CN218499115U - 限压保护电路以及包括其的射频功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种限压保护电路以及包括其的射频功率放大器，所述限压保护电路包括：N个串联的限压保护子单元，其中，所述限压保护电路被配置为连接到射频功率放大器中的放大器的工作电源节点与接地节点之间，并且其中，N是大于等于1的自然数。

Description

限压保护电路以及包括其的射频功率放大器

技术领域

本发明涉及射频功率放大器，并且具体地，涉及包括基于限压保护电路的射频功率放大器。

背景技术

随着移动通信技术的飞速发展，人们对数据传输速率的需求越来越高，尤其是当前的4G和5G移动通讯网络交替应用场景下。射频功率放大器芯片是用户终端实现数据上传的重要元件，需要在4G和5G模式下不断切换，以满足基站的接收信号要求，来实现高速的上行传输速度。

然而，不同的应用模式下，功率放大器的工作电压会有差异。5G模式下，射频功率放大器需要进一步提高工作电压，以满足更高的发射功率和线性度的要求。随着工作电压的提升，射频功率放大器内部的功率晶体管的击穿和烧毁风险更高，所以在工作电路中加入限压保护电路则十分必要。

发明内容

本发明的一方面提供一种在射频功率放大器的工作电路中的可控限压保护电路，在不同的工作模式和发射功率下，对射频功率放大器工作电压的最大摆幅进行限制，限定在安全的工作区间内，从而达到对射频功率放大器的保护功能。

本发明的一方面提出了一种用于射频功率放大器的限压保护电路，其特征在于包括：N个串联的限压保护子单元，并且其中，所述限压保护电路被配置为连接到所述射频功率放大器中的放大器的工作电源节点与接地节点之间，并且其中，N是大于等于1的自然数。

本发明的一方面提出了一种用于射频功率放大器的限压保护电路，其特征在于，所述限压保护子单元包括一个正向二极管，并且其中，根据射频功率放大器的安全工作区和正向二极管的正向导通电压来确定N的数值。

本发明的一方面提出了一种用于射频功率放大器的限压保护电路，其特征在于，所述限压保护子单元还包括限压控制子电路，并且其中，所述限压控制子电路被配置为与正向二极管并联，并且被配置为根据控制信号来短路所述正向二极管。

本发明的一方面提出了一种用于射频功率放大器的限压保护电路，其特征在于，所述限压控制子电路包括晶体管N1、电容C1以及电阻R1，其中，所述电容C1接到晶体管N1的基极和集电极之间；所述电阻R1的一端连接到晶体管N1的基极，并且其另一端连接到控制端，以接收控制信号；所述晶体管N1的集电极连接到所述正向二极管的正极，并且所述晶体管N1的发射极连接到所述正向二极管的负极，其中，根据所述控制信号来控制所述晶体管N1的导通和关断。

本发明的一方面提出了一种用于射频功率放大器的限压保护电路，其特征在于，所述限压保护电路被配置为根据射频功率放大器的安全工作区和二极管的正向导通电压来确定需要短路的正向二极管的数量。

本发明的一方面提出了一种用于射频功率放大器的限压保护电路，其特征在于，所述限压保护电路还包括M个并联的谐波抑制电路，并且其中，所述谐波抑制电路被配置与所述N个串联的限压保护子单元并联连接，以用于对射频功率放大器的谐波进行抑制，其中，M是大于等于1的自然数。

本发明的一方面提出了一种用于射频功率放大器的限压保护电路，其特征在于，所述谐波抑制电路包括串联的电容C2和电感L1。

本发明的一方面提出了一种用于射频功率放大器的限压保护电路，其特征在于，所述限压保护电路被配置在射频功率放大器中的功率级放大器处，并且通过扼流圈电感而连接到所述功率级放大器的工作电源节点。

本发明的一方面提出了一种用于射频功率放大器的限压保护电路，其特征在于，所述限压保护电路被配置在射频功率放大器中的驱动级放大器处，并且通过扼流圈电感而连接到所述驱动级放大器的工作电源节点。

本发明的一方面提出了一种包括根据上述的任何一方面的限压保护电路的射频功率放大器，其特征在于包括：输入匹配网络，其被配置为接收射频信号，并且将信号提供给驱动级电路；驱动级电路，其包括驱动级偏置电路、驱动级放大器电路；级间匹配网络，其被配置在所述驱动级电路和功率级电路之间；功率级电路，其包括功率级偏置电路、功率级放大器电路；输出匹配电路，其被配置为输出放大的射频信号；以及限压保护电路，其被配置为连接在驱动级放大器电路或者功率级放大器电路的供电电源节点和接地节点之间。

附图说明

图1是示出了射频功率放大器的安全工作区的示意图；

图2是示出了根据本发明实施例的包括可控限压保护电路的射频功率放大器的示意图；

图3是示出了根据本发明实施例的可控限压保护电路的示意图；

图4是示出了根据本发明实施例的可控限压保护电路的电路图；

图5是示出了根据本发明实施例的包括可控限压保护电路的射频功率放大器的电路图；

图6示出了根据本发明实施例的用于射频功率放大器电路的射频信号工作电压摆幅的示意图；

图7是示出了根据本发明实施例的限压保护电路的电路图；以及

图8是示出了根据本发明实施例的限压保护电路的电路图。

具体实施方式

在进行下面的详细描述之前，阐述贯穿本专利文件使用的某些单词和短语的定义可能是有利的。术语“耦接”“连接”及其派生词指两个或多个元件之间的任何直接或间接通信或者连接，而无论那些元件是否彼此物理接触。术语“传输”、“接收”和“通信”及其派生词涵盖直接和间接通信。术语“包括”和“包含”及其派生词是指包括但不限于。术语“或”是包含性的，意思是和/或。短语“与……相关联”及其派生词是指包括、包括在……内、互连、包含、包含在……内、连接或与……连接、耦接或与……耦接、与……通信、配合、交织、并列、接近、绑定或与……绑定、具有、具有属性、具有关系或与……有关系等。术语“控制器”是指控制至少一个操作的任何设备、系统或其一部分。这种控制器可以用硬件、或者硬件和软件和/或固件的组合来实施。与任何特定控制器相关联的功能可以是集中式的或分布式的，无论是本地的还是远程的。短语“至少一个”，当与项目列表一起使用时，意指可以使用所列项目中的一个或多个的不同组合，并且可能只需要列表中的一个项目。例如，“A、B、C中的至少一个”包括以下组合中的任意一个：A、B、C、A和B、A和C、B和C、A和B和C。

贯穿本专利文件提供了其他特定单词和短语的定义。本领域普通技术人员应该理解，在许多情况下，即使不是大多数情况下，这种定义也适用于这样定义的单词和短语的先前和将来使用。

在本专利文件中，模块的应用组合以及子模块的划分层级仅用于说明，在不脱离本公开的范围内，模块的应用组合以及子模块的划分层级可以具有不同的方式。

常规的射频功率放大器受半导体工艺或者材料结构的限制，当工作电压提升到极大条件下，都会发生功率晶体管的物理结构击穿。在当前的移动网络通信中，4G和5G模式下的工作电压又不一致，同时考虑到发射信号的不同调制、信号的峰均比等因素差异，都会导致射频功率放大器的击穿烧毁电压有较大差异，所以在实际应用中，一个可控限压保护电路就显得尤为重要。

一般来说，在不同的工作模式下，射频功率放大器都存在一个特定的安全工作区间(SOA)。图1是示出了射频功率放大器的安全工作区的示意图。参考图1，当超过限定的工作电压(VCC_limit)时，射频功率放大器内部的晶体管会发生不可恢复的击穿现象，严重情况下则会烧毁晶体管，导致终端的整体上行链路失效。

对于一般的终端而言，上行发射链路都是由多级射频功率放大器组成的，每一级的工作电压都会有略有差异。每一级可承受的最大的击穿电压与该级的发射功率和工作电压均有关。下面以两级射频功率放大器为例，对射频功率放大器进行说明。图2是示出了根据本发明实施例的包括可控限压保护电路的射频功率放大器的示意图。

参考图2，在射频功率放大器的驱动级和功率级的直流供电线路上，均加有扼流圈(choke)电感来限制射频功率耦合到电源(VCC1/VCC2)上。根据本发明的实施例，在每一级的choke电感之前加入可控限压保护电路。输入信号经过输入匹配网络，进入驱动级，驱动级的发射功率由级间匹配网络来决定；然后射频信号进入功率级，功率级的发射功率由输出匹配网络来决定。当输入信号过大或者驱动级、功率级的发射功率也过大时，射频信号在工作电压的上摆幅超过其对应的击穿电压，可控限压保护电路可以限制其摆动电压超过击穿节点，从而实现对整个发射链路的保护功能。

根据本发明在驱动级或者功率级放大器电路的供电电源前节点处，加入可控限压保护电路,限制射频信号在该节点的最大电压摆幅，防止功率放大器击穿或者烧毁。

参考图2，例如，功率级电路发射的最大射频功率为A(dBm),此时功率级的工作电压为B(V)，其choke电感前节点的射频信号摆幅超过C(V)。假设，此时功率级的工作模式已经超过其安全工作区(SOA),功率级的内部晶体管面临着烧毁的风险。若在功率级引入限压保护电路，限制电压(VCC_limit)摆幅为C(V)，即使发射功率再大或者输入信号功率再大，超过的电压摆幅也会被保护电路限制住。该方案在功率级的工作电压节点处，限制了可能引起击穿或者烧毁的较大电压摆幅，从而起到对功率级的保护作用。对于驱动级电路处的限压保护电路，也起到了同样的保护作用。

图3是示出了根据本发明实施例的可控限压保护电路的示意图。

参考图3，可控限压保护电路由限压控制电路和限压保护电路组成。本领域技术人员应该理解，图3所示的示例仅仅用于说明本发明，其并不意图将本发明限定在该示例中，本领域技术人员在没有脱离本发明范围的情况下，对其进行各种修改。例如，可控限压保护电路可以仅仅包括限压保护电路。此外，限压控制电路和限压保护电路两者的位置可以互换，其也落入本发明范围内。

图4是示出了根据本发明实施例的可控限压保护电路的电路图。

参考图4，用于功率级的可控限压保护电路的示例结构包括限压控制电路和限压保护电路两部分组成，然而本发明技术人员应该理解，可以将根据本发明实施例的可控限压保护电路应用到射频功率放大器的其他级上。

限压控制电路由N个限压控制子电路E1-EN来构成。限压控制子电路 E1包括npn结构晶体管N1、电容C1以及电阻R1。其中，电容C1接到晶体管N1的基极和集电极之间，电阻R1的一端连接到基极，并且其另一端连接到控制端。此外，限压保护电路由N个正向二极管(D1～DN)串联组成。

限压控制子电路E1和正向二极管D1构成一个子单元，该单元是否开启工作由控制子电路E1决定(通过施加到控制子电路E1的控制电压来确定)；该单元的限制电压由二极管D1决定。当需要加大限制的电压时，增加子单元的串联数量(增加N的数值)。

图5是示出了根据本发明实施例的包括可控限压保护电路的射频功率放大器的电路图。

参考图5，可控限压保护电路被设置在功率级的choke电感节点前，然而，本领域技术人员应该理解，可控限压保护电路也可以被设置为在驱动级的 choke电感节点前，上述的修改并没有超出本发明所要求保护的范围。

参考图5，当功率级的发射功率较小时，射频信号在其工作电压的上下摆幅较小，功率放大器处于安全工作区内(SOA)，此时保护电路不开启。当功率级的发射功率较大时，同时其工作电压也提升，射频信号的最大电压摆幅超过需要限定的电压(VCC_limit)时，此时的保护电路开启。

可控限压保护电路对电压的限定方式有两种。

首先，可控限压保护电路可以通过限压控制电路来实现对电压摆幅的限制。

具体地，通过限压控制电路中的控制子电路E1-EN，可以实现分别对二极管D1-DN的开启和关闭控制。其原理如下：当二极管D1需要开启时，控制控制子电路E1的控制电压，以通过串联电阻来拉低E1的基极电压，关闭 E1中的npn晶体管N1；当二极管D1需要关闭时，控制控制子电路E1的控制电压，以通过串联电阻来拉高E1的基极电压，导通E1中的npn晶体管N1。这样，通过控制子电路E1-EN，即可实现对串联二极管D1到DN的开启和关断控制。开启的二极管数量多少，决定着根据实际情况下，需要在功率级限定的电压值(VCC_limit)，从而起到了对功率级的保护作用。

此外，可控限压保护电路可以通过正向二极管数量N来决定对电压摆幅的限制，原理如下：

功率放大器的工作电压为VCC_DC，当功率级的发射功率较大时，射频信号在工作电压上的最大摆幅为VCC_max。VCC_max若等于或超过其安全工作区时，保护电路将其最大电压限制在VCC_limit以内。VCC_limit由N 个二极管串联之后的正向导通电压决定。图6示出了根据本发明实施例的用于射频功率放大器电路的射频信号工作电压摆幅的示意图。参考图6，需要限定的电压只与串联二极管的数量N有关，增大N，即可增大需要限定的电压，减小N，即可减小需要限定的电压。如果一个二极管的开启电压为D(V)，需要限制的电压为10D(V)，则串联10个正向二极管，即可实现对电压值的限制。通过调整N的数量，同样也可以实现对需要限定的电压值进行调整。

图7是示出了根据本发明实施例的限压保护电路的电路图。

参考图7，限压保护电路由N个子单元串联构成的限压保护电路，每个子单元由一个正向二极管(D1)组成。当需要加大限制的电压时，增加子单元的串联数量N。

通过在射频功率放大器的工作电源节点处加入限压保护电路，限制可能引起晶体管击穿或者烧毁的电压摆幅，从而起到了对射频功率放大器的保护作用。

图8是示出了根据本发明实施例的限压保护电路的电路图。

参考图8，限压保护电路包括N个串联的保护子单元以及谐波抑制电路，其中，每个保护子单元由一个正向二极管(D1)组成。谐波抑制电路包括电容C 和电感L的串联结构。虽然在图8中仅仅示出了一个谐波抑制结构，但是本领域技术人员应该理解，谐波抑制电路可以由一个或者多个相同结构组成，并且限压保护电路中保护子单元和谐波抑制电路的位置可以左右互换。

射频功率放大器对不同阶次的谐波抑制，可以改变射频信号在工作电压上的摆幅变化。当摆幅过大或者减小时，可以通过调整谐波抑制结构中的电容C和电感L，以及同时调整限压保护电路中二极管的数量，以更加灵活地对整个保护电路的电压安全范围进行调节。

通过射频功率放大器的工作电源节点处加入限压保护电路和谐波抑制电路，限制可能引起晶体管击穿或者烧毁的电压摆幅，从而起到了对射频功率放大器的保护作用。

虽然，本发明以驱动级和功率级的射频功率放大器的电路来作为示例，但是本领域技术人员应该理解，本发明不限于此，在不脱离本发明范围的情况下，可以对其进行各种修改和变化，例如，可以将本发明的概念应用到多级放大器电路中。

在本发明中，以NPN晶体为例来进行说明，但是本领域技术人员应该理解，本发明的概念同样也可以应用到其他领域当中，例如，可以通过HBT、 BJT、BiCMOS、GaN等工艺来设计和实现。

尽管已经用示例性实施例描述了本公开，但是可以向本领域技术人员建议各种改变和修改。本公开旨在涵盖落入所附权利要求范围内的这种改变和修改。

本发明中的任何描述都不应被理解为暗示任何特定的元件、步骤或功能是必须包括在权利要求范围内的必要元件。专利主题的范围仅由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种用于射频功率放大器的限压保护电路，其特征在于包括：

N个串联的限压保护子单元，

所述限压保护电路被配置为连接到所述射频功率放大器中的放大器的工作电源节点与接地节点之间，并且

N是大于等于1的自然数。

2.根据权利要求1所述的限压保护电路，其特征在于，所述限压保护子单元包括一个正向二极管，并且

根据射频功率放大器的安全工作区和正向二极管的正向导通电压来确定N的数值。

3.根据权利要求2所述的限压保护电路，其特征在于，所述限压保护子单元还包括限压控制子电路，并且

所述限压控制子电路被配置为与正向二极管并联，并且被配置为根据控制信号来短路所述正向二极管。

4.根据权利要求3所述的限压保护电路，其特征在于，所述限压控制子电路包括晶体管N1、电容C1以及电阻R1，

所述电容C1接到晶体管N1的基极和集电极之间；所述电阻R1的一端连接到晶体管N1的基极，并且其另一端连接到控制端，以接收控制信号；所述晶体管N1的集电极连接到所述正向二极管的正极，并且所述晶体管N1的发射极连接到所述正向二极管的负极，

根据所述控制信号来控制所述晶体管N1的导通和关断。

5.根据权利要求4所述的限压保护电路，其特征在于，所述限压保护电路被配置为根据射频功率放大器的安全工作区和二极管的正向导通电压来确定需要短路的正向二极管的数量。

6.根据权利要求1所述的限压保护电路，其特征在于，所述限压保护电路还包括M个并联的谐波抑制电路，

所述谐波抑制电路被配置与所述N个串联的限压保护子单元并联连接，以用于对射频功率放大器的谐波进行抑制，并且

M是大于等于1的自然数。

7.根据权利要求6所述的限压保护电路，其特征在于，所述谐波抑制电路包括串联的电容C2和电感L1。

8.根据权利要求1所述的限压保护电路，其特征在于，所述限压保护电路被配置在射频功率放大器中的功率级放大器处，并且通过扼流圈电感而连接到所述功率级放大器的工作电源节点。

9.根据权利要求1所述的限压保护电路，其特征在于，所述限压保护电路被配置在射频功率放大器中的驱动级放大器处，并且通过扼流圈电感而连接到所述驱动级放大器的工作电源节点。

10.一种包括根据权利要求1-9中任何一个所述的限压保护电路的射频功率放大器，其特征在于包括：

输入匹配网络，其被配置为接收射频信号，并且将信号提供给驱动级电路；

驱动级电路，其包括驱动级偏置电路、驱动级放大器电路；

级间匹配网络，其被配置在所述驱动级电路和功率级电路之间；

功率级电路，其包括功率级偏置电路、功率级放大器电路；

输出匹配电路，其被配置为输出放大的射频信号；以及

限压保护电路，其被配置为连接在驱动级放大器电路或者功率级放大器电路的供电电源节点和接地节点之间。

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