引言

　　能源危机日益迫近以及人们对环境保护的期望日益增高，对高效无线网络的运营来说节能至关重要。功率放大器(PA)是基站和中继器的，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。

　　功率放大器简介

　　在给定失真率条件下，能产生功率输出以驱动某一负载(例如扬声器)的放大器。利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的β倍，β是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流（或电压）是原先的β倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。

　　功率放大器，简称“功放”。很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。

　　　功率放大器原理

　　高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。

　　功率放大器可靠性的新标准

　　近年来，功率放大器制造商一直在努力解决产品可靠性的问题，他们所取得的成果也各有不同。2001年，厂商开始将功率控制功能与功率放大器整合在一起，这种做法使得生产良率大幅改善。新技术的出现通常会以五年为周期，因此现在应该是出现另一波创新高潮的时刻。

　　移动电话对于散热要求日益严格，这是因为信号传输过程的负载周期很大，厂商还可能将多只天线整合到手机内。产业趋势的改变迫使厂商必须确保功率放大器不会受到温度过高的影响。

　　功率放大器的可靠性需要进一步改善。传统的可靠性评估方式主要依赖有限的热模型以及平均故障时间 （MTTF） 等统计资料，它们通常会以特定温度下的平均故障时间来代表产品的可靠性，这种做法其实并不适当，因为并不知道实际操作时的接合温度。为了确保功率放大器的长期操作可靠性，设计人员必须进一步提升产品的品质。

　　业界多半利用广为接受的统计方法来预测功率放大器的可靠性。不幸的是，制造商在评估时所依据的参数却可能有所不同，例如有些制造商只引用活化能（activation energy），有些则使用平均故障时间。然而可靠性是一种多面向的问题，不能只由某种属性来代表——想要了解产品可靠性，就必须了解可靠性的计算方式。Arrhenius方程式是组件可靠性的基本计算公式：

　　其中：

　　(1)t1=温度T1的平均故障时间

　　(2)t2=温度T2的平均故障时间

　　(3)Ea=活化能 （制程特性）

　　(4)T1=计算t1时的温度（开氏温度）

　　(5)T2=计算t2时的温度（开氏温度）

　　方程式（1）会根据已知的平均故障时间 （t1）、故障活化能 （Ea） 和故障温度 （T1） 来计算温度为T2时的平均故障时间 （t2）。活化能是让半导体组件出现特定故障现象的所需能量，方程式（1）经过整理后可得到方程式 （2），它以平均故障时间 （MTTF） 来代表产品寿命。

　　高频功率放大器的主要技术指标有：输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度（或信号失真度）等。这几项指标要求是互相矛盾的，在设计放大器时应根据具体要求，突出一些指标，兼顾其他一些指标。例如实际中有些电路，防止干扰是主要矛盾，对谐波抑制度要求较高，而对带宽要求可适当降低等。功率放大器的效率是一个突出的问题，其效率的高低与放大器的工作状态有直接的关系。

　　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

　　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保持在工作点。

　　图3给出了电流监测器的功能框图。该系统使用AD8211高压高分流放大器来采集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3：电流监测器功能框图

　　图4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4：温度监测程序的流程图

　　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

　　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作为参考设计。利用ADI公司的高模拟微控制器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。