CN109981057A - GaN 功率放大器漏级电源调制芯片的调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了GaN功率放大器漏级电源调制芯片的调制方法，属于芯片设计领域。GaN功率放大器漏级电源调制芯片的调制方法，包括：线性稳压器，比较器，电荷泵，大功率N沟道开关管，负电检测控制单元，过温和过压保护单元，供电电源调制单元和输出快速泄放通道。通过检测GaN功率放大器栅极有无负电压来控制其漏级输入的通断，从而实现对GaN功率放大器的电源时序控制。通过控制芯片内功率开关管的栅源电压来控制开关管的通断，从而实现GaN功率放大器漏极供电的脉冲调制。采用单片集成电路设计，减少了硬件布板面积；在集成了漏极调制功能的同时，还提供了完善的GaN功放保护功能，包括漏极负压使能和过温和过压保护。

Description

GaN 功率放大器漏级电源调制芯片的调制方法

技术领域

本发明涉及芯片设计领域，更具体地说，涉及GaN 功率放大器漏级电源调制芯片的调制方法。

背景技术

GaN功率放大器由于其能量密度高 ，工作频率高，已经成为新一代有源相控阵雷达必不可少的功率放大器器件。由于有源相控阵雷达采用为脉冲信号，在一个脉冲周期内大部分时间没有信号发射，通过漏级调制，可以大幅度减少GaN功率放大器的静态功耗，提高系统效率和降低发射噪声。同时由于GaN功率放大器是耗尽型器件，必须在有栅极负压的情况下才能开关漏级电压，否则会烧毁器件，所以上电时序的控制也尤其重要。

现有的GaN功率放大器漏级调制电路，包括了MOSFET驱动电路和末级MOSFET功率管。其由分离电路或者两到三个器件组成，占用的布板面积大。但是现有的电路的功能单一，其设计仅针对于28V~32V的GaN功率放大器，不支持最新的50V GaN放大器。

如中国专利申请，申请号201510351874.6，公开日2015年9月16日，公开了一种GaN微波功率放大器用漏极调制电路，调制信号及其经反相器后的反相信号同时输入逻辑电路，经延时后，输出高端NMOS驱动器输入信号和低端NMOS驱动器输入信号；高端NMOS驱动器输入信号和低端NMOS驱动器输入信号分别输入至高端NMOS驱动器和低端NMOS管驱动器中，高端NMOS驱动器和低端NMOS管驱动器的输出端分别连接至高端NMOS管和低端NMOS管的栅极；高端NMOS管的源极作为GaN微波脉冲功率放大器的漏极电压端。电路避免了GaN微波脉冲功率放大器漏极电压端放电速度慢而产生拖尾现象，降低调制信号到漏极电压端的上升沿和下降沿延时时间，降低了漏极电压端的过冲电压幅度。但是其容易造成时序错误，造成期间损坏，且静态功耗大。

发明内容

要解决的技术问题

针对现有技术中存在的容易造成时序错误，造成期间损坏，且静态功耗大的问题，本发明提供了GaN 功率放大器漏级电源调制芯片的调制方法，它可以实现功率放大器加电时候的稳定，并且GaN 功率放大器静态功耗低。

技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。

GaN 功率放大器漏级电源调制芯片的调制方法，步骤如下：

外部恒定直流高电压输入通过VIN脚进入芯片内部，CTRL信号为脉冲调制控制信号，芯片输出VOUT会根据CTRL信号进行相应的关断和开启；

控制逻辑模块判断EN信号的输入，在EN信号为低电压输入的时候，当CTRL信号脉冲输入，控制逻辑模块给通过栅极驱动电路驱动一个N沟道MOSFET开关管输出对应的信号；

当CTRL信号为关断时，控制逻辑模块直接控制快速泄放通道开启，输入电流直接经过泄放通道接地。

更进一步的，N沟道MOSFET开关管输出的VOUT信号与CTRL信号输入为相反电压脉冲。

更进一步的，还包括GaN功率放大器的栅极电压的负电压范围输入检测，当芯片上电后，首先会检测EN脚是否有设定好的GaN功率放大器的栅极电压的负电压范围，在范围内，进行下一步的工作，不在范围内重新检测EN脚输入。

更进一步的，负电压范围为-3V到-1V的负电压输入。

更进一步的，还包括对芯片过压的判断，在判断栅极电压的负电压在范围内后，通过比较器判断OPV输入脚电压是否小于设定值，判断是否过压，如果超过设定值，重新检测EN脚输入，低于设定值，进行下一步的工作。

更进一步的，还包括对芯片结温判断，在芯片输入电压没有超过预定值后，进行芯片结温判断，低于温度阈值，芯片开启，到达温度阈值后，芯片返回重新检测EN脚电压。

更进一步的，上述方法通过以下调制芯片完成，包括，

线性稳压器，连接从芯片VIN端，输入电压经过线性稳压器转化后为低电压对内部器件供电，线性稳压器输出端连接对应的芯片VLDO端；

N沟道MOSFET开关管，开关管漏级输入为芯片输入的恒定电压VIN，源级输出为经过CTRL信号调制过的脉冲调制电压，栅极连接栅极驱动电路；

电荷泵，电荷泵连接栅极驱动电路，电荷泵连接栅极驱动电两者共同作用，开启和关断开关管；

比较器，比较器一输入为内部参考电压，另一输入为芯片OVP端，比较器的输出进入控制逻辑模块；

控制逻辑模块，控制逻辑模块输入为比较器的输出端、CTRL端和EN端，EN脚输入为GaN功率放大器的栅极电压，控制逻辑模块输出端连接栅极驱动电路，对输入信号进行控制。

更进一步的，还包括输出电流快速泄放通道，输出电流快速泄放通道与N沟道MOSFET开关管的输出端连接。

更进一步的，还包括低压检测模块，检测内部输入电压的值，并将检测结果进入输入控制逻辑模块，控制逻辑模块开启和关闭芯片。

更进一步的，还包括过温度保护模块，过温度保护模块检测芯片温度，并将结果进入输入控制逻辑模块，控制逻辑模块开启和关断输出电压。

有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

本方案的芯片通过检测 GaN 功率放大器栅极有无负电压来控制其漏级输入的通断，从而实现对 GaN 功率放大器的电源时序控制。通过控制芯片内功率开关管的栅源电压来控制开关管的通断，从而实现 GaN 功率放大器漏极供电的脉冲调制。采用单片集成电路设计，减少了硬件布板面积；加入输出快速泄放通道，降低了关断输出电压时的下降沿时间；通过引入大功率N沟道开关管，可以支持更高的输出电压和更大的输入电流，符合GaN功率放大器功率容量不断提高的趋势；在集成了漏极调制功能的同时，还提供了完善的GaN保护功能，包括漏极负压使能、过温和过压保护。

附图说明

图1为GaN 功率放大器漏级电源芯片和外围器件的结构图；

图2为芯片控制逻辑流程图；

图3为EN开启时的输出信号的时序图；

图4为脉冲调制电路框图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

实施例1

本发明的目的是为了解决 GaN 功率放大器加电时序错误引起的器件损坏及 GaN 功率放大器的静态功耗大的问题，提出了一种 GaN 功率放大器漏级电源调制芯片。

如图1所示，包括：线性稳压器，图中的V1线性稳压器用于将输入的高电压转化为内部控制电路所需要的低电压。线性稳压器从芯片VIN端输入电压经过转化后，将低电压对内部器件供电，线性稳压器输出端连接对应的芯片VLDO端。

大功率N沟道开关管V2，以N沟道MOSFET作为大功率开关管；V2的漏级输入为芯片输入的恒定电压VIN。源级输出为经过CTRL信号调制过的脉冲调制电压，会根据CTRL信号的波形来关断和开启输出电压。V2栅极连接栅极驱动电路V3，脉冲调制电路框图见图4。通过V5的控制逻辑模块来对CTRL信号进行调制。

V3为V2的栅极驱动电路，V7为电荷泵，电荷泵连接V3，V3和V7两者共同作用，开启和关断V2。由于V2为N沟道MOSFET，开启MOSFET需要栅极电压高于漏级电压加上阈值电压。而芯片的最高电压为功率MOSFET的漏级电压，所以需要由包含了内置电荷泵的升压电路，V7和V3共同作用才能开启V2的栅极。电荷泵V7集成于芯片内部。高侧NMOS需要升压电路去驱动栅极才能打开，通过电荷泵V7和V3完成上述的驱动。

V4为比较器，V5为控制逻辑模块。V4一输入为内部参考电压，另一输入为OVP端，比较的输出进入V5为控制逻辑模块。V5为控制逻辑模块，逻辑控制模块由一系列比较器组成。V4和V5两者共同作用，当EN脚有负电压输入，同时OVP输入小于1.2V的时候，V5会把CTRL脚输入的调制控制信号传递给V3。否则没有调制控制信号输出，V2处于关断状态，芯片没有电压输出。

本方案还包括输出电流快速泄放通道V6。V6为一个，本方案中在芯片的输出端，集成了开关管V2。开关管的耐压和VOUT相同。开关管的开启和关闭受控于控制逻辑模块V5。该开关管默认处于关闭状态；当CTRL信号为关断时，逻辑模块V5直接控制开关管开启，输入电流直接经过泄放通道V6接地。由此有效将输出电压关断时的下降沿时间降低到50nS以内。在没有快速泄放通道的情况下，50V电压的下降时间在100nS以上。

还集成了一个0.5欧姆电阻，0.5欧姆电阻用于滤波以防止电压抖动造成的误操作。

本方案还包括低压检测模块和过温度保护模块，V8和V9分别为低压检测模块和过温度保护模块。当输入电压低于芯片的工作电压时，逻辑控制模块V5会设置停止工作，芯片会停止工作。芯片内部集成了温度传感器，当温度传感器输出超过预设值时，逻辑控制模块V5会自动关断输出电压，保护芯片。

对应的调制芯片还附加有对应的外部电路，其中，VIN并联10uF电容为输入旁路电容。VLDO并联1uF电容为内部LDO储能电容。VOUT并联1uF电容为输出滤波电容。CPP和CPN之间串联1uF电容作为内部电荷泵V7的储能电容，CPP和CPN与电荷泵的连接。

由于GaN功率放大器的输出功率随着技术的发展快速增大，导致与其协同工作的漏极调制电路的输出功率需求也快速提高。在漏极调制电路中，MOSFET的类型决定了驱动器的架构和整个解决方案的性能，比如输出功率和系统效率。传统的漏极调制电路多采用PMOSFET以及相应的PMOS驱动器设计，因为其驱动器设计简单。由于PMOS驱动的栅极是负电压，而漏极供电电压通常是系统的最高电压，所以PMOS驱动只需对输入PMW进行简单的电压转换和放大即可。如中国专利申请，申请号201510362192.5所示，公开了基于高侧PMOS驱动的脉冲调制电路设计。但是由于PMOSFET的电子迁移率只是NMOSFET的1/3，导致在相同的芯片面积下，PMOSFET的导通电阻是NMOSFET的3倍。这越来越不适应调制电路输出功率需求快速增大的趋势。比如一个输出功率是30V，5A的漏极调制电路，NMOS架构导通电阻为20mOhm,PMOS架构的导通电阻为60mOhm。在同样输出功率的情况下，两种不同架构的调制电路的热耗相差1W。本发明提出的基于高侧NMOS驱动器的漏极调制电路方案，加上对应的NMOS的连接方式以及对应的调制方法，以驱动器的设计复杂的代价，换取了整体解决方案的高输出功率和高能量转换效率。同时，由于将整个NMOS驱动器电路集成在单芯片上，在解决方案的面积上，也有显著的优势。

一般的GaN功率放大器一般用于工业及军用场景，其应用决定了与其协同工作的漏极调制电路必须有高可靠性。同时，针对高频率的GaN功率放大器，其布板面积受限于发射频率的半波长，要求调制电路的布板面积尽量小。本发明所公开的调制芯片，将NMOS驱动电路、电荷泵、自举电路、保护电路和功率MOSFET集成在单芯片上，有效的提高了系统的可靠性并降低了布板面积。相对于分立器件方案，布板面积缩减了60%以上。同时，由于基于对地参考平面的高侧驱动架构，只包含一个功率MOSFET；从而不存在传统的半桥驱动架构需要两个功率MOSFET交替开关所带来的死区时间的问题。所谓死区时间，是指半桥驱动架构下，如果上桥和下桥两个功率MOSFET由于驱动信号的时延错误导致两个功率MOSFET同时开启，会导致电源输出短路。如中国专利申请，申请号201821424527 .7，公开了一种基于半桥驱动的微波功率放大器漏极调制电路。本发明所提出的设计架构，不论在可靠性上，还是在解决方案的集成度上，都优于201821424527 .7所提出的架构。

本发明将MOSFET驱动电路和功率管以及保护电路集成到一个单芯片中，同时采用了NMOS管，集成度高，布板面积相比于传统方案减少了70%，成本也更低。同时支持更高的输出电压和更大的输出电流。

该芯片通过检测 GaN 功率放大器栅极有无负电压来控制其漏级输入的通断，从而实现对 GaN 功率放大器的电源时序控制。通过控制芯片内功率开关管的栅源电压来控制开关管的通断，从而实现 GaN 功率放大器漏极供电的脉冲调制。采用单片集成电路设计，减少了硬件布板面积；加入输出快速泄放通道，降低了关断输出电压时的下降沿时间；通过引入大功率N沟道开关管，可以支持更高的输出电压和更大的输入电流，符合GaN功率放大器功率容量不断提高的趋势；在集成了漏极调制功能的同时，还提供了完善的GaN保护功能，包括漏极负压使能、过温和过压保护。

实施例2

本方案的电源调制芯片的控制方法的控制逻辑流程图见图2。

芯片上电后，首先会检测EN脚是否有-3V到-1V的负电压输入，如果有，开始检测经过外置分压电阻后的OPV输入脚电压是否小于1.2V。如果没有此区间范围的电压，重新检测EN脚输入；

OPV输入脚电压如果小于1.2V，则继续检测芯片结温是否低于150℃。如果不小于1.2V，则芯片返回重新检测EN脚电压；

如果芯片结温低于150℃，芯片开启。芯片结温不低于150℃，芯片返回重新检测EN脚电压；

外部恒定直流高电压输入通过VIN脚进入芯片内部。CTRL信号为脉冲调制控制信号，芯片输出VOUT会根据CTRL信号进行相应的关断和开启。EN脚输入为GaN功率放大器的栅极电压。OVP脚输入为外部过压保护信号，其通过比较器V4与内部1.2V参考电压比较。详细的时序图见附录图3。在本实施例中，在EN信号为低电压输入的时候，当CTRL信号脉冲输入，对应的VOUT信号出与CTRL信号输入相反电压脉冲。1.2V参考电压是基于芯片低压电路部分的设计而设定的。针对不同的电路可以设定不同数值的参考电压。

当OVP输入超过1.2V，或者EN输入大于等于0V的情况下，逻辑控制电路V5的输出为0。否则，V5将会把脉冲调制信号整形后，输出给大功率开关管V2的栅极驱动电路V3。驱动大功率开关管输出对应的信号。

本方案通过功率放大器栅极有无负电压来控制其漏级输入的通断，从而实现对GaN 功率放大器的电源时序控制，还提供了完善的GaN保护功能，包括漏极负压使能、过温和过压保护，安全性好，同时降低了关断输出电压时的下降沿时间，效率更高。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (10)

1.GaN 功率放大器漏级电源调制芯片的调制方法，步骤如下：

外部恒定直流高电压输入通过VIN脚进入芯片内部，CTRL信号为脉冲调制控制信号，芯片输出VOUT会根据CTRL信号进行相应的关断和开启；

控制逻辑模块判断EN信号的输入，在EN信号为低电压输入的时候，当CTRL信号脉冲输入，控制逻辑模块给通过栅极驱动电路驱动一个N沟道MOSFET开关管输出对应的信号；

当CTRL信号为关断时，控制逻辑模块直接控制快速泄放通道开启，输入电流直接经过泄放通道接地。

2.根据权利要求1所述的GaN 功率放大器漏级电源调制芯片的调制方法，其特征在于，N沟道MOSFET开关管输出的VOUT信号与CTRL信号输入为相反电压脉冲。

3.根据权利要求1所述的GaN 功率放大器漏级电源调制芯片的调制方法，其特征在于，还包括GaN功率放大器的栅极电压的负电压范围输入检测，当芯片上电后，首先会检测EN脚是否有设定好的GaN功率放大器的栅极电压的负电压范围，在范围内，进行下一步的工作，不在范围内重新检测EN脚输入。

4.根据权利要求3所述的GaN 功率放大器漏级电源调制芯片的调制方法，其特征在于，负电压范围为-3V到-1V的负电压输入。

5.根据权利要求3所述的GaN 功率放大器漏级电源调制芯片的调制方法，其特征在于，还包括对芯片过压的判断，在判断栅极电压的负电压在范围内后，通过比较器判断OPV输入脚电压是否小于设定值，判断是否过压，如果超过设定值，重新检测EN脚输入，低于设定值，进行下一步的工作。

6.根据权利要求5所述的GaN 功率放大器漏级电源调制芯片的调制方法，其特征在于，还包括对芯片结温判断，在芯片输入电压没有超过预定值后，进行芯片结温判断，低于温度阈值，芯片开启，到达温度阈值后，芯片返回重新检测EN脚电压。

7.根据权利要求1所述的GaN 功率放大器漏级电源调制芯片的调制方法，其特征在于，上述方法通过以下调制芯片完成，包括，

线性稳压器，连接从芯片VIN端，输入电压经过线性稳压器转化后为低电压对内部器件供电，线性稳压器输出端连接对应的芯片VLDO端；

N沟道MOSFET开关管，开关管漏级输入为芯片输入的恒定电压VIN，源级输出为经过CTRL信号调制过的脉冲调制电压，栅极连接栅极驱动电路；

电荷泵，电荷泵连接栅极驱动电路，电荷泵连接栅极驱动电两者共同作用，开启和关断开关管；

比较器，比较器一输入为内部参考电压，另一输入为芯片OVP端，比较器的输出进入控制逻辑模块；

控制逻辑模块，控制逻辑模块输入为比较器的输出端、CTRL端和EN端，EN脚输入为GaN功率放大器的栅极电压，控制逻辑模块输出端连接栅极驱动电路，对输入信号进行控制。

8.根据权利要求7所述的GaN 功率放大器漏级电源调制芯片的调制方法，其特征在于，还包括输出电流快速泄放通道，输出电流快速泄放通道与N沟道MOSFET开关管的输出端连接。

9.根据权利要求7所述的GaN 功率放大器漏级电源调制芯片的调制方法，其特征在于，还包括低压检测模块，检测内部输入电压的值，并将检测结果进入输入控制逻辑模块，控制逻辑模块开启和关闭芯片。

10.根据权利要求7或9所述的GaN 功率放大器漏级电源调制芯片的调制方法，其特征在于，还包括过温度保护模块，过温度保护模块检测芯片温度，并将结果进入输入控制逻辑模块，控制逻辑模块开启和关断输出电压。