CN115632618A - 一种功率放大器的保护装置 - Google Patents

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CN115632618A CN202211367220.9A CN202211367220A CN115632618A CN 115632618 A CN115632618 A CN 115632618A CN 202211367220 A CN202211367220 A CN 202211367220A CN 115632618 A CN115632618 A CN 115632618A
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刘强
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Abstract

本申请适用于通信技术领域，提供了一种功率放大器的保护装置，包括逻辑控制电路；位于功率放大器的漏极线路中的控制开关；用于检测漏极线路的电流的检测电路；用于采集功率放大器的工作温度的温度传感器；栅压控制电路，栅压控制电路包括：运算放大器、滑动变阻器、第一调节电阻、第一调节控制单元、第二调节电阻、第二调节控制单元、第三调节电阻、第三调节控制单元、逻辑电平输出单元以及第四调节电阻；逻辑控制电路的第一输入端与检测电路的第三端连接，第二输入端与逻辑电平输出单元的第二端连接，第三输入端为收发控制信号电平端，逻辑控制电路的输出端与控制开关的控制端连接。本申请能避免功率放大器工作时因温度过高或电流过大被损坏。

Description

一种功率放大器的保护装置
技术领域
本申请属于通信技术领域，尤其涉及一种功率放大器的保护装置。
背景技术
在通信设备工作时，数字处理端给出收发控制信号控制射频前端组件中的收发链路进行快速切换，当控制信号为发送时，发链路中功率放大器必须在几个微妙时间内进入正常发射工作状态，否则功率放大器因准备时间过长将导致通信吞吐率明显下降，主要原因在于时工双分(TDD，Test-Driven Development)工作模式下，通信数据是以帧的形式进行发送，发送一帧数据所占时间一般在几十毫秒到百毫秒左右，如果末端功率放大器收到发控制信号进入工作状态还需要毫秒级时间，导致发送有效数据的时间变短，又由于现有通信设备为了高吞吐量速率普遍采用高阶数字调制方式，发送有效数据时间变短导致数据吞吐速率下降十分明显，造成通信效率显著降低。同时通信设备的基带物理层算法中采用的高阶数字调制方式生成的射频信号具有高峰均比特性，同时要求功率放大器必须良好的线性特性，而高效率射频功率放大器普遍线性特性较差，必须采用预失真技术提供功率放大器的线性度，当采用模拟预失真技术时，该种方式对于改善功率放大器线性度效果不明显，特别是发射大功率的高阶数字调制方式的射频信号时，发射信号明显失真导致通信吞吐量下降，而采用线性化效果更好的数字预失真技术，进行数字预失真计算花费的时间过长，该种方式无法满足高吞吐量TDD通信设备中功率放大器数对于发射切换在数微妙的时间内的要求。
为了解决上述问题，相关通信设备的末端功率放大器采用AB类功率放大器(ClassAB amplifier)，线性度和功放饱和发射时效率相对较高，但为满足高阶调制射频信号中的高峰均比要求，必须进行功率回退6-7dB(dB＝10lg(输出功率/输入功率))，从导致功率放大器的功率效率一般仅在20％左右，特别发送功率较大时，末端功率放大器将产生大量热量导致功放芯片温度快速升高，功放芯片的电流随温度升高增加明显，效率进一步下降，且功率放大器的放大增益也随之下降，为了保证末端功率放大器输出功率的稳定，通过前述的数字处理端检测到末端功率放大器后的定向耦合器耦合出的信号功率减少，控制发射链路上的数据衰减器对应减少衰减值从而保证发送功率稳定，但末端功放芯片在温度升高情况下功放偏置电流随之不断变大，效率进一步降低导致温度更加上升的恶性循环，最终可能烧毁价格昂贵的功放芯片。
为了克服上述缺点，现有技术条件下通常采用的方式有：一个是大功率的射频功率放大器的散热必须良好，比如加大功放芯片与外壳接触面积、加大金属外壳的散热面积、检测功放芯片温度超过温度阈值开启风扇散热等，尽可能防止功放芯片温度持续升高，超过某个温度限值。二个是功率放大器发射大功率信号时，温度升高的同时适当的降低功放芯片上栅极上的电压，从而减少漏极和源极之间的偏置电流，从而保证功率放大器供电电流的稳定，目前常用的技术方案第一种是在给功率放大器提供栅极电压的电路设计上加上一个三极管或者二极管等器件，二极管或者三极管有一定的温度特性，随温度升高导通电流增加，设计一些电路能够降低提供功放芯片栅极的电压，对功放芯片的栅压具有一定调节作用，但调节电压范围不大，且电压调节速度跟不上温度变换速率，特别是大功率功率放大器尤其明显；第二种是采用数模转换器(ADC)采集功放芯片的实时采集不同温度下的供电电流的大小，根据功放芯片栅极电压在不同温度下与电流关系建立数学模型，数字处理通过计算出栅压值再由数模转换模块(DAC)输出到功放芯片栅极，实现较为精准的控制确保功率放大器输出大功率信号时的供电直流稳定，但ADC和DAC的转换及数字端的数字处理花费时间较长，功率放大器在TDD工作模式下，无法对确保栅压变化速率跟上随温度变化速率，从而无法控制供电直流稳定。
综上，功率放大器在工作时存在因温度过高或电流过大造成自身易损坏的问题。
发明内容
本申请实施例提供了一种功率放大器的保护装置，可以解决功率放大器在工作时存在因温度过高或电流过大造成自身易损坏的问题。
本申请实施例提供了一种功率放大器的保护装置，该保护装置包括：
逻辑控制电路；位于功率放大器的漏极线路中的控制开关；用于检测漏极线路的电流的检测电路；用于采集功率放大器的工作温度的温度传感器；
上述栅压控制电路包括运算放大器、滑动变阻器、第一调节电阻、第一调节控制单元、第二调节电阻、第二调节控制单元、第三调节电阻、第三调节控制单元、逻辑电平输出单元以及第四调节电阻；
运算放大器的同相输入端分别与滑动变阻器的第一端和第一电源连接，滑动变阻器的第二端接地，运算放大器的反相输入端分别与第一调节电阻的第一端、第二调节电阻的第一端、第三调节电阻的第一端以及第四调节电阻的第一端连接，第四调节电阻的第二端分别与运算放大器的输出端和功率放大器的栅极连接，温度传感器的输出端分别与第一调节控制单元的第一端、第二调节控制单元的第一端、第三调节控制单元的第一端和逻辑电平输出单元的第一端连接，运算放大器的正电源端与第一电源连接，运算放大器的负电源端接地；
检测电路的第一端与第二电源连接，检测电路的第二端与控制开关的第一端连接，控制开关的第二端与功率放大器的漏极连接；
逻辑控制电路的第一输入端与检测电路的第三端连接，逻辑控制电路的第二输入端与逻辑电平输出单元的第二端连接，逻辑控制电路的第三输入端为收发控制信号电平端，逻辑控制电路的输出端与控制开关的控制端连接；
在温度传感器的输出电压小于第一调节控制单元的第一预设门限电压时，第一调节控制单元控制第一调节电阻的第二端与温度传感器的输出端断开连接，第二调节控制单元控制第二调节电阻的第二端接地，第三调节控制单元控制第三调节电阻第二端与地断开连接，在温度传感器的输出电压大于第一预设门限电压、且小于第二调节控制单元的第二预设门限电压时，第一调节控制单元控制第一调节电阻的第二端与温度传感器的输出端连接，第二调节控制单元控制第二调节电阻的第二端接地，第三调节控制单元控制第三调节电阻第二端与地断开连接，在温度传感器的输出电压大于第二预设门限电压时，第一调节控制单元控制第一调节电阻的第二端与温度传感器的输出端连接，第二调节控制单元控制第二调节电阻第二端与地断开连接，第三调节控制单元控制第三调节电阻的第二端接地；第一预设门限电压小于第二预设门限电压，第二预设门限电压小于逻辑电平输出单元的预设逻辑门限电压，第二调节电阻的电阻值小于第三调节电阻的电阻值。
可选的，检测电路包括采样电阻和电流采集器，采样电阻的第一端分别与第二电源和电流采集器的第一端连接，采样电阻的第二端分别与控制开关的第一端和电流采集器的第二端连接，电流采集器的第三端与逻辑控制电路的第一输入端连接。
可选的，逻辑控制电路包括第一反相迟滞比较器、第一逻辑与门和第二逻辑与门；
第一反相迟滞比较器的差分输入正端的电压为预设阈值电压，第一反相迟滞比较器的差分输入负端与电流采集器的第三端连接；
第一逻辑与门的第一输入端与逻辑电平输出单元的第二端连接，第一逻辑与门的第二输入端与第一反相迟滞比较器的输出端连接；
第二逻辑与门的第一输入端与第一逻辑与门的输出端连接，第二逻辑与门的第二输入端为收发控制信号电平端，第二逻辑与门的输出端与控制开关的控制端连接。
可选的，控制开关包括P型MOS管、N型MOS管、第一开关电阻、第二开关电阻、第三开关电阻以及第四开关电阻；
P型MOS管的源极分别连接采样电阻的第二端、电流采集器的第二端以及第一开关电阻的第一端，P型MOS管的漏极与功率放大器的漏极连接，P型MOS管的栅极分别连接第一开关电阻的第二端和第二开关电阻的第一端；
N型MOS管的源极接地，N型MOS管的漏极与第二开关电阻的第二端连接，N型MOS管的栅极与第三开关电阻的第一端链接，第三开关电阻的第二端分别连接逻辑控制电路的输出端和第四开关电阻的第一端，第四开关电阻的第二端接地。
可选的，第一调节控制单元包括第一同相迟滞比较器和第一调节开关；
温度传感器的输出端分别与第一同相迟滞比较器的差分输入正端、第一调节开关的第一端连接，第一调节开关的第二端与第一调节电阻的第二端连接，第一调节开关的控制端与第一同相迟滞比较器的输出端连接，第一同相迟滞比较器的差分输入负端的电压为第一预设门限电压。
可选的，保护装置还包括电压跟随器；
电压跟随器的输入端与温度传感器的输出端连接，电压跟随器的输出端与第一调节开关的第一端连接。
可选的，第二调节控制单元包括第二调节开关、第一调节逻辑与门以及第二反相迟滞比较器；
第二调节开关的第一端接地，第二调节开关的第二端与第二调节电阻的第二端连接，第二调节开关的控制端与第一调节逻辑与门的输出端连接，第一调节逻辑与门的第一输入端与第二反相迟滞比较器的输出端连接，第一调节逻辑与门的第二输入端接高电平，第二反相迟滞比较器的差分输入正端的电压为第二预设门限电压，第二反相迟滞比较器的差分输入负端连接温度传感器的输出端。
可选的，第三调节控制单元包括第三调节开关、第二调节逻辑与门以及第二同相迟滞比较器；
第三调节开关的第一端接地，第三调节开关的第二端与第三调节电阻的第二端连接，第三调节开关的控制端与第二调节逻辑与门的输出端连接，第二调节逻辑与门的第一输入端与第二同相迟滞比较器的输出端连接，第二调节逻辑与门的第二输入端通过非门与第一调节逻辑与门的输出端连接，第二同相迟滞比较器的差分输入正端连接温度传感器的输出端，第二同相迟滞比较器的差分输入负端的电压为第二预设门限电压。
可选的，栅压控制电路还包括：按电阻值从小至大依次分布的n个调节电阻，以及用于控制n个调节电阻与地之间的通断的n个第三调节控制单元，n个第三调节控制单元与n个调节电阻一一对应；
第三调节电阻的电阻值小于n个调节电阻中第一个电阻的电阻值，第一个电阻对应的第三调节控制单元的预设门限电压大于第二预设门限电压，且当n大于1时，第n个调节电阻对应的第三调节控制单元的预设门限电压大于第n-1个调节电阻对应的第三调节控制单元的预设门限电压；
n个第三调节控制单元的第一端均与温度传感器的输出端连接，n个调节电阻的第一端均与运算放大器的反相输入端连接；
在温度传感器的输出电压大于第二预设门限电压、且小于预设逻辑门限电压时，第三调节电阻与n个调节电阻中有且只有一个调节电阻的第二端接地。
可选的，保护装置还包括分压电阻和限流电阻；
分压电阻的第一端与第一电源连接，分压电阻的第二端分别连接运算放大器的同相输入端和滑动变阻器的第一端，限流电阻的第一端分别连接运算放大器的输出端和第四调节电阻的第二端，限流电阻的第二端连接功率放大器的栅极。
本申请的上述方案有如下的有益效果：
在本申请的实施例中，通过栅压控制电路对功率放大器的栅压进行快速宽范围的调节，从而有效避免功率放大器工作时温度升得过高过快，且在温度过高时，通过逻辑控制电路控制功率放大器漏极线路中的控制开关断开，使功率放大器停止工作，避免功率放大器损坏；同时通过电流检测电路检测电流，在电流过大时，通过逻辑控制电路控制功率放大器漏极线路中的控制开关断开，使功率放大器停止工作，避免电流过大导致功率放大器损坏。
本申请的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一实施例提供的功率放大器的保护装置的结构示意图；
图2为本申请一实施例提供的栅压控制电路的结构示意图；
图3为本申请一实施例提供的检测电路的结构示意图；
图4为本申请一实施例提供的逻辑控制电路的结构示意图；
图5为本申请一实施例提供的控制开关电路的结构示意图；
图6为本申请一实施例中多档门限电压与栅压VGS的控制关系示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
针对功率放大器在工作时存在因温度过高或电流过大造成自身易损坏的问题，本申请提供了一种功率放大器的保护装置，通过栅压控制电路对功率放大器的栅压进行快速宽范围的调节，从而有效避免功率放大器工作时温度升得过高过快，且在温度过高时，通过逻辑控制电路控制功率放大器漏极线路中的控制开关断开，使功率放大器停止工作，避免功率放大器损坏；同时通过电流检测电路检测电流，且在电流过大时，通过逻辑控制电路控制功率放大器漏极线路中的控制开关断开，使功率放大器停止工作，避免电流过大导致功率放大器损坏。
接下来对本申请提供的功率放大器的保护装置的结构做示例性说明。
如图1所示，该保护装置包括栅压控制电路101、位于功率放大器的漏极线路中的控制开关102、用于检测漏极线路的电流的检测电路103、逻辑控制电路104以及用于采集功率放大器的工作温度的温度传感器，该温度传感器用于实时检测功率放大器的工作温度，并输出与温度线性相关的正电压(即图2中的Vtem)，图1中的功放芯片表示上述功率放大器。另外，VSS表示第二电源，VSS′表示控制开关第一端处的电压，VGS表示功率放大器的栅极电压。
如图2所示，上述栅压控制电路包括运算放大器(如图2中U0)、滑动变阻器(如图2中RP1)、第一调节电阻(如图2中R4)、第一调节控制单元(由第一同相迟滞比较器U1、第一调节开关S1构成)、第二调节电阻(如图2中R5)、第二调节控制单元(由第二反相迟滞比较器U3、第二调节开关S2以及第一调节逻辑与门U7构成)、第三调节电阻(如图2中R6)、第三调节控制单元(由第二调节逻辑与门U9、与U9连接的第二同相迟滞比较器U4以及第三调节开关S3构成)、逻辑电平输出单元(由反相迟滞比较器U5构成)以及第四调节电阻(如图2中R2)。
运算放大器的同相输入端分别与滑动变阻器的第一端和第一电源(如图2中VCC)连接，滑动变阻器的第二端接地，运算放大器的反相输入端分别与第一调节电阻的第一端、第二调节电阻的第一端、第三调节电阻的第一端以及第四调节电阻的第一端连接，第四调节电阻的第二端分别与运算放大器的输出端和功率放大器的栅极连接，温度传感器的输出端分别与第一调节控制单元的第一端、第二调节控制单元的第一端、第三调节控制单元的第一端和逻辑电平输出单元的第一端连接，运算放大器的正电源端与第一电源连接，运算放大器的负电源端接地。
如图1至图2所示，检测电路103的第一端与第二电源(如图1中的VSS)连接，检测电路103的第二端与控制开关102的第一端连接，控制开关102的第二端与功率放大器的漏极连接；逻辑控制电路104的第一输入端与检测电路的第三端连接，逻辑控制电路104的第二输入端与逻辑电平输出单元的第二端连接，逻辑控制电路104的第三输入端为收发控制信号电平端105，逻辑控制电路的输出端与控制开关102的控制端连接。其中，VDS表示功率放大器的漏极电压。
在温度传感器的输出电压(如图2中Vtem)小于第一调节控制单元的第一预设门限电压时(如图2中VT2)，第一调节控制单元控制第一调节电阻的第二端与温度传感器的输出端断开连接，第二调节控制单元控制第二调节电阻的第二端接地，第三调节控制单元控制第三调节电阻第二端与地断开连接，在温度传感器的输出电压大于第一预设门限电压、且小于第二调节控制单元的第二预设门限电压(如图2中VT3)时，第一调节控制单元控制第一调节电阻的第二端与温度传感器的输出端连接，第二调节控制单元控制第二调节电阻的第二端接地，第三调节控制单元控制第三调节电阻第二端与地断开连接，在温度传感器的输出电压大于第二预设门限电压时，第一调节控制单元控制第一调节电阻的第二端与温度传感器的输出端连接，第二调节控制单元控制第二调节电阻第二端与地断开连接，第三调节控制单元控制第三调节电阻的第二端接地；第一预设门限电压小于第二预设门限电压，第二预设门限电压小于逻辑电平输出单元的预设逻辑门限电压(如图2中VTH)，第二调节电阻的电阻值小于第三调节电阻的电阻值。
具体的，当温度传感器的输出电压小于第一调节控制单元的第一预设门限电压(Vtem<VT2<VT3)时，第二调节单元中的第二反相迟滞比较器比较Vtem和VT3的大小后，输出逻辑高电平，故第一调节逻辑与门U7的两个输入端均为逻辑高电平，于是第一调节逻辑与门U7输出逻辑高电平控制第二调节开关S2闭合，第二调节电阻R5接地接进电路，温度传感器与第一调节电阻R4断开连接。在温度传感器的输出电压大于第一预设门限电压、且小于第二调节控制单元的第二预设门限电压时(VT2<Vtem<VT3)，第一同相迟滞比较器U1对VT2和Vtem进行比较后输出逻辑低电平，控制第一调节电阻R4所在线路上的第一调节开关S1闭合，将温度传感器接入电路控制VGS，第二反相迟滞比较器U3对Vtem和VT3做比较后，控制第二调节电阻R5所在线路上的第二调节开关S2闭合，第三调节电阻R6所在线路上的第三开关S3关断。在温度传感器的输出电压大于第二预设门限电压时(Vtem>VT3)，第一同相迟滞比较器U1对VT2和Vtem进行比较后输出逻辑低电平，控制第一调节电阻R4所在线路上的第一调节开关S1闭合，第二同相迟滞比较器U4对Vtem和VT3做比较后，控制第三调节电阻R6所在线路上的第三调节开关S3闭合，第二调节电阻R5所在线路上的第二调节开关S2关断。通过上述步骤，能够对功率放大器的温度进行宽范围的调节，维持功率放大器的工作稳定。
接下来对检测电路结构做示例性说明。
结合图1至图3所示，检测电路包括采样电阻(如图3中R0)和电流采集器(如图3中所示)，采样电阻的第一端分别与第二电源(如图3中VSS)和电流采集器的第一端连接，采样电阻的第二端分别与控制开关的第一端和电流采集器的第二端连接，电流采集器的第三端与逻辑控制电路的第一输入端连接。
需要说明的是，检测电路能够检测功率放大芯片漏极线路上的电流，电流采集器采集到电流后输出与电流值正相关的电压值，并将该电压值与预设阈值电压输入第一反相迟滞比较器，第一反相迟滞比较器做比较后将输出逻辑电平给逻辑控制电路。
接下来对逻辑控制电路做示例性说明。
如图1至图4所示，逻辑控制电路包括第一反相迟滞比较器(如图4中U6)、第一逻辑与门(如图4中所示)和第二逻辑与门(如图4中所示)。
第一反相迟滞比较器的差分输入正端的电压为预设阈值电压(如图4中VT1)，第一反相迟滞比较器的差分输入负端与电流采集器的第三端连接；第一逻辑与门的第一输入端与逻辑电平输出单元(图4中T_ctrl是逻辑电平输出单元输出的电平)的第二端连接，第一逻辑与门的第二输入端与第一反相迟滞比较器的输出端连接；第二逻辑与门的第一输入端与第一逻辑与门的输出端连接，第二逻辑与门的第二输入端为收发控制信号电平端(图4中Tx_ctrl是收发控制信号电平端的输出电平，其中，当功率放大器所在的射频前端处于接收状态时，Tx_ctrl为低电平，当功率放大器所在的射频前端处于发射状态时，Tx_ctrl为高电平)，第二逻辑与门的输出端与控制开关的控制端连接。
需要说明的是，只有当逻辑控制电路的三个输入端均为逻辑高电平的时候，逻辑控制电路才会输出逻辑高电平控制开关闭合，功率放大芯片漏极才会供电，正常工作。
其中，当第一输入端为逻辑低电平时，表示功率放大器的漏极电流过高，逻辑控制电路输出逻辑低电平，控制开关断开，功率放大器漏极没有电流供电，无法正常工作；当第二输入端为逻辑低电平时，表示功率放大器温度过高，逻辑控制电路输出逻辑低电平，控制开关断开，功率放大器漏极没有电流供电，无法正常工作；当第三输入端为逻辑低电平时，表示射频前端处于接收状态，逻辑控制电路输出逻辑低电平，控制开关断开，功率放大器漏极没有电流供电，无法正常工作。
接下来对控制开关做示例性说明。
控制开关包括P型MOS管(如图5中P1)、N型MOS管(如图5中P2)、第一开关电阻(如图5中Ra)、第二开关电阻(如图5中Rb)、第三开关电阻(如图5中Rc)以及第四开关电阻(如图5中Rd)。
P型MOS管的源极分别连接采样电阻的第二端、电流采集器的第二端以及第一开关电阻的第一端，P型MOS管的漏极与功率放大器的漏极连接，P型MOS管的栅极分别连接第一开关电阻的第二端和第二开关电阻的第一端。N型MOS管的源极接地，N型MOS管的漏极与第二开关电阻的第二端连接，N型MOS管的栅极与第三开关电阻的第一端链接，第三开关电阻的第二端分别连接逻辑控制电路的输出端和第四开关电阻的第一端，第四开关电阻的第二端接地。
上述P型MOS管可以是大电流P型MOS管，上述N型MOS管可以是小电流N型MOS管。
值得一提的是，上述控制开关能够将收发切换时间降低在纳秒量级且保护功率放大器过流和过温时，关闭功放供电电流时间同样缩短在纳秒量级，极大的加快了处理速度。
接下来对栅压控制电路中的第一调节控制单元做示例性说明。
第一调节控制单元包括第一同相迟滞比较器(如图2中的U1)和第一调节开关(如图2中的S1)；温度传感器的输出端分别与第一同相迟滞比较器的差分输入正端、第一调节开关的第一端连接，第一调节开关的第二端与第一调节电阻的第二端连接，第一调节开关的控制端与第一同相迟滞比较器的输出端连接，第一同相迟滞比较器的差分输入负端的电压为第一预设门限电压(如图2中的VT2)。
接下来对保护装置中的电压跟随器做示例性说明。
电压跟随器(如图2中U2)的输入端与温度传感器的输出端连接，电压跟随器的输出端与第一调节开关的第一端连接。在此，电压跟随器的作用是避免温度传感器输出电压受外部电路影响。
接下来对栅压控制电路中的第二调节控制单元做示例性说明。
第二调节控制单元包括第二调节开关(如图2中的S2)、第一调节逻辑与门(如图2中的U7)以及第二反相迟滞比较器(如图2中的U3)；第二调节开关的第一端接地，第二调节开关的第二端与第二调节电阻的第二端连接，第二调节开关的控制端与第一调节逻辑与门的输出端连接，第一调节逻辑与门的第一输入端与第二反相迟滞比较器的输出端连接，第一调节逻辑与门的第二输入端接高电平，第二反相迟滞比较器的差分输入正端的电压为第二预设门限电压，第二反相迟滞比较器的差分输入负端连接温度传感器的输出端。
接下来对栅压控制电路中的第三调节控制单元做示例性说明。
第三调节控制单元包括第三调节开关(如图2中的S3)、第二调节逻辑与门(如图2中的U9)以及第二同相迟滞比较器(如图2中与U9连接的U4)；第三调节开关的第一端接地，第三调节开关的第二端与第三调节电阻的第二端连接，第三调节开关的控制端与第二调节逻辑与门的输出端连接，第二调节逻辑与门的第一输入端与第二同相迟滞比较器的输出端连接，第二调节逻辑与门的第二输入端通过非门(如图2中的U8)与第一调节逻辑与门的输出端连接，第二同相迟滞比较器的差分输入正端连接温度传感器的输出端，第二同相迟滞比较器的差分输入负端的电压为第二预设门限电压(如图2中的VT3)。
需要说明的时，栅压控制电路还包括：按电阻值从小至大依次分布的n个调节电阻，以及用于控制n个调节电阻与地之间的通断的n个第三调节控制单元(每一第三调节控制单元均由一调节开关、调节逻辑与门和同相迟滞比较器构成)，n个第三调节控制单元与n个调节电阻一一对应。第三调节电阻的电阻值小于n个调节电阻中第一个电阻的电阻值，第一个电阻对应的第三调节控制单元的预设门限电压大于第二预设门限电压，且当n大于1时，第n个调节电阻对应的第三调节控制单元的预设门限电压大于第n-1个调节电阻对应的第三调节控制单元的预设门限电压。
其中，n个第三调节控制单元的第一端均与温度传感器的输出端连接，n个调节电阻的第一端均与运算放大器的反相输入端连接。在温度传感器的输出电压大于第二预设门限电压、且小于预设逻辑门限电压时，第三调节电阻与n个调节电阻中有且只有一个调节电阻的第二端接地。
示例性的，当n取值为1时，栅压控制电路还包括调节电阻R7和用于控制调节电阻R7的第三调节控制单元(如图2中的调节开关S4、调节逻辑与门U11、U11连接的同相迟滞比较器U4，U11通过非门U10与第二调节逻辑与门U9的输出端连接)，当第三调节电阻R6限制偏置电流的能力，不足以平衡因温度升高功率放大芯片偏置电流增加的能力时，通过控制调节电阻R7所在线路上的第四调节开关S4闭合，使得调节电阻R7接地接入电路，而第三调节电阻R6所在电路上的第三调节开关S3断开，第二调节电阻R5所在电路上的第二调节开关S2断开，第一调节电阻R4所在电路上的第一调节开关S1闭合。同理，当n取值为2时，栅压控制电路还包括调节电阻R8和用于控制调节电阻R8的第三调节单元(此时图2中的Sn为S5，Rn为R8，Un为U13，该第三调节单元包括第五调节开关S5、调节逻辑与门U13、与U13连接的同相迟滞比较器U4，调节逻辑与门U13通过非门U12与调节逻辑与门U11的输出端连接，即当n大于1时，第n个调节电阻对应的第三调节控制单元的调节逻辑与门的一输入端均，通过一非门与第n-1个调节电阻对应的第三调节控制单元的调节逻辑与门的输出端连接)，控制调节电阻R8所在线路上的第五调节开关S5闭合，使得调节电阻R8接地接入电路，而调节电阻R7所在线路上的第四调节开关S4断开，第三调节电阻R6所在电路上的第三调节开关S3断开，第二调节电阻R5所在电路上的第二调节开关S2断开，第一调节电阻R4所在电路上的第一调节开关S1闭合。其中，R4<R5<R6<R7<R8。
值得一提的是，上述栅压控制电路能够根据功率放大芯片工作时的实时温度，进行快速、宽范围的调控，以便维持功率放大芯片工作的稳定。其中，快速体现在每一级调节的斜率可以通过调节栅压控制电路中调节电阻的比值改变，如果增大比值，斜率将变大，栅压的变化速率随温度变化更加灵敏；宽范围调控体现在，可以根据功率放大芯片工作的温度设计调节控制单元的数量以及各个调节控制单元中调节电阻的大小，对功率放大芯片的栅压进行多级调控，限制供电电流，从而降低功率放大芯片的温度。
需要说明的是，本申请提供的保护装置还包括分压电阻(如图2中R1)和限流电阻(如图2中R3)。其中，分压电阻的第一端与第一电源连接，分压电阻的第二端分别连接运算放大器的同相输入端和滑动变阻器的第一端，限流电阻的第一端分别连接运算放大器的输出端和第四调节电阻的第二端，限流电阻的第二端连接功率放大器的栅极。
上述分压电阻和限流电阻的作用是保护电路，避免电压瞬时涌入涌出过大影响运算放大芯片的稳定性。
值得一提的是，本申请通过栅压控制电路对功率放大器的栅压进行快速宽范围的调节，从而有效避免功率放大器工作时温度升得过高过快，且在温度过高时，通过逻辑控制电路控制功率放大器漏极线路中的控制开关断开，使功率放大器停止工作，避免功率放大器损坏；同时通过电流检测电路检测电流，在电流过大时，通过逻辑控制电路控制功率放大器漏极线路中的控制开关断开，使功率放大器停止工作，避免电流过大导致功率放大器损坏。
为了便于理解本申请提供的技术方案，下面结合具体实施例对本申请提供的一种功率放大器的保护装置进行示例性说明。
本申请提供的一种功率放大器的保护装置的结构如图1所示。
在图1中，功率放大芯片前端的输入匹配模块的主要作用是将输入的源端阻抗与功率放大芯片的输入阻抗匹配，减少射频输入(RFin)口射频输入信号的反射，便于输入信号功率大部分进入功率放大芯片进行功率放大；输出匹配主要作用是将射频输出(RFout)口输出端负载阻抗匹配到功率放大芯片输出端需要的最佳阻抗，从而功率放大器能够输出符合指标的输出功率和效率，此外，电感L1和电感L2能够滤除高频杂波。需要说明的是，上述输入匹配模块、输出匹配、电感L1和电感L2均为功率放大器工作时常用配套电路，在此不多其原理进行过多赘述。
在图2中，VTune表示调节分压，U0表示运算放大器，VCC表示运算放大器的第一电源，I0表示流经第一调节电阻R4的电流，I1表示流经第二调节电阻R5的电流，I2表示流经第四调节电阻R2的电流。
电流采集器采集功率金属条电阻R0两端的电压并对其进行放大后，输出为与电流大小线性正相关的正电压，并将该正电压输入第一反相迟滞比较器U6的差分输入正端与预设阈值电压VT1作比较，当电流采集器输出的正电压小于或等于预设阈值电压VT1时，第一反相迟滞比较器输出逻辑高电平；当电流采集器输出的正电压大于预设阈值电压VT1时，第一反相迟滞比较器输出逻辑低电平。其中，功率金属条的电阻接近0欧，对功率放大芯片供电直流限制微乎其微，可以忽略其影响。
结合图1至图2，可以对本申请提供的保护装置中的栅压控制电路及其控制形式做进一步说明。
在运算放大器的同相输入端，通过调节滑动变阻器RP1的阻值调节分压值Vtune，运算放大器的反相输入端有多个调节电阻(R5、R6、...、Rn)并联，且电阻值R5<R6...<Rn。调节电阻的个数根据实际情况中温度门限控制值(门限电压)选定，在功率放大芯片可正常工作的温度范围内，调节电阻R5～Rn始终会有一个调节控制单元控制该调节控制单元中的开关管闭合，从而让该调节控制单元所连接的调节电阻接地，同时将功率放大器的温度变化范围分成多段，每段最高温度对应的电压值即为门限电压(VT2、VT3、VT4、VT5、...VTn)，且VT2<VT3<VT4<VT5...<VTn，分段个数根据实测和调试情况选定，功率放大器开始工作后，功率放大器的温度开始逐渐升高，功率放大芯片附近的温度传感器实时检测温度，并输出与温度线性相关的正电压Vtem，在功率放大器开始工作时，Vtem<VT2，由VT2<VT3<VT4...<VTn可知，Vtem<VT3，故第二反相迟滞比较器在对Vtem和VT3作比较后，会输出逻辑高电平，此时第二调节单元中的逻辑与门的两个输入端均为逻辑高电平，于是第二调节单元中的逻辑与门输出逻辑高电平控制开关S2闭合，调节电阻R5接地接进电路，此时功率放大芯片的栅压VGS表示为：
VGS＝Vtune+(Vtune/R5)*R2
此时需根据功率放大芯片栅压VGS与偏置电流的关系，合理选择Vtune、R5以及R2的值，确保功率放大芯片的偏置电流达到正常工作所需，Vtune必须小于VT2。
随着功率放大芯片的工作，当VT2<Vtem<VT3时，第一同相迟滞比较器对VT2和Vtem进行比较后输出逻辑低电平，控制调节电阻R4所在线路上的开关S1闭合，将温度传感器接入电路控制VGS，此时I0＝(Vtem-Vtune)/R4，在电阻选值上调节电阻R4的阻值比R5-Rn的阻值大极多，因此可以看作I0＝I1+I2，此时栅压VGS＝Vtune+(Vtune/R5-(Vtem-Vtune)/R4)*R2，从上式可知，VGS随着温度升高而降低，说明栅压控制电路具有限制功率放大芯片的偏置电流作用。但当栅压控制电路限制偏置电流的能力，小于因温度升高功率放大芯片偏置电流增加的能力时，功率放大芯片的温度将持续上升，也就是Vtem将继续上升，当VT3<Vtem<VT4时，第三调节控制单元中第二同相迟滞比较器在比较VT3和Vtem的大小后，控制调节开关S3闭合，调节电阻R6接入电路线路，在第二调节控制单元中第二反相迟滞比较器在比较VT3和Vtem的大小后，控制调节开关S2断开，使得调节电阻R5不再接地，从而将调节电阻R5断开电路。经过分析，此时VGS＝Vtune+(Vtune/R6-(Vtem-Vtune)/R4)*R2，由于调节电阻R6大于调节电阻R5，此时VGS相较调节电阻R5接入电路时，有了更大的下降，说明限制偏置电流的能力更大。当VGS对偏置电流的限制能力仍比不上温度升高对偏执电流的提高能力时，功率放大芯片的温度继续升高，此时需要增加一个第三调节控制单元和调节电阻R7，当VT4<Vtem<VT5时，新增调节控制单元中的同相迟滞比较器在比较VT4和Vtem的大小后，控制调节电阻R7所在线路上的开关闭合，调节电阻R7接地接入电路，而第三调节控制单元中的同相迟滞比较器比较VT3和Vtem的大小后，控制调节电阻R6所在电路上的开关S3断开，此时栅压VGS表示为：VGS＝Vtune+(Vtune/R7-(Vtem-Vtune)/R4)*R2，由于调节电阻R7大于调节电阻R6，此时VGS相对调节电阻R6接入电路时，有了更大的下降，表示限偏置电流的能力更大，当温度持续上升后续电路限制偏置电流的原理与上述步骤类似，通过不断加大VGS的下降档位，直到某个档位VGS限制偏置电流的能力与温度对偏置电流提高的能力维持在一个平衡状态，供电电流保持稳定，否则温度一直上升到超过温度最大承受门限电压VTH后，逻辑电平输出单元的输出值T_ctrl为逻辑低电平。
当栅压控制电路的档位(调节控制单元)较少时，可以采用逻辑门数字芯片搭建电路，单位时间对VGS实行较精准的控制，当栅压控制电路的档位较多时，为了减少电路占用尺寸，可以采用可现场可编程逻辑门阵(FPGA，Field Programmable Gate Array)按本申请提供的栅压控制电路的逻辑设计具体电路。调节电阻R5～Rn线路上的开关可以选择直流模拟开关芯片，以实现快速开关通断控制，控制时延在纳秒量级，比如选用ADI公司提供的模拟开关芯片ADG1433，就能控制时延小于230ns。
本申请提出的电路结构得到的功率放大芯片附近的温度对应的多档门限电压与栅压VGS的控制关系如图6所示，不难看出相近档位之间有栅压VGS的跳变，因此栅压调节范围大，且每个档位之间的跳变压差可以通过修改电路参数(RP1、R4、R2以及调节电阻的大小)进行调整，根据实际电路的需要，控制栅压调节的范围，同时，每一档的斜率(栅压VGS的变化速率)可以通过调节R2与R4的比值改变，如果增大比值，斜率将变大，意味着栅压VGS的变化速率随温度变化更加灵敏。
本发明采用纯硬件控制方式设计的功率放大芯片栅压温度控制电路，当温度升高较大时，快速切换档位大范围调整VGS，切换速度在纳秒级，当温度升高较慢时，再在相应档位上根据温度传感器反馈电压细微调整VGS直到功放芯片的温度和供电电流稳定，同时也可以在某个温度档位上将对应的逻辑控制信号去开启功放芯片上风扇加大功率放大器的散热能力，该控制电路保证当功放芯片超过温度时关闭功率放大器的漏极电流，使其停止工作，保护功率放大器不损坏。
当逻辑控制电路的第一输入端、第二输入端、第三输入端均为逻辑高电平时，逻辑控制电路输出逻辑高电平，控制开关闭合，功率放大器漏极有电流供电，能够正常工作；当第一输入端为逻辑低电平时，表示功率放大器的漏极电流过高，逻辑控制电路输出逻辑低电平，控制开关断开，功率放大器漏极没有电流供电，无法正常工作；当第二输入端为逻辑低电平时，表示功率放大器温度过高，逻辑控制电路输出逻辑低电平，控制开关断开，功率放大器漏极没有电流供电，无法正常工作；当第三输入端为逻辑低电平时，表示射频前端处于接收状态，逻辑控制电路输出逻辑低电平，控制开关断开，功率放大器漏极没有电流供电，无法正常工作。
如图5所示，本申请提供的功率放大器保护装置中，功率放大芯片漏极线路上的控制开关包括大电流P型MOS管和小电流N型MOS管，当TX_ctrl为逻辑高电平时，会控制大电流P型MOS管导通；当TX_ctrl为逻辑低电平时，会控制大电流P型MOS管断开。上述控制开关的电路形式可以将收发切换时间降低在纳秒量级，并且保护功率放大芯片过流和过温时关闭功率放大芯片供电电流的时间同样缩短在纳秒量级。
以上所述是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种功率放大器的保护装置，其特征在于，包括：
逻辑控制电路；
位于功率放大器的漏极线路中的控制开关；
用于检测所述漏极线路的电流的检测电路；
用于采集所述功率放大器的工作温度的温度传感器；
栅压控制电路，包括：运算放大器、滑动变阻器、第一调节电阻、第一调节控制单元、第二调节电阻、第二调节控制单元、第三调节电阻、第三调节控制单元、逻辑电平输出单元以及第四调节电阻；所述运算放大器的同相输入端分别与所述滑动变阻器的第一端和第一电源连接，所述滑动变阻器的第二端接地，所述运算放大器的反相输入端分别与所述第一调节电阻的第一端、所述第二调节电阻的第一端、所述第三调节电阻的第一端以及所述第四调节电阻的第一端连接，所述第四调节电阻的第二端分别与所述运算放大器的输出端和所述功率放大器的栅极连接，所述温度传感器的输出端分别与所述第一调节控制单元的第一端、所述第二调节控制单元的第一端、所述第三调节控制单元的第一端和所述逻辑电平输出单元的第一端连接，所述运算放大器的正电源端与所述第一电源连接，所述运算放大器的负电源端接地；
所述检测电路的第一端与第二电源连接，所述检测电路的第二端与所述控制开关的第一端连接，所述控制开关的第二端与所述功率放大器的漏极连接；
所述逻辑控制电路的第一输入端与所述检测电路的第三端连接，所述逻辑控制电路的第二输入端与所述逻辑电平输出单元的第二端连接，所述逻辑控制电路的第三输入端为收发控制信号电平端，所述逻辑控制电路的输出端与所述控制开关的控制端连接；
在所述温度传感器的输出电压小于所述第一调节控制单元的第一预设门限电压时，所述第一调节控制单元控制所述第一调节电阻的第二端与所述温度传感器的输出端断开连接，所述第二调节控制单元控制所述第二调节电阻的第二端接地，所述第三调节控制单元控制所述第三调节电阻第二端与地断开连接，在所述温度传感器的输出电压大于所述第一预设门限电压、且小于所述第二调节控制单元的第二预设门限电压时，所述第一调节控制单元控制所述第一调节电阻的第二端与所述温度传感器的输出端连接，所述第二调节控制单元控制所述第二调节电阻的第二端接地，所述第三调节控制单元控制所述第三调节电阻第二端与地断开连接，在所述温度传感器的输出电压大于所述第二预设门限电压时，所述第一调节控制单元控制所述第一调节电阻的第二端与所述温度传感器的输出端连接，所述第二调节控制单元控制所述第二调节电阻第二端与地断开连接，所述第三调节控制单元控制所述第三调节电阻的第二端接地；所述第一预设门限电压小于所述第二预设门限电压，所述第二预设门限电压小于所述逻辑电平输出单元的预设逻辑门限电压，所述第二调节电阻的电阻值小于所述第三调节电阻的电阻值。
2.根据权利要求1所述的保护装置，其特征在于，所述检测电路包括采样电阻和电流采集器，所述采样电阻的第一端分别与所述第二电源和所述电流采集器的第一端连接，所述采样电阻的第二端分别与所述控制开关的第一端和所述电流采集器的第二端连接，所述电流采集器的第三端与所述逻辑控制电路的第一输入端连接。
3.根据权利要求2所述的保护装置，其特征在于，所述逻辑控制电路包括：第一反相迟滞比较器、第一逻辑与门和第二逻辑与门；
所述第一反相迟滞比较器的差分输入正端的电压为预设阈值电压，所述第一反相迟滞比较器的差分输入负端与所述电流采集器的第三端连接；
所述第一逻辑与门的第一输入端与所述逻辑电平输出单元的第二端连接，所述第一逻辑与门的第二输入端与所述所述第一反相迟滞比较器的输出端连接；
所述第二逻辑与门的第一输入端与所述第一逻辑与门的输出端连接，所述第二逻辑与门的第二输入端为所述收发控制信号电平端，所述第二逻辑与门的输出端与所述控制开关的控制端连接。
4.根据权利要求3所述的保护装置，其特征在于，所述控制开关包括P型MOS管、N型MOS管、第一开关电阻、第二开关电阻、第三开关电阻以及第四开关电阻；
所述P型MOS管的源极分别连接所述采样电阻的第二端、所述电流采集器的第二端以及所述第一开关电阻的第一端，所述P型MOS管的漏极与所述功率放大器的漏极连接，所述P型MOS管的栅极分别连接所述第一开关电阻的第二端和所述第二开关电阻的第一端；
所述N型MOS管的源极接地，所述N型MOS管的漏极与所述第二开关电阻的第二端连接，所述N型MOS管的栅极与所述第三开关电阻的第一端链接，所述第三开关电阻的第二端分别连接所述逻辑控制电路的输出端和所述第四开关电阻的第一端，所述第四开关电阻的第二端接地。
5.根据权利要求1所述的保护装置，其特征在于，所述第一调节控制单元包括第一同相迟滞比较器和第一调节开关；
所述温度传感器的输出端分别与所述第一同相迟滞比较器的差分输入正端、所述第一调节开关的第一端连接，所述第一调节开关的第二端与所述第一调节电阻的第二端连接，所述第一调节开关的控制端与所述第一同相迟滞比较器的输出端连接，所述第一同相迟滞比较器的差分输入负端的电压为所述第一预设门限电压。
6.根据权利要求5所述的保护装置，其特征在于，所述保护装置还包括电压跟随器；
所述电压跟随器的输入端与所述温度传感器的输出端连接，所述电压跟随器的输出端与所述第一调节开关的第一端连接。
7.根据权利要求5所述的保护装置，其特征在于，所述第二调节控制单元包括第二调节开关、第一调节逻辑与门以及第二反相迟滞比较器；
所述第二调节开关的第一端接地，第二调节开关的第二端与所述第二调节电阻的第二端连接，所述第二调节开关的控制端与所述第一调节逻辑与门的输出端连接，所述第一调节逻辑与门的第一输入端与所述第二反相迟滞比较器的输出端连接，所述第一调节逻辑与门的第二输入端接高电平，所述第二反相迟滞比较器的差分输入正端的电压为所述第二预设门限电压，所述第二反相迟滞比较器的差分输入负端连接所述温度传感器的输出端。
8.根据权利要求7所述的保护装置，其特征在于，所述第三调节控制单元包括第三调节开关、第二调节逻辑与门以及第二同相迟滞比较器；
所述第三调节开关的第一端接地，所述第三调节开关的第二端与所述第三调节电阻的第二端连接，所述第三调节开关的控制端与所述第二调节逻辑与门的输出端连接，所述第二调节逻辑与门的第一输入端与所述第二同相迟滞比较器的输出端连接，所述第二调节逻辑与门的第二输入端通过非门与所述第一调节逻辑与门的输出端连接，所述第二同相迟滞比较器的差分输入正端连接所述温度传感器的输出端，所述第二同相迟滞比较器的差分输入负端的电压为所述第二预设门限电压。
9.根据权利要求8所述的保护装置，其特征在于，所述栅压控制电路还包括：按电阻值从小至大依次分布的n个调节电阻，以及用于控制所述n个调节电阻与地之间的通断的n个第三调节控制单元，所述n个第三调节控制单元与所述n个调节电阻一一对应；
所述第三调节电阻的电阻值小于所述n个调节电阻中第一个电阻的电阻值，所述第一个电阻对应的第三调节控制单元的预设门限电压大于所述第二预设门限电压，且当n大于1时，第n个调节电阻对应的第三调节控制单元的预设门限电压大于第n-1个调节电阻对应的第三调节控制单元的预设门限电压；
所述n个第三调节控制单元的第一端均与所述温度传感器的输出端连接，所述n个调节电阻的第一端均与所述运算放大器的反相输入端连接；
在所述温度传感器的输出电压大于所述第二预设门限电压、且小于所述预设逻辑门限电压时，所述第三调节电阻与所述n个调节电阻中有且只有一个调节电阻的第二端接地。
10.根据权利要求1所述的保护装置，其特征在于，所述保护装置还包括分压电阻和限流电阻；
所述分压电阻的第一端与所述第一电源连接，所述分压电阻的第二端分别连接所述运算放大器的同相输入端和所述滑动变阻器的第一端，所述限流电阻的第一端分别连接所述运算放大器的输出端和所述第四调节电阻的第二端，所述限流电阻的第二端连接所述功率放大器的栅极。
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