Dynamische und mehrstufige HF-Verstärker-Stromversorgung
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Stromversorgung
Dynamische und mehrstufige HF-Verstärker-
Stromversorgung
einen Modulator zu konstruie-
ren, der die Effizienz-, Band-
breiten- und Rauschanforde-
rungen von Breitbandsignalen
wie Multicarrier-Signalen von
WCDMA, WiMAX oder DVB
erfüllt.“ Es folgt die Skizzierung
der Entwicklung und Validierung
digitaler Vorverzerrungs-Algo-
rithmen. Daraus wird abgelei-
tet: „Zur Implementierung des
Envelope Trackings muss ein
Modulator den PA immer im
effizientesten Arbeitspunkt hal-
ten. Dazu wird die Versorgungs-
spannung des PAs synchron mit
der Einhüllenden des gesendeten
Auch die Der Wirkungsgrad von Hoch- tion („gepolte Modulation“) Signals moduliert.“ Das ist im
Stromversorgung frequenz-Leistungselektronik und hybride Stromversorgungs- Aufmacherbild (Quelle: Wiki-
wird immer wichtiger. Dies gilt Designs genutzt werden können, pedia) dargestellt.
selbst kann dazu für Low-Power-Systeme ebenso um Verstärker effizienter zu ver-
beitragen, dem System wie für Basisstationen hoher Lei- sorgen. Wie arbeiten diese Ver- Weiter heißt es: „Eine immer
aus Stromversorgung stung, wenn auch aus verschie- fahren und wie und wann nutzt größere Zahl von Leistungsver-
denen Gründen: Im ersten Fall man sie sinnvoll? Das erste stärkern unterstützt die Enve-
und Sender/Verstärker geht es meist um die Betriebszeit Buch zu diesem Thema bringt lope-Tracking-Technik, um die
zu einem besseren mit einer Batterie bzw. Akkula- einen kompletten Überblick zu Effizienz zu verbessern und den
Wirkungsgrad zu dung, im zweiten Fall darum, diesen Schaltungstechniken und Stromverbrauch zu reduzieren –
dass möglichst geringe Energie- bietet damit allen, die im Bereich beispielsweise in Smartphones
verhelfen. Der Beitrag kosten verursacht werden sollen. der HF-Leistungsverstärker und und taktischen Sprechfunkge-
skizziert anhand der Sender tätig sind, Unterstützung räten. Das Envelope Tracking
Möglichkeiten Envelope Dynamische und Anregungen für bessere erfordert einen zusätzlichen
Stromversorgung Lösungen. Schritt für Schritt Generator, der das Hüllkurven-
Tracking, Direct wird gezeigt, wie man Ideen in signal für den DC-Modulator
Polar und Hybrid Eine dynamische Stromversor- die Praxis umsetzen kann. Dabei bereitstellt. Hüllkurvensignale
Combinations die gung kennt man bereits aus dem wird auf die Transistorauswahl erfordern eine hochgenaue
Bereich der „Unterbrechungs- besonderer Wert gelegt. Die anpassbare zeitliche Abstim-
wichtigsten Varianten freien Stromversorgung“ (USV). zugehörige Messtechnik wird in mung mit dem HF-Signal,
einer dynamischen Sie beruht meist auf einem all ihren Aspekten erläutert und
Stromversorgung und Schwungrad (Flyweel). Dyna- der Leser zur korrekten Interpre-
stellt eine Mehrstufen- mische USV-Anlagen sind z.B. tation der Messresultate befähigt.
für die Absicherung von größe-
Stromversorgung näher ren Rechenzentren interessant. Envelope Tracking
vor. Der Grund dafür ist, dass durch
die Dynamik im Server-Markt Was ist Envelope Tracking
und den Trend zur Zentralisie- und welche Vorteile bringt es?
rung die notwendigen Batterie- Hierzu liest man in [2]: „Kon-
kapazitäten schwer zu berechnen ventionelle PAs geben 80% der
und vorzuhalten sind. Zudem aufgenommenen Energie unge-
nutzt als Wärme wieder ab.
sind die Batterien ein erheblicher
Kostenfaktor. So entfällt beispielsweise die
Hälfte des Gesamtenergiever-
In [1] wird die Dynamic Power brauchs in Mobilfunk-Basis-
Supply für Sender und Verstär- stationen alleine auf die PAs.
ker vorgestellt und ausführlich Obwohl das Envelope Tracking
behandelt, s. Bild 1. Hierbei bereits vor über 60 Jahren erst-
geht es hauptsächlich darum, mals beschrieben wurde, wird
wie die Techniken Envelope es erst seit kurzem kommerzi- Bild 1: Cover des ersten Buchs
Tracking („Hüllkurven-Nach- ell eingesetzt. Der Hauptgrund zum Thema „Dynamische
verfolgung“), Polar Modula- hierfür ist die Schwierigkeit, Stromversorgung“
20 hf-praxis 7/2020
Stromversorgung
angesehen werden. Sie ermögli-
chen eine überlegene Energieef-
fizienz und sind besonders für
Edge-Lösungen geeignet. Schon
2001 wurden sie auch bei Breit-
band-CDMA-Standards und 2003
beim orthogonalen Frequenz-
multiplex (OFDM) angewendet.
Heute gibt es drei
Hauptvarianten:
• Kleinsignal/Polar Lite
• Polar Loop
• Direct (Open Loop) Polar
Bild 2: Verstärker-Wirkungsgrad als Funktion der Ausgangsleistung für zwei verschiedene Versorgungsspannungen Dabei ist nur die direkte Polari-
(Quelle: TI, [3]) tät in der Lage, die ultimativen
Ziele der Einfachheit und Effi-
Shaping-Funktionen und eine einer Regelkreis-Bandbreite menhang mit DDR-Speichern zienz unter Beibehaltung der
Signalleistung mit optimaler von 50 MHz im Verbund mit eingesetzt wird, bei denen eben- spektralen HF-Leistung zu errei-
spektraler Reinheit. einem leistungsfähigen Schalt- falls eine Stromquelle und -senke chen. Diese Methode unterstützt
regler. Letzterer bietet dem Low- benötigt wird. auch mehrere Modulationssche-
Das Verstärkerverhalten wird
Dropout-Regler (LDO) einer- mata unter Verwendung eines
durch die Messung von Verzer- Ebenso geeignet sind jedoch
seits ausreichend Reserven für gemeinsamen Übertragungs-
rungen und die Analyse der Aus- auch isolierte synchrone Topo-
das Envelope Tracking und hält pfads, wodurch kompakte und
wirkungen der Vorverzerrung logien, bei denen ein Stromfluss
andererseits die Verluste niedrig. kostengünstige Multimode-
charakterisiert. PAE-Messungen in der Gegenrichtung im Prinzip
Darüber hinaus gab es Initiativen Mobilteile ermöglicht werden.
(Power Added Efficiency) erfor- durch nichts verhindert wird.
mit dem Ziel, die Regelkreise
dern zeitsynchrone Messungen Sperr- und Flusswandler sowie Direct Polar ist frei von Skeptik
schneller zu machen, indem man
der Eingangs- und Ausgangs- phasenversetzte Brückenwandler und die aktuellen Diskussionen
fortschrittliche Schaltbausteine
leistung des Verstärkers sowie wurden allesamt bereits erfolg- erinnern an die frühe Kritik an
beispielsweise auf GaN-Basis
des entsprechenden Stromver- reich in Anwendungen einge- den Architekturen der Direkt-
nutzt, um die Schaltfrequenz der
brauchs. Entscheidend ist eine setzt, in denen in beiden Rich- mischempfänger, die heute die
Netzteile deutlich über 1 MHz Branche dominieren. Kritiker
hochpräzise Synchronisierung, tungen Energie fließt.“
anzuheben.“ des direkten polaren Ansatzes
was bei Verwendung mehre-
Bei synchronen Topologien
rer Testinstrumente eine große Wichtig ist, zu wissen, dass konzentrieren sich auf Abhän-
fließt die überschüssige Ener-
Hürde darstellt.“ zudem das Netzteil als Strom- gigkeiten von Leistungsverstär-
gie an den Eingang des Netz-
quelle und Stromsenke arbeiten kern von der Massenproduktion
Video-Tutorials auf [2] können teils zurück, um von anderen
muss. Es muss in der Lage sein, sowie auf die Systemcharakteri-
helfen, die Zusammenhänge und Netzteilen aufgenommen oder
die im Ausgangskondensator sierung und Programmierkom-
Probleme besser zu verstehen. in den eingangsseitigen Filter-
gespeicherte Ladung schnell plexität. Diese Bedenken sind
kondensatoren gespeichert zu
Welche Auswirkungen hat das abfließen zu lassen, um die Aus- natürlich nicht unbegründet.
werden. Das setzt weitere Netz-
Envelope Tracking auf Netz- gangsspannung rasch zu redu-
teile voraus! Ansonsten ist mit In der Polar-Lite-Architektur
teile? Diese Frage stellt [3]. In zieren. Das Entladen allein über
Spannungsspitzen im Netz zu werden PA-Probleme vermie-
Bild 2 erkennt man deutlich, dass den Sender/Verstärker würde zu
rechnen. den, indem ein herkömmlicher
das Absenken der Versorgungs- lange dauern und erhebliche Ver-
linearer PA zur Verstärkung
spannung die Effizienz verbes- luste produzieren. Auch die Strommessung wird
des Signals verwendet wird.
sert, während im Gegenzug die tangiert. Normalerweise ist sie
Wenn ein Netzteil auch als Von Nachteil sind jedoch die
Ausgangsleistung des Verstär- nur auf eine Richtung des Stroms
Stromsenke einsetzbar sein soll, zusätzliche Komplexität und
kers zwangsläufig begrenzt wird. ausgelegt. Zwangsläufig gibt
unterscheidet sich sein Design die zusätzlichen Kosten sowie
es darum Probleme, wenn der
„Die Reaktionsgeschwindigkeit erhablich von den üblichen die schlechte Effizienz bei dem
Strom zurückfließt (das ram-
kann in Systemen dieser Art ein Lösungen. „Eine Möglichkeit, hohen Verhältnis von Spitze zu
penförmige Strommesssignal für
Thema sein, denn die Bandbreite die Ladung aus den Ausgangs- Durchschnitt der Signale. Die
den Current-Mode-Betrieb kann
von Schaltnetzteilen ist meist auf kondensatoren zu holen, ist die Polar Loop verwendet Rück-
verloren gehen mit erheblichen
einige zehn Kilohertz begrenzt, Verwendung eines Netzteils mit kopplungstechniken, um die PA-
Auswirkungen auf den Regel-
während sich die Modulations- synchroner Topologie. Hierbei Probleme der Stabilität in Bezug
kreis und die Strombegrenzung
anforderungen im Bereich meh- werden die Ausgangsdioden auf Herstellung, Temperatur und
funktioniert nicht).
rerer Megahertz bewegen kön- durch Halbleiterschalter ersetzt, Spannung zu lösen. Dies trägt
nen. Man hat Kombinationen die den Stromfluss in beiden zwar zur Stabilität bei, erfordert
aus Linear- und Schaltregler Richtungen ermöglichen. Eine
Direct Polar Modulation jedoch für die HF-Rückkopplung
wie die Bausteine LM3290 und naheliegende Lösung wäre ein Polare Modulationslösungen für einen separaten Präzisionsemp-
LM3291 entwickelt. Diese ent- synchroner Abwärtswandler, wie Mobilfunkgeräte können etwa im fänger im Sender, wodurch häu-
halten einen Linearregler mit er schon seit Jahren im Zusam- GSM-Bereich fast als Standard fig die Größe des Chips verdop-
hf-praxis 7/2020 21
Stromversorgung
rage Power Tracking, APT) und are Leistungsverstärker (PAs)
Hüllkurven-Nachverfolgung (Klasse A, B oder AB) als
(Envelope Tracking, ET) bis Lösung für die PA-Stufe ver-
hin zu Direct Polar (DP), einer wendet. Diese Verstärker weisen
modernen Form der Hüllkurven- eine hohe Linearität auf, leiden
Eliminierung und -Wiederher- jedoch unter einem geringen
stellung, auch als Kahn-Methode Wirkungsgrad, wenn das über-
bekannt. tragene Signal ein hohes Verhält-
Der wichtige Unterschied zwi- nis von Spitze zu Durchschnitt
schen APT/ET und DP besteht aufweist. Die Kahn-Hüllkurven-
darin, dass APT/ET die Effizienz Eliminierungs- und -Wiederher-
eines linearen HF-PAs verbes- stellungstechnik wird verwen-
sert, während DP einen effizi- det, um die Effizienz von HF-
enten, aber nichtlinearen HF-PA Sendern zu verbessern, indem
zur Verstärkung nichtkonstanter hocheffiziente, nichtlineare
Hüllkurvensignale verwendet. HF-Verstärker (Klasse D oder
E) mit einem hocheffizienten
Hybrid Combinations Hüllkurvenverstärker kombiniert
werden, um einen linearen und
Im Zusammenhang mit einer hocheffizienten HF-Verstärker
Stromversorgung stößt man zu erhalten.
oft auf den Begriff „Hybrid“,
meist ist damit die Möglichkeit In diesem [5] wird eine Lösung
gemeint, den Lüfter-Modus von für den Hüllkurvenverstärker
Dauerlauf sofort nach Einschal- vorgestellt, die auf einer Kom-
ten auf automatisches Zuschal- bination aus Mehrebenenwand-
ten bei einer bestimmten Erwär- ler und Linearregler basiert. Die
mung umzuschalten. Unter „Hy- vorgeschlagene Lösung kann
brid Combination“ versteht man jedes Signal mit einer maximalen
im PSU-Bereich (Power Supply Spektralkomponente von 2 MHz
Unit) indes auch die Möglich- reproduzieren und eine momen-
Bild 3: Edge-Ausgangsgenauigkeit. Die Stabilität besteht im gesamten keit, zwischen verschiedenen tane maximale Leistung von 50
Dynamikbereich Versorgungsquellen zu wäh- W ergeben. Die Effizienzmes-
len oder diese zu kombinieren. sungen zeigen, dass die Über-
Beispielsweise kann man einen tragung von Signalen mit nied-
pelt und die Fähigkeit zur Unter- und Temperaturextreme hinweg
Abwärtswandler mit konstantem rigem Durchschnittswert einen
stützung von Breitbandsignalen leicht erreicht [4].
Strom und konstanter Spannung, deutlich höheren Wirkungsgrad
eingeschränkt wird.
Für Handset-Designer reduziert der bis zu 40 V DC am Eingang aufweist als ein idealer linearer
Um nun mit der dritten Methode dieser Ansatz den Umfang der verträgt und bis zu 32 V bei 3 A Regler (herkömmliche Lösung).
Direct Polar erfolgreich zu sein, erforderlichen Designkalibrie- liefern kann, mit einem leistungs- Bild 4 skizziert die Funktion,
muss man die Vorstellung ver- rung. Sobald eine bestimmte fähigen LiIo-Akku kombinieren. oben ein Teil der Hüllkurve mit
werfen, dass der PA ein lineares PA korrekt entworfen und kali- Im oben genannten Buch werden den zugehörigen Versorgungs-
Präzisionsgerät sein muss. Durch briert wurde, verhält sie sich Hybrid System Combinations spannungen (rot) und unten das
Unterdrücken der Schaltungsli- von Mobilteil zu Mobilteil sehr u.a. unter folgenden Gesichts- Blockdiagramm der Stromver-
nearität und Betreiben des PA stabil. Durch die direkte Steue- punkten erklärt: Polar at signal sorgung. Das ist die Hauptidee
als Schalter tritt die PA-Schal- rung der PA kann auch die Not- peaks, ET, or linear in signal der Lösung. Der Mehrebenen-
tung in einen äußerst stabilen wendigkeit entfallen, Batterie- valleys/Constant joint transfer konverter muss diskrete Span-
und vorhersagbaren Betriebs- spannung und -temperatur zu function/Maximum efficiency nungen liefern, die so nahe wie
modus ein. Bei richtiger Ausle- kompensieren. Es gibt keine Sta- strategy/Comparisons. Dahinter möglich an der Ausgangsspan-
gung unterdrückt ein solcher PA bilitätsprobleme bei Nichtüber- steckt die Absicht, etwa hoch- nung des Hüllkurvenverstärkers
leicht die Ausgangsdrift und sein einstimmung, Probleme mit der effiziente, nichtlineare HF-Ver- liegen. Ist dies erfüllt, werden die
Wirkungsgrad ist extrem hoch. Leistungsrampe und der Über- stärker (Klasse D oder E) mit Leistungsverluste am Linearreg-
Dies ist der Schlüssel zum Ver- gangsregelung werden beseitigt. einem hocheffizienten Hüllkur- ler minimal sein. Diese Technik
ständnis, wie es möglich ist, die Die Fähigkeit dieser Architektur, venverstärker zu kombinieren, kombiniert eine hocheffiziente,
Komplexität der PA-Charakte- auf Marktanforderungen einzu- um insgesamt einen linearen und aber nichtlineare HF-PA (Klasse
risierung und -Kalibrierung zu gehen, sollte ihre Einführung hocheffizienten HF-Verstärker D oder Klasse E zum Beispiel)
reduzieren, damit diese Aufga- beschleunigen. zu erhalten. mit einem hocheffizienten Hüll-
ben überschaubar und reprodu- kurvenverstärker zur Implemen-
zierbar werden. Wie das Dia- Unterschied Mehrstufiges Netzteil tierung eines hocheffizienten
gramm in Bild 3 zeigt, wird eine für hocheffiziente linearen HF-PAs. Die vorge-
nichtkompensierte Leistungssta- Ein dynamisches Netzteil kann schlagene Topologie besteht aus
bilität über den erforderlichen in verschiedenen Formen einge- HF-Verstärker einem Mehrebenenkonverter in
Dynamikbereich sowie über setzt werden, von Durchschnitts- In Kommunikationssystemen Serie mit einem Linearregler mit
Herstellungsschwankungen leistungs-Nachverfolgung (Ave- werden normalerweise line- hoher Anstiegsgeschwindig-
22 hf-praxis 7/2020
Stromversorgung
Bild 4: Oben die
Zeitdiagramme des
vorgeschlagenen
Hüllkurvenverstärkers,
unten Prinzip des
Multilevel-Wandlers
mit unabhängigen
und analog erzeugten
Versorgungsspannungen
keit. Es wird eine von verschiedenen Mög- Stufe des Systems (Wandler und Linearreg-
lichkeiten, die Mehrebenen zu realisieren, ler) einen sehr hohen Wirkungsgrad haben
genutzt: Alle erforderlichen Spannungen müssen, da der Gesamtwirkungsgrad das
stehen bereit und es erfolgt eine Umschal- Produkt der individuellen Wirkungsgraden
tung. Bei MOSFETs ist es notwendig, Dio- ist. Es ist jedoch immer noch möglich, eine
den in Reihe zu schalten, um z.B. mögliche hohe Gesamteffizienz zu erreichen. Das vor-
Kurzschlüsse zu unterbinden. geschlagene System hat einen um bis zu 15
Der Vorteil dieser Topologie ist, dass sie Prozentpunkte besseren Wirkungsgrad als
eine hohe Dynamik der Ausgangsspan- einfache Lösungen mit Linearregler. Der
nung zusammen mit einem erhöhten Wir- Klirrfaktor (THD) des Systems wurde mit
kungsgrad bietet. Der Nachteil ist, dass jede nicht höher als 1,25 % gemessen. FS
Referenzen
[1] Earl McCune: Dynamic Power Supply Transmitters Envelope Tracking, Direct
Polar, and Hybrid Combinations (eBook, PDF)
[2] Vorteile der Envelope Tracking-Technologie, https://saure.org/cq-nrw/2017/09/29/
was-ist-und-sind-die-vorteile-der-envelope-tracking-technologie/
[3] Earl W. McCune Jr.: Direct polar modulation has the right stuff,
www.eetimes.com/direct-polar-modulation-has-the-right-stuff/
[4] Power-Design Power-Tipps von TI: Robert Kollman/Johann Wiesböck:
Welche Auswirkungen hat das Envelope Tracking auf Netzteile? www.elektronikpra-
xis.vogel.de/welche-auswirkungen-hat-das-envelope-tracking-auf-netzteile-a-428621/
Informationen zu dieser und anderen Power-Lösungen gibt es außerdem auf
www.ti.com/power-ca
[5] M. Vasi, O. Garcia, JA Oliver, P. Alou, D. Diaz, JA Cobos, Uni Politécnica de
Madrid: Multilevel Power Supply for High-Efficiency RF Amplifiers, pdf im Netz,
IEEE 1078-1089, Mai 2010 ◄
hf-praxis 7/2020 23Sie können auch lesen
