向功率。AD8364双通道有效值RF功率测量子系统可精确地测量和控制信号的功率。AD8364灵活性强，可方便地对RF功率放大器、无线电收发器AGC电路和其它通讯系统实施监测和控制，其输出可用于计算VSWR和监测传输线的匹配度。较大的VSWR值表明天线出现故障，操作人员应通过调整PA增益或电源电压对系统进行保护。

　　图5：VSWR监测器功能框图。

        自动功率控制 ：根据通信系统的要求，发射机必须确保功率放大器能满足发射的需要，调整基站发射功率保持在精准值，控制输出功率在覆盖允许范围内，不至过小无法满足网络规划时的覆盖距离要求，而减少小区覆盖范围，又不会产生过强的输出信号对相邻基站造成干扰。由于过功率会引起功率放大器饱和并使信号发生非线性失真，系统应提供过功率保护功能，保证功率放大器不工作在过功率条件下。基于上述原因，必须对输出功率进行测量和控制以使之保持稳定。

　　图6给出了自动功率控制回路的功能框图，该回路包含双向耦合器、TruPwr检测器、微控制器和可变电压衰减器。双向耦合器把前向功率传送到TruPwr检测器，检测器跟踪信号幅度的变化。ADuC7026的片上ADC对检测器的输出采样。微控制器比较输出功率的实际值与期望值，并使用PID算法来调整控制电压偏差，使功率放大器工作在性能最佳的工作点上。

　　图6：自动功率控制回路的功能框图。

　　图7给出了PID算法的流程图。首先，该程序设定初始控制参数Kp、Ki和Kd并设定输出功率的期望值。然后，ADC对AD8364的输出采样，采样得到的数据经滤波后转换成功率。程序根据系统的传递函数计算出输出功率的期望值与实际值之差，以及下一个期望采样值和控制电压，并对DAC寄存器进行配置。这样就完成了一个采样和控制过程周期，这个过程不断循环。

　　图7：PID算法的流程图。

　　用户界面

　　UI主要用来提供人机交互界面，实时显示检测数据，并响应操作员的输入命令。图8给出了用户界面程序的流程图。程序运行后，首先要打开串行端口并启动通讯链接。然后，可以选择各功能模块进行监测和控制。

　　图8：UI控制的流程图。

　　图9给出了一个温度测试结果。用户可以随时改变高温和低温阈值。在本例中，高温阈值从35℃改到31℃。当环境温度上升到新阈值之上时，过温警报灯变红，PC发出连续的警铃声。

　　图9：用于显示温度测试结果的界面。

　　硬件连接

　　图10给出了PA监测器的演示电路板的连接图。主板由6V适配器供电，它与PC机之间通过串口线相连，以便下位机ADuC7026与上位机PC通信；通过ADF4252评估板产生的RF信号，连接到主控板的RF信号输入端，而后通过如下链路输出：RF输入→可调衰减器AV103→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。其中ADF4252评估板的输出频率通过PC机控制，PC与ADF4252之间通过一根并口转串口的电缆连接。

　　图10：PA监测器演示电路板的硬件连接。

　　结论

　　该参考设计为在蜂窝基站（GSM、EDGE、UMTS、CDMA、TD-SCDMA）、点到多点和其它RF传输系统中监测和控制PA提供了一个集成的解决方案。利用ADI公司的高精度模拟微控制器ADuC7026实现PA监测器应用可以增加灵活性，因为它具有多通道高性能12位ADC和DAC，以及片上可编程逻辑阵列（PLA）。其AD转换可通过外部转换输入或PLA转换输出来启动，这个特性对需使用同步信号对前向功率进行采样的TD-SCDMA应用系统很有帮助。PLA集成到芯片上的好处非常明显：用户可以根据要求轻松、简洁地实现各种逻辑。而且各种算法，例如PID控制、VSWR监测、温度监测和电流监测等算法都可通过ADuC7026来实现，无需使用其它控制器。从系统设计的角度来看，这个集成解决方案可节省PCB面积、方便PCB布局，降低系统成本并提高系统可靠性。