CN102075148A - 射频功率放大器过温保护电路 - Google Patents

Abstract

一种射频功率放大器过温保护电路，包括依次连接的温度检测电路、比较器电路、逻辑控制电路及偏置电路；温度检测电路检测芯片温度后输出给比较器电路，由其输出触发信号给逻辑控制电路，由逻辑控制电路控制偏置电路调节放大器电流进而调节自身工作温度实现保护；比较器电路中比较器一端输入基准电压，另一端输入温度检测电路输出信号；或者两输入端均输入温度检测电路输出信号；温度检测电路采用一个或多个串联的二极管实现。本发明采用偏置电路控制模式，即当移动通讯设备不工作时，此过温保护电路能够被关断，避免过温保护电路中出现漏电流，造成不必要能量损耗；且所述电路应用灵活，便于集成。

Description

射频功率放大器过温保护电路

技术领域

本发明涉及射频功率放大器技术领域，具体是指一种射频功率放大器过温保护电路。

背景技术

射频功率放大器（PA）作为无线通讯系统中的核心器件，其应需在各种恶劣环境下正常工作，比如在严重负载失配、高电源电压及长时间的高功率等级下工作等，这些恶劣条件均会使射频功率放大器的电流迅速增大，从而产生很大的热量，对于散热能力及热保护不够好的射频功率放大器很容易由于热击穿而导致管子的失效。为了避免通讯设备由于周边恶劣环境或者本身内部由于散热和负载匹配不理想而造成的射频功率放大器管子过热被烧毁和击穿的问题，通常在工艺方面做改进，如改变外延层，优化集电极的掺杂浓度等，来提高管子的击穿电压与热稳定性。但是此种优化降低了管子的特征频率、增益带宽积和射频功率放大器的效率，影响了射频功率放大器的整体性能。在电路方面，可以在射频功率放大器管子的基极或发射极加镇流电阻来有效提高管子的散热能力，但为了应对各种恶劣条件，仅采用镇流电阻这种措施还是远远不够的。因此有必要设计一款过温保护电路，当射频功率放大器芯片最高温度超过一定的阈值温度范围时（此温度范围可根据芯片实际工作环境而设定），通过控制偏置电路来有效的降低射频功率放大器的放大增益及输出功率，以缓解芯片的发热量，从而减小射频功率放大器因为热稳定性而被烧毁的可能性。

图1是一款典型的多级射频功率放大器电路，它包括驱动级T1、T2，放大级T3，以及输出匹配和偏置电路等。其中，输出匹配电路用于将天线端50欧姆阻抗转换成一个较低的阻抗，偏置电路用于给各级放大管提供直流偏置，以确定各级的直流工作点，而三级放大管T1、T2、T3用于将输入的射频信号进行放大。为了得到各种通讯标准所要求的输出功率与效率，输出管T3的发射极面积很大，一般采用多指结构，由于输出功率和电流过大，很容易造成各指间温度的差异性，产生电流塌陷等问题，导致器件的烧毁；另一方面由于一些外在因素，如高电源电压及严重负载失配等情况，由于射频功率放大器的热稳定性不够，容易因电流过大导致自身过热而使管子烧毁。       

从上可知，对于应用在通讯领域的射频功率放大器来说，需要这样一种过温保护电路，当射频功率放大器芯片的最高温度没有超过芯片常温的阈值温度范围时，过温保护电路不起作用，不影响射频功率放大器的正常工作；当射频功率放大器的最高芯片温度超过常规温度一定的阈值温度范围时，此过温保护电路开始起作用，通过对偏置电路的有效控制，降低射频功率放大器的放大增益及输出功率，以缓解芯片的发热量，从而减小射频功率放大器因为热稳定性而被烧毁的可能性。

发明内容

本发明需解决的问题是提供一种射频功率放大器过温保护电路。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案为：提供一种射频功率放大器过温保护电路，包括依次连接的温度检测电路、比较器电路、逻辑控制电路及偏置电路；所述温度检测电路检测射频功率放大器芯片温度后输出给比较器电路，比较器电路输出触发信号给逻辑控制电路，由逻辑控制电路控制偏置电路调节射频功率放大器工作电流进而调节自身工作温度实现保护。 

所述比较器电路的一种具体的方案为：比较器电路中比较器一端输入基准电压，另一端输入温度检测电路输出信号。

所述比较器电路的另一种具体的方案为：比较器电路比较器两输入端均输入温度检测电路输出信号。

温度检测电路的具体方案为：所述温度检测电路采用二极管，所述二极管负端接地，正端与限流电阻串联后接偏置电压端。

温度检测电路的另一种具体方案为：所述温度检测电路采用多个串联的二极管，所述串联二极管负端接地，串联二极管正端与限流电阻串联后接偏置电压端。 

更具体的，所述逻辑控制电路包括一晶体管，该晶体管集电极通过电阻连接偏置电压端，同时集电极作为输出端连接偏置电路；晶体管射极接地，基极通过电阻连接比较器输出端；所述逻辑控制电路中晶体管基极还连接一二极管，该二极管负极接晶体管基极，二极管正极通过电阻连接比较器输出端。 

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）所述过温保护电路采用偏置电路控制模式，即当移动通讯设备不工作时，此过温保护电路能够被关断，避免过温保护电路中出现漏电流，造成不必要能量损耗；

（2）对于多级的射频功率放大器来说，可根据输出功率和电流的限制范围，灵活的运用此过温保护电路，即可应用到驱动级，也可应用到输出级，或者同时应用到驱动级和输出级； 

（3）所述过温保护电路结构简洁、便于集成。

附图说明

图1为多级射频功率放大器的典型电路图；

图2为本发明所述过温保护电路实施方案原理框图；

图3为本发明所述过温保护电路另一实施方案原理框图；

图4为所述过温保护电路应用于A类偏置的射频功率放大器的具体实施电路图；

图5为所述过温保护电路应用于A类偏置的射频功率放大器的具体实施二电路图；

图6为所述过温保护电路中COMP比较器实施电路图；

图7为优选的带迟滞功能的过温保护电路实施电路图；

图8为应用于A类偏置的带迟滞功能过温保护电路的单级射频功率放大器的静态电流与温度的关系曲线；

图9为应用于A类偏置的带迟滞功能过温保护电路的单级射频功率放大器的输出功率曲线图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。

图2所示为本发明原理框图，其揭示的过温保护电路中包括依次连接的温度检测电路、比较器电路（COMP）、逻辑控制电路及偏置电路；所述温度检测电路检测射频功率放大器芯片温度后输出给比较器电路，比较器电路输出触发信号给逻辑控制电路，由逻辑控制电路控制偏置电路调节射频功率放大器工作电流进而调节工作温度实现保护。图中，RF_in为射频输入信号，VCC为电源电压。

本发明的工作原理为：温度检测电路一检测射频功率放大器放大管T3处的温度（在射频功率放大器工作时，通常射频功率放大管T3处的温度是整个射频功率放大器芯片上温度最高的），温度检测电路二用于检测射频功率放大器芯片的常规温度，当射频功率放大器的最高温度相对芯片常规温度在一定的阈值范围内时，过温保护电路不工作，从而不影响射频功率放大器的正常工作。当温度检测电路一检测到的温度高于温度检测电路二检测到射频功率放大器常规温度一定的阈值温度范围时，比较器电路将这两种差异转换成一个控制电压，再通过逻辑控制电路对偏置电路进行控制，以降低射频功率放大器的放大增益及输出功率，从而降低射频功率放大器的最高温度，避免管子热烧毁。当温度检测电路一检测到的温度没有超过温度检测电路二检测温度一定的阈值温度范围时，过温保护电路将关断不影响射频功率放大器的正常工作。

同时为了避免在阈值温度附近产生热振荡，本发明通过加入温度迟滞电路从而避免可能出现的热振荡。实际应用时，可以设置多个温度检测电路一在射频功率放大器芯片的不同位置，以检测多个可能高温热点，只要其中一个检测到的最高温度超过温度检测电路二检测到常规温度一定的阈值范围时，就会触发过温保护电路工作而对射频功率放大器芯片进行保护。

图3为本发明所述过温保护电路另一实施方案原理框图。图3与图2的不同在于把比较器的正输入端由温度检测电路换为参考电压，此参考电压由于与射频功率放大器芯片温度无关，因而当图3中的温度检测电路检测到的芯片最高温度超过参考电压设置的阈值温度时，过温保护电路就将对射频功率放大器进行保护，其它工作原理与图2所示实施例相同。

本发明所述过温保护电路采用偏置电路控制模式，即当移动通讯设备不工作时，此过温保护电路能够被关断，避免过温保护电路中出现漏电流，造成不必要能量损耗。

图4为所述过温保护电路应用于A类偏置的单级射频功率放大器的具体实施例电路图。图中RF_in为射频输入信号，RF_out为射频输出信号，Vbias为射频功率放大器的偏置电压，VCC为射频功率放大器的电源电压。电阻R1、R2和二极管D1、D2及D4、D5构成了温度检测电路，其中二极管D1、D2和D4、D5为温度检测管，利用二极管自身V_BE的负温度系数进行温度检测。电阻R1、R2为温度检测电路提供电流，堆叠的二极管D1、D2和D4、D5 用于加强温度检测的敏感性。In2、In1分别为COMP的正负输入端。电阻R1串接于Vbais端和In2端之间，电阻R2串接于Vbias端和In1端之间，二极管D1、D2串接于In1端和地端之间，二极管D4、D5串接于In2端和地端之间。电阻R3、R4、二极管D3与晶体管T3构成了逻辑控制电路，其作用是为COMP的输出电压提高驱动能力及电压反向功能进而控制晶体管T2的基极。电阻R3与二极管D3串接于晶体管T3的基极和COMP的输出之间。晶体管T3的发射极与地端连接。晶体管T3的集电极一方面通过电阻R4与Vbias端连接，另一方面通过电阻R5与晶体管T2的基极连接。R4为负载电阻。电阻R3与二极管D3用于降低晶体管T3消耗的电流。晶体管T2的集电极通过电阻R6连到Vbias端，晶体管T2的发射极连到输出功率管T1的基极。电阻R7连接于晶体管T2的集电极和发射极之间。输出功率管T1的基极通过耦合电容C1连接到射频输入端RF_in。输出功率管T1的发射极连接到地。输出功率管T1的集电极一方面通过扼流电感L1连接到VCC端，另一方面通过匹配网络连接到射频输出端RF_out。

使用时，把温度检测管D1、D2和D4、D5分布在不同区域进行温度检测，如把D1、D2分布在射频功率放大器正常工作时温度较高的输出功率管区域，D4、D5分布在射频功率放大器正常工作时温度不高的其他区域。当D1、D2检测到的温度没有超过D4、D5检测的温度阈值范围时，COMP比较器输出电压会一直较低，逻辑控制电路不会开启，节点A的高电平使晶体管T2打开，此时晶体管T2把电阻R7短路，Vbias与电阻R6为工作在正常温度下的射频功率放大器提供偏置。当D1、D2检测到的温度超过D4、D5检测到温度一定的阈值范围时，此时COMP比较器输出一个高电平，使逻辑控制电路开启，此时由于节点A的电压很低不足以使晶体管T2导通，此时Vbias电压与电阻R6、R7为射频功率放大器提供偏置，由于偏置电阻的增加降低了偏置的电流，从而降低了射频功率放大器的放大增益及输出功率，进而降低管子的发热量以避免管子因为热稳定性而烧毁。电路中还可通过调节比较器的增益进而调整阈值温度的值。

实际使用中，可以设置多路检测二级管在射频功率放大器芯片的不同位置，以检测多个可能的高温热点，只要其中一个检测到的最高温度超过D4、D5检测到温度一定的阈值温度范围时，就将触发过温保护电路工作并对射频功率放大器芯片进行保护。

图5为所述电路应用于A类偏置的射频功率放大器中的第二实施电路图。该实施例与图4的不同之处在于：比较器COMP的正输入端由温度检测电路换为参考电压，参考电压由电阻分压而成，即把串接于In2端和地端的二极管D4、D5换成电阻R8，此参考电压由R2与R8的分压决定。其工作原理与图4一样。

图6为过温保护电路中的COMP比较器实施电路图。其中In1、In2为比较器的二个输入端，Out为比较器的输出端，电阻R1、R4、二极管D1用来提供电流，晶体管T4为晶体管T3提供镜像电流，晶体管T3作为尾电流源用于给晶体管T1、T2提供偏置电流，晶体管T1、T2为输入管，电阻R2、R3为负载。输入晶体管T1和T2的集电极分别通过电阻R2、R3连接到Vbias端，晶体管T1的基极作为输入端In2，晶体管T2的基极作为输入端In1，晶体管T2的集电极为输出端Out。晶体管T1和输入晶体管T2的发射极连接到晶体管T3的集电极。晶体管T3的发射极连接到地端，基极通过电阻R4连到晶体管T4的基极和集电极。晶体管T4的发射极连接到地端，晶体管T4的基极和集电极连接到一起。电阻R1与二极管D1串接与Vbias端和晶体管T4的集电极、基极之间。其原理为通过比较输入端的两个电压In1和In2，使输出为具有一定电平值的电压。

图7为优选的带迟滞功能的过温保护电路实施电路图。其电路结构与工作原理与图4所示实施例相同，不同在于图7中多了开关管T3和电阻R8，根据逻辑控制电路不同的输出值，开关管T3被打开或关闭。当开关管T3被打开时，电阻R6被短路， Vbias电压通过电阻R3、二极管D5为尾电流源T5提供电流，当开关管T3关闭时，Vbias电压通过电阻R3、R6和二极管D5为尾电流源T5提供电流，根据提供电流大小的不同实现不同的增益及翻转点，从而实现迟滞的功能，避免热振荡。事实上，也可以在不同温度下通过控制T4管的偏置电流来调试T5尾电流源的电流大小来实现迟滞功能。

温度迟滞变化曲线如图8所示。当射频功率放大器温度升高并超过芯片常温一定的阈值范围时，此电路可通过增加偏置路径上的电阻进而降低偏置电路的电流，实现输出功率、输出增益及静态电流的降低，减少管子的发热量而防止管子的热烧毁。功率变化曲线如图9所示。

本发明实施例均以应用在A类偏置的射频功率放大器中，需说明的是，所述电路对于其他类型的偏置电路的射频功率放大器同样适用。并且本发明专利很容易采用各种不同的工艺来实现。 

以上的实例也都是以单级射频功率放大器为例来进行说明，而此过温保护电路不仅限于单级射频功率放大器，同样适用于多级的射频功率放大器。对于多级的射频功率放大器来说，为避免管子烧毁，可根据高温下所需限制射频功率放大器输出功率和静态电流的范围，把此过温保护电路应用到驱动级或功率输出级或者同时应用到驱动级和功率输出级。

以上仅为本发明较优选的实施例，需说明的是，在未脱离本发明构思前提下对其所做的任何微小变化及等同替换，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.射频功率放大器过温保护电路，其特征在于，包括依次连接的温度检测电路、比较器电路、逻辑控制电路及偏置电路；所述温度检测电路检测射频功率放大器芯片温度后输出给比较器电路，比较器电路输出触发信号给逻辑控制电路，由逻辑控制电路控制偏置电路最终调节射频功率放大器工作电流进而调节自身工作温度实现保护。

2. 根据权利要求1所述的射频功率放大器过温保护电路，其特征在于：所述比较器电路中比较器一端输入基准电压，另一端输入温度检测电路输出信号。

3.根据权利要求1所述的射频功率放大器过温保护电路，其特征在于，所述比较器电路比较器两输入端均输入温度检测电路输出信号。

4.根据权利要求1所述的射频功率放大器过温保护电路，其特征在于，所述温度检测电路采用二极管，所述二极管负端接地，正端与限流电阻串联后接偏置电压端。

5.根据权利要求1所述的射频功率放大器过温保护电路，其特征在于：所述温度检测电路采用多个串联的二极管，所述串联二极管负端接地，串联二极管正端与限流电阻串联后接偏置电压端。

6. 根据权利要求1-5中任意一项所述的射频功率放大器过温保护电路，其特征在于，所述逻辑控制电路包括一晶体管，该晶体管集电极通过电阻连接偏置电压端，同时集电极作为输出端连接偏置电路；晶体管射极接地，基极通过电阻连接比较器输出端。

7.根据权利要求6所述的射频功率放大器过温保护电路，其特征在于，所述逻辑控制电路中晶体管基极还连接一二极管，该二极管负极接晶体管基极，二极管正极通过电阻连接比较器输出端。

8.根据权利要求7所述的射频功率放大器过温保护电路，其特征在于，所述比较器电路包括输入晶体管T1、T2、T3、T4，晶体管T1和T2集电极分别通过电阻R2、R3连接到偏置电压端，晶体管T1、T2基极分别作为比较器电路输入端In2、输入端In1，晶体管T2集电极作为输出端Out；晶体管T1、T2的发射极均与晶体管T3集电极连接；晶体管T3、T4的发射极接地，晶体管T3基极通过电阻R4连到晶体管T4基极和集电极；晶体管T4基极和集电极连接到一起，电阻R1与二极管D1串接于偏置电压端和晶体管T4集电极之间。

9.根据权利要求8所述的射频功率放大器过温保护电路，其特征在于，所述偏置电路包括晶体管T6及连接于晶体管T6集电极与射极之间的电阻R7，晶体管T6集电极还通过电阻接偏置电压端，射极接射频功率放大器中放大管基极；晶体管T6基极通过电阻连接逻辑控制电路输出端。

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