功率放大器的保护电路和控制方法及功率放大模块与流程

1.本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种功率放大器的保护电路和控制方法及功率放大模块。


背景技术：

2.功率放大器，简称“功放”，指在给定失真率条件下，能产生最大功率输出以驱动某一负载的放大器，在频射通信系统中，控制信号通常需要经过功率放大器放大后再经由天线发出，因而功率放大器可以说是频射通信系统中的核心组件。
3.但是，在工作过程中，射频通信系统可能会受到天线失配或者浪涌电压的考验，进而影响功率放大器的可靠性。特别是在如今热门的5g通信系统中，功率放大器工作在更高的电源电压以满足线性度指标的要求，高电源电压意味着更高的发射功率以及更大的发热，这无疑会严重的威胁功率放大器的可靠性。
4.目前，现有技术通常从版图布局、芯片面积或者输出辅助等方面对功率放大器进行优化，进而提高功率放大器的可靠性，但是以上方法仅适用于传统的功率放大器，已不能满足5g通信系统中提高功率放大器可靠性的要求。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明实施例提供一种功率放大器的保护电路，以提高5g通信系统中的功率放大器的可靠性。
6.为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
7.本发明第一方面提供一种功率放大器的保护电路，包括：采样电路和放大电路；其中：
8.所述采样电路的输入端，作为所述功率放大器的保护电路的输入端、接收所述功率放大器的电源电压；
9.所述采样电路的输出端与所述放大电路的输入端相连；
10.所述放大电路的输出端，作为所述功率放大器的保护电路的输出端、连接至所述功率放大器中偏置电路的控制端。
11.优选的，所述功率放大器为多级功率放大器时，所述采样电路的输入端接收所述功率放大器中任意一级的电源电压，所述放大电路的输出端连接至所述功率放大器中至少一级偏置电路的控制端。
12.优选的，所述采样电路包括：第一电容和至少一个二极管，其中：
13.各个所述二极管串联连接，串联后的正极作为所述采样电路的输入端，串联后的负极与所述第一电容的一端相连，连接点作为所述采样电路的输出端；所述第一电容的另一端接地。
14.优选的，所述采样电路包括：第一三极管和第一电容，其中：
15.所述第一三极管的基极为所述采样电路的输入端，所述第一三极管的集电极或者
发射极通过所述第一电容接地；所述第一三极管与所述第一电容的连接点作为所述采样电路的输出端。
16.优选的，所述放大电路，包括：第二三极管、第一电阻以及第二电阻；其中：
17.所述第一电阻的一端与所述第二电阻的一端相连，连接点作为所述放大电路的输入端；
18.所述第一电阻的另一端接地；
19.所述第二电阻的另一端与所述第二三极管的基极相连；
20.所述第二三极管的发射极接地；
21.所述第二三极管的集电极作为所述放大电路的输出端。
22.优选的，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值分别为相应的预设值。
23.本发明第二方面还提供一种功率放大模块，包括：功率放大器、偏置电路和如上述任一所述的功率放大器的保护电路；
24.所述功率放大器的电源端接收电源电压；
25.所述偏置电路的输出端与所述功率放大器的偏置端相连。
26.优选的，所述功率放大器为n级功率放大器，所述偏置电路的个数为n，n为正整数；
27.各个所述偏置电路的输出端分别与所述功率放大器中各级的偏置端一一对应相连。
28.优选的，所述偏置电路包括：第三三极管、第四三极管、第五三极管、第三电阻以及第二电容；其中：
29.所述第三电阻的一端作为所述偏置电路的一个输入端、接收偏置电流，所述第三电阻的另一端连接第四三极管的集电极和基极，所述第四三级管的发射极和所述第五三极管的基极与集电极连接；
30.所述第五三极管的发射极接地；
31.所述第三三极管的集电极作为所述偏置电路的另一个输入端、接收偏置电压，所述第三三极管的发射极作为所述偏置电路的输出端；
32.所述第三三极管的基极与所述第四三极管的基极相连，且其连接点通过所述第二电容接地；
33.所述第三三极管的基极或者所述第五三极管的基极作为所述偏置电路的控制端。
34.本发明第三方面还提供了一种功率放大器的控制方法，应用于如上述任一所述的功率放大器的保护电路，包括：
35.所述保护电路中的采样电路采样所述功率放大器的电源电压，并输出采样电压；
36.所述保护电路中的放大电路在所述采样电压大于预设电压值时，控制所述功率放大器的偏置电路，降低或者关断所述功率放大器的偏置电流。
37.优选的，所述保护电路中的采样电路采样所述功率放大器的电源电压，并输出采样电压，包括：
38.所述采样电路分别对所述功率放大器的电源电压中的直流部分和交流部分进行采样，并将采样结果输出至所述放大电路。
39.优选的，所述保护电路中的放大电路在所述采样电压大于预设电压值时，控制所述功率放大器的偏置电路，降低或者关断所述功率放大器的偏置电流，包括：
40.在所述采样电压大于预设电压值时，所述放大电路将自身接收到的电流进行放大后输出至所述偏置电路的控制端，以降低或者关断所述功率放大器的偏置电流。
41.本发明实施例提供的一种功率放大器的保护电路，包括采样电路和放大电路，以采样电路的输入端作为功率放大器的保护电路的输入端，接收功率放大器的电源电压，并将采样结果通过放大电路放大后作用于功率放大器中偏置电路的控制端，降低或者关断功率放大器的偏置电流，实现功率放大器对高电压和高功率状态的保护，进而提高功率放大器在5g通信系统中处于高电源的工作环境下的可靠性。
附图说明
42.为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
43.图1为本发明实施例提供的一种功率放大器模块的结构示意图；
44.图2为本发明实施例提供的一种功率放大器的保护电路中采样电路的结构示意图；
45.图3为本发明实施例提供的一种功率放大器的保护电路中另一种采样电路的结构示意图；
46.图4为本发明实施例提供的一种功率放大器的保护电路中放大电路的结构示意图；
47.图5为本发明实施例提供的一种功率放大器的保护电路的具体连接关系图；
48.图6为本发明另一实施例提供的将一种功率放大器的保护电路应用到5g系统中，且功率放大器的电源电压固定为4.5v时该工作电流的变化趋势图；
49.图7为本发明另一实施例提供的将一种功率放大器的保护电路应用到5g系统中，且功率放大器的输入功率固定为-30dbm时该工作电流的变化趋势图；
50.图8为本发明另一实施例提供的一种功率放大模块中的偏置电路的结构示意图；
51.图9为本发明另一实施例提供的一种功率放大模块中仅有一个偏置电路的结构示意图；
52.图10为本发明另一实施例提供的一种功率放大模块中有两个偏置电路的结构示意图；
53.图11为本发明另一实施例提供的一种功率放大器的控制方法的流程图。
具体实施方式
54.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。
55.在本技术中，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，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
56.本发明提供的一种功率放大器的保护电路，以提高5g通信系统中的功率放大器的可靠性。
57.在射频通信技术领域中，功率放大器的输入端接收某一信号，在保证信号不受损坏的前提下，通过功率放大器将该信号放大后由其输出端输出，以最大的输出功率驱动负载。如图1所示，功率放大器的输入端(如图1中所示的射频输入)接收射频信号，经放大后由其输出端(如图1中所示的射频输出)输出，本实施例提供的功率放大器的保护电路的输入端检测功率放大器的电源电压，该功率放大器的保护电路的输出端连接功率放大器的偏置电路的控制端，而偏置电路连接功率放大器的偏置端，可以说本实施例提供的功率放大器的保护电路和偏置电路是功率放大器的外围电路，并且二者与功率放大器共同构成功率放大模块来进行功率放大的应用。
58.由图1可见，本实施例提供的功率放大器的保护电路包括：采样电路110和放大电路120；其中：
59.采样电路110的输入端作为功率放大器的保护电路的输入端、接收功率放大器的电源电压；
60.采样电路110的输出端与放大电路120的输入端相连；
61.放大电路120的输出端，作为功率放大器的保护电路的输出端、连接至功率放大器中偏置电路的控制端。
62.具体的，功率放大器的电源电压可以分为直流部分和交流部分，采样电路110对两个部分分别进行采样，其中，对功率放大器的电源电压的直流部分进行检测是为了保证功率放大器处于高电压工作环境下的性能，而对于交流部分进行检测则是为了避免功率放大器工作于大功率环境下进而影响其可靠性，或者说，为了提高功率放大器的适配度。
63.该功率放大器的保护电路的采样电路110包括：第一电容c1和至少一个二极管，该采样电路110中二极管的数量可由技术人员根据实际情况进行调整，均在本发明的保护范围之内。本实施例以采样电路110具有三个二极管d1-d3为例进行说明，该采样电路110的结构示意图如图2所示，二极管d1-d3串联连接，串联后的正极作为采样电路110的输入端，串联后的负极则与第一电容c1的一端相连，其连接点作为采样电路110的输出端，且第一电容c1的另一端接地。
64.另外，以上串联的二极管d1-d3也可以采用三极管的be结或者bc结实现，其结构示意图如图3所示，此时，采样电路110包括：第一三极管npn1和第一电容c1；其中，第一三极管npn1的基极为采样电路110的输入端，第一三极管npn1的集电极或者发射极通过第一电容c1接地；第一三极管npn1与第一电容c1的连接点作为采样电路110的输出端。
65.而功率放大器的保护电路的放大电路120包括：第二三极管npn2、第一电阻r1以及第二电阻r2，其结构示意图如图4所示，放大电路120的具体连接关系为：第一电阻r1的一端与第二电阻r2的一端相连，连接点作为放大电路120的输入端，而第一电阻r1的另一端接地，第二电阻r2的另一端与第二三极管npn2的基极相连；第二三极管npn2的发射极接地；第二三极管npn2的集电极作为放大电路120的输出端。其中，第一电阻r1和第二电阻r2的阻值
可由技术人员根据实际情况进行设置，通过设置第一电阻r1和第二电阻r2的阻值分别为相应的预设值，可以对功率放大器的电源电压的检测阈值进行微调；两个预设值的具体取值不做限定，视其应用环境而定即可，均在本技术的保护范围内。
66.将上述采样电路110以及放大电路120连接至功率放大器，可得本实施例提供的功率放大器的保护电路的具体结构示意图如图5所示，根据其连接关系，可知该保护电路的工作原理为：采样电路110接收功率放大器的电源电压后，该电源电压经过采样电路110中串联的二极管d1-d3以及放大电路120中第二三极管npn2的be结构成二极管分压，当采样到的电源电压的直流部分超过此电压，二极管d1-d3产生电流，而该电流经过第二三极管npn2放大后作用于偏置电路的控制端；同理，对电源电压中的交流部分经过二极管d1-d3和c1进行整流，同样由第二二极管npn2放大后作用于偏置电路的控制端，进而降低或者直接关断偏置电流。
67.本实施例提供的该功率放大电路的保护电路，在电源电压的直流部分或者交流部分超过保护电路中的二极管分压时，二极管产生电流并通过放大电路放大后作用于偏置电路，降低或者直接关断功率放大器中的偏置电流，实现对功率放大器处于高电压或者高功率的状态下的保护，即提高了功率放大器在5g通信系统中处于高电压的工作环境下的可靠性。
68.实际应用中，上述功率放大器可以是单级或者多级功率放大器，并且，多级功率放大器中的各级放大器可以共用一个偏置电路，也可以分别配置一个相应的偏置电路。若采用多级功率放大器，则采样电路110的输入端可以接收功率放大器中任意一级的电源电压，此时，放大电路120的输出端可连接至任意一个或者多个偏置电路的控制端，根据实际情况而定即可，均在本技术的保护范围内。
69.本发明另一实施例将上述功率放大器的保护电路应用于具体的工作场景中，比如，将其用于5g应用系统中，此时，功率放大器的最高电源电压为4.5v。若将功率放大器的电源电压固定在4.5v，则上述实施例具有保护电路的功率放大器的工作电流随着输入功率的变化趋势如图6所示；但是，若通过设置放大电路120中的第一电阻r1和第二电阻r2的阻值，可以将功率放大器的最高电源电压的检测阈值调整为5v，此时，将功率放大器的输入功率固定在-30dbm，则上述实施例具有保护电路的功率放大器的工作电流随着电源电压的变化趋势如图7所示。
70.由图6以及图7所示的功率放大器的工作电流的变化趋势可见，本发明提供的功率放大器的保护电路，无论该功率放大器工作在高电压还是高功率的环境下，都能及时控制功率放大器的工作电流及时的降低或者关断，保证了功率放大器的可靠性。
71.具体的原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。
72.本发明另一实施例提供了一种功率放大模块，该功率放大模块包括：功率放大器、偏置电路和上述实施例提供的功率放大器的保护电路；通常，功率放大器的输入端接收某种信号，在保证不失真的前提下，对其进行放大后输出，而偏置电路连接至功率放大器的偏置端并为其提供偏置电流，但是，若功率放大器工作在高电压或者高功率的环境下，此时偏置电流较高进而威胁功率放大器的可靠性。因此，通过上述功率放大器的保护电路，由其输入端连接功率放大器的任一级、其输出端连接偏置电路的控制端，可以实现功率放大器对高电压和高功率状态的保护，该功率放大模块的结构示意图可参照图1。
73.其中，上述实施例中采样电路110接收的电源电压是由本实施例的功率放大器的电源端所接收的电源电压，而该偏置电路的输出端与功率放大器的偏置端相连。
74.具体的，偏置电路的结构示意图如图8所示，该偏置电路包括：第三三极管npn3、第四三极管npn4、第五三极管npn5、第三电阻r3以及第二电容c2，其中：
75.第三电阻r3的一端作为偏置电路的一个输入端、接收偏置电流ibias，而第三电阻r3的另一端连接第四三极管npn4的集电极和基极，第四三级管npn4的发射级和第五三极管npn5的基极与集电极连接；
76.第五三极管npn5的发射极接地；
77.第三三极管npn3的集电极作为偏置电路的另一个输入端、接收偏置电压vbat，第三三极管npn3的发射极作为偏置电路的输出端；
78.第三三极管npn3的基极与第四三极管npn4的基极相连，且其连接点通过第二电容c2接地；
79.第三三极管npn3的基极或者第五三极管npn5的基极作为偏置电路的控制端。
80.该结构下，上述实施例中采样电路110的采样结果经过放大电路120放大后作用于偏置电路的控制端，具体为作用于偏置电路中的第三三极管npn3或者第五三极管npn5的基极上。
81.实际应用中，上述功率放大器可以是单级或者多级功率放大器，并且，多级功率放大器中的各级放大器可以共用一个偏置电路，也可以分别配置一个相应的偏置电路。若采用多级功率放大器，则采样电路110的输入端可以接收功率放大器中任意一级的电源电压，此时，放大电路120的输出端可连接至任意一个或者多个偏置电路的控制端，根据实际情况而定即可，均在本技术的保护范围内。
82.具体的，功率放大器为n级功率放大器时，则该功率放大模块的偏置电路的个数可以是一个，也可以是n个。若偏置电路的个数是n个，则各个偏置电路的输出端分别与功率放大器中各级的偏置端一一对应相连，并且，采样电路110可以采样多级功率放大器中的任意一级的电压，进而降低或关断任意一个或者多个偏置电路。例如，如图9和图10所示，图9中的功率放大器为二级、但是共用一个偏置电路，此时，采样电路110可以采样功率放大器第一级的电源电压vcc1(如图9所示)，也可以采样功率放大器第二级的电源电压vcc2(未进行图示)，在采样得到的vcc1或者vcc2超过二极管d1-d3和第二三极管npn2构成的二极管分压的情况下，通过第二三极管npn2对二极管产生的电流进行放大后作用于偏置电路的控制端，进而控制降低或关断偏置电路，即降低或者关断功率放大器中的偏置电流ib1；而图10的功率放大器同样有两级，而偏置电路的个数为两个(如图10所示的偏置电路1和偏置电路2，两者对应接收偏置电流ibias1和ibia2)，则采样电路110可采样功率放大器第二级的电源电压vcc2(如图10所示)，也可以采样功率放大器第一级的电源电压vcc1(未进行图示)，然后同样在采样得到的vcc1或者vcc2超过二极管分压的情况下，通过第二三极管npn2对二极管产生的电流进行放大后同时作用于两个偏置电路的控制端，同时将两个偏置电路都进行降低或关断，即降低或者关断功率放大器中的偏置电流ib1和ib2；同理，n级功率放大器具有n个偏置电路的工作原理可以此类推，不再一一列举，均在本发明的保护范围之内。
83.具体的原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。
84.本发明另一实施例还提供了一种功率放大器的控制方法，该控制方法应用于上述
任一实施例提供的功率放大器的保护电路，其流程图如图11所示，包括：
85.s101、保护电路中的采样电路采样功率放大器的电源电压，并输出采样电压。
86.具体的，如上述实施例提供的功率放大器的保护电路的连接关系可见，以图5所示结构为例，该保护电路中的采样电路具体是分别对功率放大器的电源电压中的直流部分和交流部分进行采样，并将采样结果输出至保护电路中的放大电路。
87.s102、判断采样电压是否大于预设电压值。
88.实际应用中，如上述实施例提供的功率放大器的保护电路的连接关系可见，以图5所示结构为例，该预设电压值可以取值为采样电路110中串联的二极管d1-d3以及放大电路120中第二三极管npn2的be结构成的二极管分压，但不仅限于此，本领域技术人员可以根据实际应用情况作出调整。若判断结果为是，则执行步骤s103。
89.s103、保护电路中的放大电路控制功率放大器的偏置电路，降低或者关断功率放大器的偏置电流。
90.在判断采样电压大于预设电压值之后，保护电路中的放大电路将自身接收到的电流进行放大后输出至偏置电路的控制端，把偏置电路中npn3的基极拉低，进而降低或者关断功率放大器的偏置电流。
91.其余的原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。
92.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
93.专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
94.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业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发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，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。