HK40112912A - 用於功率放大器的保护环路 - Google Patents

Description

用于功率放大器的保护环路

优先权申请

本申请涉及2022年10月14日提交的名称为“用于功率放大器的保护环路(PROTECTION LOOP FOR POWER AMPLIFIER)”的第63/379,516号美国临时专利申请，所述美国临时专利申请的内容以全文引用的方式并入本文中。

本申请涉及2022年6月22日提交的名称为“使用快速参与和恢复分布式直接基带信号限制和OVP保护环路的5G功率放大器(5G POWER AMPLIFIER USING FAST ENGAGE ANDRECOVERY DISTRIBUTED DIRECT-BASE SIGNAL LIMITING AND OVP PROTECTION LOOP)”的第63/354,292号美国临时专利申请，其内容以全文引用的方式并入本文中。

背景

I.技术领域

本公开的技术大体上涉及功率放大器，更具体而言，涉及用于功率放大器的过压保护(OVP)环路。

II.背景技术

在现代社会中，计算装置比比皆是，且更具体地，移动通信装置越来越普遍。这些移动通信装置的普及部分地由目前在此类装置上启用的许多功能驱动。此类装置中处理能力的提高意味着移动通信装置从纯通信工具演进为复杂移动娱乐中心，从而能够增强用户体验。随着此类装置可用的无数功能的出现，已向更新的蜂窝标准移动以提供更大的带宽，以适应这些功能使用的所有数据。诸如第五代(5G)的新蜂窝标准具有新的功率电平波动，这可能对与移动计算装置中的收发器相关联的功率放大器施加新的压力。此类压力为创新提供了空间。

发明内容

具体实施方式中公开的各方面包括用于为功率放大器提供保护环路的系统和方法。具体而言，本公开的示范性方面检测功率放大器的输出处的过压状况，并且选择性地在功率放大器内的晶体管的基极或栅极处产生短路，以对晶体管去偏置并防止过压状况损坏晶体管。提供这种快速动作的过压保护选项更容易在具有高峰均比条件的情况下调整和保护功率放大器。这种保护可以防止晶体管受到可能发生的快速功率波动的损坏，特别是在当前蜂窝标准中。

就此而言，在一个方面，公开了一种功率放大器级。所述功率放大器级包括功率放大器单元。所述功率放大器级还包括耦接到功率放大器单元的输出的电压检测电路。所述功率放大器级还包括耦接到电压检测电路的过压保护(OVP)电路。所述功率放大器级还包括开关，所述开关被配置成基于来自所述OVP电路的信号使所述功率放大器单元短路接地。

在另一方面，公开了一种保护功率放大器级免受过压状况影响的方法。所述方法包括检测功率放大器单元的输出处的电压。所述方法还包括，当所述功率放大器单元的所述输出处的所述电压超过阈值时，闭合开关，使得所述功率放大器单元被短路接地。

在另一方面，公开了一种移动终端。所述移动终端包括功率放大器级。所述功率放大器级包括功率放大器单元。所述功率放大器级还包括耦接到功率放大器单元的输出的电压检测电路。所述功率放大器级还包括耦接到电压检测电路的OVP电路。所述功率放大器级还包括开关，所述开关被配置成基于来自所述OVP电路的信号使所述功率放大器单元短路接地。

附图说明

图1是具有常规过压保护(OVP)电路的功率放大器的电路图；

图2A是根据本公开的示范性方面的具有OVP电路的单端功率放大器级的电路图；

图2B是根据本公开的示范性方面的具有OVP电路的差分端功率放大器级的电路图；

图3是混合电路，以及OVP电路的框图；

图4是示出使用本公开的OVP电路的示范性过程的流程图；

图5是移动终端的框图，该移动终端可以包括根据本公开的图2A-3和6的OVP电路；

图6是示出如何为用于为功率放大器级提供OVP的开关提供保护电路的框图。

具体实施方式

下文阐述的实施例表示使本领域技术人员能够实践实施例并且示出实践实施例的最佳模式所必需的信息。在根据附图阅读以下描述时，本领域技术人员将理解本公开的概念，并将认识到这些概念在此未特别述及的应用。应理解，这些概念和应用落入本公开和所附权利要求的范围内。

应当理解，尽管本文中可以使用术语第一、第二等来描述各种元件，但是这些元件不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。如本文所使用，术语“和/或”包含相关联所列项目中的一个或多个项目的任何和所有组合。

应理解，当例如层、区域或衬底的元件被称为“在另一元件上”或“延伸到另一元件上”时，其可以直接在另一元件上或直接延伸到另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在另一元件上”或“直接延伸到另一元件上”时，不存在中间元件。同样，应理解，当例如层、区域或衬底的元件被称为“在另一元件上方”或“在另一元件上方延伸”时，其可以直接在另一元件上方或直接在另一元件上方延伸，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在另一元件上方”或“直接在另一元件上方延伸”时，不存在中间元件。还将理解，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，其可以直接连接或耦合到另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在中间元件。

例如“以下”或“以上”或“上”或“下”或“水平”或“竖直”的相对术语在本文中可以用于描述一个元件、层或区域与如图式所说明的另一元件、层或区域的关系。应理解，这些术语和上面讨论的那些旨在包括除附图中描绘的朝向之外的装置的不同朝向。

本文所用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并且不旨在限制本公开。如本文所用，除非上下文另外明确指示，否则单数形式“一(a、an)”和“所述”希望也包含复数形式。应进一步理解，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含(includes)”和/或“包含(including)”在本文中使用时指定所陈述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。

除非另外定义，否则本文使用的所有术语(包含技术和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。将进一步理解的是，除非本文明确地定义，否则本文使用的术语应被解释为具有与其在本说明书的上下文和相关技术中的含义一致的含义，并且将不以理想化或过于正式的意义来解释。

具体实施方式中公开的各方面包括用于为功率放大器提供保护环路的系统和方法。具体而言，本公开的示范性方面检测功率放大器的输出处的过压状况，并且选择性地在功率放大器内的晶体管的基极或栅极处产生短路，以对晶体管去偏置并防止过压状况损坏晶体管。提供这种快速动作的过压保护选项更容易在具有高峰均比条件的情况下调整和保护功率放大器。这种保护可以防止晶体管受到可能发生的快速功率波动的损坏，特别是在当前蜂窝标准中。

在阐述本公开的示范性方面之前，参考图1提供对现有过压保护(OVP)电路的缺点的简要论述。下面参考图2A开始论述本公开的示范性方面。

就此而言，图1是功率放大器级100的电路图，所述功率放大器级可以具有多个并联功率放大器单元102(1)-102(N)，其中出于示例的目的，N＝4。如图所示，每个功率放大器单元102(1)-102(N)可以包括相应的晶体管104(1)-104(N)。晶体管104(1)-104(N)的相应集电极(未标记)可以耦接到射频(RF)输出106。待放大的传入信号可以穿过相应的交流(AC)阻断电容器108(1)-108(N)。偏置电路110可以通过相应的镇流电阻器112(1)-112(N)在晶体管104(1)-104(N)的相应基极(未标记)处提供偏压。电压检测器电路114可以检测RF输出106处的电压，并且向OVP电路116提供电压条件的指示。OVP电路116可以向偏置电路110提供控制信号，以在存在过压状况时对功率放大器单元102(1)-102(N)进行去偏置。

OVP方案中包括偏置电路110导致晶体管104(1)-104(N)去偏置相对缓慢，因为偏置电路110可能具有相对较长的时间常数或以其他方式施加延迟。虽然对于许多类型的过压保护有效，但较新的蜂窝标准的出现带来了这种可能性：可能存在快速、大峰值功率，这些功率不会太大地改变平均功率，但确实对晶体管104(1)-104(N)施加短期瞬态压力。当这些峰值功率太高时，晶体管104(1)-104(N)可能在晶体管104(1)-104(N)可以被去偏置之前被损坏。

本公开的示范性方面提供了一种快得多的去偏置解决方案，其将允许避免快速移动的峰值功率，并且由此避免损坏功率放大器单元内的晶体管。更具体而言，本公开的示范性方面设想了与功率放大器单元的输入相关联的分布式对地分流。

就此而言，图2A示出了根据本公开的示范性方面的功率放大器级200A。功率放大器级200A是单端功率放大器级，并且可以具有多个并联功率放大器单元202(1)-202(M)，其中出于示例的目的，M＝4。应了解，每一功率放大器单元202(1)-202(M)可以包括晶体管。在示范性方面中，晶体管可以是双极结型晶体管(BJT)204A或场效应晶体管(FET)204B。相应的功率放大器单元202(1)-202(M)可以耦接到RF输出206。待放大的传入信号可以穿过相应的AC阻断电容器208(1)-208(M)。偏置电路210可以通过相应的镇流电阻器212(1)-212(M)为功率放大器单元202(1)-202(M)提供偏置。电压检测器电路214可以检测RF输出206处的电压，并且向OVP电路216提供电压条件的指示。OVP电路216可以向开关218(1)-218(M)提供控制信号。

电压检测器电路214的电压检测相对较快。同样，OVP电路216中的活动相对较快。因此，先前OVP电路中的大部分延迟在偏置电路110中。通过不穿过偏置电路110，开关218(1)-218(M)可以更快地打开和闭合，并且如果开关218(1)-218(M)也快速，则可以比通过偏置电路110或210进行去偏置快得多地形成短路接地。这种在BJT的基极或FET的栅极处短路接地有效地截止功率放大器单元202(1)-202(M)中的晶体管并保护晶体管。虽然可以单个地对开关218(1)-218(M)寻址，但也可以同时打开它们的全部。

虽然功率放大器级200A是单端的，但本公开不限于此。在图2B中示出了差分功率放大器级200B。功率放大器级200B可以具有多个并联功率放大器单元202A(1)-202A(M)和202B(1)-202B(M)，其中出于示例的目的，M＝4。应了解，每一功率放大器单元202A(1)-202A(M)和202B(1)-202B(M)可以包括晶体管，例如BJT或FET。相应的功率放大器单元202A(1)-202A(M)和202B(1)-202B(M)可以耦接到RF输出206A、206B。待放大的传入信号可以穿过相应的AC阻断电容器208A(1)-208A(M)和208B(1)-208B(M)。偏置电路210可以通过相应的镇流电阻器212A(1)-212A(M)和212B(1)-212B(M)为功率放大器单元202B(1)-202B(M)提供偏置。电压检测器电路214A、214B可以检测RF输出206A、206B处的电压，并且向OVP电路216提供电压条件的指示。OVP电路216可以向开关218A(1)-218A(M)和218B(1)-218B(M)提供控制信号。在其他方面，操作与图2A的功率放大器级200A基本上相同。

虽然已明确公开和例示了单端和差分功率放大器级，但应了解，本公开可同样扩展到正交功率放大器级、多尔蒂功率放大器和任何其他负载调制功率放大器。

应当理解，开关218也可以是晶体管，并且可以例如是BJT。开关可能在开关的集电极处暴露于大的RF信号。如果集电极处的RF信号变为负，则开关可能在不期望的反向模式中导通。为了防止这种不期望的操作，可以向开关提供保护，如图6中的功率放大器级600所更好示出的。具体而言，二极管602可以串联地定位在开关218的集电极604与功率放大器单元202之间。二极管602仅在一个方向上允许有电流，因此开关218不会在反向模式中操作。替代地，因为与开关218串联的二极管602在功率放大器单元202与地之间引入一些电压降(对于保护功率放大器单元可能是次优的)，所以二极管606可以与偏置电路210一起定位(例如，与内部偏置晶体管608串联)，使得开关218始终被偏置以防止在反向模式中操作。

图3示出了关于OVP电路216的可能配置的更多细节。具体而言，OVP电路216可以耦接到输出206(并且如图所示，耦接到差分输出206A、206B)。电压检测器电路214可以由二极管和电容器形成以生成检测到的电压信号300，其包括关于电压电平的信息。然后将该信号300与阈值进行比较。更具体地，在阈值电路302中从检测到的电压信号300减去阈值电平。阈值电路302包括由作为二极管操作的多个晶体管304形成的粗略值和由具有电阻器网络308的晶体管306形成的精细值。也就是说，二极管在它们添加到总阈值的值方面相当粗略。为了调谐该值，耦接到晶体管306的电阻器网络308将晶体管306的值的一部分加到阈值。当检测到的电压信号300足够高以导通所有多个晶体管304和晶体管306时，存在过压状况。这种过压状况使用例如电流模式操作来检测，并且具体地说，可以使用需要低电流电平来激活的达灵顿电流镜310。可以存在额外电路312，但当电流镜310在节点314处提供信号时，此信号可以用于控制开关218。注意，有许多其他方式来实现过压电路。

图4提供与本公开的功率放大器级的操作相关联的过程400的流程图。具体地，过程400在正常操作期间开始，并且包括放大传入信号(框402)。电压检测器电路214检测输出206处的电压(框404)，并将关于检测到的电压的信息提供给OVP电路216。OVP电路216确定电压是否超过阈值(框406)，并且闭合开关218(1)-218(M)以使功率放大器单元202(1)-202(M)接地(框408)。

应了解，本公开的功率放大器级非常适合并入到移动计算装置或移动终端或能够进行无线通信的其他装置中。实例包括但不限于机顶盒、娱乐单元、导航装置、通信装置、固定位置数据单元、移动位置数据单元、全球定位系统(GPS)装置、移动电话、蜂窝电话、智能手机、会话发起协议(SIP)电话、平板电脑、平板手机、服务器、计算机、便携式计算机、移动计算装置、可穿戴计算装置(例如，智能手表、健康或健身追踪器、眼镜等)、台式计算机、个人数字助理(PDA)、监视器、计算机监视器、电视机、调谐器、收音机、卫星收音机、音乐播放器、数字音乐播放器、便携式音乐播放器、数字视频播放器、视频播放器、数字视频光盘(DVD)播放器、便携式数字视频播放器、汽车、车辆组件、航空电子系统、无人机和多旋翼飞行器。

就此而言，图5是示范性移动终端500的系统级框图。移动终端500包括应用程序处理器504(有时被称为主机)，所述应用程序处理器通过通用快闪存储(UFS)总线508来与大容量存储元件506通信。应用程序处理器504可进一步通过显示器串行接口(DSI)总线512连接到显示器510，并且通过相机串行接口(CSI)总线516连接到相机514。例如麦克风518、扬声器520和音频编解码器522等各种音频元件可通过串行低功率芯片间多媒体总线(SLIMbus)524耦合到应用程序处理器504。另外，音频元件可通过SOUNDWIRE总线526彼此通信。调制解调器528也可耦合到SLIMbus 524和/或SOUNDWIRE总线526。调制解调器528可进一步通过外围组件互连(PCI)或PCI高速(PCIe)总线530和/或系统功率管理接口(SPMI)总线532连接到应用程序处理器504。

继续参考图5，SPMI总线532还可耦合到局域网(LAN或WLAN)IC(LAN IC或WLAN IC)534、功率管理集成电路(PMIC)536、配套IC(有时被称为桥芯片)538和射频IC(RFIC)540。应了解，单独的PCI总线542和544也可将应用程序处理器504耦合到配套IC 538和WLAN IC534。应用程序处理器504可进一步通过传感器总线548连接到传感器546。调制解调器528和RFIC 540可使用总线550通信。

继续参考图5，RFIC 540可通过射频前端(RFFE)总线558耦合到一个或多个RFFE元件，例如，天线调谐器552、开关554和功率放大器556。另外，RFIC 540可通过总线562耦合到封包追踪电源(ETPS)560，并且ETPS 560可与功率放大器556通信。笼统地，包含RFIC 540的RFFE元件可被视为RFFE系统564。应了解，RFFE总线558可由时钟线和数据线(未示出)形成。本公开的功率放大器级可见于移动终端500内的功率放大器556或其他收发器(例如，WIFI、蓝牙或类似收发器)中。

还应注意，描述本文中的示范性方面中的任一者中所描述的操作步骤是为了提供实例和讨论。可以用除了所示出的顺序之外的大量不同顺序执行所描述的操作。此外，单个操作步骤中所描述的操作实际上可在许多不同步骤中执行。另外，可组合在示范性方面中所讨论的一个或多个操作步骤。应理解，本领域技术人员将容易明白，流程图中示出的操作步骤可经历大量不同修改。本领域技术人员还将了解，可使用多种不同技术和技法中的任一者来表示信息和信号。例如，可用电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光粒子或其任何组合来表示在整个上文描述中可能参考的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号和芯片。

提供对本公开的先前描述，使得本领域的任何技术人员都能够进行或使用本公开。对本公开的各种修改对于本领域的技术人员来说将显而易见，并且本文中定义的一般原理可应用于其他变化。因此，本公开并不希望限于本文中所描述的实例和设计，而应被赋予与本文中所公开的原理和新颖特征相一致的最广范围。

Claims (19)

1.一种功率放大器级，包括：

功率放大器单元；

耦接到所述功率放大器单元的输出的电压检测电路；

耦接到所述电压检测电路的过压保护(OVP)电路；以及

开关，所述开关被配置成基于来自所述OVP电路的信号使所述功率放大器单元短路接地。

2.根据权利要求1所述的功率放大器级，还包括多个功率放大器单元，每个功率放大器单元耦接到所述电压检测电路。

3.根据权利要求1所述的功率放大器级，其中，所述输出包括单端输出。

4.根据权利要求2所述的功率放大器级，其中，所述输出包括差分输出。

5.根据权利要求1所述的功率放大器级，其中，所述功率放大器单元包括双极结型晶体管(BJT)。

6.根据权利要求1所述的功率放大器级，其中，所述功率放大器单元包括场效应晶体管(FET)。

7.根据权利要求1所述的功率放大器级，其中，所述开关包括晶体管。

8.根据权利要求1所述的功率放大器级，还包括通过镇流电阻器耦接到所述开关的偏置电路。

9.根据权利要求1所述的功率放大器级，其中，所述OVP电路包括达灵顿电流镜。

10.一种保护功率放大器级免受过压状况影响的方法，所述方法包括以下步骤：

检测功率放大器单元的输出处的电压；以及

当所述功率放大器单元的所述输出处的所述电压超过阈值时，闭合开关，使得所述功率放大器单元被短路接地。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，检测所述电压包括检测多个功率放大器单元的所述电压。

12.根据权利要求10所述的方法，还包括在过压保护(OVP)电路中将所述输出处的电压与所述阈值进行比较。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，检测包括用二极管和电容器检测。

14.根据权利要求10所述的方法，其中，闭合所述开关包括使用晶体管作为所述开关。

15.根据权利要求10所述的方法，还包括偏置所述功率放大器单元。

16.一种移动终端，包括：

功率放大器级，包括：

功率放大器单元；

耦接到所述功率放大器单元的输出的电压检测电路；

耦接到所述电压检测电路的过压保护(OVP)电路；以及

开关，所述开关被配置成基于来自所述OVP电路的信号使所述功率放大器单元短路接地。

17.根据权利要求16所述的移动终端，还包括多个功率放大器单元，每个功率放大器单元耦接到所述电压检测电路。

18.根据权利要求16所述的移动终端，其中，所述输出包括单端输出。

19.根据权利要求17所述的移动终端，其中，所述输出包括差分输出。