具有箝位和反馈保护电路系统的功率放大器的制作方法

具有箝位和反馈保护电路系统的功率放大器
1.优先权要求
2.本技术要求于2022年2月7日提交的名为“具有混合保护方案快速箝位和慢速反馈环路以实现更小大小和更好耐用性的5g功率放大器(5g power amplifier with hybrid protection scheme,fast clamp and slow feedback loop for smaller size and better ruggedness)”的第63/307,387号美国临时专利申请的优先权，所述临时专利申请的内容以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
3.本公开的技术大体上涉及功率放大器，并且具体涉及具有保护电路系统的功率放大器。


背景技术：

4.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多种功能的出现，寻找方法来增加促进这些功能的无线通信的带宽的压力越来越大。因此，蜂窝无线标准已演变成第五代新无线电(5g-nr)标准。这些新的蜂窝标准给发送器使用的功率放大器增加了额外负担，从而需要消耗相对大量的功率并生成大量废热的操作。保护功率放大器为创新创造了机会。


技术实现要素：

5.具体实施方式中公开的各方面包含具有箝位和反馈保护电路系统的功率放大器。在示例性方面，功率放大器最初由整体大小相对有限的快速作用的箝位电路保护。后续操作允许相对缓慢地作用的反馈环路主导对所述功率放大器的保护。通过提供各自针对特定保护阶段优化的两个保护电路，相关联保护电路系统的整体大小可减小，同时仍保护所述功率放大器免受故障引发条件的影响。
6.在这点上，在一个方面，公开一种功率放大器系统。所述功率放大器系统包括功率放大器级，所述功率放大器级包括输入节点和输出节点。所述功率放大器系统还包括偏置电路，所述偏置电路耦合到所述功率放大器级并且被配置成向所述功率放大器级提供偏置信号。所述功率放大器系统还包括耦合到所述功率放大器级的箝位件，所述箝位件被配置成基于第一阈值而限制电压电平。所述功率放大器系统还包括反馈保护环路，所述反馈保护环路耦合到所述偏置电路并且被配置成检测高于第二阈值的操作条件并将信号发送到所述偏置电路。所述偏置电路被配置成响应于所述信号而对所述功率放大器级解除偏置。
7.在另一方面，公开一种功率放大器系统。所述功率放大器系统包括功率放大器级。所述功率放大器系统还包括偏置电路，所述偏置电路耦合到所述功率放大器级并且被配置成向所述功率放大器级提供偏置信号。所述功率放大器系统还包括过温反馈保护环路，所
述过温反馈保护环路耦合到所述偏置电路并且被配置成当达到阈值温度时使所述偏置电路对所述功率放大器级解除偏置。所述过温反馈保护环路包括物理上接近所述功率放大器级的温度传感器。所述过温反馈保护环路还包括温度无关电压源。所述过温反馈保护环路还包括耦合到所述温度传感器和所述温度无关电压源的比较器。
附图说明
8.图1是具有反馈保护电路的常规功率放大器的框图；
9.图2是具有箝位保护电路的常规功率放大器的框图；
10.图3是根据本公开的示例性方面的具有反馈保护电路和输出箝位保护电路的功率放大器的框图；
11.图4是根据本公开的示例性方面的具有反馈保护电路和两个箝位保护电路的功率放大器的框图；
12.图5是根据本公开的示例性方面的具有反馈保护电路和输入箝位保护电路的功率放大器的框图；
13.图6是根据本公开的示例性方面的具有反馈保护电路和两个箝位保护电路的多级功率放大器的框图；
14.图7是根据本公开的示例性方面的具有多个反馈保护电路和多个箝位保护电路的多级功率放大器的框图；
15.图8是可单独或结合本公开的箝位电路使用的过温保护电路的框图；
16.图9是根据第一示例性方面的在图8的参考电路上扩展的框图；
17.图10是针对图8的电路提供替代感测电路的框图；以及
18.图11是示出电阻器分割器可如何用于缩放图8的参考电路的电路图。
具体实施方式
19.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说明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。
20.应理解，尽管术语第一、第二等在本文中可以用于描述各种元件，但这些元件不应受这些术语限制。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。
21.应当理解，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。
22.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、层或区域与如图所示的另一元件、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含除附图中描绘的朝向之外的装置的不同朝向。
23.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”也旨在包含复数形式。还应理解，当在本文中使用时，项“包括(comprises/comprising)”和/或包含(includes/including)指定存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的群组。
24.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。
25.具体实施方式中公开的各方面包含具有箝位和反馈保护电路系统的功率放大器。在示例性方面，功率放大器最初由整体大小相对有限的快速作用的箝位电路保护。后续操作允许相对缓慢地作用的反馈环路主导对所述功率放大器的保护。通过提供各自针对特定保护阶段优化的两个保护电路，相关联保护电路系统的整体大小可减小，同时仍保护所述功率放大器免受故障引发条件的影响。
26.在论述本公开的示例性方面之前，参考图1和2论述保护功率放大器的传统方式的简要概述。下面参考图3开始论述本公开的示例性方面。
27.在这点上，图1是功率放大器系统100的框图，所述功率放大器系统包含功率放大器级102，所述功率放大器级具有被配置成接收射频(rf)交流电(ac)信号的输入节点104和被配置成提供放大信号的输出节点106。电容器108阻止输入节点104处的直流电(dc)信号到达功率放大器级102的输入112。偏置电路110可通过镇流电阻器114耦合到功率放大器级102的输入112。功率放大器级102可另外耦合到供应电压116和接地118。
28.可通过第一反馈保护环路120保护功率放大器级102免受失控功率条件的影响，所述第一反馈保护环路可包含向偏置电路110提供信号的电流检测器122。当电流检测器122检测到偏置电路110处的电流高于预定阈值时，第一反馈保护环路120可使偏置电路110对功率放大器级102解除偏置，由此减小功率放大器级102使用的功率。
29.类似地，可通过第二反馈保护环路124保护功率放大器级102免受失控功率条件的影响，所述第二反馈保护环路可包含向偏置电路110提供信号的电压检测器126。当电压检测器126检测到供应电压116处的电压高于预定阈值时，第二反馈保护环路124可使偏置电路110对功率放大器级102解除偏置，由此减小功率放大器级102使用的功率。应注意，在一些情况下，第二反馈保护环路124可与第一反馈保护环路120组合(由箭头128表示)。此类组合的最终结果仍然是向偏置电路110提供信号以对功率放大器级102解除偏置。
30.传统上，反馈保护环路120、124相对慢速地作用。也就是说，检测器122、126必须首先检测超阈值条件，然后将信号发送到偏置电路110。偏置电路110继而调整输入112处的电压电平或电流电平以降低被功率放大器级102放大的信号。这种调整需要时间，在此期间，
功率放大器级102仍可能生成足够的热来损坏功率放大器级102。
31.代替使用反馈保护环路120、124，另一种传统方法是在功率放大器级的输入或输出(或这两者)处使用箝位件，如图2中的功率放大器系统200更好地示出。具体地说，功率放大器系统200可包含具有输入节点204和输出节点206的功率放大器级202。输出箝位件208可耦合到输出节点206。传统上，输出箝位件208由多个堆叠二极管210(1)-210(n)形成。另外，功率放大器系统200可包含耦合到输入节点204的输入箝位件212。应注意，在功率放大器级202是一连串功率放大器级(未示出)的部分的情况下，输入箝位件212可被称为级间箝位件，并且还可耦合到前一功率放大器级的输出。输入箝位件212可由多个二极管214和晶体管216形成。当聚集足够的二极管210(1)-210(n)时，实例化此类二极管所需的总空间相对较大，在许多情况下，大小等于功率放大器级202。然而，较大的大小允许箝位件208、212相对快速地作用以限制功率放大器级202使用的电压和电流并保护功率放大器级202免受损害。这种快速作用的保护的不利的一面是二极管的上述大小和功耗。
32.没有一个解决方案能单独针对保护功率放大器级的需求提供完美解决方案。本公开的示例性方面采用两种解决方案的最优点，并将它们组合成超越其部分的总和的整体。具体地说，相对小但快速作用的输出箝位件可与相对慢速的反馈保护环路结合使用。具体地说，反馈保护环路可在第一阈值处激活，但反馈保护环路的时延意味着功率放大器级的输出功率将很可能继续上升，从而超过与箝位件相关联的第二阈值，其中所述第二阈值大于所述第一阈值。当达到此第二阈值时，箝位件快速作用以将功率限制于第二阈值。由于第二阈值大于第一阈值，因此反馈保护环路继续通过偏置电路对功率放大器级解除偏置，最终使功率降到第一阈值，使得箝位件不再起作用。
33.总体概念由图3中的功率放大器系统300示出。功率放大器系统300可包含具有输入节点304和输出节点306的功率放大器级302。取决于反馈保护环路308的性质，所述反馈保护环路可在输出节点306或其它位置耦合到功率放大器级302。当功率电平的指标(proxy)(例如，电压电平、电流电平、温度或实际功率电平)超过第一阈值时，反馈保护环路308可作用以使得偏置电路310对功率放大器级302解除偏置。输出箝位件312还可与输出节点306相关联或耦合到所述输出节点。相对于反馈保护环路308，输出箝位件312相对快速但在输出节点306处的功率电平超过第二阈值时被激活。即使不直接将第一阈值与输出节点306处的功率电平进行比较，输出节点306处的功率电平在第二阈值处也会高于达到第一阈值时在输出节点306处的功率电平。
34.因此，在操作中，随着由功率放大器级302消耗的功率增加(如由指标或实际功率电平所测)，第一阈值将被超过，并且反馈保护环路308将开始指示偏置电路310对功率放大器级302解除偏置。然而，此反馈保护环路308相对缓慢，因此由功率放大器级302消耗的功率将继续增加，直到其达到第二阈值，并且输出箝位件312开始限制功耗。因为第二阈值相对较高，并且因为输出箝位件312不必在延长的时间段内限制功率，所以输出箝位件312的大小可相对较小(例如，更少的堆叠二极管)。在输出箝位件312发生故障之前，反馈保护环路308将有时间充分对功率放大器级302解除偏置以防止对功率放大器级302的损坏，并且输出箝位件312可关断。应注意，阈值可以是可编程的，并且可通过此类编程来调整所述阈值的关系。具体地说，开关可在输出箝位件312内的二极管堆叠内切换输入/输出二极管。此类开关可由控制电路(未示出)控制。所述控制电路可另外调整寄存器内由反馈保护环路
308内的比较器使用的值。在不脱离本公开的情况下，也可使用编程阈值的其它方式。
35.这种混合保护方案存在许多变型。例如，如图4中所示，输入箝位件400用以形成功率放大器系统402。其它元件保持相同，但输入箝位件400可类似地是小的快速箝位件。
36.另一示例性方面是图5中所示的功率放大器系统500。具体地说，在输入节点304之前添加驱动器放大器级502，从而使输入箝位件成为级间箝位件504，但在功能上，级间箝位件504可与输入箝位件400相同。
37.图6示出类似的功率放大器系统600，其包含驱动器放大器级502和级间箝位件504以及输出箝位件312。箝位件312和504可具有不同阈值或相同阈值，并且在任一情况下，所述阈值高于反馈保护环路308的第一阈值。
38.虽然上文论述仅示出单个通用反馈保护环路308，但应了解，反馈保护环路308可以是过电流保护环路、过电压保护环路、过功率保护环路或过温保护环路。关于此类保护环路的更多细节可见于2021年9月29日提交的共同拥有的第17/488,877号美国专利申请中，所述申请以全文引用的方式并入本文中。此外，代替仅单个反馈保护环路308，可存在多个反馈保护环路。例如，过电流和过电压保护反馈保护环路两者都可存在(或组合到单个环路中)。
39.图7中示出的示例性功率放大器系统700示出可如何和谐地使用多种反馈保护环路和箝位件。具体地说，功率放大器系统700可具有可以是驱动器放大器级的第一功率放大器级702和可以是输出放大器级的第二功率放大器级704。第一功率放大器级702可耦合到接收待被放大的rf输入信号(rfin)的输入节点706。尽管未示出，但dc阻挡电容器可存在于输入节点706与第一功率放大器级702之间。第一功率放大器级702的输出可通过在其间的节点708耦合到第二功率放大器级704的输入。同样，dc阻挡电容器(未示出)可存在于第一功率放大器级702与第二功率放大器级704之间。第二功率放大器级704的输出可耦合到开关和滤波器电路710。开关和滤波器电路710可耦合到天线712。此外，开关和滤波器电路710可包含分布开关(dsw)714、例如表面声波(saw)滤波器等一个或多个滤波器716以及天线开关718。开关714、718可在频带模式、蜂窝模式(例如，5g-nr与4g lte)之间、发送模式与接收模式之间切换等，但不是本公开的重点。第一功率放大器级702可由第一偏置电路720偏置。第二功率放大器级704可由第二偏置电路722偏置。
40.第一功率放大器级702可由相对较小且相对较快的第一输入箝位件724保护。第一功率放大器级702可另外由利用pin检测器728检测输入功率(pin)的功率反馈保护环路726保护。如果pin高于第一阈值，则可将信号提供到第一偏置电路720以对第一功率放大器级702解除偏置。如上文所描述，第一阈值可低于激活第一输入箝位件724的第二阈值。第一功率放大器级702还可由第二反馈保护环路730保护，所述第二反馈保护环路可以是例如过电压保护(ovp)环路。当第二反馈保护环路730检测到高于第三阈值的电压作为功率电平的指标时，第二反馈保护环路730可将信号发送到第一偏置电路720以对第一功率放大器级702解除偏置。类似地，第三阈值被选择为低于第一输入箝位件724的第二阈值。
41.第二功率放大器级704可受箝位件732保护。应注意，虽然箝位件732是第一功率放大器级702的输出箝位件，但它是第二功率放大器级704的输入或级间箝位件。由此，箝位件732可保护功率放大器级702和704两者。应注意，在其处接通箝位件732的阈值可高于第一和第三阈值。第二功率放大器级704还可受输出箝位件734保护。第二功率放大器级704还可
由过温反馈保护环路736保护，所述过温反馈保护环路向第二偏置电路722或向过电流反馈保护环路(ocp)738提供过温条件信号。ocp环路738可从电流检测器740接收电流信号。基于电流信号和/或过温条件信号，ocp环738可将信号发送到第二偏置电路722以对第二功率放大器级704解除偏置。第二功率放大器级704还可受过电压反馈保护环路(ovp)742保护。同样，在其处激活反馈保护环路736、738、742的阈值可低于箝位件732、734的阈值。
42.另外，功率反馈保护环路744可用检测器746测量反射或反向功率(prev)，并将信号提供到偏置电路722。应注意，并非所有反馈保护环路726、730、736、738、742都需要存在。类似地，在不脱离本公开的范围的情况下，可存在额外反馈保护环路(例如，第一功率放大器级702的过温反馈保护环路)。
43.虽然先前并入的'877申请提供了许多可能的反馈保护环路细节，但本公开还提供了如参照图8-11所描述的示例性过温保护(otp)环路。图8示出此类otp环路800，其中功率放大器管芯802具有相对热的功率单元804(例如，功率放大器级)和温度电路806。功率单元804向比较器808提供温度相关信号。温度电路806向比较器808提供温度无关参考信号。基于信号之间的增量，比较器808可生成otp控制信号。额外细节在图9中提供，其中功率单元804可包含温度传感器900以将温度相关信号提供到比较器808。温度电路806可包含带隙参考电路902和缩放因子电路904。
44.如图10中所示，温度传感器900可以是被设计成随着装置温度的增加而提供减小的电压的与绝对温度成比例(ptat)传感器1000(有时称为ntat)，或者可以是被设计成随着装置温度的增加而提供增加的电压的ptat传感器1002。
45.图11中提供关于可能的缩放因子电路904的额外示例性细节，其中由电阻器1100和1102形成的电阻器分割器电路耦合到电流源1104和形成传感器1002的晶体管1106。电流源1104由带隙参考电路902控制，并且ntat信号由晶体管1106提供。
46.进一步值得注意的是，本公开的各方面可以是单端的(如上所示)、差分的、正交的等。此外，本公开的各方面可通过n型材料场效应晶体管(fet)(nfet)、p型材料fet(pfet)、互补金属氧化物半导体(cmos)fet、双极结晶体管(bjt)等实施。此外，可使用氮化镓(gan)、砷化镓(gaas)、碳化硅(sic)材料制备本公开的各方面。此外，本公开的各方面可形成于硅、绝缘体上硅(soi)、蓝宝石上硅(sos)、玻璃或其它衬底上。
47.还应注意，描述本文中的示例性方面中的任一者中所描述的操作步骤是为了提供示例和论述。可以用除了所说明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，可组合在示例性方面中所论述的一个或多个操作步骤。应理解，本领域的技术人员将易于显而易见，流程图中所说明的操作步骤可经受多种不同修改。所属领域的技术人员还将了解，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。
48.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它变型。因此，本发明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。

技术特征：
1.一种功率放大器系统，包括：功率放大器级，其包括输入节点和输出节点；偏置电路，其耦合到所述功率放大器级，并且被配置成提供偏置信号到所述功率放大器级；箝位件，其耦合到所述功率放大器级，所述箝位件被配置成基于第一阈值而限制电压电平；以及反馈保护环路，其耦合到所述偏置电路并且被配置成检测高于第二阈值的操作条件并将信号发送到所述偏置电路，其中所述偏置电路被配置成响应于所述信号而对所述功率放大器级解除偏置。2.根据权利要求1所述的功率放大器系统，其中所述箝位件耦合到所述输入节点。3.根据权利要求1所述的功率放大器系统，其中所述箝位件耦合到所述输出节点。4.根据权利要求1所述的功率放大器系统，其中所述箝位件包括多个堆叠二极管。5.根据权利要求1所述的功率放大器系统，其中所述第一阈值和所述第二阈值是过功率条件的指标，并且所述第二阈值低于所述第一阈值。6.根据权利要求1所述的功率放大器系统，其中所述反馈保护环路被配置成比所述箝位件调整所述功率放大器级内的功率更慢地调整所述功率放大器级内的功率。7.根据权利要求6所述的功率放大器系统，其中所述箝位件被配置成当所述反馈保护环路开始减小所述功率放大器级内的功率时关断。8.根据权利要求1所述的功率放大器系统，其中所述反馈保护环路包括过电压反馈保护环路。9.根据权利要求1所述的功率放大器系统，其中所述反馈保护环路包括过电流反馈保护环路。10.根据权利要求1所述的功率放大器系统，其中所述反馈保护环路包括过温反馈保护环路。11.根据权利要求1所述的功率放大器系统，其中所述反馈保护环路包括过功率反馈保护环路。12.根据权利要求1所述的功率放大器系统，另外包括耦合到所述输入节点的第二功率放大器级。13.根据权利要求1所述的功率放大器系统，另外包括耦合到所述输出节点的第二箝位件，并且其中所述箝位件耦合到所述输入节点。14.根据权利要求1所述的功率放大器系统，其中所述反馈保护环路包括选自由以下组成的群组的多个反馈保护环路：过电流反馈保护环路、过电压反馈保护环路、过温反馈保护环路和过功率反馈保护环路。15.根据权利要求1所述的功率放大器系统，其中所述第一阈值和所述第二阈值被配置成被动态地编程。16.一种功率放大器系统，包括：功率放大器级；偏置电路，其耦合到所述功率放大器级，并且被配置成提供偏置信号到所述功率放大器级；以及
过温反馈保护环路，其耦合到所述偏置电路并且被配置成当达到阈值温度时使所述偏置电路对所述功率放大器级解除偏置，所述过温反馈保护环路包括：温度传感器，其物理上接近所述功率放大器级；温度无关电压源；以及比较器，其耦合到所述温度传感器和所述温度无关电压源。17.根据权利要求16所述的功率放大器系统，另外包括耦合到所述偏置电路的第二反馈保护环路。18.根据权利要求17所述的功率放大器系统，其中所述比较器耦合到所述第二反馈保护环路。

技术总结
公开一种具有箝位和反馈保护电路系统的功率放大器。在一个方面，所述功率放大器最初由整体大小相对有限的快速作用的箝位电路保护。后续操作允许相对缓慢地作用的反馈环路主导对所述功率放大器的保护。通过提供各自针对特定保护阶段优化的两个保护电路，相关联保护电路系统的整体大小可减小，同时仍保护所述功率放大器免受故障引发条件的影响。率放大器免受故障引发条件的影响。率放大器免受故障引发条件的影响。


技术研发人员：B
受保护的技术使用者：QORVO美国公司
技术研发日：2023.02.07
技术公布日：2023/8/9