Analysis of a High Efficiency Four-Switch Buck-Boost Converter for Envelope Tracking

Modern wireless communication systems, particularly those based on 4G and 5G technologies, require signals with a high Peak-To-Average Power Ratio (PAPR). However, since power amplifiers achieve maximum efficiency only when operating at peak output voltage, high PAPR can significantly reduce overall system efficiency. To address this challenge, envelope tracking amplifiers have emerged as a key solution. These amplifiers dynamically adjust their supply voltage in response to the signal envelope, thereby improving efficiency. This is typically achieved using hybrid power supplies that combine the high efficiency of switching regulators with the low noise and wide bandwidth of linear regulators. This thesis proposes the analysis of a four-switch buck-boost converter tailored for envelope tracking applications. The converter leverages the flexibility of the buck-boost topology to operate across a wide range of conditions. It achieves low power losses even at high switching frequencies by exploiting the bipolar nature of the inductor current, enabling Zero-Voltage Switching (ZVS). Furthermore, it can regulate its output voltage with slew rates up to 4.6 V/µs. Simulation and analysis confirm that the proposed converter meets the required performance criteria and is suitable for integration into an envelope tracking system. The thesis presents experimental validation on the switching components and also discusses critical design considerations and potential improvements.

I moderni sistemi di comunicazione wireless, in particolare quelli basati sulle tecnologie 4G e 5G, richiedono segnali con un elevato Peak-To-Average Power Ratio (PAPR). Tuttavia, poiché gli amplificatori di potenza raggiungono la massima efficienza solo quando operano alla tensione di uscita massima, un alto PAPR può ridurre significativamente l’efficienza complessiva del sistema. Per affrontare questa sfida, gli amplificatori per envelope tracking si sono affermati come una soluzione chiave. Questi amplificatori regolano dinamicamente la tensione di alimentazione in funzione dell’inviluppo del segnale, migliorando così l’efficienza. Ciò viene tipicamente realizzato mediante alimentatori ibridi che combinano l’elevata efficienza dei regolatori switching con il basso rumore e l’ampia banda passante dei regolatori lineari. La presente tesi propone l’analisi di un convertitore buck-boost a quattro interruttori, specificamente pensato per applicazioni di envelope tracking. Il convertitore sfrutta la flessibilità della topologia buck-boost per operare in un ampio intervallo di condizioni. Garantisce basse perdite di potenza anche ad alte frequenze di commutazione grazie alla natura bipolare della corrente nell’induttore, che consente di ottenere Zero-Voltage Switching (ZVS). Inoltre, è in grado di regolare la tensione di uscita con variazioni fino a 4.6 V/µs. Le simulazioni e le analisi confermano che il convertitore proposto soddisfa i criteri prestazionali richiesti ed è adatto all’integrazione in un sistema di envelope tracking. La tesi presenta una validazione sperimentale sui componenti di commutazione e discute anche considerazioni critiche di progetto e possibili miglioramenti.