CN110098809B - 一种氮化镓功率放大器时序保护供电装置 - Google Patents

一种氮化镓功率放大器时序保护供电装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种氮化镓功率放大器时序保护供电装置，包括：处理器的输出端与栅压供电模块的输入端连接，栅压供电模块的输出端与氮化镓功放模块的栅极连接，栅压供电模块的输出端通过第一组分压电阻后与第一比较器的差分反向输入端连接，栅压供电模块的输出端通过第二组分压电阻与第二比较器的差分同向输入端连接，处理器通过与栅压供电模块相连的信号接口，输出用于预设栅压值对应的数字编码信号；处理器通过与漏压供电模块相连的信号接口，使能漏压供电模块向氮化镓功放模块的漏极供电，使功放处于工作状态。本发明可以实现功率放大器供电时序保护，可靠并反应迅速，实施监控功放工作温度和工作电流。

Description

一种氮化镓功率放大器时序保护供电装置
技术领域
本发明涉及无线通信射频功率放大器技术领域，特别涉及一种氮化镓功率放大器时序保护供电装置。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，以往的半导体射频功率器件在带宽、功率和效率等方面的性能不足已经逐渐成为限制无线通信数据容量和通信距离的一大瓶颈。
新型氮化镓(GaN)半导体由于其具有更好的宽带半导体特性、高电子迁移率、更高的击穿电压以及良好的热传导特性等优点，使得基于它制成的功率放大器拥有更高的供电电压，可以工作在更高的频段、更高功率密度以及更高的温度下，已经逐步获得广大技术研究者的青睐。
由于氮化镓功放的材料和制作工艺特性，其栅极一般采用负压供电，漏极一般采用高电压正电供电，同时对于栅极和漏极供电顺序有着严格的要求。一般来说，首先要使栅极供电满足功放要求后，才能给漏极供电，否则就会损坏功放。同时，由于氮化镓功放功率容量较大，工作温度较高，导致温漂较严重。在实际使用过程中，在满足供电时序的前提下，还需要对栅极电压进行温度补偿控制，且控制精度要求较高。而目前来说，氮化镓功放尚处于刚开始商用的初步阶段，相关供电控制电路尚不成熟，难以同时满足可靠的上电、下电时序保护以及动态栅压温度补偿。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种氮化镓功率放大器时序保护供电装置。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种氮化镓功率放大器时序保护供电装置，包括：处理器、栅压供电模块、漏压供电模块、氮化镓功放模块，其中，所述处理器的输出端与所述栅压供电模块的输入端连接，所述栅压供电模块的输出端与所述氮化镓功放模块的栅极连接，所述栅压供电模块的输出端通过第一组分压电阻后与第一比较器的差分反向输入端连接，所述栅压供电模块的输出端通过第二组分压电阻与第二比较器的差分同向输入端连接，
所述第一比较器和第二比较器输出端与第一二极管的阴极相连，所述第一二极管的阳极分别与所述处理器的IO口、第一三极管的基极相连，所述第一二极管的阳极通过第三电阻接地，所述第一三极管的发射极接地，所述第一三极管的集电极通过第五电阻与第四电阻和第二三极管的基集、第二二极管的阴极相连，所述第二二极管的阳极与第二三极管的发射极和PMOS管的栅极连接；
所述漏压供电模块的信号端与所述处理器的IO接口连接，所述漏压供电模块的电源输出端与第四电阻、第二三极管的集电极、PMOS管的源极相连，所述PMOS管的漏极与所述氮化镓功放模块的漏极相连；
其中，所述处理器通过以下方式控制所述栅压供电模块和漏压供电模块，向所述氮化镓功放模块进行供电：
所述处理器通过与所述栅压供电模块相连的信号接口，输出用于预设栅压值对应的数字编码信号；
所述栅压供电模块根据接收到的数字编码信号，输出对应的预设栅压值给所述氮化镓功放模块的栅极；
所述处理器通过与所述漏压供电模块相连的信号接口，使能所述漏压供电模块向所述氮化镓功放模块的漏极供电，使功放处于工作状态。
进一步，还包括：功放温度检测模块，其中，所述功放温度检测模块的信号采集端与所述氮化镓功放模块连接，信号输出端与所述处理器的信号输入端连接，用于采集所述氮化镓功放模块的当前温度，并反馈至所述处理器，由所述处理器根据读取到的氮化镓功放模块的当前温度，读取已经录入的氮化镓功放模块在不同温度下对应的栅压值，并将所述栅压值转换为所述栅压供电模块输出该栅压值时对应的数字编码信号，通过信号接口发送至所述栅压供电模块，以对所述栅压供电模块输出电压进行微调，对所述氮化镓功放模块进行温度补偿。
进一步，还包括：功放电流检测模块，其中，所述功放电流检测模块信号采集端与所述氮化镓功放模块连接，信号输出端与所述处理器的信号输入端连接，用于采集所述氮化镓功放模块的漏极实时电流值，并反馈至所述处理器，由所述处理器和已经录入的所述氮化镓功放模块在不同温度和栅极电压下的电流值进行对比，如果超出预设误差范围，则对所述氮化镓功放模块进行下电操作。
进一步，在所述氮化镓功放模块进行下电操作时，所述处理器通过IO接口将所述第一三极管的基集拉低，关闭对所述氮化镓功放模块的漏极供电，再依次关闭所述漏压供电模块和所述栅压供电模块。
进一步，所述第一三极管和第二三极管为NPN三极管。
进一步，所述栅压供电模块根据接收到的来自所述处理器的数字编码信号，向所述氮化镓功放模块输出对应的栅压值，同时将此栅压值经过分压后输入给所述第一比较器和第二比较器，分别与预设的上限参考电压值和下限参考电压值进行比较；
如果栅压值经分压后的电压值大于所述上限参考电压或小于所述下限参考电压，则所述第一比较器或第二比较器输出低电平，通过所述第一三极管和第二三极管，使所述PMOS管处于关断状态，以关闭对所述氮化镓功放模块的漏极供电；如果栅压值经分压后的电压值小于上限参考电压且同时大于下限参考电压，则所述第一比较器和第二比较器同时输出高电平。
进一步，所述处理器将与所述第一三极管的基极相连的IO接口输出低电平，以关断所述第一三极管，并通过所述第二三极管关断所述PMOS管；所述处理器通过IO接口使能所述漏压供电模块，通过IO接口拉高所述第一三极管的基极的电平，以导通所述第一三极管，关断所述第二三极管；通过所述第二二极管将所述PMOS管的栅极拉低，以打开对所述氮化镓功放模块的漏极的供电，所述氮化镓功放模块处于正常工作状态。
进一步，所述处理器采用单片机芯片。
根据本发明实施例的氮化镓功率放大器时序保护供电装置，可以实现功率放大器供电时序保护，可靠并反应迅速，实施监控功放工作温度和工作电流，并以此对功放栅压进行高精度微调，确保功放工作性能，并对功放提供二次保护，实现电路简单，成本较低。本发明可以提供可靠的上电、下电时序保护，同时支持对功放状态进行实时监控，高精度栅压动态可调的供电控制电路。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的氮化镓功率放大器时序保护供电装置的结构图；
图2为根据本发明实施例的功放栅压控制装置的电路原理图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1和图2所示，本发明实施例的氮化镓功率放大器时序保护供电装置，包括：处理器1、栅压供电模块2、漏压供电模块3、氮化镓功放模块4。
具体的，处理器1的信号接口输出端与栅压供电模块2的信号接口输入端连接，栅压供电模块2的输出端与氮化镓功放模块4的栅极连接，栅压供电模块2的输出端通过第一组分压电阻(R1和R2)接地分压后后与第一比较器5的差分反向输入端连接，栅压供电模块2的输出端通过第二组分压电阻(R10和R11)接地分压后与第二比较器8的差分同向输入端连接。
第一比较器5和第二比较器8输出端与第一二极管D1的阴极相连，第一二极管D1的阳极分别与处理器1的IO口、第一三极管Q1的基极相连，第一二极管D1的阳极通过第三电阻R3接地，第一三极管Q1的发射极接地，第一三极管Q1的集电极通过第五电阻R5与第四电阻R4和第二三极管Q2的基集、第二二极管D2的阴极相连，第二二极管D2的阳极与第二三极管Q2的发射极和PMOS管的栅极连接。
漏压供电模块3的信号端与处理器1的IO接口连接，漏压供电模块3的电源输出端与第四电阻R4、第二三极管Q2的集电极、PMOS管V1的源极相连，PMOS管V1的漏极与氮化镓功放模块4的漏极相连。
在本发明的实施例中，第一三极管和第二三极管为NPN三极管。
处理器1通过以下方式控制栅压供电模块2和漏压供电模块3，向氮化镓功放模块4进行供电：
步骤S1，处理器1通过与栅压供电模块2相连的信号接口，输出用于预设栅压值对应的数字编码信号。
步骤S2，栅压供电模块2根据接收到的数字编码信号，输出对应的预设栅压值给氮化镓功放模块4的栅极。
栅压供电模块2根据接收到的来自处理器1的数字编码信号，向氮化镓功放模块4输出对应的栅压值，同时将此栅压值经过分压后输入给第一比较器5和第二比较器8，分别与预设的上限参考电压值和下限参考电压值进行比较。
下面对上限参考电压和下限参考电压的的设定进行说明。
第一比较器5和第二比较器8的正电输入和负电输入端分别接+5V和-5V电源。-5V电源经电阻R6和R7对地分压后与比较器1差分正向输入端相连，作为功放正常工作栅压的上限参考电压Vth1(例如，-2.5V)。-5V电源经电阻R8和R9对地分压后与比较器2差分反向输入端相连，作为功放正常工作栅压的下限参考电压Vth2(例如，-4V)。
如果栅压值经分压后的电压值大于上限参考电压Vth1或小于下限参考电压Vth2，则第一比较器5或第二比较器8输出低电平，通过第一三极管Q1和第二三极管Q2，使PMOS管V1处于关断状态，以关闭对氮化镓功放模块4的漏极供电，防止功放被损坏。如果栅压值经分压后的电压值小于上限参考电压Vth1且同时大于下限参考电压Vth2，则第一比较器5和第二比较器8同时输出高电平。
具体来说，作为二极管的特性，阴极有两个信号，任意一个信号是低电平都可以导致阳极信号钳位。栅极分压接在第一比较器5的反向端(负极)，那么第一比较器5的同向端(正极)则有一个参考电压(由电阻R6、R7分压获得)，当第一比较器5的反向端电压高于同向端，则第一比较器5比较器输出低电平。例如，同向端门限为Vth1(例如，-2.5V)，现在配置了一个大于Vth1的电压(例如-2.3V)，则第一比较器5输出一个低电平，进而将第一比较器5后面的二极管阳极的信号钳位住，导致PMOS管的漏极电压无供电，保护功放模块。而配置为一个小于Vth1的电压(例如，-3V)，则第一比较器5输出高电平，不会触发钳位。
同理栅极电压分压后接第二比较器8的同向端，反向端可以设置为Vth2(例如，-4V)之类的电压，当栅极电压小于Vth2时(例如，-4.2V)，第二比较器8输出低电平，进而将第二比较器8后面的二极管阳极的信号钳位住，导致PMOS管的漏极电压无供电，保护功放模块。而配置为大于Vth2，则第二比较器8还是输出高电平，从而不会触发钳位。
这样就实现了在Vth1～Vth2之间的栅压有效，其余都会导致二极管阳极的信号钳位住，导致PMOS管的漏极电压无供电，保护功放模块。
步骤S3，处理器1通过与漏压供电模块3相连的信号接口，使能漏压供电模块3向氮化镓功放模块4的漏极供电，使功放处于工作状态。
具体的，处理器1将与第一三极管Q1的基极相连的IO接口输出低电平，以关断第一三极管Q1，并通过第二三极管Q2关断PMOS管V1。处理器1通过IO接口使能漏压供电模块3，通过IO接口拉高第一三极管Q1的基极的电平，以导通第一三极管Q1，关断第二三极管Q2；通过第二二极管D2将PMOS管V1的栅极拉低，使PMOS管V1导通，以打开对氮化镓功放模块4的漏极的供电，氮化镓功放模块4处于正常工作状态。
在本发明的实施例中，处理器1可以采用单片机芯片。单片机芯片采用型号为STC8A8K64S4A12的芯片。
此外，本发明实施例的氮化镓功率放大器时序保护供电装置还包括：功放温度检测模块7，其中，功放温度检测模块7的信号采集端与氮化镓功放模块4连接，信号输出端与处理器1的信号输入端连接，用于采集氮化镓功放模块4的当前温度，并反馈至处理器1，由处理器1根据读取到的氮化镓功放模块4的当前温度，读取已经录入的氮化镓功放模块4在不同温度下对应的栅压值，并将栅压值转换为栅压供电模块2输出该栅压值时对应的数字编码信号，通过信号接口发送至栅压供电模块2，以对栅压供电模块2输出电压进行微调，对氮化镓功放模块4进行温度补偿。
此外，本发明实施例的氮化镓功率放大器时序保护供电装置还包括：功放电流检测模块6。其中，功放电流检测模块6信号采集端与氮化镓功放模块4连接，信号输出端与处理器1的信号输入端连接，用于采集氮化镓功放模块4的漏极实时电流值，并反馈至处理器1，由处理器1和已经录入的氮化镓功放模块4在不同温度和栅极电压下的电流值进行对比，如果超出预设误差范围，则对氮化镓功放模块4进行下电操作。
具体的，在氮化镓功放模块4进行下电操作时，处理器1通过IO接口将第一三极管Q1的基集拉低，进而使MOS管V1关断，闭对氮化镓功放模块4的漏极供电，再依次关闭漏压供电模块3和栅压供电模块2。
根据本发明实施例的氮化镓功率放大器时序保护供电装置，可以实现功率放大器供电时序保护，可靠并反应迅速，实施监控功放工作温度和工作电流，并以此对功放栅压进行高精度微调，确保功放工作性能，并对功放提供二次保护，实现电路简单，成本较低。本发明可以提供可靠的上电、下电时序保护，同时支持对功放状态进行实时监控，高精度栅压动态可调的供电控制电路。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (8)

1.一种氮化镓功率放大器时序保护供电装置，其特征在于，包括：处理器、栅压供电模块、漏压供电模块、氮化镓功放模块，其中，所述处理器的输出端与所述栅压供电模块的输入端连接，所述栅压供电模块的输出端与所述氮化镓功放模块的栅极连接，所述栅压供电模块的输出端通过第一组分压电阻后与第一比较器的差分反向输入端连接，所述栅压供电模块的输出端通过第二组分压电阻与第二比较器的差分同向输入端连接，所述第一比较器的差分同向输入端通过第七电阻接地，所述第二比较器的差分反向输入端通过第九电阻接地；
所述第一比较器和第二比较器输出端与第一二极管的阴极相连，所述第一二极管的阳极分别与所述处理器的IO口、第一三极管的基极相连，所述第一二极管的阳极通过第三电阻接地，所述第一三极管的发射极接地，所述第一三极管的集电极通过第五电阻连接至第四电阻的一端、第二三极管的基极和第二二极管的阴极，所述第二二极管的阳极与第二三极管的发射极和PMOS管的栅极连接；
所述漏压供电模块的信号端与所述处理器的IO接口连接，所述漏压供电模块的电源输出端与第四电阻的另一端、第二三极管的集电极、PMOS管的源极相连，所述PMOS管的漏极与所述氮化镓功放模块的漏极相连；
其中，所述处理器通过以下方式控制所述栅压供电模块和漏压供电模块，向所述氮化镓功放模块进行供电：
所述处理器通过与所述栅压供电模块相连的信号接口，输出用于预设栅压值对应的数字编码信号；
所述栅压供电模块根据接收到的数字编码信号，输出对应的预设栅压值给所述氮化镓功放模块的栅极；
所述处理器通过与所述漏压供电模块相连的信号接口，使能所述漏压供电模块向所述氮化镓功放模块的漏极供电，使功放处于工作状态。
2.如权利要求1所述的氮化镓功率放大器时序保护供电装置，其特征在于，还包括：功放温度检测模块，其中，
所述功放温度检测模块的信号采集端与所述氮化镓功放模块连接，信号输出端与所述处理器的信号输入端连接，用于采集所述氮化镓功放模块的当前温度，并反馈至所述处理器，由所述处理器根据读取到的氮化镓功放模块的当前温度，读取已经录入的氮化镓功放模块在不同温度下对应的栅压值，并将所述栅压值转换为所述栅压供电模块输出该栅压值时对应的数字编码信号，通过信号接口发送至所述栅压供电模块，以对所述栅压供电模块输出电压进行微调，对所述氮化镓功放模块进行温度补偿。
3.如权利要求1或2所述的氮化镓功率放大器时序保护供电装置，其特征在于，还包括：功放电流检测模块，其中，
所述功放电流检测模块信号采集端与所述氮化镓功放模块连接，信号输出端与所述处理器的信号输入端连接，用于采集所述氮化镓功放模块的漏极实时电流值，并反馈至所述处理器，由所述处理器和已经录入的所述氮化镓功放模块在不同温度和栅极电压下的电流值进行对比，如果超出预设误差范围，则对所述氮化镓功放模块进行下电操作。
4.如权利要求3所述的氮化镓功率放大器时序保护供电装置，其特征在于，在所述氮化镓功放模块进行下电操作时，所述处理器通过IO接口将所述第一三极管的基极拉低，关闭对所述氮化镓功放模块的漏极供电，再依次关闭所述漏压供电模块和所述栅压供电模块。
5.如权利要求1所述的氮化镓功率放大器时序保护供电装置，其特征在于，所述第一三极管和第二三极管为NPN三极管。
6.如权利要求1所述的氮化镓功率放大器时序保护供电装置，其特征在于，所述栅压供电模块根据接收到的来自所述处理器的数字编码信号，向所述氮化镓功放模块输出对应的栅压值，同时将此栅压值经过分压后输入给所述第一比较器和第二比较器，分别与预设的上限参考电压值和下限参考电压值进行比较；
如果栅压值经分压后的电压值大于所述上限参考电压或小于所述下限参考电压，则所述第一比较器或第二比较器输出低电平，通过所述第一三极管和第二三极管，使所述PMOS管处于关断状态，以关闭对所述氮化镓功放模块的漏极供电；如果栅压值经分压后的电压值小于上限参考电压且同时大于下限参考电压，则所述第一比较器和第二比较器同时输出高电平。
7.如权利要求1所述的氮化镓功率放大器时序保护供电装置，其特征在于，所述处理器将与所述第一三极管的基极相连的IO接口输出低电平，以关断所述第一三极管，并通过所述第二三极管关断所述PMOS管；所述处理器通过IO接口使能所述漏压供电模块，通过IO接口拉高所述第一三极管的基极的电平，以导通所述第一三极管，关断所述第二三极管；通过所述第二二极管将所述PMOS管的栅极拉低，以打开对所述氮化镓功放模块的漏极的供电，所述氮化镓功放模块处于正常工作状态。
8.如权利要求1所述的氮化镓功率放大器时序保护供电装置，其特征在于，所述处理器采用单片机芯片。
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