CN117424572A - 一种高压大电流驱动的GaN功率放大器漏极调制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压大电流驱动的GaN功率放大器漏极调制电路，涉及放大器领域，该高压大电流驱动的GaN功率放大器漏极调制电路包括：供电模块，用于输出供电电压；高压供给模块，用于为导通控制模块提供高于供电模块的电压；保护模块，用于确保供电模块上电时高压供给模块不超过耐压范围；与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过设置高压供给模块确保输出给导通控制模块足够的电压，确保导通控制模块快速导通或截止，进而快速驱动开关管模块，实现高压输入，大电流驱动输出，且具有快速的上升与下降沿；集成高压浮地电荷泵电路，因此可采用栅源击穿电压较小的高压BCD工艺实现，减小成本。

Description

一种高压大电流驱动的GaN功率放大器漏极调制电路
技术领域
本发明涉及放大器领域，具体是一种高压大电流驱动的GaN功率放大器漏极调制电路。
背景技术
GaN功率放大器广泛应用于武器系统、卫星通信、雷达、电子对抗等领域，具有输出功率高、体积小、可靠性高等优点。GaN功率放大器工作电压可达到48V或更高，可工作在连续波与脉冲波模式下，脉冲功放工作在开关状态下，具有更强的抗干扰能力，脉冲功放通常采用漏极调制方式实现，通常采用NMOS驱动管进行驱动，以实现通过TTL信号进行调制输出的目的。GaN漏极调制电路对驱动NMOS管的漏源耐压要求较高，驱动管需要流过较大的电流，同时对输出漏极调制电压的上升与下降沿要求较高，通常GaN功放脉冲调制的上升沿与下降沿要求小于100ns，因此在大电流的条件下要达到如此快速的上升沿与下降沿，电路设计相对复杂。
传统的GaN功放脉冲调制电路如图1所示，通常采用自举电路结构，该电路的原理是，在第一个阶段控制低端NMOS管（NM2）打开，高端NMOS管（NM1）关断，电压VDD1通过自举二极管D1给自举电容CBOOT充电至内部电源VDD1减去自举二极管D1导通压降，在第二个阶段控制高端NMOS管打开，低端NMOS关断，由于自举电容CBOOT两端的电压不能突变，经过多个周期，CBOOT上端的电压将泵至VDD1+VS（指高端NMOS的VS），从而开启高端NMOS管。
这种自举电路驱动方案结构简单，通常可满足高压小电流驱动脉冲调制应用，但是自举电路在高压大电流驱动应用条件下，为了减小导通电阻损耗，自举输出的高端NMOS管需要有较大的尺寸，大尺寸的高端NMOS管同时具有较大的栅极输入电容，会进一步减小高端NMOS的上升时间，同时自举电容也要远大于高端NMOS的栅极电容，导致自举电容升压时间加长，同时导致高端NMOS开启上升时间变缓，难以满足GaN功放脉冲调制的高压大电流应用需求，需要改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压大电流驱动的GaN功率放大器漏极调制电路，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高压大电流驱动的GaN功率放大器漏极调制电路，包括：
供电模块，用于输出供电电压；
高压供给模块，用于为导通控制模块提供高于供电模块的电压；
保护模块，用于确保供电模块上电时高压供给模块不超过耐压范围；
TTL驱动模块，用于根据TTL信号，选择性驱动导通控制模块工作状态；
导通控制模块，用于根据内置开关管的导通状态，选择性导通开关管模块；
开关管模块，用于导通时为GaN功率器件供电；
供电模块的电源输出端连接保护模块的低电压端、高压供给模块的电源输入端、开关管模块的电源输入端，保护模块的高电压端连接高压供给模块的电源输出端、导通控制模块的电源输入端，导通控制模块的控制端连接TTL驱动模块的驱动输出端，导通控制模块的驱动输出端连接开关管模块的控制端。
作为本发明再进一步的方案：供电电压大小为6-60V。
作为本发明再进一步的方案：高压供给模块包括：
稳定电压，用于为低于振荡器提供固定电压；
低压振荡器，用于产生低压振荡信号0/固定电压，输出给电平转换电路；
浮地电路，用于产生供电电压和固定电压差值的稳定浮地电压；
电平转换电路，用于将低压振荡信号0/固定电压，转化为高压振荡信号供电电压/供电电压-固定电压，为高压浮地电荷泵提供周期信号；
高压浮地电荷泵，用于根据周期信号为第一电容充电；
第一电容，用于经过充电最终达到的电压为供电电压+固定电压；
稳定电压的一端连接低压振荡器的一端，低压振荡器的另一端连接电平转换电路的第一端，电平转换电路的第二端连接高压浮地电荷泵的第一端，高压浮地电荷泵的第二端连接第一电容的一端、保护模块的高电压端、导通控制模块的电源输入端，第一电容的另一端连接供电模块的电源输出端，浮地电路的第一端连接电平转换电路的第三端、高压浮地电荷泵的第三端。
作为本发明再进一步的方案：固定电压为5V。
作为本发明再进一步的方案：保护模块包括肖特基保护二极管，肖特基保护二极管的正极连接供电模块的电源输出端，肖特基保护二极管的负极连接高压供给模块的电源输出端。
作为本发明再进一步的方案：TTL驱动模块包括：
电平信号电路，用于输出电平信号供给逻辑电路；
逻辑电路，用于根据电平信号大小选择是否输出电压供给驱动电路；
驱动电路，用于根据逻辑电路输出电压与否选择是否输出电压；
电平信号电路的一端连接逻辑电路的一端，逻辑电路的另一端连接驱动电路的一端，驱动电路的另一端连接导通控制模块的控制端。
作为本发明再进一步的方案：导通控制模块包括第一开关管、第二开关管，第一开关管的第三端连接高压供给模块的电源输出端，第一开关管的第二端连接TTL驱动模块的驱动输出端，第一开关管的第一端连接第二开关管的第一端、开关管模块的控制端，第二开关管的第二端连接TTL驱动模块的驱动输出端，第二开关管的第三端接地。
作为本发明再进一步的方案：开关管模块包括第三开关管，第三开关管的第一端连接供电模块的电源输出端，第三开关管的第二端连接导通控制模块的驱动输出端，第三开关管的第三端连接GaN功率器件。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过设置高压供给模块确保输出给导通控制模块足够的电压，确保导通控制模块快速导通或截止，进而快速驱动开关管模块，实现高压输入，大电流驱动输出，且具有快速的上升与下降沿；集成高压浮地电荷泵电路，因此可采用栅源击穿电压较小的高压BCD工艺实现，减小成本。
附图说明
图1为现有GaN微波功率放大器用漏极调制电路的电路图。
图2为一种高压大电流驱动的GaN功率放大器漏极调制电路的电路图。
图3为一种高压大电流驱动的GaN功率放大器漏极调制电路的部分电压示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图2，一种高压大电流驱动的GaN功率放大器漏极调制电路，包括：
供电模块，用于输出供电电压VIN；
高压供给模块，用于为导通控制模块提供高于供电模块的电压；
保护模块，用于确保供电模块上电时高压供给模块不超过耐压范围；
TTL驱动模块，用于根据TTL信号，选择性驱动导通控制模块工作状态；
导通控制模块，用于根据内置开关管的导通状态，选择性导通开关管模块；
开关管模块，用于导通时为GaN功率器件供电；
供电模块的电源输出端连接保护模块的低电压端、高压供给模块的电源输入端、开关管模块的电源输入端，保护模块的高电压端连接高压供给模块的电源输出端、导通控制模块的电源输入端，导通控制模块的控制端连接TTL驱动模块的驱动输出端，导通控制模块的驱动输出端连接开关管模块的控制端。
在本实施例中：请参阅图2，供电电压VIN大小为6-60V。
该电路结构可工作在高压6-60V输入。
在本实施例中：请参阅图2和图3，高压供给模块包括：
稳定电压VDD，用于为低于振荡器提供固定电压；
低压振荡器U4，用于产生低压振荡信号0/固定电压，输出给电平转换电路U3；
浮地电路U6，用于产生供电电压VIN和固定电压差值的稳定浮地电压；
电平转换电路U3，用于将低压振荡信号0/固定电压，转化为高压振荡信号供电电压VIN/供电电压VIN-固定电压（浮地电压），为高压浮地电荷泵U5提供周期信号；
高压浮地电荷泵U5，用于根据周期信号为第一电容C1充电；
第一电容C1，用于经过充电最终达到的电压为供电电压VIN+固定电压；
稳定电压VDD的一端连接低压振荡器U4的一端，低压振荡器U4的另一端连接电平转换电路U3的第一端，电平转换电路U3的第二端连接高压浮地电荷泵U5的第一端，高压浮地电荷泵U5的第二端连接第一电容C1的一端、保护模块的高电压端、导通控制模块的电源输入端，第一电容C1的另一端连接供电模块的电源输出端，浮地电路U6的第一端连接电平转换电路U3的第三端、高压浮地电荷泵U5的第三端。
低压振荡器U4产生的低压振荡信号0/5V，经过电平转换电路U3转化为高压振荡信号VIN/VIN-5V，来驱动高压浮地电荷泵U5（电荷泵，也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”或“泵送”电容来储能的DC-DC变换器）周期性工作，最终在第一电容C1处充电到VIN+5V电压，保证最终开始驱动开关管模块。具体各部分电压示意图如图3所示，实际选用VIN为28V，最终在VCOUT的电压为23.55V（存在相关的损耗）。
在本实施例中：请参阅图2，固定电压为5V。
在本实施例中：请参阅图2，保护模块包括肖特基保护二极管Z1，肖特基保护二极管Z1的正极连接供电模块的电源输出端，肖特基保护二极管Z1的负极连接高压供给模块的电源输出端。
肖特基保护二极管Z1，保证供电电压VIN上电时候高压浮地电荷泵U5输出VCOUT电压为高压，保证高压浮地电荷泵U5正常工作不超过耐压范围。
在本实施例中：请参阅图2，TTL驱动模块包括：
电平信号电路TTL，用于输出电平信号供给逻辑电路U1；
逻辑电路U1，用于根据电平信号大小选择是否输出电压供给驱动电路U2；
驱动电路U2，用于根据逻辑电路U1输出电压与否选择是否输出电压；
电平信号电路TTL的一端连接逻辑电路U1的一端，逻辑电路U1的另一端连接驱动电路U2的一端，驱动电路U2的另一端连接导通控制模块的控制端。
具体举例，电平信号电路TTL输出0-1V的电压，逻辑电路U1在0.8V电压以上输出高电平，0.8V以下输出低电平，因此根据电平信号电路TTL输出电压大小选择输出高电平或低电平，驱动电路U2对逻辑电路U1进行放大后输出（也可以为翻转等），输出相关的控制信号足以控制导通控制模块工作状态。
在本实施例中：请参阅图2，导通控制模块包括第一开关管PM1、第二开关管NM1，第一开关管PM1的第三端连接高压供给模块的电源输出端，第一开关管PM1的第二端连接TTL驱动模块的驱动输出端，第一开关管PM1的第一端连接第二开关管NM1的第一端、开关管模块的控制端，第二开关管NM1的第二端连接TTL驱动模块的驱动输出端，第二开关管NM1的第三端接地。
以第一开关管PM1、第二开关管NM1分别为PMOS管、NMOS管举例（也可为三极管等开关管），根据TTL驱动模块输出高电平或低电平，低电平时，第一开关管PM1导通，第二开关管NM1截止，由于第一电容C1上电压为VIN+5V电压，经过第一开关管PM1使得开关管模块（这里开关管模块内的开关管以NMOS管举例）快速导通；TTL驱动模块输出高电平时，第一开关管PM1截止，第二开关管NM1导通，此时第二开关管NM1导通接地，将开关管模块内置NMOS管的G极电压快速接地泄出，开关管模块的NMOS管快速截止。
在本实施例中：请参阅图2，开关管模块包括第三开关管NM2，第三开关管NM2的第一端连接供电模块的电源输出端，第三开关管NM2的第二端连接导通控制模块的驱动输出端，第三开关管NM2的第三端连接GaN功率器件。
第三开关管NM2以高压NMOS管举例（也可为其他符合的开关管），基于D极电压为VIN，在G极电压为VIN+5V（不考虑经过第一MOS管的压降）时，第三MOS管快速导通，为GaN功率器件供给电压，且G极电压不在供给VIN+5V时，会快速降低到0V（第二开关管NM1接地泄流），确保第三开关管NM2快速截止。
本发明的工作原理是：供电模块用于输出供电电压VIN；高压供给模块用于为导通控制模块提供高于供电模块的电压；保护模块用于确保供电模块上电时高压供给模块不超过耐压范围；TTL驱动模块用于根据TTL信号，选择性驱动导通控制模块工作状态；导通控制模块用于根据内置开关管的导通状态，选择性导通开关管模块；开关管模块用于导通时为GaN功率器件供电。
本发明可以实现高压输入，大电流驱动输出，且具有快速的上升与下降沿。
该电路结构可工作在高压6-60V输入，内部集成高压浮地电荷泵U5电路，因此可采用栅源击穿电压较小的高压BCD工艺实现，减小成本。
目前普遍采用的自举电路结构，需要在每个切换周期给自举电容重新从0V开始充电，无法满足大电流大电压要求下功率NMOS实现快速的上升沿与下降沿，该结构采用高压浮地电荷泵U5结构，高压浮地电荷泵U5输出没有直接接输出第三MOS管NM2，而是在高压浮地电荷泵U5输出接第一电容C1，保证高压浮地电荷泵U5在工作一段时间后在第一电容C1处形成稳定的比供电电压高接近5V的高压（存在误差、损耗），通过TTL信号控制第一开关管PM1与第二开关管NM1驱动开关，第一电容C1持续提供电荷，保证第三开关管NM2快速导通与关断，实现快速的上升沿与下降沿。适用于高压大电流GaN功率放大器漏极调制电路。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种高压大电流驱动的GaN功率放大器漏极调制电路，其特征在于，该高压大电流驱动的GaN功率放大器漏极调制电路包括：
供电模块，用于输出供电电压；
高压供给模块，用于为导通控制模块提供高于供电模块的电压；
保护模块，用于确保供电模块上电时高压供给模块不超过耐压范围；
TTL驱动模块，用于根据TTL信号，选择性驱动导通控制模块工作状态；
导通控制模块，用于根据内置开关管的导通状态，选择性导通开关管模块；
开关管模块，用于导通时为GaN功率器件供电；
供电模块的电源输出端连接保护模块的低电压端、高压供给模块的电源输入端、开关管模块的电源输入端，保护模块的高电压端连接高压供给模块的电源输出端、导通控制模块的电源输入端，导通控制模块的控制端连接TTL驱动模块的驱动输出端，导通控制模块的驱动输出端连接开关管模块的控制端；
高压供给模块包括：
稳定电压，用于为低于振荡器提供固定电压；
低压振荡器，用于产生低压振荡信号0/固定电压，输出给电平转换电路；
浮地电路，用于产生供电电压和固定电压差值的稳定浮地电压；
电平转换电路，用于将低压振荡信号0/固定电压，转化为高压振荡信号供电电压/供电电压-固定电压，为高压浮地电荷泵提供周期信号；
高压浮地电荷泵，用于根据周期信号为第一电容充电；
第一电容，用于经过充电最终达到的电压为供电电压+固定电压；
稳定电压的一端连接低压振荡器的一端，低压振荡器的另一端连接电平转换电路的第一端，电平转换电路的第二端连接高压浮地电荷泵的第一端，高压浮地电荷泵的第二端连接第一电容的一端、保护模块的高电压端、导通控制模块的电源输入端，第一电容的另一端连接供电模块的电源输出端，浮地电路的第一端连接电平转换电路的第三端、高压浮地电荷泵的第三端。
2.根据权利要求1所述的高压大电流驱动的GaN功率放大器漏极调制电路，其特征在于，供电电压大小为6-60V。
3.根据权利要求1所述的高压大电流驱动的GaN功率放大器漏极调制电路，其特征在于，固定电压为5V。
4.根据权利要求1所述的高压大电流驱动的GaN功率放大器漏极调制电路，其特征在于，保护模块包括肖特基保护二极管，肖特基保护二极管的正极连接供电模块的电源输出端，肖特基保护二极管的负极连接高压供给模块的电源输出端。
5.根据权利要求1所述的高压大电流驱动的GaN功率放大器漏极调制电路，其特征在于，TTL驱动模块包括：
电平信号电路，用于输出电平信号供给逻辑电路；
逻辑电路，用于根据电平信号大小选择是否输出电压供给驱动电路；
驱动电路，用于根据逻辑电路输出电压与否选择是否输出电压；
电平信号电路的一端连接逻辑电路的一端，逻辑电路的另一端连接驱动电路的一端，驱动电路的另一端连接导通控制模块的控制端。
6.根据权利要求1或3任意一项所述的高压大电流驱动的GaN功率放大器漏极调制电路，其特征在于，导通控制模块包括第一开关管、第二开关管，第一开关管的第三端连接高压供给模块的电源输出端，第一开关管的第二端连接TTL驱动模块的驱动输出端，第一开关管的第一端连接第二开关管的第一端、开关管模块的控制端，第二开关管的第二端连接TTL驱动模块的驱动输出端，第二开关管的第三端接地。
7.根据权利要求1所述的高压大电流驱动的GaN功率放大器漏极调制电路，其特征在于，开关管模块包括第三开关管，第三开关管的第一端连接供电模块的电源输出端，第三开关管的第二端连接导通控制模块的驱动输出端，第三开关管的第三端连接GaN功率器件。
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