以模擬微控制器為核心構(gòu)成低成本高效率的功率放大器監(jiān)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(jié)能對高效無線網(wǎng)絡(luò)的運營至關(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1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(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。

　　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)達到最佳性能。

　　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。

　　圖3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3：溫度監(jiān)測程序的流程圖。

　　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保持在最佳工作點。

　　圖4給出了電流監(jiān)測器的功能框圖。該系統(tǒng)使用AD8211高壓高精度分流放大器來采集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4：電流監(jiān)測器功能框圖。

　　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使基站具有最優(yōu)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最佳的工作點上。

　　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。