用于功率放大器的保护装置的制作方法

本公开的实施例总体上涉及通信领域，并且具体地，涉及一种用于功率放大器的保护装置。

背景技术：

当前，用于第三代(3g)或第四代(4g)移动通信的基站收发器站台(bts)的功率放大器(pa)通常是使用横向双扩散金属氧化物半导体(ldmos)。随着技术的发展，具有更高效率的氮化镓(gan)器件技术目前已经足够成熟，在3g/4gbts中正使用更多数量的gan器件。可以预见，第五代(5g)移动通信将定义更多的高频带，因此gan器件技术将成为用于通信系统中的功率放大器的越来越有竞争力的技术。

然而，现有的用于ldmos功率放大器的硬件并不适用于gan功率放大器，这是由于gan功率放大器的特性与ldmos功率放大器的特性不同。gan功率放大器要求在功率上升/下降期间栅极电压和漏极电压满足严格的时序。一旦出现时序错误，将直接导致gan功率放大器烧毁。当前通常采用软件方式对gan功率放大器的时序进行控制，但是无法保障软件或硬件故障所导致的gan功率放大器的烧毁情况的发生。

以上结合gan功率放大器所讨论的缺陷同样可能存在于其他相似类型的功率放大器中。因此，期望提供一种用于功率放大器的保护装置，以期对其提供可靠和智能的保护。

技术实现要素：

在本公开的第一方面，提供一种用于功率放大器的保护装置。该保护装置包括：检测电路，耦合至用于功率放大器的负电源线，检测电路被配置成：比较负电源线上的电压与预定的阈值电压；以及输出指示比较的结果的检测信号；控制电路，被配置为响应于从检测电路接收到指示负电源线上的电压小于阈值电压的检测信号而输出使能信号；以及开关电路，耦合至用于功率放大器的正电源线，并且被配置为响应于接收到使能信号而将正电源线连接至功率放大器的功率供应线。

在某些实施例中，检测电路包括：串联连接的稳压二极管和第一电阻器，第一电阻器耦合在稳压二极管与正电源线之间。

在某些实施例中，控制电路被配置为响应于从检测电路接收到指示负电源线上的电压大于阈值电压的检测信号，向开关电路输出禁用信号，以及开关电路被配置为响应于禁用信号而将正电源线与功率供应线断开。

在某些实施例中，控制电路包括级联的第一开关和第二开关，第一开关被配置为响应于从检测电路接收到指示负电源线上的电压大于预定的阈值电压的检测信号而接通，从而产生去往第二开关的触发信号，第二开关被配置为响应于接收到来自第一开关的触发信号而关断，以产生去往开关电路的禁用信号。

在某些实施例中，开关电路包括第三开关，其串联耦合在第二开关与开关电路的输出端子之间，输出端子耦合至功率放大器的功率供应线，第三开关被配置为响应于来自第二开关的禁用信号而关断，从而将正电源线与功率供应线断开。

在某些实施例中，第一开关包括第一npn型双极型晶体管，第二开关包括第二npn型双极型晶体管，第一npn型双极型晶体管具有耦合至检测电路的输出端的基极，以及其经由第二电阻器耦合至正电源线的集电极，第二npn型双极型晶体管具有耦合至第一npn型双极型晶体管的集电极的基极，以及经由第三电阻器与第四电阻器耦合至正电源线的集电极。

在某些实施例中，第三开关包括p型mos场效应管(mosfet)，mosfet具有耦合至控制电路的输出端子的栅极，耦合至正电源线的源极，以及耦合至开关电路的输出端子的漏极。

在某些实施例中，功率放大器包括gan晶体管，并且其中负电源线耦合至gan晶体管的栅极，以及功率供应线耦合至gan晶体管的漏极。

在某些实施例中，检测电路和控制电路均耦合至正电源线以通过其供电。

在本公开的第二方面，提供了一种电路系统。该电路系统包括根据本公开的第一方面所述的保护装置。该电路系统还包括功率放大器，其耦合到负电源线并且经由保护装置耦合到正电源线。

在本公开的第三方面，提供了一种基站收发器站台。该基站收发器站台包括根据本公开的第一方面所述的保护装置。

在本公开的第四方面，提供了一种便携式电子设备。该便携式电子设备包括根据本公开的第二方面所述的保护装置。

根据本公开的实施例的保护装置，实现了对功率放大器的可靠和智能的保护，从而避免了任何潜在的硬件烧毁问题。而且，该保护装置不需要任何软件相关的支持，非常简单易用。

此外，在移动通信系统的具体应用场景中，该保护装置对在5g通信系统的多管道应用尤其有利，能够适应下一代通信技术的需求。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：

图1a示出了适合用于实践本公开的示例实施例的装置的简化框图；

图1b示出了在其中可以应用本公开实施例的电路系统的示意图；

图2a和图2b分别示出了图1b中电路系统正常工作所要求的功率供应的时序图；

图3示出了根据本公开的某些实施例的保护装置的示意性框图；

图4示出了根据本公开的某些实施例的保护装置的示例性电路图；以及

图5示出了根据本公开的某些实施例的保护装置在图1b的电路系统中的应用的示意图。

具体实施方式

现将结合附图对本公开的实施例进行具体的描述。应当注意的是，附图中对相似的部件或者功能组件可能使用同样的数字标示。所附附图仅仅旨在说明本公开的实施例。本领域的技术人员可以在不偏离本公开精神和保护范围的基础上从下述描述得到替代的实施方式。

如本文中所述，术语“包括”及其各种变体可以被理解为开放式术语，其意味着“包括但不限于”。术语“基于”可以被理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”可以被理解为“至少一个实施例”。术语“另一实施例”可以被理解为“至少一个其它实施例”。

现在参考图1a，其示出了适合用于实践本公开的示例实施例的装置50的简化框图。在图1a中，装置50适于与其他具有无线通信功能的装置通信。例如，装置50可以被实现为基站收发器站台(bts)。bts是固定或静止电子通信设备的一个示例，其他示例可以是需要无线通信功能但旨在用于在固定位置使用的任何电子设备，例如但不限于，电视机、白色家电(冰箱、冷冻箱、炊具、烤箱、洗衣机、滚筒式烘干机、厨房电器)、桌面计算机、音频/视频设备、娱乐设备、电子个人助理、游戏控制台、安全设备等等。

装置50包括处理装置(诸如至少一个控制器25)、存储装置(诸如存储数据35和至少一个计算机程序(prog)40或者其他可执行指令集的至少一个计算机可读存储器(mem)30、经由一个或多个天线10与其他无线设备通信的通信装置(诸如发射器tx15和接收器rx20)。

在一些实施例中，装置50也可以被实现为便携式电子设备，包括但不限于具有无效通信功能的个人便携式数字设备，包括但不限于蜂窝电话、导航设备、膝上型计算机、掌上计算机、平板计算机、数字相机和音乐设备、互联网电器和安装在陆路、水路或空中交通工具中的设备(永久或临时固定到交通工具)，其包括射频通信、互联网、媒体和导航功能中的一项或多项。

如前所述，在通信系统中，诸如图1a所示的装置50越来越多地采用gan功率放大器。gan功率放大器通常包括gan晶体管，例如高电子迁移率晶体管(hemt)。在本公开仅以gan功率放大器作为示例，可以理解，本公开的实施例可以应用于任何具有与gan功率放大器类似的时序要求的器件等，例如砷化镓(gaas)放大器。

图1b示出了本公开的实施例可以实现于其中的电路系统100。作为示例，电路系统100可以视作射频信号放大模块的一种示例实现，其中所使用的功率放大器例如可以是gan功率放大器。

在图1b所示的示例中，采用三个gan功率放大器150、160和161。第一级gan功率放大器150可以作为放大驱动，为末级gan功率放大器160和161提供经放大的信号。末级gan功率放大器160和161可以采用常规的射频放大设计以共同协调的工作，从而提升功率放大效率。

电源单元(psu)101为该电路系统100供电，其可以是例如bts电源系统。从psu101经由正电源线110和负电源线120提供两种类型的功率供应。正电源线110提供例如50v的正电压(该电压在本文中记为psu_p)，并且负电源线120提供例如-12v的负电压(该电压在本文中记为psu_n)。可以理解，此处的50v或-12v电压值仅为示例，可以根据通信系统设计需要而产生不同的电源供应。

电压psu_p为gan功率放大器150中的功率晶体管和末级gan功率放大器160和161中的功率晶体管的漏极提供功率供应。电压psu_n用于生成负电压，以用于保护gan功率放大器150和160中的功率晶体管的栅极。作为示例，图1b示出了低压差稳压器(ldo)102和103，其将负电压psu_n分别转换为输出线路122和121上的诸如-5v和-10v的负电压。输出线121为运算放大器140、141和142提供电源，其又生成分别到gan功率放大器150、161和160的经调节的负偏置电压。输出线路122经由两个开关171和172选择性地耦合到gan功率放大器150和160，从而为gan功率放大器150和160中的功率晶体管提供负栅压。

换言之，从数模转换器(dac)130和运算放大器140、141和142生成的负偏置电压可以用于驱动gan功率放大器150、160和161中的功率晶体管的栅极。可以通过串行外设接口(spi)配置运算放大器140、141和142以输出合适的偏置电压。

电路系统100可以用于时分双工(tdd)通信系统或者频分双工(fdd)通信系统。在要传输的信号tx1-in通过线路181到达gan功率放大器150时，线路182上的pa_enable信号将控制开关171和172，使其将运算放大器140和142输出的偏置电压施加给gan功率放大器150和160，以便gan功率放大器150和160正常工作在放大状态。以此方式，信号tx1-in将由gan功率放大器150、160和161放大，并最终输出经放大的信号tx1-out。

如果不需要使用放大器放大信号，pa_enable信号将控制开关171和172，使其将输出线路122上输出的例如-5v电压施加给gan功率放大器150和160，为gan功率放大器150和160中的功率晶体管提供负栅压。

gan功率放大器应当满足如下两个工作条件，否则可能发生一些致命的硬件烧毁。也即，当开启gan功率放大器时，漏极-源极电压的上电应当在栅极-源极电压的上电之后；当关闭gan功率放大器时，栅极-源极电压的下电应当在漏极-源极电压的下电之后。

图2a和图2b分别示出了图1b中的电路系统100正常工作所要求的正电压psu_p和负电压psu_n的时序图，其中图2a和图2b中横轴表示时间，纵轴表示电压。为了便于示意，psu_p和psu_n曲线的纵轴采用了不同的刻度比例。

图2a示出了为gan功率放大器使能psu_n的时序，其中标号210表示psu_p曲线，标号220表示psu_n曲线，并且左边纵轴以psu_n的电压刻度比例示意，右边纵轴以psu_p的电压刻度比例示意。如图所示，在需要为gan功率放大器提供psu_n时，要求仅当psu_n从0v达到-12v并稳定之后，psu_p才能上电。

图2b示出了为gan功率放大器禁用psu_n的时序，其中标号230表示psu_n曲线，标号240表示psu_p曲线，并且左边纵轴以psu_n的电压刻度比例示意，右边纵轴以psu_p的电压刻度比例示意。如图所示，在不需要为gan功率放大器提供psu_n时，要求psu_n从-12v上升到-10v时，psu_p需要从50v降到0v，如250处所指示的。

只有当psu_p和psu_n的时序满足图2a和图2b所示的要求，电路系统100中的gan功率放大器150、160和161才能正常工作。当前的这种时序控制通常通过软件来实现，然而在实际应用中由于软件和硬件的故障时有发生，gan功率放大器存在可观的烧毁几率。

例如，当以下任一异常情况发生时，gan功率放大器将即刻烧毁。例如，由于不稳定的系统参考时钟或光纤重复接插，现场可编程门阵列(fpga)或专用集成电路(asic)软件定时控制出现错误；当远端射频单元(rru)被重置或者突然关闭时，fpga或asic和psu失去时序控制能力；在制造商站点处板级测试中，gan功率放大器的功率供应的时序控制出现错误；或者由于装配问题，例如gan功率放大器和psu之间的连接器的接口的问题，psu_p引脚正常，而psu_n引脚错误，等等。

以上的异常情况将导致对psu_p和psu_n的错误时序控制，从而造成功率放大器烧毁。有鉴于此，本公开的实施例提供一种保护装置，其能够保证功率放大器(例如gan功率放大器)的两种安全的工作条件。有利的是，保护装置用硬件来智能地实现这种保护，避免了软件控制所带来的问题。

图3示出了根据本公开的实施例的包括保护装置310的电路系统300的示意性框图。如图3所示，psu101耦合至用于功率放大器320的正电源线110和负电源线120，以分别向功率放大器320提供正电压和负电压。正电压和负电压可以分别由psu_p和psu_n来表示。功率放大器320可以是图1b所示的功率放大器150、160和161中的任何一个。负电源线120上还可以设置有电压调节器，以适配提供给功率放大器320的电压。电压调节器可以是低压差稳压器(ldo)。

如图3所示，保护装置310包括检测电路330，检测电路330在节点332处耦合至正电源线110，并且在节点331处耦合到负电源线120。检测电路330被配置成比较负电源线120上的电压与预定的阈值电压，并且在输出端子333处输出指示该比较的结果的检测信号。检测电路330的输出端子333耦合到控制电路340的输入端子341，并且向控制电路340提供该检测信号。

例如，如果负电源线120与检测电路330断开，则负电源线120上的电压可以是高于预定的阈值电压。如果负电源线120与检测电路330连接以提供负电压，则负电源线120上的电压可以是低于预定的阈值电压。因此，在一些实施例中，检测电路330可以被配置为检测是否与负电源线120连接以接收负电源线120的负电压。

控制电路340通过其输入端子341接收来自检测电路330的检测信号。如果从检测电路330接收到的检测信号指示负电源线120上的电压小于阈值电压，则控制电路340通过其输出端子343向开关电路350输出使能信号。根据一个实施例，如果从检测电路330接收到的检测信号指示负电源线120上的电压大于阈值电压，则控制电路340通过其输出端子343向开关电路350输出禁用信号。

开关电路350经由输入端子351耦合至控制电路340，经由节点352耦合至正电源线110，并且经由输出端子353耦合至功率放大器320的功率供应线323。功率放大器320经由功率供应线323接收正电压并且经由负电源线120接收负电压。

如果开关电路350从控制电路340接收到使能信号，则开关电路350将正电源线110连接至功率放大器320的功率供应线323，从而由正电压对功率放大器320进行供电。以这种方式，可以实现在开启功率放大器时，漏极-源极电压的上电在栅极-源极电压的上电之后。

如果从控制电路340接收到禁用信号，则将正电源线110与功率供应线323断开，从而防止正电压对功率放大器320进行供电。以这种方式，可以实现在关闭功率放大器时，栅极-源极电压的下电在漏极-源极电压的下电之后。

在一些实施例中，功率放大器320包括gan晶体管(未示出)，其包括源极、栅极和漏极。gan晶体管的栅极耦合至负电源线120，gan晶体管的漏极耦合至保护装置310，并且gan晶体管的源极耦合至地。

图4示出了根据本公开的某些实施例的保护装置310的示例电路实现。应当理解，提供该示例电路实现仅为了使本领域技术人员进一步理解并实现本公开，而不是为了限制本公开的范围。

在该示例电路实现中，检测电路330包括串联连接的稳压二极管410和电阻器481。电阻器481耦合在正电源线110与稳压二极管(齐纳二极管)410的阴极之间，并且在两者之间的节点333处提供检测信号。此外，稳压二极管410的阳极还耦合至负电源线120。

控制电路340可以包括第一开关420和第二开关430。在该示例电路实现中，第一开关420和第二开关430均被实现为npn型双极型晶体管(bjt)。

第一开关420的基极421可以经由电阻器482耦合到检测电路330的输出端子333，并且第一开关420的发射极423可以接地。电阻器482的电阻值可以为0欧姆或者例如几十或几百欧姆的小电阻值，以便为第一开关420的基极421提供合适的电流。

稳压二极管410的稳定电压vz1为：

vz1＝vg_t1–psu_n(1)

其中vg_t1为检测电路330所输出的检测信号，在该示例中为输出端子333处的电压。

假设稳压二极管410的稳定电压vz1在vzmax与vzmin之间，则对于稳定工作的稳压二极管410，应当满足：

vzmin<(vg_t1–psu_n)<vzmax(2)

假设在第一开关420开始接通时，电压vg_t1为0.7v。在负电源线120上的电压psu_n小于0.7v–vzmax的情况下，第一开关420将不会接通，而在负电源线120上的电压psu_n大于0.7v–vzmax的情况下，第一开关420将接通。

在控制电路340中，第一开关420的集电极422(在节点491处)经由电阻器483耦合至正电源线110。第二开关430的基极431耦合至第一开关420的集电极422，第二开关430的集电极432经由电阻器488与电阻器487耦合至正电源线110。通过电阻器483、484、485和486，实现第一开关420和第二开关430的级联，并共同实现控制电路340的控制功能。

电阻器483的电阻值可以被设置为保证第一开关420的导通电流不能过大，从而降低第一开关420的功耗。同样地，电阻器485的电阻值可以被设置为保证第二开关430的导通电流不能过大，从而降低第二开关430的工作功耗，其通常可以设置为与电阻器483的电阻值相同。电阻器484和电阻器486的电阻值足够小，例如几十或几百欧姆。在某些实施例中，这两个电阻器的电阻值甚至可以接近零。以此方式，有助于为第二开关430的基极提供合适的电流。

如果第一开关420接通，则在其集电极422处将呈现低电压，以产生触发信号。在这种情况下，低电压可以是低于0.7v的电压。例如，低电压可以是地电平。在第二开关430在其基极431处接收到该触发信号而关断。由此，在控制电路340的输出端子343处的电压vg_p将基本上等于正电源线110上的正电压psu_p，以产生使能信号。

如果第一开关420关断，则第二开关430的基极431处的电压将升高，从而正电源线110经由电阻器485和电阻器486向第二开关430输入导通电流，从而接通第二开关430。在这种情况下，电阻器488将输出端子343处的电压下拉到一定电压值，以产生禁用信号。

开关电路350可以包括第三开关440。在该具体电路实现中，第三开关440被实现为p型金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。第三开关440的源极442耦合至正电源线110，并且其漏极443耦合至开关电路350的输出端子353。第三开关440的栅极耦合到控制电路340的输出端子343，以接收来自控制电路340的使能信号或禁用信号。如果从控制电路340接收使能信号，则第三开关440被接通，从而将正电源线110耦合至开关电路350的输出端子353。如果从控制电路340接收禁用信号，则第三开关440被关断，从而将正电源线110与开关电路350的输出端子353断开连接。

虽然参考某些开关装置来描述了示例电路实现，但是应当理解本公开的实践不限于这里示出和讨论的开关装置。对示例电路实现的各种修改和变化对相关领域技术人员基于以上描述变得更加明显。例如，npn型bjt可以由pnp型bjt代替，并且p型mosfet可以由n型mosfet、结型fet(jfet)或者金属半导体fet(mesfet)来代替。

由此，保护装置310实现了利用负电压作为触发信号来控制正电压的供应，从而保障功率放大器的正常工作条件，避免功率放大器由于供电时序错误而烧毁。

图5示出了根据本公开的实施例的保护装置310在图1b的示例电路系统中的应用的示意图。有利的是，保护装置310可以被布置在gan功率放大器板上，并靠近gan功率放大器器件，以更有效地保护功率放大器。

如图所示，负电源线120提供负电压psu_n，其被分成两路，一路用于两个ldo102和103，另一路提供给保护装置310中的稳压二极管410。正电源线110提供正电压psu_p，其被提供给保护装置310，并由保护装置310选择性地输出给功率放大器150、160和161的功率供应线。

在用于控制psu101的fpga或asic正常控制定时的情况下，psu101的输出psu_n被提供给ldo102和ldo103，ldo102和ldo103经过转换而输出-10v和-5v电压。-10v电压提供给运算放大器140、141和142，并且-5v电压提供给开关171和172。适当的负电压从dac130和运算放大器140、141和142的组合而获得。

在负电压psu_n供应正常的情况下，保护装置310的第三开关440将接通，因此将输出正电压psu_p。在功率放大器150、160和161可以正常工作。

如果发生异常情况(例如，上文结合图1b所列举的故障情形)，保护装置310可以检测到psu_n高于预定阈值，保护装置310的第三开关440将关断，因此不会输出正电压psu_p，也即不会为功率放大器功率150、160和161提供漏极电压。因此，功率放大器150、160和161总是安全的，避免了功率放大器硬件烧毁。

通过本公开实施例提供的保护装置，实现了对功率放大器的可靠和智能的保护而不需要任何软件相关的支持。即使软件或psu发生致命的错误定时，保护装置也能够提供硬件保护，从而避免了任何潜在的硬件烧毁问题。

此外，在移动通信系统的具体应用场景中，由于保护装置仅需要监控功率放大器和psu之间的两个接口电压，因此对在5g通信系统的多管道应用尤其有利。

提供以上对所公开的示例性方面的描述是为了使任何本领域技术人员能够制作或使用本发明。上面的描述示出了本公开的各种实施例以及可以如何实现特定实施例的各方面的示例。尽管已经以特定于结构特征和/或动作的语言描述了主题，但是应当理解，上述示例不应被认为是仅有的实施例，并且上述示例被呈现以示出由所附权利要求限定的特定实施例的灵活性和优点。

对以上对所公开的这些示例性方面的各种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，并且本文中定义的普适原理可被应用于其他示例性方面而不会脱离本发明的精神或范围。基于上述公开内容和所附权利要求，而不脱离由权利要求限定的本公开的范围的情况下，可以采用其他布置、实施例、实现和等同物。由此，本公开并非旨在被限制于本文中示出的示例性方面，而是应被赋予与本文中公开的原理和新颖性特征一致的最宽的范围。