CN219960534U - 功率放大器开关控制装置以及功率放大器系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种功率放大器开关控制装置以及功率放大器系统。其中，功率放大器开关控制装置包括负压提供电路、比较电路、电源模块、时钟电路、控制器、功放温度传感器、功放电流传感器、功放电压传感器以及功放功率传感器。本公开提供的装置能够通过控制功放的栅极电压与漏极电压，实现在功放发射信号和接收信号的过渡期间快速开启或关闭功放，进而实现在信号接收阶段到来前关闭功放节约能耗，在信号发射阶段到来前开启功放使其工作；并且，本公开通过总控单元中的时钟电路控制栅极电压与漏极电压的时序，能够满足功放对于上电和下电时序要求；此外，本公开通过对功放的温度、电流、电压、功率进行监控，能够保证功放的稳定输出。

Description

功率放大器开关控制装置以及功率放大器系统

技术领域

本公开涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种功率放大器开关控制装置以及功率放大器系统。

背景技术

氮化镓功率放大器是一种高频功率放大器，其主要作用是将低功率信号转化为高功率信号。氮化镓功率放大器可以实现高速数据传输和高清晰度视频传输，提高网络速度和通信质量。

但氮化镓功率放大器电源功耗在整机功耗中的占比较大，同时，氮化镓功率放大器对于上电和下电时序要求也较高，错误的时序可能导致器件损坏；并且，氮化镓功率放大器的输出功率还易受到外界温度以及工作电流电压的影响。

发明内容

为了解决上述技术问题，本公开提供了一种功率放大器开关控制装置以及功率放大器系统。

本公开提供了一种功率放大器开关控制装置，包括负压提供电路、比较电路、电源模块、时钟电路、控制器、功放温度传感器、功放电流传感器、功放电压传感器以及功放功率传感器，其中：所述时钟电路与所述控制器连接，所述负压提供电路的输入端与所述控制器连接，所述负压提供电路的输出端与所述比较电路的同相输入端连接；所述比较电路的反相输入端与所述控制器连接，所述比较电路的输出端与功率放大器的栅极连接；所述电源模块与所述功率放大器的漏极输出端以及所述控制器连接；所述功放温度传感器与所述功率放大器之间的距离小于预设距离，所述功放温度传感器的输出端与所述控制器连接；所述功放电流传感器与所述功放电压传感器连接在所述电源模块与所述功率放大器的漏极输出端之间，所述功放电流传感器与所述功放电压传感器的输出端均与所述控制器连接；所述功放功率传感器连接在所述功率放大器的漏极输出端与所述控制器之间。

可选地，所述负压提供电路包括反相器，所述反相器的输入端与所述控制器连接，所述反相器的输出端与所述比较电路的同相输入端连接。

可选地，还包括数模转换电路，所述数模转换电路连接在所述控制器与所述负压提供电路之间。

可选地，还包括钳位电路，所述钳位电路连接在所述比较电路的输出端与所述功率放大器的栅极之间。

可选地，所述钳位电路包括第一钳位电阻以及第二钳位电阻，所述第一钳位电阻连接在所述比较电路的输出端与所述功率放大器的栅极之间，所述第二钳位电阻的一端连接在所述第一钳位电阻与所述功率放大器的栅极之间，所述第二钳位电阻的另一端负电位。

可选地，所述时钟电路包括晶体振荡器，所述晶体振荡器与所述控制器连接。

可选地，还包括存储器，所述存储器与所述控制器连接。

可选地，还包括隔直电容，所述隔直电容一端与所述功率放大器的漏极输出端连接，所述隔直电容另一端与外部器件连接。

可选地，还包括滤波电路，所述滤波电路连接在所述负压提供电路的输出端以及所述比较电路的同相输入端之间。

基于同一发明构思，本公开还提供了一种功率放大器系统，其特征在于，包括功率放大器以及任意一项所述的功率放大器开关控制装置。

本公开提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：本公开提供的装置能够通过控制功放的栅极电压与漏极电压，实现在功放发射信号和接收信号的过渡期间快速开启或关闭功放，进而实现在信号接收阶段到来前关闭功放节约能耗，在信号发射阶段到来前开启功放使其工作；并且，本公开通过总控单元中的时钟电路控制栅极电压与漏极电压的时序，能够满足功放对于上电和下电时序要求；此外，本公开通过对功放的温度、电流、电压、功率进行监控，能够保证功放的稳定输出。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施例提供的一种功率放大器开关控制装置的结构示意图；

图2为本公开实施例提供的另一种功率放大器开关控制装置的结构示意图；

图3为本公开实施例提供的一种功率放大器的结构示意图；

图4为本公开实施例提供的另一种功率放大器开关控制装置的结构示意图；

图5为本公开实施例提供的另一种功率放大器开关控制装置的结构示意图；

图6为本公开实施例提供的另一种功率放大器开关控制装置的结构示意图；

图7为本公开实施例提供的另一种功率放大器开关控制装置的结构示意图；

图8为本公开实施例提供的另一种功率放大器开关控制装置的结构示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本公开实施例的上述目的、特征和优点，下面将对本公开实施例的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开实施例，但本公开实施例还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开实施例的一部分实施例，而不是全部的实施例。

GaN(氮化镓)功率放大器是耗尽型器件，耗尽型半导体器件在正常工作以及截止状态时均要求栅极为负压偏置，若无此负压偏置，则该器件可能因过度开启而热烧毁。故GaN功率放大器开启时，栅压上电时序要早于漏压；功放关闭时，栅压下电时序要晚于漏压。

有鉴于此，本公开实施例提供了一种功率放大器开关控制装置，一种具体地实施例中，上述装置用于GaN功率放大器的开关控制，如图1所示，包括栅极电压提供单元10、总控单元20、漏极电压提供单元30以及监控单元40，其中：

栅极电压提供单元10包括负压提供电路11以及比较电路12，漏极电压提供单元30包括电源模块，总控单元20包括时钟电路22以及控制器21，监控单元40包括功放温度传感器41、功放电流传感器42、功放电压传感器43以及功放功率传感器44。

时钟电路22与控制器21连接，负压提供电路11的输入端与控制器21连接，如图2所示，负压提供电路11的输出端与比较电路12的同相输入端+连接。

控制器21用于向负压提供电路11提供初始电压，负压提供电路11用于将初始电压转换为负压并提供至比较电路12。时钟电路22则用于向控制器21提供时钟信号，控制器21则能够根据时钟信号根据预设时序向负压提供电路11提供初始电压以及后续其他信号。

需要说明的是，时钟电路22能够提供时钟信号为该硬件的常规用法，并且，时钟电路22可以具体为晶体振荡器这一常规硬件，利用时钟电路22向控制器21提供时钟信号不存在方法上的改进。

如图2所示，比较电路12的反相输入端-与控制器21连接，比较电路12的输出端OUT与功率放大器50的栅极连接。

控制器21用于向比较电路12提供基准电压，比较电路12则能够根据负压提供电路11输入的负压以及控制器21输入的基准电压对应向功率放大器50的栅极提供栅压。具体地，比较电路12包括比较器或者加法器器件，当基准电压为第一基准电压，比较电路12根据第一基准电压与负压的比较结果生成能够使功率放大器50开启的第一栅压；当基准电压为第二基准电压，比较电路12根据第二基准电压与负压的比较结果生成能够使功率放大器50关断的第二栅压。同时，控制器21能够根据上述时钟信号提供的预设时序向比较电路12提供第一基准电压或第二基准电压。

具体地，本公开一个实施例中的功率放大器50为QPA2237功率放大器，其芯片封装结构如图3所示，其引脚3为射频输入端RF IN，可以作为上述实施例中的输入端，引脚17为栅极，引脚13同时作为漏极与射频输出端RF OUT，可以作为上述实施例中的漏极输出端。

漏极电压提供单元30中的电源模块与功率放大器50的漏极输出端以及控制器21连接。

具体地，控制器21控制漏极电压提供单元30中的电源模块向功率放大器50提供漏极电压。同时，控制器21能够根据上述时钟信号提供的预设时序控制漏极电压提供单元30中的电源模块向功率放大器50提供漏极电压。

功放温度传感器41与功率放大器50之间的距离小于预设距离，功放温度传感器41的输出端与控制器21连接。

具体地，功放温度传感器41需要贴合功率放大器50设置，用于检测功率放大器的温度，并将温度反馈至控制器21，上述预设距离的范围为0cm至10cm。

功放电流传感器42与功放电压传感器43连接在漏极电压提供单元30中的电源模块与功率放大器50的漏极输出端之间，功放电流传感器42与功放电压传感器43的输出端均与控制器21连接。

功放功率传感器44连接在功率放大器50的漏极输出端与控制器21之间。

具体地，功放电流传感器42与功放电压传感器43用于检测功率放大器50的漏极的电流电压，并将电流电压发送至控制器21，这样，控制器21才能实时知悉功率放大器50的漏极上下电情况，从而进一步控制提供至功率放大器50栅极和漏极的电压。功放功率传感器44则用于监测功率放大器50的输出功率，使控制器21能够对输出功率进行进一步调整。

本公开实施例提供的装置能够通过控制功放的栅极电压与漏极电压，实现在功放发射信号和接收信号的过渡期间快速开启或关闭功放，进而实现在信号接收阶段到来前关闭功放节约能耗，在信号发射阶段到来前开启功放使其工作；并且，本公开通过总控单元中的时钟电路控制栅极电压与漏极电压的时序，能够满足功放对于上电和下电时序要求；此外，本公开通过对功放的温度、电流、电压、功率进行监控，能够保证功放的稳定输出，使功放工作在最佳状态。

具体地，上述控制器可以为是FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)、MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)、CPLD(Complex ProgrammableLogic Device，复杂可编程逻辑器)等其他具备逻辑控制功能的芯片或模块。

具体地，上述电源模块可以为DC-DC电源模块构。

在一些实施例中，负压提供电路11包括反相器，反相器的输入端与控制器21连接，反相器的输出端与比较电路12的同相输入端连接。

具体地，反相器为能够将输入的正电压转换为负电压的器件，本领域技术人员能够在常规技术手段范围内找到合适器件，在此不过多限定。

在一些实施例中，如图4所示，栅极电压提供单元10还包括数模转换电路13，数模转换电路13连接在控制器21与负压提供电路11之间。

具体地，数模转换电路13可以选用12bits的高精度数模转换器件，通过SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)与控制器21连接，并由控制器21控制输出初始电压至负压提供电路11。数模转换电路13可以在控制器的控制下生成1V～2.5V的正电压，并输出经过负压提供电路生成-2.5V～-1V的负电压。

在一些实施例中，如图5所示，栅极电压提供单元10还包括钳位电路14，钳位电路14连接在比较电路12的输出端与功率放大器50的栅极之间。

钳位电路14能够将比较电路12输出的栅压限制在一定范围内，避免栅压超出正常工作范围烧毁功率放大器。

在一些实施例中，如图6所示，钳位电路14包括第一钳位电阻R1以及第二钳位电阻R2，第一钳位电阻R1连接在比较电路12的输出端与功率放大器50的栅极之间，第二钳位电阻R2的一端连接在第一钳位电阻R1与功率放大器50的栅极之间，第二钳位电阻R2的另一端负电位-VDD。

具体地，由于功放器件对栅极漏极上电下电时序的要求，若功放处于漏压上电状态时，比较电路12由于故障停止向功放栅极供电，此时就容易烧坏功放。加设钳位电路14后，即使比较电路12输出0V，钳位电路14仍可以将输出至功放栅极的电压限制在-R2/(R1+R2)*VDD，避免烧毁功率放大器。

可选地，上述钳位电路14还可以通过三极管等具备电压钳位效果的器件实现。

在一些实施例中，时钟电路22包括晶体振荡器，晶体振荡器与控制器21连接。

晶体振荡器的工作原理基于石英晶体的压电效应。当施加电场时，石英晶体会发生微小的形变，而这种形变会引起晶体内部的电荷分布发生变化，从而产生交变电场和机械振动。这种振动频率非常稳定，可以作为稳定的时钟信号输出。

在一些实施例中，如图7所示，总控单元20还包括存储器23，存储器23与控制器21连接。

上述实施例中提到，控制器21需要根据功放温度传感器41、功放电流传感器42、功放电压传感器43以及功放功率传感器44反馈的信号对输入至功放的栅极电压与漏极电压进行调节，通过在总控单元加设连接至控制器21的存储器23，能够提前将如何根据反馈信号调节栅极电压与漏极电压的调节表(具体地，调节表存储了功放输出功率、功放漏极电压、功放漏极电流以及温度之间的对应关系)存储至存储器23，节约控制器21的实时计算资源。

在一些实施例中，如图8所示，还包括隔直电容C，隔直电容C一端与功率放大器50的漏极输出端连接，隔直电容C另一端与外部器件连接。

隔直电容能在隔离两个电路的同时起到信号传输作用，故此处适用隔直电容隔离功放与后级电路模块，避免直流信号损坏后级电路模块。

在一些实施例中，上述栅极电压提供单元10还包括滤波电路，滤波电路连接在负压提供电路11的输出端以及比较电路12的同相输入端之间，用于滤除负压信号中的杂波与噪声。

为了便于本领域技术人员理解，下面将简述上述实施例中的装置的使用过程，需要说明的是，下述过程方法并非对上述装置的限定，不在本公开的保护范围之内。

当需要开启功率放大器时：

S101、使总控单元上电，程序初始化。

S102、确定功放处于默认关闭状态，具体为：控制栅极电压提供单元向功放栅极输出使功放关断的栅极电压，同时控制漏极电压提供单元向功放漏极输出为0的漏极电压，此时，通过监控单元监控功放漏极电压≈0V，漏极电流≈0mA，确定功放处于默认关闭状态。

S103、控制栅极电压提供单元向功放栅极输出使功放开启的栅极电压。

S104、控制漏极电压提供单元向功放漏极输出使功放开启的漏极电压。

S105、通过监控单元监控功放是否漏极电压等于预设电压，漏极电流≈0mA，如果否，则重新执行S104。

S106、利用监控单元根据功放输出功率、功放漏极电压、功放漏极电流以及温度，控制栅极电压提供单元进行功放的栅压调节，直至功放的输出功率满足预设功率。

当需要关闭功率放大器时：

S201、使总控单元上电，程序初始化。

S202、确定功放处于开启状态，具体为：通过监控单元监控功放漏极电压等于预设电压，漏极电流≈0mA。

S203、控制栅极电压提供单元向功放栅极输出使功放关断的栅极电压。

S204、控制漏极电压提供单元向功放漏极输出为0的漏极电压。

S205、控制栅极电压提供单元向功放栅极输出为0的栅极电压。

S206、通过监控单元监控功放漏极电压≈0V，漏极电流≈0mA，确定功放处于关闭状态。

可选地，上述S106进一步包括：

S301、利用监控单元获取功放输出功率、功放漏极电压、功放漏极电流以及温度，并确定功放输出功率偏离预设功率。

S302、根据当前功放输出功率、功放漏极电压、功放漏极电流以及温度，根据存储器中的调节表进行栅压粗调节，使输出功率尽可能接近预设功率范围的中值。

S303、判断当前功放输出功率是否为预设功率范围的中值，若为预设功率范围的中值，则调整结束，若不为预设功率范围的中值，则执行步骤S304。

S304、在当前栅压基础上按最小电压调节分辨率对数模转换单元的输出进行调节。若输出功率小于目标输出功率范围中值，则增大栅压，提高功率输出，若大于中值，则降低栅压，降低功率输出，直至输出功率为目标输出功率的中值，栅压调节结束。

S305、持续监控功放输出功率是否偏离预设功率范围。

基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本申请还提供了一种功率放大器系统，包括功率放大器以及上述实施例中任意一种的功率放大器开关控制装置。

具体地，上述功率放大器为GaN功率放大器。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

上述实施例的装置包括实现前述任一实施例中相应的功率放大器开关控制装置，并且具有相应的装置实施例的有益效果，在此不再赘述。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

上述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文上述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种功率放大器开关控制装置，其特征在于，包括负压提供电路、比较电路、电源模块、时钟电路、控制器、功放温度传感器、功放电流传感器、功放电压传感器以及功放功率传感器，其中：

所述时钟电路与所述控制器连接，所述负压提供电路的输入端与所述控制器连接，所述负压提供电路的输出端与所述比较电路的同相输入端连接；

所述比较电路的反相输入端与所述控制器连接，所述比较电路的输出端与功率放大器的栅极连接；

所述电源模块与所述功率放大器的漏极输出端以及所述控制器连接；

所述功放温度传感器与所述功率放大器之间的距离小于预设距离，所述功放温度传感器的输出端与所述控制器连接；

所述功放电流传感器与所述功放电压传感器连接在所述电源模块与所述功率放大器的漏极输出端之间，所述功放电流传感器与所述功放电压传感器的输出端均与所述控制器连接；

所述功放功率传感器连接在所述功率放大器的漏极输出端与所述控制器之间。

2.根据权利要求1所述的功率放大器开关控制装置，其特征在于，所述负压提供电路包括反相器，所述反相器的输入端与所述控制器连接，所述反相器的输出端与所述比较电路的同相输入端连接。

3.根据权利要求1所述的功率放大器开关控制装置，其特征在于，还包括数模转换电路，所述数模转换电路连接在所述控制器与所述负压提供电路之间。

4.根据权利要求1所述的功率放大器开关控制装置，其特征在于，还包括钳位电路，所述钳位电路连接在所述比较电路的输出端与所述功率放大器的栅极之间。

5.根据权利要求4所述的功率放大器开关控制装置，其特征在于，所述钳位电路包括第一钳位电阻以及第二钳位电阻，所述第一钳位电阻连接在所述比较电路的输出端与所述功率放大器的栅极之间，所述第二钳位电阻的一端连接在所述第一钳位电阻与所述功率放大器的栅极之间，所述第二钳位电阻的另一端负电位。

6.根据权利要求1所述的功率放大器开关控制装置，其特征在于，所述时钟电路包括晶体振荡器，所述晶体振荡器与所述控制器连接。

7.根据权利要求1所述的功率放大器开关控制装置，其特征在于，还包括存储器，所述存储器与所述控制器连接。

8.根据权利要求1所述的功率放大器开关控制装置，其特征在于，还包括隔直电容，所述隔直电容一端与所述功率放大器的漏极输出端连接，所述隔直电容另一端与外部器件连接。

9.根据权利要求1所述的功率放大器开关控制装置，其特征在于，还包括滤波电路，所述滤波电路连接在所述负压提供电路的输出端以及所述比较电路的同相输入端之间。

10.一种功率放大器系统，其特征在于，包括功率放大器以及权利要求1至9任意一项所述的功率放大器开关控制装置。