CN101124723A - Rf功率放大器的电流限制电路 - Google Patents

Abstract

一种电流限制电路，尤其用于具有功率控制环路的RF功率放大器(PA)。该电路适于感测馈入PA最终级的偏置电流的表示。将偏置电流的所感测到的表达与预定参考电流进行比较，以及在所感测到的偏置电流超过参考电流时，将信号馈入功率控制环路，从而限制了PA的输出功率。这提供了通常对供电电压和温度变化不敏感的PA所汲取的电流限制。可选地，可以添加第二电路来限制由PA汲取的电流。第二电路包括高精度VI转换器，适于将功率控制环路的反馈电压的电压VLIM与预定参考电压VBGAP进行比较。将电路与VI转换器操作连接，从而在表示反馈电压的电压VLIM超过参考电压VBGAP时减小输出电流Iout。与在失配条件下不能检测并限制高电路汲取的现有技术功率控制环路相比，上述两个电路在天线失配条件下均有助于限制由PA所汲取的供电电流。

Description

RF功率放大器的电流限制电路

技术领域

本发明涉及用于限制由RF功率放大器汲取的供电电流的电路的领域。更具体地，本发明涉及在天线失配期间用于限制射频(RF)功率放大器(PA)的电流的电路。本发明尤其适用于具有内置功率控制环路的功率放大器。

背景技术

RF功率放大器输出级(如，GSM PA)易于受到天线失配条件的影响。在天线失配期间，依据相位，RF输出级的集电极电流可以显著地增加。这种高集电极电流引起了对于例如在GSM移动电话中的电池放电非常关键的大功耗。在极端条件下，集电极电流可以高到足以不可挽回地毁坏PA。

具有内置功率控制环路的PA(使用耦合器/检测器组合、电流镜像或供电线路中的电阻器来感测输出功率)本身并不提供精确和有效的方式来测量失配条件下的功率耗散。使用耦合器/检测器组合的功率控制环路仅检测前向功率。这并不能提供计算耗散功率的足够信息。

电流镜像的精度取决于与RF级的缩放表达相比，电流镜像和其终端的所有电压和电流是多好的缩放表达。由于电流镜像设备不可避免地“看到”与呈现给RF级的负载阻抗的缩放形式不同的负载阻抗，所以不可避免地具有不准确性。可以利用供电线路中的电阻来实现对最终级耗散的精确感测，但是这花费了功率和效率。

可以在美国专利US 6,701,138和US 6,178,313中找到PA的现有技术功率限制的示例。这些美国专利公开了对于移动电话的不同功率控制。这种功率控制能够限制在正常工作条件下(例如，具有正常的50欧姆或接近于50欧姆的PA的负载阻抗)由PA传递的功率。然而，在天线失配条件下，PA本身显著地变得低效，因而从电源汲取明显更多的功率，而导致电池放电和可能的自我毁坏。

发明内容

可以看出，本发明的目的是提供一种电流限制电路，该电流限制电路能够在失配的条件下提供对PA的供电电流的精确感测和限制，尤其对于具有功率控制环路的RF PA。电流限制电路本身不应当导致降低的功率效率。

根据第一方面，本发明提供了用于对关联功率控制环路功率放大器的供电电流进行限制的电路，所述电路包括：

-装置，适于感测表示馈入关联功率放大器输出级的偏置电流的电流，并将所感测到的电流与预定参考电流进行比较，以及

-装置，适于在所感测到的电流超过预定参考电流时，向关联功率放大器的功率控制环路施加信号，以限制功率控制环路的内部控制电压，从而限制功率放大器的输出功率。

利用基于检测馈入PA最终放大器级偏置电流的输出电流的测量，实现了对输出电流汲取的良好估计。因而，通过适当地选择预定参考电流，可以预先定义通常与供电电压和温度变化无关的最大输出电流。因此，该电路能够也在失配条件下，提供检测和限制PA的高输出电流条件的高度安全性。从而，该电路有助于在失配条件下供电并防止PA毁坏。

根据第一方面的电路易于与放大器的功率控制环路集成。

适于向功率控制环路施加信号的装置可以包括电流镜像，该电流镜像被可操作地连接以将所感测到的电流与预定参考电流进行比较，如，基于两个双极结晶体管的电流镜像。

优选地，适于检测表示偏置电流的电流的装置适于检测馈入输出级的偏置电流的缩放形式。

该电路可以包括适于生成预定参考电流的电流生成器。优选地，这种电流生成器提供了通常对于供电电压和温度变化不敏感的稳定电流。

优选地，施加于功率控制环路的信号被施加于功率控制环路的接口缩放块。

可选地，该电路还包括第二电流限制电路，该第二电流限制电路包括：

-VI转换器，适于响应输入电压和表示输出电流的反馈电压来生成输出电流，所述输出电流由输出级生成，以及

-电流限制电路，包括：装置，适于将表示反馈电压的电压与预定参考电压进行比较；电流限制电路，与VI转换器的输出级连接，从而在表示所述反馈电压的电压超过参考电压时减小输出电流。

第二可选电路包括高精度VI转换器，所述高精度VI转换器能够提供精确并良好定义的最大输出电流，该最大输出电流通过使用稳定电压生成器适当地选择预定参考电压来确定。当将VI电流与功率控制环路中的输出功率检测器电流进行比较时，稳定最大VI电流值是强制施加稳定最大检测器电流、稳定最大输出功率和稳定最大供电电流所必需的。

由于良好定义的最大输出电流与供电电压和温度中的变化高度无关，所以该电路也用于在失配条件下提供良好定义的电流限制。

因此，该电路能够在失配条件下检测和限制PA的输出，从而该电路将会节约供电功率。此外，将会防止由于在失配条件下汲取高电流而导致的PA的永久毁坏。同样，可以看出，提供了检测失配条件下由PA汲取的高电流的进一步的安全性，因而补充了第一电路。

作为第一电路，附加的第二电路可以易于集成到PA的功率控制环路中。

优选地，第二电流限制电路包括差分对，该差分对适于将表示反馈电压的电压与预定参考电压进行比较。

该电路可以包括电压生成器，该电压生成器适于生成预定参考电压。优选地，这种可选电压生成器适于提供稳定的参考电压，该稳定参考电压对于供电电压变化和温度中的变化不敏感。

选择预定参考电压，从而提供预定最大输出电流。参考电压与表示反馈电压的所感测到的电压一起定义了输出电流阈值，在该输出电流阈值之上的输出电流将被限制。因此，参考电压必须是与表示反馈电压的所感测到的电压一起预定的，用于提供所期望的最大输出电流。

在第二方面中，本发明提供了一种用于控制包括功率控制环路的功率放大器的输出电流的方法，所述方法包括以下步骤：

-感测表示功率放大器输出级的输出级偏置电流的电流，

-将表示偏置电流的电流与预定参考电流进行比较，

-在所感测到的电流超过预定参考电流时，将信号施加于关联功率放大器的功率控制环路，从而限制了功率控制环路的内部控制电压，因而限制了功率放大器的输出功率。

在第三方面中，本发明提供了包括功率控制环路和根据第一方面的供电电流限制电路的RF功率放大器。RF功率放大器的优选实施例包括结合第一方面所描述的第一和第二电路。

在第四方面中，本发明提供了包括根据第三方面的RF功率放大器的移动通信设备。该移动设备可以是GSM移动电话。

附图说明

以下将结合附图，对本发明进行更加详细地描述，其中：

图1示出了具有功率控制环路的现有技术的GSM PA的图示；

图2示出了根据本发明第一方面的优选电流限制电路的图示；

图3示出了根据本发明的可选电流限制电路，现有技术GSM PA的VI转换器性能取决于供电电压和温度；

图4示出了图2和3的电流限制电路的电流限制性能。

具体实施方式

尽管本发明允许不同的修改和可选形式，但是在附图中作为示例示出了特定实施例，并将在这里进行详细地描述。然而，应当理解，本发明并不意在限于所公开的特定形式。而是，本发明覆盖了由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等价物和可选项。

图1示出了具有功率控制环路的GSM PA的现有技术实施方式的图示。从图1中显而易见的是，由于在温度、供电电压等变化之上的VI转换器VI-C的精度在环路之外，所以非常关键。特定的关键要素是VI转换器VI-C的最大输出电流的稳定性。

图2示出了根据本发明的优选电流限制电路。图2的电路适于基于对由PA的输出级汲取的偏置电流的感测来限制由PA汲取的电流。图2的电路意欲使终端SUMN1与图1现有技术电路的求和节点SUMN连接。终端RFIN意欲与PA最终级的输入连接，而终端RFCOL意欲与最终PA级集电极连接。

由于GSM PA的最终级通常在类B和类C之间工作，所以允许基极电流按需增加以达到所期望的输出功率。感测该电流给予了对最终级集电极电流的良好指示。然后，该感测到的电流可以与固定的参考电流进行比较。当超过了参考电流(即，最终级的集电极电流超过了特定值)时，信号可以馈入功率控制环路PCL以限制内部控制电压，这限制了PA的DC供电电流和输出功率。

在图2的电路中，由贝塔(β)补偿晶体管BJT4来提供RF最终级BJT2的基极电流(该基极电流大于RF检测器BJT1的基极电流约因数100，因而是主要的)。使用BJT5来感测该电流的一部分。使用由BJT6和BJT7实现的电流镜像，该电流可以与固定参考ILIM进行比较。如果超过了ILIM，则将超出的电流通过电流镜像BJT11、BJT10馈入功率控制环路的接口块IFSC。在接口块IFSC中，可以在将IBIAS3SNS(与RF检测器电流IDET一起)馈入功率控制环路PCL的求和节点SUMN之前，来实现正确的缩放。在接口块IFSC中，常数N和M表示，在馈入求和节点SUMN之前，例如使用简单的电流镜像，将电流IDET和IBIAS3SNS缩放至适合的等级。

IBIAS3SNS的适合缩放在确定DC供电电流限制的精度(通过环路增益)以及环路稳定性时非常关键。考虑以下：在求和节点SUMN处，IDAC＝IDET/N+IBIAS3SNS/M。想象ILIM被超出了给定的IDAC，期望在该点将DC供电电流限制于它的值，即，期望在DC供电电流(或输出功率)中不具有相应的增加(如果IDAC进一步增加)。为了实现这一点，需要IDET/N+IBIAS3SNS/M随DC供电电流(或输出功率)显著增加。然而，由于“检测器环路”稳定性的原因，所以限制根据输出功率的IDET的增加速率(即，检测器灵敏度)。

考虑设计示例，典型地，Λ_BJT2/Λ_BJT1，相对于RF检测器的RF最终级的缩放将会是100的数量级。在最终级过驱动(over driven)时，β_FINALSTAGH具有50的数量级。由于基极电流的仿真指示大约30mA的最大值，以及适于实际镜像的值在1mA的数量级上，所以选择 $A_{\mathrm{BJT}5}/(A_{\mathrm{BJT}5}+A_{\mathrm{BJT}4})\≅1/31$ 。这导致了(1/31)(1/50)(100/1)(1/M)＝2/M，因而 $N/M\≅32$ 为最大值。因此，在优选设计中，选择N/M的值在16与32之间可调整，从而提供安全可靠的稳定性。

已经使用了行为模型来逼近利用所提出的第二电路的闭环PA行为。为了仿真，将电流限制电流设置为在大约28.5dBm处开始它的动作。在实际电路中，优选将该限制设置得较高，如GSM PA的规范需要它传递大约33dBm。然而，将限制设置得较低以定性的方式提高了电流限制电路的可视化。但是，DC供电电流中的实际减小是未知的。然而，可以通过监视输出功率来定量地描述第二电路的限制动作。第二电路的优选实施例的环路稳定性仿真的结果导致了36度的相位裕度，其中，即使为了安全可靠而期望稍高的值，也可以认为该相位裕度是可以接受的。

图3示出了用于补充图2电路的附加优选电路，即，高精度VI转换器电路。利用图3的附加高精度VI转换器电路，可以进一步限制PA所汲取的DC电流，因而保护PA免受极端负载失配条件下的毁坏，并在非极端失配条件下节约功率。

图1的VI转换器VI-C包括驱动两个PNP设备BJT6和BJT7的运算放大器。将BJT6的集电极馈入稳定温度的电阻器R9和R10，产生了反馈至运算放大器的正端部的电压。BJT7是BJT6的镜像。以这种方式，Vin(位于运算放大器的负端部处)确定了输出电流。温度和供电电压中的变化之上的稳定性大多依据运算放大器的增益(以及R9和R10的温度稳定性)。然而，随着供电电压的改变，最大值Iout(在|Vin-Vsupp|＜|Vthreshold|时达到)也发生改变。然而，根据本发明，如果VI转换器VI-C的最大输出电流保持稳定，则可以将它用于精确地限制检测器电流，因而限制PA的供电电流(假设检测器电流是供电电流的精确表示)。

实现电流限制电流CLC方框中包含的电路，以防止发生以上提及的电流偏移。根据本发明，如果图1的VI转换器VI-C的最大输出电流保持稳定，则可以将它用于精确地限制检测器电流，因而限制PA的供电电流。图3的电流向这种VI转换器提供了稳定的最大输出电流。

在图3的电路中，将反馈电压VLIM的缩放形式与稳定的电压源VBGAP进行比较。如果VLIM增加于VBGAP之上，则差分对EEMOS1P3、EEMOS1P4使EEMOS3拉动来自BJT1的电流。这具有将Iout限制于保持VLIM与VBGAP相等的值的作用。因此，获得了对Iout的精确限制。

因此，利用图3的优选高精度VI转换器电路3，可以进一步限制由PA汲取的DC电流，因而在极端负载失配条件下保护PA免受毁坏，并在非极端失配条件下节约功率。

图4示出了图示A、B、C、D和E，定量地示出了在偏置电流限制电路和高精度VI转换器的失配条件下对DC供电电流的影响。图4中的图示A-E基于使用最终级(以及它的关联偏置电路)的模型的模拟。当最终级的电流汲取将不可避免地以高输出功率主导总DC供电电流时，期望这种仿真提供对整体DC供电电流限制的良好估计。

将6∶1的负载失配扫过所有相位，可以根据失配相位phi，对输出功率、集电极电流、基极电流、所感测到的基极电流(如上所述，接近基极电流值的1/30)以及检测器电流中的改变进行仿真。

假设高精度VI转换器将DAC电流限制于5.5mA，期望功率控制环路也用于将检测器电流限制于该值。在注意到检测器电流的值增加至5.5mA以上时出现哪些集电极电流之后，可以将它们排除。原因在于，当功率控制环路(或更具体地，“检测器环路”)和高精度VI转换器适合地工作时，不应当达到这些集电极电流。

还可以假设偏置电流限制电路将会把偏置检测电流限制于ILIMIT的值(选择该值大于在所有具有50欧姆负载的工作条件之下(在1.25mA的情况下)实现特定最大输出功率所必需的最高偏置感测电流)。在注意到偏置感测电流的值在1.25mA以上时出现哪些集电极电流之后，可以将它们排除。原因在于，当“偏置3环路”和偏置限制电路适合地工作时，不应当达到这些集电极电流。

图4的图示示出了低频带(900MHz)示例所获得的结果。所示出的图示是：检测器电流E、偏置检测电流D、偏置电流C、集电极电流B和输出功率A；所有对具有6∶1的失配幅度的phi(失配相位)。

首先执行在标称(50欧姆)条件下工作的最终级的仿真作为参考，并在图A中示出。该仿真的结果通过每幅图的左侧上的点来表示(对于多个输出功率执行仿真)。然后针对6∶1的失配、所有相位(再次对于多个输出功率)来重复仿真，将结果由线来表示。在图E中，检测器电流对phi，检测器电流超过5.5mA的区域以高亮方框表示。通过注意到每条线经过该方框，并将它在集电极电流对phi图中标出，还可以在后者的曲线上绘出方框。这表示高精度VI转换器将会防止PA汲取的集电极电流。

在图D中，偏置感测电流对phi，方框表示其中偏置感测电流超过了1.25mA的特定ILIM。通过注意到每条线经过该方框，并将它在集电极电流对phi图中标出，还可以在后者的曲线上绘出方框。这表示偏置电流限制电路将会防止PA汲取的集电极电流。

对于高频带(1880MHz)工作的示例，计算了类似的结果。

在权利要求中，仅用于清楚的目的而包括附图的参考符号。这些附图中的示例性实施例的参考无论如何不应作为对权利要求范围的限定。

Claims (9)

1.一种用于关联功率控制环路功率放大器的供电电流限制电路，所述电路包括：

-装置，适于感测表示馈入关联功率放大器的输出级(BJT2)的偏置电流的电流，并将所感测到的电流与预定参考电流(ILIM)进行比较，以及

-装置，适于在所感测到的电流超过预定参考电流(ILIM)时，向关联功率放大器的功率控制环路施加信号，以限制功率控制环路的内部控制电压，从而限制功率放大器的输出功率。

2.权利要求1所述的电路，其中，适于向功率控制环路施加信号的装置包括电流镜像(BJT6，BJT7)，所述电流镜像被可操作地连接来将所感测到的电流与预定参考电流(ILIM)进行比较。

3.如权利要求1所述的电路，其中，适于检测表示偏置电流的电流的装置适于检测馈入输出级(BJT2)的偏置电流的缩放版本。

4.如权利要求1所述的电路，包括适于生成预定参考电流(ILIM)的电流生成器。

5.如权利要求1所述的电路，其中，施加于功率控制环路的信号被施加于功率控制环路的接口缩放块(IFSC)。

6.如权利要求1所述的电路，还包括第二电流限制电路，所述第二电流限制电路包括：

-VI转换器，适于响应输入电压(Vin)和表示输出电流(Iout)的反馈电压来生成输出电流(Iout)，所述输出电流(Iout)由输出级(BJT6，BJT7)生成，以及

-电流限制电路(CLC)，包括：装置，适于将表示反馈电压的电压(VLIM)与预定参考电压(VBGAP)进行比较；所述电流限制电路(CLC)与VI转换器的输出级(BJT6，BJT7)可操作地连接，从而在表示所述反馈电压的电压(VLIM)超过参考电压(VBGAP)时减小输出电流(Iout)。

7.一种用于控制包括功率控制环路的功率放大器的输出电流(Iout)的方法，所述方法包括以下步骤：

-感测表示功率放大器输出级(BJT2)的输出级的偏置电流的电流，

-将表示偏置电流的电流与预定参考电流(ILIM)进行比较，

-在所感测到的电流超过预定参考电流(ILIM)时，将信号施加于关联功率放大器的功率控制环路，从而限制了功率控制环路的内部控制电压，因而限制了功率放大器的输出功率。

8.一种RF功率放大器，包括功率控制环路和根据权利要求1所述的供电电流限制电路。

9.一种移动通信设备，包括根据权利要求7所述的RF功率放大器。

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