CONVERTIDOR DE POTENCIA DE ALTA EFICIENCIA, Y MODULADOR Y TRANSMISOR QUE LO USAN.

Convertidor de potencia adaptado para ser conectado a una fuente de potencia eléctrica y administrar el flujo de potencia desde dicha fuente a una carga,

recibiendo el convertidor en su entrada una señal (A(t)) de control para la conversión y estando caracterizado porque incluye:

- un primer circuito regulador (L1, C1, M1, D1) del tipo reductor de modulación por anchura de impulsos, que está adaptado para ser conectado a una fuente de tensión positiva (Vcc) y referido a tierra para proporcionar una salida de tensión positiva, - un circuito recuperador de energía, que incluye un segundo circuito regulador (L2, M2, D2) del tipo intensificador de modulación por anchura de impulsos, conectado a dicho primer circuito regulador (L1, C1, M1, D1), que está adaptado para ser conectado a una fuente de tensión negativa de apoyo (Vdd), para descargar rápidamente los componentes (L1, C1) de almacenamiento de energía de dicho primer circuito regulador (L1, C1, M1, D1); en el que:

- la entrada de dicho segundo circuito regulador (L2

Convertidor de potencia de alta eficiencia, y modulador y transmisor que lo usan.

La presente invención está relacionada con un convertidor de potencia, de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.

Tal convertidor se aplica típicamente a moduladores de amplitud para transmisores de radio y la presente invención está relacionada también con un modulador de amplitud y un transmisor de radio.

En general, tal convertidor puede aplicarse, por ejemplo, cuando es necesario ajustar o convertir potencia de una manera eficiente y controlada por una señal analógica o digital.

Para construir un transmisor de radio capaz de realizar tal tipo de modulación (analógica y/o digital), la solución típica es utilizar un modulador de nivel de I-Q bajo (Cartesiano), seguido por amplificadores de radiofrecuencia de clase A; de esta manera, no se consigue una hbox{eficiencia alta; en realidad, la eficiencia típica de tal solución es inferior al 50%.}

Este problema se puede resolver utilizando un modulador polar (Eliminación y Restauración de Envolvente), como se ilustra esquemáticamente en la figura 1, el cual recibe en su entrada una señal moduladora SM, repartida en la amplitud A(t) de la señal moduladora y la fase F(t) de la señal moduladora a través, por ejemplo, de un procesador DSP, y que entrega en su salida una señal RF de radiofrecuencia modulada en amplitud, es decir, X(t)=A(t)•cos(?₀t+F(t)); la modulación polar de la figura 1 tiene:

El modulador de envolvente administra casi toda la potencia absorbida por el transmisor; es por tanto importante que su eficiencia sea muy alta. Además, el modulador de envolvente debe suministrar, a la etapa amplificadora final, una tensión variable que tiene el recorrido dinámico fijado por la señal moduladora A(t).

Conseguir una modulación de amplitud variando la tensión de alimentación de la etapa amplificadora final, se conoce desde hace al menos 70 años, denominada a menudo modulación de placa, y se consiguió utilizando un transformador de modulación (véase, por ejemplo, el Radio Engineers Handbook (Manual del Radio Ingeniero), de McGraw Hill, 1943).

La posibilidad de implementar el modulador de amplitud por medio de un regulador reductor de modulación por anchura de impulsos, es decir, un Regulador PWM, eliminando así el transformador de modulación, fue introducida alrededor de finales de la década de 1960. Hoy día, es bien sabido, tanto en la literatura científica (véase por ejemplo Polar Modulation-Based RF Power Amplifiers with Enhanced Envelope Processing Technique (Amplificadores de potencia de RF basados en la modulación polar, con una técnica de proceso de envolvente mejorada), de J.K. Jau, F.Y. Han, M.C. Du, T.S. Horng, T.C. Lin, en la 34 Conferencia Europea de Microondas, Ámsterdam, 2004), como en la documentación de patentes (véanse por ejemplo las patentes US 3.413.570, US 3.506.920, US 3.588.744 y US 4.896.372).

En general, la solución propuesta en tal literatura es siempre la de un regulador reductor que excita un amplificador de potencia de radiofrecuencia en clase AB, B, C, D, E o F u otras clases saturadas, variando su tensión de alimentación.

En 1999 se propuso un avance adicional por la patente US 6.636.112, en la cual se añade en cascada con el regulador de PWM reductor un regulador lineal que tiene una doble funcionalidad:

Tal regulador lineal reduce la eficiencia global del sistema, ya que por su naturaleza, disipa algo de la energía suministrada por el regulador PWM (véase la patente 6.636.112 en la columna 9, líneas 7 a 13).

En la patente US 6.636.112 (véase la columna 8, líneas 1 a 14), se supone que la resistencia que presenta la etapa final en su puerto de alimentación es constante.

El objetivo general de la presente invención es eliminar o reducir los inconvenientes de la técnica anterior.

Este objetivo se consigue mediante el convertidor de potencia que tiene las características indicadas en las reivindicaciones que se acompañan, que han de ser consideradas como parte integrante de la presente descripción.

La presente invención está basada en la idea de recuperar el exceso de energía acumulada en la salida, utilizando un circuito adecuado y, en particular, transfiriéndola a la entrada.

Un aspecto innovador adicional de la presente invención puede ser apreciado al considerar lo que se afirma en la patente US 6.636.112 en la columna 8, líneas 1 a 14, donde se supone que la resistencia presentada por la etapa final en su puerto de alimentación es constante. Tal afirmación es cierta solamente en presencia de cargas perfectamente adaptadas y es fundamental en la patente antes mencionada para tener éxito en el cálculo, independientemente de todo, de la tensión a aplicar a la etapa final, con el fin de tener la potencia deseada. En la solución propuesta por la presente invención, no hay tal restricción; el método de control permite calcular el ciclo de trabajo (ciclo a ciclo) a realizar (con el fin de producir la tensión a aplicar a la etapa final) incluso en presencia de un amplificador de potencia cuya resistencia presentada en el puerto de alimentación sea variable. La verdadera resistencia del amplificador de potencia puede ser medida por tanto (ciclo a ciclo) y este valor (o un valor medio del mismo) se puede utilizar en el ciclo siguiente.

Con la presente invención (en virtud también del método de control original), también se pueden acomodar por tanto cargas altamente inadaptadas o variables.

La invención se explicará mejor ahora con ayuda de los dibujos que se acompañan, los cuales pretenden, no obstante, ser ejemplos explicativos y no limitativos, en los cuales:

la figura 1 muestra un diagrama de bloques de un transmisor de amplitud modulada,

la figura 2 muestra un diagrama simplificado de un primer ejemplo de modo de realización del convertidor de acuerdo con la presente invención,

la figura 3A muestra el posible camino de un fasor en el plano I-Q,

la figura 3B muestra cómo la amplitud del fasor de la figura 3A varía con el tiempo y la correspondiente tensión de salida de un convertidor,

la figura 4 muestra cómo la corriente I₁ varía de acuerdo con la fórmula [3], y cómo la tensión V_out varía de acuerdo con la segunda suposición en la cual está basada el modelo analítico de la presente invención y a la vista de la fórmula [4],

la figura 5 muestra una manera posible en la cual puede variar la corriente I₂ y la integral asociada Q_s calculada de acuerdo con la fórmula [19],

la figura 6 muestra un diagrama simplificado de un segundo ejemplo de modo de realización del convertidor de acuerdo con la presente invención, y

la figura 7 muestra un diagrama simplificado de un tercer ejemplo de modo de realización del convertidor de acuerdo con la presente invención.

Para conseguir una alta eficiencia, el convertidor de acuerdo con la presente invención emplea la modulación por anchura de impulsos, o PWM, técnica que se ilustra en la figura 2, la figura 6 y la figura 7.

Uno de los aspectos innovadores de la presente invención es la combinación de dos reguladores PWM diferentes: el primero, constituido por una bobina L₁, un condensador C₁, un transistor M₁...

1. Convertidor de potencia adaptado para ser conectado a una fuente de potencia eléctrica y administrar el flujo de potencia desde dicha fuente a una carga, recibiendo el convertidor en su entrada una señal (A(t)) de control para la conversión y estando caracterizado porque incluye:

en el que:

2. Convertidor de potencia de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha unidad (UC) de control está configurada para fijar la anchura (D_c, D_s) de los impulsos de conmutación periódicamente, en cada ciclo de conmutación.

3. Convertidor de potencia de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque dicha unidad (UC) de control está configurada para fijar la anchura (D_c, D_s) de los impulsos de conmutación, también con respecto al estado previo al menos de dicho primer circuito regulador (L₁, C₁, M₁, D₁), en particular el estado del ciclo de conmutación anterior.

4. Convertidor de potencia de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque dicha unidad de control (UC) está adaptada para aplicar una oscilación aleatoria y variable en el dominio del tiempo a la conmutación de dichos componentes del circuito de conmutación.

5. Convertidor de potencia de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque incluye medios (F) de filtrado conectados aguas debajo de dicho primer circuito regulador (L₁, C₁, M₁, D₁) y adaptados para filtrar el ruido de conmutación.

6. Convertidor de potencia de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque dichos medios (F) de filtrado comprenden un filtro de banda eliminada múltiple.

7. Convertidor de potencia de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque incluye medios (ADC) adaptados para determinar al menos algunas de las variables de estado (I₁, V₀) de dicho primer circuito regulador (L₁, C₁, M₁, D₁), y porque dicha unidad de control (UC) está conectada a dichos medios de determinación (ADC) y está adaptada para funcionar de acuerdo con un método de control, basándose en el modelo analítico del primer circuito regulador (L₁, C₁, M₁, D₁), que tiene en cuenta los valores de las variables de estado (I₁, V₀) determinadas.

8. Convertidor de potencia de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque incluye medios (ADC) de determinación adaptados para detectar la tensión (V_OUT) de salida en el convertidor y en la carga (R_L) aplicada a la salida del convertidor, y en el cual dicha unidad de control (UC) está conectada a dichos medios (ADC) de determinación y está adaptada para funcionar de acuerdo con un método de control, basándose en el modelo analítico del primer circuito regulador (L₁, C₁, M₁, D₁), que tiene en cuenta la tensión (V_OUT) de salida determinada y la carga en la salida (R_L) determinada.

9. Convertidor de potencia de acuerdo con la reivindicación 8, en el que dichos medios (ADC) de determinación están adaptados para medir la tensión (V_OUT) de salida en el convertidor y la corriente I_o de salida en el convertidor.

10. Convertidor de potencia de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque está adaptado para alimentar cualquier tipo de carga o accionamiento.

11. Modulador de amplitud adaptado para recibir en la entrada una señal moduladora y que incluye un amplificador y un alimentador de potencia adaptado para suministrar potencia, caracterizado porque dicho alimentador de potencia incluye un convertidor de potencia de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, cuya señal de control (A(t)) para la conversión corresponde a dicha señal moduladora.

12. Transmisor de radio que incluye un modulador de amplitud de acuerdo con la reivindicación precedente.