CN109995330B - 一种具有电源保护的功率放大器以及功率放大器模块 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种具有电源保护的功率放大器模块，包括功率控制电路、信号放大电路和电源保护电路。所述功率控制电路包括控制电路一与控制电路二，控制电路二的耐压水平高于控制电路一的耐压水平。所述信号放大电路包括依次级联的驱动级电路和输出级电路。移动终端的电池电压直接为控制电路二和输出级电路供电。所述电源保护电路包括分级电源电路和过压保护电路。分级电源电路将电池电压降压后为控制电路一供电。过压保护电路在电池电压出现浪涌电压时关闭信号放大电路。本申请采用有区别的供电，保护了耐压较低的电路安全可靠运行；还提高了信号放大电路的浪涌防护性能和CMOS功率放大器的效率。

Description

一种具有电源保护的功率放大器以及功率放大器模块

技术领域

本申请涉及一种采用CMOS工艺实现的射频功率放大器，特别是集成有电源保护功能的CMOS功率放大器。

背景技术

在移动终端中，射频功率放大器是必不可少的组件之一，它负责将基带芯片处理后的调制信号放大后馈送至天线，以保证从天线辐射出来的电磁波具有足够的能量。功率放大器的性能直接决定了移动终端的信号强弱和通话质量的好坏。同时功率放大器工作时的能耗较大，其设计的优良与否对于移动终端的电池续航和发热都有决定性的影响。

为了追求好的性能，移动终端中的射频功率放大器大多采用昂贵的GaAs(砷化镓)工艺实现，近年来的研发方向逐渐转向采用低价的CMOS工艺实现。相比GaAs工艺，CMOS工艺实现的功率晶体管的耐压较差。移动终端的电池供电会产生9V左右的浪涌电压，这么高的浪涌电压很容易损毁功率放大器芯片，所以一般CMOS功率放大器不能直接采用电池供电。

请参阅图1，这是一种现有的CMOS功率放大器，主要包括CMOS功率放大器芯片4。在基带芯片(BB)2中具有电源管理芯片(PMIC)3。其供电关系为：移动终端中的电池1为基带芯片2供电，基带芯片2中的电源管理芯片3再为CMOS功率放大器芯片4供电。其信号走向为：基带芯片2将调制信号传输至CMOS功率放大器芯片4，CMOS功率放大器芯片4再将放大后的调制信号传输至天线5。这种CMOS功率放大器通过基带芯片2中的电源管理芯片3消除了电池供电的浪涌电压，从而避免损毁CMOS功率放大器芯片4。

请参阅图2，这是另一种现有的CMOS功率放大器，主要包括功率放大器模块(PAM)40。所述功率放大器模块40又包括电源管理芯片3和CMOS功率放大器芯片4，电源管理芯片3采用耐压高的工艺设计制造。其供电关系为：移动终端中的电池1为基带芯片2和功率放大器模块40供电，功率放大器模块40中的电源管理芯片3再为CMOS功率放大器芯片4供电。其信号走向为：基带芯片2将调制信号传输至CMOS功率放大器芯片4，CMOS功率放大器芯片4再将放大后的调制信号传输至天线5。这种CMOS功率放大器通过功率放大器模块40中的电源管理芯片3消除了电池供电的浪涌电压，从而避免损毁CMOS功率放大器芯片4。

以上两种现有的CMOS功率放大器都需要增加一块电源管理芯片3，该电源管理芯片3或者集成在基带芯片2中，或者集成在功率放大器模块40中，这增加了器件面积与制造成本。CMOS功率放大器的效率＝电源管理芯片3的效率╳CMOS功率放大器芯片4的效率，因此增加的电源管理芯片3使得CMOS功率放大器的效率降低，这降低了移动终端的电池续航能力，也使得移动终端的发热变得严重。

申请公布号为CN106849017A、申请公布日为2017年6月13日的中国发明专利申请《电源电路、功放系统和过压保护方法》公开了一种电源电路。其中包含电源模块、过压检测模块和关断模块。过压检测模块可在电源模块输出电压超过阈值时，指示关断模块关断电源模块，从而避免过压对功放系统造成损害。该方案属于本申请的图1所示CMOS功率放大器，采用电源管理芯片间接供电，由关断模块来控制该电源管理芯片的安全输出电压范围，并没有提高功率放大器本身的浪涌防护特性，不具备通用特性。

申请公布号为CN102801293A、申请公布日为2012年11月28日的中国发明专利申请《一种抑制开机浪涌电流的保护装置》公开了一种浪涌抑制电路，用来保护卫星上电子设备的安全可靠。该方案旨在通过加入肖特基二极管来合并电源端与负载端的滤波和电源防护器件，来减少元器件数量。该方案本身并没有提高整个系统的浪涌防护能力，也没有提高功率放大器本身的浪涌防护特性。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是为CMOS功率放大器提供具有电源保护的功率放大器模块，在提高整体效率的同时增加CMOS功率放大器的浪涌防护性能。本申请还要提供一种包含所述具有电源保护的功率放大器模块的功率放大器。

为解决上述技术问题，本申请具有电源保护的功率放大器模块包括功率控制电路、信号放大电路和电源保护电路。所述功率控制电路包括控制电路一与控制电路二，控制电路二的耐压水平高于控制电路一的耐压水平。所述信号放大电路包括依次级联的驱动级电路和输出级电路。电池电压直接为控制电路二和输出级电路供电。所述电源保护电路包括分级电源电路和过压保护电路。分级电源电路将电池电压降压后为控制电路一供电。过压保护电路在电池电压出现浪涌电压时关闭信号放大电路。

进一步地，所述控制电路一为负责逻辑运算的电路。可以将所述功率控制电路根据耐压程度分拆为两部分，耐压程度较低的电路就是控制电路一，主要负责逻辑运算。

进一步地，所述控制电路二为负责为驱动级电路供电的电路。可以将所述功率控制电路根据耐压程度分拆为两部分，耐压程度较高的电路就是控制电路二，主要负责为驱动级电路供电。

进一步地，所述驱动级电路对射频信号进行第一级放大，输出级电路对射频信号进行第二级放大，并且输出级电路的信号放大能力大于驱动级电路的信号放大能力。显然，输出级电路对于电源效率的影响大于驱动级电路对于电源效率的影响，采用电池电压直接为输出级电路供电，有利于提升CMOS功率放大器的整体效率。

进一步地，各电路均由标准CMOS工艺设计制造。由于CMOS工艺的耐压水平低于GaAs工艺，因此才需要本申请新增的电源保护电路来提升CMOS功率放大器的浪涌防护性能。

优选地，所述分级电源电路是在电池电压与地之间依次串联电阻一、NMOS管一和NMOS管二构成支路一；NMOS管一和NMOS管二均采用二极管连接方式；还在电池电压与地之间依次串联PMOS管一、电阻二和电阻三构成支路二；支路一中电阻一与NMOS管一之间的节点A连接运算放大器一的反相输入端，支路二中电阻二与电阻三之间的节点B连接到运算放大器一的正相输入端，运算放大器一的输出端连接PMOS管一的栅极；支路二中PMOS管一与电阻二之间的节点C输出第二级电压；第二级电压作为提供给控制电路一的电源。所述分级电源电路可以输出与电池电压的大小无关的第二级电压。

优选地，所述过压保护电路是在电池电压与地之间依次串联电阻六、电阻七和电阻八构成支路六；参考电压二连接到运算放大器三的反相输入端，支路六中电阻七和电阻八之间的节点G连接到运算放大器三的正相输入端，运算放大器三的输出端输出控制信号；该控制信号提供给控制电路一用来决定是否关闭驱动级电路和输出级电路；运算放大器三的输出端还通过一条反馈支路连接到支路六中电阻六和电阻七之间的节点H。所述过压保护电路用来在电池电压大于某一阈值时关闭信号放大电路，并在电池电压低于另一阈值时恢复开启信号放大电路。

优选地，所述反馈支路依次由反相器一和PMOS管五串联组成；反相器一的输入端连接运算放大器三的输出端，反相器一的输出端连接PMOS管五的栅极；PMOS管五的源极或漏极中的一个连接电池电压，PMOS管五的源极或漏极中的另一个连接节点H。所述反馈支路提供迟滞反馈特性，具有一定的抗干扰效果。

进一步地，所述控制电路一还包括带隙基准电路。带隙基准电路一方面用来为过压保护电路提供一个用来比较的基准电压，另一方面作为分级电源电路的负载。

优选地，所述带隙基准电路是在第二级电压与地之间依次串联PMOS管二和PNP管一构成支路三，还在第二级电压与地之间依次串联PMOS管三、电阻四和PNP管二构成支路四，还在第二级电压与地之间依次串联PMOS管四、电阻五和PNP管三构成支路五；PNP管一、PNP管二和PNP管三的基极和集电极均接地；支路三中PMOS管二与PNP管一之间的节点D连接到运算放大器二的反相输入端，支路四中PMOS管三与电阻四之间的节点E连接到运算放大器二的正相输入端，运算放大器二的输出端同时连接PMOS管二、PMOS管三和PMOS管四的栅极；支路五中PMOS管四与电阻五之间的节点F输出参考电压二。所述带隙基准电路可以输出与电池电压的大小和温度均无关的参考电压二。

本申请提供的功率放大器包括电池、基带芯片以及前述具有电源保护的功率放大器模块。电池为基带芯片和具有电源保护的功率放大器模块供电。基带芯片将射频信号传输至具有电源保护的功率放大器模块，具有电源保护的功率放大器模块再将放大后的射频信号传输至天线。

本申请取得的技术效果是：第一，对功率控制电路中耐压较低的控制电路一由新增的分级电源电路输出的低电压供电，对功率控制电路中耐压水平较高的控制电路二和输出级电路直接由电池电压供电，这种有区别的供电方案保护了耐压水平较低的电路安全可靠运行。第二，新增的过压保护电路针对电池电压中的浪涌电压进行检测，并在浪涌电压到来时关闭信号放大电路，从而大大提高了信号放大电路的浪涌防护性能。第三，省略了电源管理芯片，并对输出级电路直接由电池电压供电，提高了CMOS功率放大器的效率。

附图说明

图1是一种现有的CMOS功率放大器的供电关系及信号走向示意图。

图2是另一种现有的CMOS功率放大器的供电关系及信号走向示意图。

图3是本申请的CMOS功率放大器的供电关系及信号走向示意图。

图4是图3中的具有电源保护的功率放大器模块60的结构示意图。

图5是图4中的电源保护电路的一种具体实现电路。

图6是图4中的电源保护电路的另一种具体实现电路。

图中附图标记说明：1为电池；2为基带芯片；3为电源管理芯片；4为CMOS功率放大器芯片；40为功率放大器模块；41为控制电路一；42为控制电路二；43为驱动级电路；44为输出级电路；5为天线；60为具有电源保护的功率放大器模块；61为分级电源电路；62为过压保护电路；69为带隙基准电路。RFIN为射频输入信号；RFOUT为射频输出信号；VBAT为电池电压；Vref为参考电压；VCC_LOW为第二级电压；NMOS为NMOS场效应晶体管；PMOS为PMOS场效应晶体管；PNP为PNP型双极性晶体管；AMP为运算放大器；INV为反相器；R为电阻。

具体实施方式

请参阅图3，这是本申请提供的CMOS功率放大器，主要包括具有电源保护的功率放大器模块60。其供电关系为：移动终端中的电池1为基带芯片2和具有电源保护的功率放大器模块60供电。其信号走向为：基带芯片2将射频信号传输至具有电源保护的功率放大器模块60，具有电源保护的功率放大器模块60再将放大后的射频信号传输至天线5。这种CMOS功率放大器省略了电源管理芯片3，改为在功率放大器模块60中集成电源保护功能，从而避免了电池供电的浪涌电压损毁CMOS功率放大器。

请参阅图4，这是图3中具有电源保护的功率放大器模块60的具体结构。所述具有电源保护的功率放大器模块60包括控制电路一41、控制电路二42、驱动级电路43、输出级电路44、分级电源电路61和过压保护电路62。控制电路一41一般是内部包含通过数字电路标准化单元设计实现的数字模块，主要进行逻辑运算，耐压水平较低。控制电路二主要为驱动级电路43供电，耐压水平较高，并通过为驱动级电路43供电来调节功率放大器的输出功率。控制电路一41与控制电路二42构成了功率控制电路。驱动级电路43用来对射频输入信号RFIN进行第一级放大后传输至输出级电路44。输出级电路用来对驱动级电路43输出的第一级放大后的射频信号进行第二级放大得到射频输出信号RFOUT。驱动级电路43和输出级电路44构成了传统意义上的功率放大器芯片的信号放大电路，并且输出级电路44的信号放大能力通常远大于驱动级电路43的信号放大能力。分级电源电路61将电池电压VBAT降压后为控制电路一41供电。过压保护电路62用来在电池电压VBAT出现浪涌(即尖峰)时向控制电路41发出信号关闭驱动级电路43和输出级电路44。分级电源电路61和过压保护电路62构成了本申请新增的电源保护电路。以上各电路全部由标准CMOS工艺设计制造。

所述具有电源保护的功率放大器模块60的供电关系为：电池电压VBAT为具有电源保护的功率放大器模块60供电。该电池电压VBAT直接为功率控制电路中的控制电路二42供电，控制电路二42再为驱动级电路43供电。该电池电压VBAT还直接为输出级电路44供电。该电池电压VBAT经过分级电源电路61降压后为功率控制电路中的控制电路一41供电。过压保护电路62检测该电池电压VBAT，在电池电压VBAT出现浪涌时向控制电路41发出信号关闭驱动级电路43和输出级电路44。

所述具有电源保护的功率放大器模块60的信号走向为：射频输入信号RFIN先经过驱动级电路43进行第一级放大，再经过输出级电路44进行第二级放大，最后得到射频输出信号RFOUT。

请参阅图5，这是图4中的电源保护电路的一种具体实现方式。所述电源保护电路包括分级电源电路61和过压保护电路62。

所述分级电源电路61是在电池电压VBAT与地之间依次串联电阻一R1、NMOS管一NMOS1和NMOS管二NMOS2构成支路一。NMOS管一NMOS1和NMOS管二NMOS2均采用二极管连接方式，即栅极和漏极短接等效为二极管的阳极，源极等效为二极管的阴极。在电池电压VBAT与地之间还依次串联PMOS管一PMOS1、电阻二R2和电阻三R3构成支路二。支路一中电阻一R1与NMOS管一NMOS1之间的节点A向运算放大器一AMP1的反相输入端输入参考电压一Vref1，支路二中电阻二R2与电阻三R3之间的节点B连接到运算放大器一AMP1的正相输入端，运算放大器一AMP1的输出端连接PMOS管一PMOS1的栅极。支路二中PMOS管一PMOS1与电阻二R2之间的节点C输出第二级电压VCC_LOW。所述参考电压一Vref1＝2×Von，Von是指NMOS管一NMOS1或NMOS管二NMOS2的开启电压，显然参考电压一Vref1＜电源电压VBAT。第二级电压VCC_LOW＝2×Von×(R2+R3)/R3，这表明第二级电压VCC_LOW与电池电压VBAT无关。并且第二级电压VCC_LOW＜Vref1＜VBAT，即分级电源电路61产生了一个低于电源电压VBAT的第二级电压VCC_LOW。第二级电压VCC_LOW作为提供给控制电路一41的电源。

所述过压保护电路62是在电池电压VBAT与地之间依次串联电阻六R6、电阻七R7和电阻八R8构成支路六。参考电压二Vref2连接到运算放大器三AMP3的反相输入端，支路六中电阻七R7和电阻八R8之间的节点G连接到运算放大器三AMP3的正相输入端，运算放大器三AMP3的输出端输出控制信号。该控制信号提供给控制电路一41用来决定是否关闭驱动级电路43和输出级电路44。运算放大器三AMP3的输出端还通过一条反馈支路连接到支路六中电阻六R6和电阻七R7之间的节点H。所述反馈支路依次由反相器一INV1和PMOS管五PMOS5串联组成。反相器一INV1的输入端连接运算放大器三AMP3的输出端，反相器一INV1的输出端连接PMOS管五PMOS5的栅极，PMOS管五PMOS5的源极或漏极中的一个连接电池电压VBAT，源极或漏极中的另一个连接节点H。当电池电压VBAT升高并满足VBAT×(R6+R7)/(R6+R7+R8)＞Vref2时，该过压保护电路62输出的控制信号为高电平，例如表示产生过压保护，即通过控制电路一41关闭功率放大器的放大通路。与此同时，所述反馈支路形成迟滞反馈，当产生过压保护后只有当电池电压VBAT满足VBAT×R7/(R7+R8)＜Vref2时，该过压保护电路62输出的控制信号才转为低电平，例如表示停止过压保护即恢复后级电路工作。功率放大器正常工作时，在电池电压上会引起一定电压波动，该波动电压有可能导致运算放大器三AMP3在输入门限电压附近产生误翻转，而反馈支路的迟滞特性具有一定的抗干扰效果。

请参阅图6，这是图4中的电源保护电路的另一种具体实现方式。图6在图5的基础上新增了带隙基准电路69。

所述带隙基准电路69是在第二级电压VCC_LOW与地之间依次串联PMOS管二PMOS2和PNP管一PNP1构成支路三，还在第二级电压VCC_LOW与地之间依次串联PMOS管三PMOS3、电阻四R4和PNP管二PNP2构成支路四，还在第二级电压VCC_LOW与地之间依次串联PMOS管四PMOS4、电阻五R5和PNP管三PNP3构成支路五。PNP管一PNP1、PNP管二PNP2和PNP管三PNP3的基极和集电极均接地。支路三中PMOS管二PMOS2与PNP管一PNP1之间的节点D连接到运算放大器二AMP2的反相输入端，支路四中PMOS管三PMOS3与电阻四R4之间的节点E连接到运算放大器二AMP2的正相输入端，运算放大器二AMP2的输出端同时连接PMOS管二PMOS2、PMOS管三PMOS3和PMOS管四PMOS4的栅极。支路五中PMOS管四PMOS4与电阻五R5之间的节点F输出参考电压二Vref2。该带隙基准电路69的供电电压选用分级电源电路61产生的第二级电压VCC_LOW，用来产生一个与电池电压VBAT和温度均无关的参考电压二Vref2。该参考电压二Vref2例如提供给运算放大器三AMP3的反相输入端。图5中没有带隙基准电路69，参考电压二Vref2可认为有一个恒定的电压源提供。

新增的带隙基准电路69一方面用来为过压保护电路62提供一个用来比较的基准电压即参考电压二Vref2，另一方面作为分级电源电路61的负载以低于电源电压VBAT的第二级电压VCC_LOW作为电源。该带隙基准电路69可以认为是图4中的控制电路一41的一部分。

正常情况下，移动终端的蓄电池输出电压在3.7V至4.2V之间，最大可达6V。但是移动终端在开机上电或者突然接通或断开较大负载的情况下，电池供电会出现微秒级的瞬态尖峰，这就是所谓的浪涌电压，浪涌尖峰电压通常可达9V左右。在功率放大器工作时，由于负载电感和寄生电感的储能作用，会加剧电池电压的波动，从而使得功率放大器内部电路需要承受更大的电压。控制电路一的正常工作电压一般是在3V至4V，控制电路二的耐压可达6V，因此控制电路一的耐压程度比控制电路二要更低一些。

本申请提供的电源保护电路、以及具有电源保护的功率放大器模块具有如下特点及有益效果。

其一，省略了电源管理芯片，减小了占用基板面积，降低了制造成本，同时提高了CMOS功率放大器的整体效率。实验表明，本申请的CMOS功率放大器相比采用电源管理芯片的方案，整体电源效率有10％的提升。

其二，通过分级电源电路为耐压水平较低、功耗较小的控制电路一供电，保护了控制电路一不被高电压损毁，也不受电源浪涌的影响。电池电压直接为主要提供信号放大能力、并且对效率影响较大的输出级电路供电，提高了CMOS功率放大器的整体效率。

其三，通过过压保护电路在电池电压出现浪涌电压(例如电源电压＞6V)时关闭信号放大通道，提高了整体抗浪涌性能。实验表明，本申请的CMOS功率放大器相比采用电源管理芯片的方案，浪涌防护能力可提高2V左右。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种具有电源保护的功率放大器模块，其特征是，包括功率控制电路、信号放大电路和电源保护电路；所述功率控制电路包括控制电路一与控制电路二，控制电路二的耐压水平高于控制电路一的耐压水平；所述信号放大电路包括依次级联的驱动级电路和输出级电路；移动终端的电池电压直接为控制电路二和输出级电路供电；所述电源保护电路包括分级电源电路和过压保护电路；电池电压通过分级电源电路降压后为控制电路一供电；过压保护电路在电池电压出现浪涌电压时关闭信号放大电路。

2.根据权利要求1所述的具有电源保护的功率放大器模块，其特征是，所述控制电路一为负责逻辑运算的电路。

3.根据权利要求1所述的具有电源保护的功率放大器模块，其特征是，所述控制电路二为负责为驱动级电路供电的电路。

4.根据权利要求1所述的具有电源保护的功率放大器模块，其特征是，所述驱动级电路对射频信号进行第一级放大，输出级电路对射频信号进行第二级放大，并且输出级电路的信号放大能力大于驱动级电路的信号放大能力。

5.根据权利要求1所述的具有电源保护的功率放大器模块，其特征是，各电路均由标准CMOS工艺设计制造。

6.根据权利要求1所述的具有电源保护的功率放大器模块，其特征是，所述分级电源电路是在电池电压与地之间依次串联电阻一、NMOS管一和NMOS管二构成支路一；NMOS管一和NMOS管二均采用二极管连接方式；还在电池电压与地之间依次串联PMOS管一、电阻二和电阻三构成支路二；支路一中电阻一与NMOS管一之间的节点A连接运算放大器一的反相输入端，支路二中电阻二与电阻三之间的节点B连接到运算放大器一的正相输入端，运算放大器一的输出端连接PMOS管一的栅极；支路二中PMOS管一与电阻二之间的节点C输出第二级电压；第二级电压作为提供给控制电路一的电源。

7.根据权利要求6所述的具有电源保护的功率放大器模块，其特征是，所述过压保护电路是在电池电压与地之间依次串联电阻六、电阻七和电阻八构成支路六；参考电压二连接到运算放大器三的反相输入端，支路六中电阻七和电阻八之间的节点G连接到运算放大器三的正相输入端，运算放大器三的输出端输出控制信号；该控制信号提供给控制电路一用来决定是否关闭驱动级电路和输出级电路；运算放大器三的输出端还通过一条反馈支路连接到支路六中电阻六和电阻七之间的节点H。

8.根据权利要求7所述的具有电源保护的功率放大器模块，其特征是，所述反馈支路依次由反相器一和PMOS管五串联组成；反相器一的输入端连接运算放大器三的输出端，反相器一的输出端连接PMOS管五的栅极；PMOS管五的源极或漏极中的一个连接电池电压，PMOS管五的源极或漏极中的另一个连接节点H。

9.根据权利要求7所述的具有电源保护的功率放大器模块，其特征是，所述控制电路一还包括带隙基准电路。

10.根据权利要求9所述的具有电源保护的功率放大器模块，其特征是，所述带隙基准电路是在第二级电压与地之间依次串联PMOS管二和PNP管一构成支路三，还在第二级电压与地之间依次串联PMOS管三、电阻四和PNP管二构成支路四，还在第二级电压与地之间依次串联PMOS管四、电阻五和PNP管三构成支路五；PNP管一、PNP管二和PNP管三的基极和集电极均接地；支路三中PMOS管二与PNP管一之间的节点D连接到运算放大器二的反相输入端，支路四中PMOS管三与电阻四之间的节点E连接到运算放大器二的正相输入端，运算放大器二的输出端同时连接PMOS管二、PMOS管三和PMOS管四的栅极；支路五中PMOS管四与电阻五之间的节点F输出参考电压二。

11.一种功率放大器，其特征是，包括电池、基带芯片以及如权利要求1至10中任一项所述的具有电源保护的功率放大器模块；电池为基带芯片和具有电源保护的功率放大器模块供电；基带芯片将射频信号传输至具有电源保护的功率放大器模块，具有电源保护的功率放大器模块再将放大后的射频信号传输至天线。