移動無線應用中的電池壽命擴展技術的製作方法
2023-12-07 02:29:16 1
專利名稱：移動無線應用中的電池壽命擴展技術的製作方法
技術領域：
本發明領域本發明涉及無線發送器，特別涉及擴展發射機電池壽命的技術。
本發明
背景技術：
擴展電池的壽命是蜂窩電話和其它可攜式發送機用戶和製造商關心的問題。無線收發信機的大功率信號的產生和發射比低功率信號的產生和發射要耗用較多的電池功率。因此，某些現有技術用來調整可攜式發射機的增益以使發射信號的功率不超過正常通訊所需功率。本文引用的美國專利No4760347，5129098便說明了一些自動調整發射機輸出功率的例子。
雖然現有技術有選擇性地減少了發射機的輸出功率，但現有技術的方法並未改善發射機效率，通常發射機被偏置，且工作電壓設定，這樣發射機的輸出信號將不會最高期望輸出信號處反向失真。這些不良情況下的工作狀況甚至在無信號發射時也會消耗電池可觀的功率。這類不良工作狀況在發射機不發射最大信號的情況下是不需要的，因此發射低功率輸出信號時發射機的效率較低。低效率等同於浪費電池功率、減少話務時間。因此需要一種技術來擴展移動無線應用中的電池壽命。
本發明概要本發明所要說明的一種技術可以自動地減少作用於移動無線收發信機中的發射機的功率放大器上的工作電壓，這樣在發射機不輸出其最大輸出功率時可以增加發射機的效率。這樣比現有技術來說，發射機的總功耗減少了。在另一實施例中發射機中的偏置電壓或偏置電流也發生變化以優化發射機在某輸入功率電平上的效率。這項控制發射機工作電壓和偏置電壓/電流的技術可以與傳統的自動減少發射機增益的技術聯合使用。
在優選實施例之一中，一高效開關調節器由一控制電路控制以調節發射機中的功率放大器的工作電壓和偏置電壓/電流。該控制電路具有多種信號輸入以反應發射機的實際輸出或發射機的所需輸出功率。
圖1是使用本發明實施例之一的無線收發信機中的發射機部分的基本部件方框圖。
圖2-6說明了各種控制器的實施例，以用於控制用於無線收發信機中的功率放大器的電壓調節器的輸出電壓。
圖7說明了一種控制器的實施例，以用於控制用於無線收發信機中的接收機的電壓調節器的輸出電壓。
圖8和9分別說明了傳統的減壓型調節器(buck type regulator)和增壓型調節器(boost type regulator)。
圖10說明了使用本發明後改善了效率的功率放大器的實施例。
優選實施例說明圖1說明其工作電壓Vdd由變壓調節器12提供的發射機11所採用的功率放大器10。調節器12的輸出電壓Vdd由用於控制端子13的控制器14發出的信號控制。電池15向調節器12提供功率。
控制器14從輸入端子16接收信號，該信號代表功率放大器10的實際輸出功率、放大器10的所需輸出功率、或輸出電壓振幅的量值。控制器14之後按該輸入信號設定控制器12的輸出電壓Vdd以使放大器10對於特定輸出功率電平工作在最高效情況下。
控制器14還可以有選擇地通過線路20向放大器10提供偏置電壓或偏置電流控制信號以調節放大器10中的偏置電流或電壓值，以獲得特定輸出功率電平的最佳效率。
當放大器10輸出其最大功率電平時，放大器10的輸出電壓Vpa振幅是最大值且放大器10工作在較高的效率狀況下。放大器10中的各種電晶體和其它元件被偏置以及否則被操作，以不向輸出信號產生明顯的失真。當輸出功率減小時，從電池15輸出的輸出電壓振幅和電流減小。按本發明的實施例之一，由於輸出電壓振幅的減小，由調節器12向放大器10提供的工作電壓Vdd減小，不產生失真，且節省功率。
還有，按本發明實施例之一，由於輸出功率電平的減少，偏置電壓和電流也減少，不產生失真，且節省功率。
功率消耗是來自電池15的RMS電壓和電流的乘積。因此，通過減少放大器10的RMS電壓，功率消耗被減少到低於現有技術功率消耗的水平。因為蜂窩電話通常工作在低於全功率狀態下，使用圖1的發明將明顯地延長電池的壽命。
一種匹配網絡24(例如共振電路)做為放大器10的輸出到負載RL的接口。負載RL可以是一天線或其它負載。輸入信號發生器26以傳統的方式產生RF信號Vin並且可以包括自動增益控制電路。
圖2-6說明了一些可由控制器14採用的技術以用於檢測放大器10的輸出功率或需要輸出功率，以合適地控制調節器12以產生用於放大器10的變量Vdd或控制放大器10中的偏置設置。
圖2中，功率檢測器30通過耦合器31連接到功率放大器10的輸出端上，或連至匹配網絡24的輸出端上，以在放大器10的輸出功率相關的引線32處產生電壓。耦合器31將小量的輸出信號耦合至功率檢測器30。功率檢測器是公知的並且可以有很多種形式。控制器42將引線32上的信號轉化成調節器12的控制信號以調節Vdd以優化放大器10的效率。
控制器42可以耦合至調節器12的反饋端43，其中反饋信號Vfb與引線32上的電壓有預定關係。這樣，控制器42可以是簡單的一個值轉換器或合適的放大器。通過合適的功率檢測器30的設計，調節器12的反饋端子43還可以直接地連至引線32，這樣功率檢測器30的作用是一控制器。控制器42的輸入和控制器42的輸出之間的關係由所用的特定調節器12和功率放大器10來決定。
有些蜂窩電話和其它無線收發信機已經採用輸出功率檢測器來從事其它目的，這樣，本發明便可容易地被結合入這些裝置。
調節器12可以是任何傳統的高效開關調節器，如眾所周知，在反饋信號的基礎上提供輸出電壓。在傳統的電壓調節器電路中，調節器的反饋端子連至分壓調節輸出電壓。
圖3說明了控制器50，用於檢測放大器10的輸出電壓Vpa並且基本作用為一負峰值檢測器以在某一時間段上輸出電壓Vnp，代表放大器10的最大負向輸出。通過電阻56，作用於端點52的電池電壓Vbatt緩慢地將節點54提升至電池電壓。作用於二極體58的陰極的電壓，低於節點54處電壓一個二極體電壓降，將節點54處電壓下拉至大約端52處最負電壓加上一個二極體電壓降，電阻56值和電容59值的選擇決定了控制器50的響應。最好設定RC時間常數，這樣在周期之間在節點54上無明顯的變化。
節點54上的電壓加載於放大器60的一個輸入端上，以及參電壓62加載到另一輸入端。放大器60的輸出加載到調節器12的反饋端。相應地，調節器12提供一工作電壓Vdd至放大器10以使節點54上的電壓保持在大約Vref。如果Vref保持固定，則控制器50調節放大器10輸出電晶體兩端的用於避免反向失真的最小電壓，這樣，優化了放大器在所有輸出功率電平上的效率，圖3的技術也可用於控制放大器10所有級上的電晶體兩端的最小電壓(例如，圖10的電晶體Q1和電晶體Q2)。例如，參考圖10，允許電晶體Q1和Q2工作在線性區域中的電晶體Q1和Q2兩端的最小漏源極電壓可以使用圖3的電路來調節。還可以在放大器10的輸出和控制器50的輸入端之間還可能需要使用緩衝器以避免過載。
圖4說明了調節器12的控制器70，用於接收由產生指示接收信號強度的電壓的通常RSSI電路72提供的接收信號強度指示(RSSI)來做為其輸入。接收信號的強度，在某些情況下，指示出用於滿足需要的雙路通訊所需的發送功率。特別是當已知遠程啟動發送功率時更是這樣。無線收發信機可以已經包括RSSI電路72以用於不同目的。這樣較大RSSI信號指示給控制器70以提供反饋信號給調節器12以降低至放大器10的電壓Vdd從而改善放大器10在低輸出功率上的效率。
圖5說明到控制器76中的輸入可以是一基帶信號78，基帶信號78由多路混合器82與調製器80產生的調製RF載波混合。由於放大器10的輸出功率隨基帶信號78的輻度變化，控制器76可以使調節器12將電壓Vdd按照基帶信號調製進放大器10中。圖5中的技術僅適合於具有非恆定包絡(envelope)的調製形式。
在另一實施例中，如圖6所示，控制器83直接從放大器10的輸出或匹配網絡24接收信號。控制器83將此信號值轉化成用於調節器12的控制信號。
控制器的其它形式可適用於要控制的不同發射機。
圖7說明無線收發信機中的接收器85，該接收器85從調節器12接收其工作電壓Vdd。控制器87控制調節器12的輸出以改善接收器85在低接收信號值上的效率。低強度接收信號由RSSI電路72檢測，降低作用於接收器85的Vdd以優化效率。偏置電壓/電流值還可以由控制器87通過線路88來調節。
圖8和9說明了兩類簡單開關調節器圖8說明減壓型調節器90，和圖9說明增壓型調節器92。這類調節器也可用於各圖中的調節器12。在這些調節器裡，開關S1(一般為開關電晶體)的工作周期被控制，在此工作周期(duty cycle)正比於調節器的輸出電壓Vdd。工作周期控制器94按圖1～7所示控制器的任意之一所發出的反饋信號控制S1的切換。參考電壓Vref由放大器96與反饋信號比較以用於調節開關S1的工作周期。振蕩器98提供開關S1的開關頻率。本領域技術人員熟悉圖8和圖9的調節器的工作。增壓減壓調節器也可採用，通常是圖8圖9電路的組合。
圖10說明許多合適類型的功率放大器10的一種，可用於本發明。來自發生器26的調製RF輸入信號通過電阻R和電容C1提供至場效應管Q1的輸入端。可變偏置電壓發生器106，在圖1所示的控制器14的控制下，向工作電晶體Q1提供一工作點附近電壓。電感L1和電容C1構成一電晶體Q1的輸入匹配網絡。電晶體Q1的漏極產生的信號通過隔直流電容C1提供至電晶體Q2的柵極以進一步放大。電感L2、電感L3和電容C2構成電晶體Q1和Q2之間的匹配電路。
電晶體Q2的漏極提供放大器10的輸出Vpa，第二可變偏置電壓發生器108，由圖1中控制器14控制，向工作電晶體Q2提供工作點附近的偏置電壓。電晶體Q2的漏極連接到匹配網絡24以便於合適的諧振調諧以改善增益、降低返回消耗、降低失真、增加輸出功率、以及增加效率。匹配網絡24包括電容C3和C4、電感L5、和電晶體Q2和Vdd2之間連接的電感L4。電壓輸出Vout之後被加載在負載RL(例如無線)上以發送。
電晶體Q1和Q2的工作條件的設置使得電晶體Q1和Q2的電壓值和/或漏極電流不會以不可接受的方式失真。可調節的偏置電壓Vbias1和Vbias2以及電壓Vdd1和Vdd2因此被動態地控制以防止由電晶體Q1和Q2提供的這種信號的失真。使用本發明的對工作條件的合適的控制實現了各種通路上的較少的電池功率浪費。
電源106和108採用的可變電壓源(例如可控調節器)可以是傳統的。各種輸出功率電平上需要的特定偏置電壓依據特定放大器和應用因情況而定。
控制器14(圖1)可以控制調節器12的輸出以設置Vdd1和Vdd2的值，根據特定輸出功率下低失真所需要的電晶體Q1和Q2的最小工作電壓，而設置成相同或不同。
圖10所述的例子中，電晶體Q1和Q2是金屬半導體場效應管(MESFET)。
使用雙極技術的功率放大器也可使用本發明，其中放大器電晶體的集電極發射極電壓Vce被調節至電晶體在所有輸出值下工作不失真的最小值。這种放大器可以用雙極型電晶體代替圖10中的MESFET電晶體Q1和Q2。也可採用MOSFET電晶體。
這一動態調整放大器的工作狀態的技術也可用於許多形式的功率放大器，並且依據合理成本上產生最大電池功率效率的方法來使用特定類型的控制器。在某些蜂窩電話中已經有了許多種產生控制器14(圖1)的輸入的電路，如圖2的功率檢測電路30和圖4的RSSI電路72。本發明不局限於任何特定的開關調節器(例如PWM，PFM)，以及合適的調節器也可以是非開關調節器，如線性調節器。然而，已知的開關調節器是高效的。
本發明將增加蜂窩電話以及其它無線收發信機的電池壽命達50％或更多。在某些應用中，預計本發明至少可以加倍電池的壽命。
如上說明了本發明的一些實施例，本技術領域人員顯然明白在不偏離本發明的精神的範圍內可以在更廣泛的方面上做替換和修改，因此本發明的精神和範圍由所附權利要求限定。
權利要求
1.一種移動無線裝置，包括放大器，連接以接收要發送的輸入信號，所述放大器具有電源輸入端和放大輸出端；可控電壓調節器，具有電池輸入端和電壓控制端，所述調節器具有連接到所述放大器的電源輸入端的輸出電壓端；控制器，具有一連接至所述調節器的所述控制端的輸出端和連接以接收所述放大器輸出端的輸出電平相關的信號的控制器輸入端。
2.如權利要求1所述的裝置，其中所述調節器控制所述放大器中的一個或多個電晶體兩端的電壓。
3.如權利要求2所述的裝置，其中所述一個或多個電晶體是MOSFET電晶體，以及所述調節器控制所述一個或多個電晶體的漏極電壓。
4.如權利要求2所述的裝置，其中所述一個或多個電晶體是MESFET電晶體，以及所述調節器控制所述一個或多個電晶體的漏極電壓。
5.如權利要求2所述的裝置，其中所述一個或多個電晶體是二極體，以及所述調節器控制所述一個或多個電晶體的集電發射極電壓。
6.如權利要求2所述的裝置，其中所述放大器中的一個或多個電晶體包括所述放大器的一個和多個輸出電晶體。
7如權利要求1所述的裝置，其中所述調節器被控制以根據所述放大器輸出端的實際輸出電平輸出電壓。
8.如權利要求1所述的裝置，其中所述控制器和所述調節器在所述放大器輸出端將最小輸出電壓保持在預定電平。
9.如權利要求1所述的裝置，其中所述控制器包括連接以接收所述放大器輸出端的輸出電平相關的信號的電源檢測器。
10.如權利要求1所述的裝置，還包括一連接在所述放大器輸出端和負載間的匹配網絡。
11.如權利要求10所述的裝置，其中所述負載是一無線。
12.如權利要求1所述的裝置，其中所述控制器包括一最小電壓檢測器。
13.如權利要求1所述的裝置，還包括一基帶信號發生器，其中所述控制器接收所述基帶信號以及根據所述基帶信號控制所述調節器。
14.如權利要求1所述的裝置，其中所述控制器輸入端連接到所述放大器輸出端。
15.如權利要求1所述的裝置，還包括一匹配網絡，連接在所述放大器輸出端和天線之間，其中所述控制器輸入端連接到所述匹配網絡輸出端。
16.如權利要求1所述的裝置，還包括一接收信號強度指示器，其中所述控制器輸入端接收對應於所述接收信號強度指示器的輸出的信號。
17.如權利要求1所述的裝置，其中所述調節器是一開關調節器。
18.如權利要求1所述的裝置，其中所述調節器的控制端是一反饋端。
19.如權利要求1所述的裝置，其中所述調節器控制所述放大器中的偏置電流。
20.一種控制無線裝置的方法，包括放大發射信號；根據所述放大器的輸出電平產生控制信號。由所述控制信號控制電壓調節器的電壓輸出，所述調節器提供電壓以使所述放大器工作。
21.如權利要求20所述的方法，其中所述調節器提供電壓至所述放大器的電源端。
22.如權利要求20所述的方法，其中所述調節器控制所述放大器中的一個或多個電晶體的工作點，以改善所述放大器的效率。
23.如權利要求20所述的方法，其中所述調節器控制所述放大器中的一個或多個電晶體兩端電壓以改善所述放大器的效率。
24.如權利要求23所述的方法，其中所述調節器控制所述放大器中的一個或多個MOSFET電晶體的漏極電壓。
25.如權利要求23所述的裝置，其中所述調節器控制所述放大器中的一個或多個MESFET電晶體的漏極電壓。
26.如權利要求23所述的裝置，其中所述調節器控制所述放大器中的一個或多個二極體的集電發射極電壓。
全文摘要
移動無線收發信機中的發射機的功率放大器上加載的工作電壓動態地被控制以改善發射機在所有輸出功率電平下的效率。實施例之中,發射機中的偏置電流值可變以優化發射機在所有輸出功率電平下的效率。在一優選實施例中,由控制電路控制高效開關調節器以調節發射機中功率放大器的工作電壓和/或偏置電流。控制電路具有如同其輸入一樣的多種信號以反應發射機的實際輸出功率電平、所需輸出功率、或發射機的輸出電壓輻度。
文檔編號H04B1/04GK1252905SQ98804378
公開日2000年5月10日 申請日期1998年4月8日 優先權日1997年4月25日
發明者史蒂文·夏普, 斯圖爾特·S·泰勒, 薩米爾·W·哈蒙德, 羅納德·R·魯布希 申請人:特裡奎恩特半導體公司