CN109150142A - 具有射频开关工作电压上电时序保护功能的漏极调制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型的具有大功率射频开关工作电压上电时序保护功能的漏极调制电路，主要应用于雷达收发组件设计中GaN功率器件与大功率射频“二选一”开关结合使用的场景。传统的漏极调制电路只需具备GaN栅极负压上电时序保护和高温保护功能即可，但是当GaN器件与大功率射频“二选一”开关结合使用时，就必须考虑开关工作电压与大功率射频信号输入的时序问题。本发明中，我们在传统漏极调制电路设计的基础上，通过增加比较电路和与门逻辑判断电路的方式，将大功率“二选一”开关工作电压的上电时序添加设置为判断漏极调制电路外部控制信号通断与否的关键要素，使开关工作电压在正常上电之前，GaN功率器件漏极供电处于关闭状态，从而避免了GaN器件产生大功率射频信号对开关的冲击损伤，起到保护开关的作用。

Description

具有射频开关工作电压上电时序保护功能的漏极调制电路
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，具体是提出了一种新型的具有大功率射频开关工作电压上电时序保护功能的漏极调制电路，可应用于基于GaN功率器件设计实现的射频收发组件领域。
背景技术
在雷达应用领域，采用不同极化形式天线辐射的射频信号探测空间目标以增强其目标识别能力正获得越来越多的关注。对于不同极化形式天线分时工作的射频有源前端设计而言，考虑到成本因素，采用单通道收发组件结合“二选一”开关输出对应两种相互极化正交的辐射天线是一种比较经济可行的方案。当前收发组件的设计大多是基于GaN功率器件实现射频信号的放大，在脉冲工作体制下，GaN器件的漏极供电需要采用具有栅极负压上电时序保护功能的调制电路，功率输出较大时还需添加设置高温保护功能；“二选一”大功率射频开关的选择方案也比较多，基于GaN、GaAs材料的射频开关芯片、基于PIN二极管设计的开关模块都可以满足不同场合的使用要求，但大都需要负压供电，且对外部射频输入和器件本身供电电压上电顺序的先后有严格要求。因此，当采用基于GaN功率器件的收发组件结合大功率“二选一”射频开关使用时，设计一款可应用于GaN功率器件、具有大功率射频开关工作电压上电时序保护功能的漏极调制电路就显得尤为必要。
发明内容
要解决的技术问题
本发明设计了一种具有大功率射频开关工作电压上电时序保护功能的漏极调制电路，解决GaN功率器件与大功率“二选一”开关结合使用过程中对开关的保护问题，确保在大功率射频脉冲信号进入开关之前开关已经处于上电状态，避免大功率射频信号对开关内部的PIN二极管在关断状态下的冲击引起器件损伤。
技术方案
传统的漏极调制电路只需具备GaN栅极负压上电时序保护和高温保护功能即可，但是当GaN器件与大功率射频“二选一”开关结合使用时，就必须考虑开关工作电压与大功率射频信号输入的时序问题。本发明中，我们在传统漏极调制电路设计的基础上，通过增加比较电路和与门逻辑判断电路的方式，将大功率“二选一”开关工作电压的上电时序添加设置为判断漏极调制电路外部控制信号通断与否的关键要素，使开关工作电压在正常上电之前，GaN功率器件漏极供电处于关闭状态，从而避免了GaN器件产生大功率射频信号对开关的冲击损伤，起到保护开关的作用。
一种具有大功率射频开关工作电压上电时序保护功能的漏极调制电路，其特征在于设计了针对大功率射频开关工作电压-60V的上电状态判断电路；设计了针对大功率射频开关工作电压+3.3V的上电状态判断电路；设计了针对GaN功率器件栅极工作负压-5V的上电状态判断电路；
所述的针对大功率射频开关工作电压-60V的上电状态判断电路：+5V通过电阻R2、R3分压后送入比较器N1A的正端作为参考门限电压，开关工作电压-60V通过开关二极管V3与+5V经电阻R4、R5分压后送入比较器N1A负端与正端参考门限电压进行比较，当+5V与-60V均正常上电时，N1A输出为逻辑高电平，此输出也作为两输入与门D1输出逻辑高电平的必要条件，若-60V未正常上电或高于-45V，N1A负端输入电压将超过正端参考门限电压导致N1A输出逻辑低电平；
所述的针对大功率射频开关工作电压+3.3V的上电状态判断电路：开关工作电压+3.3V通过对地保护电阻R1直接送入两输入与门D1，+3.3V正常上电为D1输出逻辑高电平的必要条件，若上电异常则D1输出为逻辑低电平；
所述的针对GaN功率器件栅极工作负压-5V的上电状态判断电路：+5V通过电阻R6、R7分压后送入比较器N1B的正端作为参考门限电压，-5V经稳压二极管V4与+5V和串联电阻R8变换送入N1B负端，当+5V与-5V同时正常上电时，N1B输出为逻辑高电平，此逻辑高输出作为两输入与门D2输出逻辑高电平的必要条件，若-5V未正常上电或高于-4.6V，N1B负端输入电压将超过正端参考门限电压导致N1B输出为逻辑低电平。
有益效果
本发明采用上述技术方案构成了一种新的具有大功率射频开关工作电压上电时序保护功能的漏极调制电路，与现有技术相比所体现出的优点主要是：在确保原有电源调制性能不受影响的情况下，将大功率“二选一”开关工作电压的上电时序添加设置为判断漏极调制电路外部控制信号通断与否的关键要素，使开关工作电压在正常上电之前，GaN功率器件漏极供电处于关闭状态，从而避免了GaN器件产生大功率射频信号对开关的冲击损伤，起到保护开关的作用。
附图说明
图1为本发明中具有大功率射频开关工作电压上电时序保护功能的漏极调制电路原理图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
雷达收发组件中采用调制电路的目的是为了使功率放大器件在射频脉冲关断间隙停止工作，不产生静态功耗，同时也可避免收发通道隔离度不够导致的回路串扰问题。调制电路在调制的过程中相当于一个开关，其输出电压的通断应完全由外部控制信号的通断同步控制。一般情况下，影响外部控制信号通断的因素主要包括GaN功率器件的栅极负压上电时序和器件周围的壳体温度。在本发明中，我们将大功率“二选一”开关工作电压的上电时序也作为了判断外部控制信号通断与否的关键要素。所采取的方案是：接入GaN功率器件栅极负压、接入大功率“二选一”开关的+3.3V和-60V电压首先通过分压电阻和开关二极管变换至合适电压值，然后送入比较器与基准电压进行比较得到逻辑高、低电平输出，最后将比较器输出和监控功率器件周围壳体温度的继电器输出(逻辑电平)、系统送入的收发控制脉冲等信号同时送入与门进行合成逻辑判断，判断结果即可作为送入漏极调制电路的外部控制信号；调制开关部分依然采用传统的P-MOS管和一个脉冲通断响应时间较快的晶体管，以及外围分压电压和旁路滤波电容组成。
基本工作过程：GaN器件栅极供电电压-5V、大功率开关-60V经过稳压二极管和开关二极管、分压电阻变换后接入比较器负端，与接入正端的、由标准+5V变换而来的参考门限电压进行比较，当-5V和-60V处于正常上电状态时，比较器输出应为逻辑高电平，未上电时比较器输出为逻辑低电平；接入开关的+3.3V可以作为逻辑高电平直接送入与门，未接入时表征为逻辑低电平；GaN器件周围的工作温度状态由温度继电器监控，一般设置+80℃为警戒门限，当壳体温度低于此门限值时温度继电器输出高电平，超过门限值时温度继电器输出为低电平，此输出电平也可直接接入与门参与合成逻辑判断；系统信号处理机送入的发射控制脉冲作为独立判断因素直接送入与门。当模块需求的所有电压同时处于正常上电状态、壳体温度低于警戒门限、发射控制脉冲置高处于发射状态三个条件同时满足时，与门合成逻辑输出为高电平；若有任何一个条件不成立，则合成逻辑输出为低电平。将此合成逻辑输出送入晶体管，在高电平状态下将驱动晶体管集电极-发射极导通。当晶体管导通时，分布在P沟道MOS管栅极和源极间的分压电阻将使得栅-源极间产生导通电压，进而使得P沟道MOS管导通并将源极电压输出至漏极；当晶体管输入端的外部控制信号处于逻辑低电平时，晶体管集电极-发射极间不导通，使得P沟道MOS管栅极和源极间的分压电阻无法工作，从而P-MOS管也处于关断状态，其漏极没有电压输出，也就可以保证GaN功率器件处于关闭状态，不会产生大功率射频信号传送至未处于上电状态的“二选一”射频开关进而导致其损坏。
如图1，开关工作电压+3.3V直接送入两输入与门D1，对地电阻R1的作用主要是为了避免输入悬空时出现不稳定态，+3.3V正常上电为D1输出逻辑高电平的必要条件，若上电异常则D1输出为逻辑低电平；+5V电压通过电阻R2、R3分压后送入比较器N1A正端作为参考门限电压，-60V通过开关二极管V3(正向导通，反向截止)与+5V经R4、R5分压后送入比较器N1A负端与正端参考门限电压进行比较，当+5V与-60V均正常上电时，N1A输出为逻辑高电平，此输出也作为D1输出逻辑高电平的必要条件，若-60V未正常上电或高于-45V，N1A负端输入电压将超过正端参考门限电压导致N1A输出逻辑低电平；当与门D1两输入同时为逻辑高电平时，D1输出逻辑高电平，此输出送入与门D2且作为D2输出逻辑高电平的必要条件。比较器N1B正端输入参考门限电压经+5V通过电阻R6、R7分压实现，-5V经稳压二极管V4与+5V和串联电阻R8变换送入N1B负端，当+5V与-5V正常上电时，N1B输出为逻辑高电平，此逻辑高输出作为与门D2输出逻辑高电平的必要条件，若-5V未正常上电或高于-4.6V，N1B负端输入电压将超过正端参考门限电压导致N1B输出为逻辑低电平。温度传感器K1(通断温度门限+85℃)通过+5V与电阻R11上拉送入三输入与门D3输入端，当温度超过+80℃时，温度继电器对地导通，D3输出为逻辑低电平；收发组件发射控制脉冲由雷达信号处理机发出，通过对地保护电阻送入D3。
可以看出：只有当+5V、-5V、-60V、+3.3V同时处于正常上电状态、模块壳体温度低于+80℃且收发组件发射控制脉冲置高三个条件同时满足时，与门器件D1、D2、D3的输出才会同时给出逻辑高电平。此时晶体管V1基极-发射极间正向导通，进而使集电极-发射极间导通，外部送入的电压VD(一般为+28V)经钽电容C1和铝电解电容C2、C3滤波储能后通过R14、R15形成分压回路，在P-MOS管V2源极-栅极间产生正向压差并使其源极-漏极导通，外部输入电压VD即可从P-MOS管的源极传送至漏极输出给GaN功率器件(VD_OUT)。倘若+5V、-5V、+3.3V、-60V正常上电、模块壳体温度低于+80℃、发射控制脉冲置高这几个条件有任何一个不能满足，D3输出都将是逻辑低电平，此时P-MOS管将处于关闭状态，VD也就不会传送至GaN功率器件使其具备信号放大功能，达到了保护后端大功率射频开关的作用。电阻R12的作用是为了平衡D3输出逻辑高电平与V1基极间的电压差，R13对地电阻是为了避免V1输入悬空时出现不稳定态，R16对地电阻的作用是为了提升V2输出关断时下降沿的响应速度。实施过程中电路各元器件参数值及选取型号如表1所示。
表1电路元器件参数(发射占空比≤15％)
*注：R14、R15的阻值取决于发射占空比，本表中数值对应最大占空比为15％。

Claims (1)

1.一种具有大功率射频开关工作电压上电时序保护功能的漏极调制电路，其特征在于设计了针对大功率射频开关工作电压-60V的上电状态判断电路；设计了针对大功率射频开关工作电压+3.3V的上电状态判断电路；设计了针对GaN功率器件栅极工作负压-5V的上电状态判断电路；
所述的针对大功率射频开关工作电压-60V的上电状态判断电路：+5V通过电阻R2、R3分压后送入比较器N1A的正端作为参考门限电压，开关工作电压-60V通过开关二极管V3与+5V经电阻R4、R5分压后送入比较器N1A负端与正端参考门限电压进行比较，当+5V与-60V均正常上电时，N1A输出为逻辑高电平，此输出也作为两输入与门D1输出逻辑高电平的必要条件，若-60V未正常上电或高于-45V，N1A负端输入电压将超过正端参考门限电压导致N1A输出逻辑低电平；
所述的针对大功率射频开关工作电压+3.3V的上电状态判断电路：开关工作电压+3.3V通过对地保护电阻R1直接送入两输入与门D1，+3.3V正常上电为D1输出逻辑高电平的必要条件，若上电异常则D1输出为逻辑低电平；
所述的针对GaN功率器件栅极工作负压-5V的上电状态判断电路：+5V通过电阻R6、R7分压后送入比较器N1B的正端作为参考门限电压，-5V经稳压二极管V4与+5V和串联电阻R8变换送入N1B负端，当+5V与-5V同时正常上电时，N1B输出为逻辑高电平，此逻辑高输出作为两输入与门D2输出逻辑高电平的必要条件，若-5V未正常上电或高于-4.6V，N1B负端输入电压将超过正端参考门限电压导致N1B输出为逻辑低电平。
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