一种Doherty型GaN功放的负栅压偏置保护电路和方法与流程

本发明涉及doherty型gan功放保护，具体涉及一种doherty型gan功放的负栅压偏置保护电路和方法。

背景技术：

1、随着5g/6g无线通信、卫星通信、雷达等技术的快速迭代，通信系统对射频功率放大器的输出功率、能量效率、高频性能及集成度提出了日益严苛的要求。功率放大器作为射频收发链路中能耗占比最高的核心器件，其性能直接决定了通信系统的覆盖范围、信号质量和续航能力，因此，研发高效率、高功率密度、高可靠性的射频功放成为业界持续攻关的核心方向。

2、在功放器件选型方面，以氮化镓（gan）为代表的宽禁带新型半导体器件，能够实现更高的功率密度、更快的开关频率和更低的导通损耗，可在高频、高压、大功率场景下稳定工作，完美适配5g/6g通信中高频段、大带宽、高功率的应用需求。另外gan大功率射频功放管多为耗尽型（d-mode）器件，受自身材料特性和器件结构影响，其栅极零偏压（vgs=0v）时，沟道已处于导通状态，即“常开状态”，且gan器件制造成本较高，一旦损坏将大幅增加成本。

3、在功放架构设计方面，为解决传统单端功放在功率回退状态下效率大幅下降的痛点，doherty架构凭借其独特的负载调制原理，成为高性能射频功放的主流架构。doherty功率放大器由载波放大器（主功放）和峰值放大器（辅功放）组成，其中载波放大器通常工作在ab类偏置，负责处理平均功率，兼顾线性度与效率；峰值放大器工作在c类偏置，仅在输入功率接近峰值时导通，补充峰值功率，从而在宽功率动态范围内维持较高的能量效率。

4、doherty型gan功放的正常稳定工作，离不开可靠的负栅压偏置保护机制，这是由gan器件特性、doherty架构特点及实际工程应用需求共同决定的。一方面，如前所述，gan功放管为耗尽型器件，零栅压下处于常开状态，若未施加合适的负栅压偏置，在电路上电、掉电过程中，电压波动影响时，极易出现栅压异常，导致漏极电流瞬间飙升，超出器件安全工作范围，进而造成gan功放管永久烧毁。doherty架构中载波级与峰值级功放管偏置类别不同、栅压需求存在差异，更易出现偏置异常问题。

5、另一方面，doherty架构的高效工作依赖于载波级与峰值级功放管的精准偏置匹配，载波级ab类偏置与峰值级c类偏置均需要特定范围的负栅压来稳定工作点，若负栅压偏置出现偏差、中断，不仅会导致功放效率、线性度等性能大幅退化，还可能因两级功放工作不协调引发连锁故障，损坏功放器件及周边电路。此外，在实际工程应用中，gan器件的阈值电压（vth）存在工艺离散性，且具有负温度系数，温度变化会导致栅压漂移，进一步增加偏置异常的风险，若缺乏有效的保护机制，将严重影响doherty型gan功放的工作可靠性和使用寿命，限制其在高端通信设备中的规模化应用。

6、结合上述内容，现有用于doherty架构功放的偏置保护电路在使doherty架构功放高效工作时需要考虑如何提供合适时序的栅极偏置电压和漏极偏置电压，以及需要使栅极偏置电压和漏极偏置电压的大小能适配不同的应用场景。

7、然而现有doherty架构功放的偏置保护电路有的基于三极实现具体为采用npn三极管的集电极与p沟道场效应管栅极相连，借由功放管栅极电压导通npn三极管进而拉低p沟道场效应管栅极电压使得漏极开通。虽然这种控制方式能达到时序保护要求，但对于npn三极管的基极电压范围存在限制从而并不适合不同偏压要求功放管的统一应用，同时也无法对功放管下电顺序做出安全保证。另外在一些实施方式中，会基于mcu来实现时序控制功能，相较于模拟控制方式基于mcu的方案存在更高的风险，一旦mcu出现问题，该电路就无法保证功放管上下电的时序，同时该方案包括多个电路模块，布板空间较大，不利于集成。

技术实现思路

1、鉴于背景技术的不足，本发明是提供了一种doherty型gan功放的负栅压偏置保护电路和方法，所要解决的技术问题是目前缺少一种为doherty架构功放提供符合要求时序且能兼容多种应用场景的偏置电压的偏置保护电路。

2、为解决以上技术问题，第一方面，本发明提供了如下技术方案：一种doherty型gan功放的负栅压偏置保护电路，包括ldo稳压电路、dc-dc转换电路、电压监测电路、第一负压产生电路和第二负压产生电路；

3、所述ldo稳压电路和dc-dc转换电路分别输入电源电压；

4、所述ldo稳压电路用于对输入的电源电压进行稳压并输出驱动电压v2；所述驱动电压v2分别输入到所述电压监测电路、第一负压产生电路和第二负压产生电路；

5、所述电压监测电路用于在所述驱动电压v2的电压大于设定阈值电压时向所述dc-dc转换电路输入使能信号；所述dc-dc转换电路接收到所述使能信号后对所述电源电压进行dc-dc转换，输出漏极偏置电压；

6、所述第一负压产生电路基于所述驱动电压v2输出第一负栅极偏置电压vgs1；所述第二负压产生电路基于所述驱动电压v2输出第二负栅极偏置电压vgs2。

7、在第一方面的某种实施方式中，所述dc-dc转换电路包括型号为lt3505的转换芯片u5；

8、所述转换芯片u5的五号引脚接地；

9、所述转换芯片u5的六号引脚通过电阻r14接地；

10、所述转换芯片u5的八号引脚依次通过电阻r16和电容c11接地；

11、所述转换芯片u5的三号引脚用于输入所述的电源电压；

12、所述转换芯片u5的四号引脚用于输入所述使能信号，且通过电容c10接地；

13、所述转换芯片u5的二号引脚通过第一钳位保护单元接地，且还分别与电感l1一端和电容c12一端电连接；所述电容c12另一端与转换芯片u5的一号引脚电连接；所述电感l1另一端通过第二钳位保护单元与转换芯片u5的一号引脚电连接，且还分别与电阻r16一端、电容c13一端和电容c14一端电连接，用于输出所述漏极偏置电压；所述电阻r16另一端和电容c13另一端均与所述转换芯片u5的七号引脚电连接；所述电容c14另一端接地。

14、在第一方面的某种实施方式中，所述第一钳位保护单元包括tvs二极管d1，所述tvs二极管d1的阴极与转换芯片u5的二号引脚接地，所述tvs二极管d1的阳极接地；

15、所述第二钳位保护单元包括tvs二极管d2，所述tvs二极管d2的阴极与转换芯片u5的一号引脚接地，所述tvs二极管d2的阳极与电感l1另一端电连接。

16、在第一方面的某种实施方式中，所述电源电压还输入到电容c15一端，所述电容c15另一端接地。

17、在第一方面的某种实施方式中，所述ldo稳压电路包括型号为lt1761-byp的稳压芯片u1；

18、所述稳压芯片u1的一号引脚用于输入所述电源电压；

19、所述稳压芯片u1的二号引脚接地；

20、所述稳压芯片u1的五号引脚通过电容c3与稳压芯片u1的三号引脚电连接，为ldo稳压电路的驱动电压v2输出端，且通过电容c2接地；

21、所述稳压芯片u1的五号引脚通过电阻r3与稳压芯片u1的四号引脚电连接，所述稳压芯片u1的四号引脚通过电阻r2接地。

22、在第一方面的某种实施方式中，所述第一负压产生电路和第二负压产生电路相同。

23、在第一方面的某种实施方式中，所述第一负压产生电路包括型号为ltc1261的负压产生芯片u2、电容c4、电容c9和电荷泵；

24、所述负压产生芯片u2的一号引脚用于输入所述驱动电压v2；

25、所述负压产生芯片u2的二号引脚通过所述电容c4与负压产生芯片u2的三号引脚电连接；

26、所述负压产生芯片u2的四号引脚接地；

27、所述负压产生芯片u2的五号引脚通过所述电容c9接地；

28、所述负压产生芯片u2的六号引脚与所述电荷泵的输入端电连接，所述电荷泵的输出端用于输出所述负栅极偏置电压；

29、所述负压产生芯片u2的七号引脚通过电阻r11输入所述驱动电压v2。

30、在第一方面的某种实施方式中，所述电荷泵包括电容c17、电阻r7、电容c8、电阻r6和电阻r13；

31、所述电容c17一端与电阻r7一端电连接，为电荷泵的输入端；所述电容c17另一端接地；所述电阻r7另一端与电阻r6一端电连接，且通过电容c8接地；所述电阻r6另一端为电荷泵的输出端，且通过所述电阻r13接地。

32、在第一方面的某种实施方式中，所述电压监测电路包括型号为lt1716的比较芯片u4；

33、所述比较芯片u4的四号引脚与电荷泵的输出端电连接；

34、所述比较芯片u4的五号引脚用于输入所述驱动电压v2，且通过电阻r10与比较芯片u4的三号引脚电连接；

35、所述比较芯片u4的一号引脚通过电阻r8与比较芯片u4的三号引脚电连接，且通过电阻r9输出所述使能信号；

36、所述比较芯片u4的二号引脚接地。

37、第二方面，本发明还提供了一种doherty型gan功放的负栅压偏置保护方法，所述方法如下：

38、在有电源电压接入时，先对所述电源电压进行稳压并输出驱动电压v2，然后基于所述驱动电压v2生成第一负栅极偏置电压vgs1和第二负栅极偏置电压vgs2；

39、对所述驱动电压v2进行监测，在驱动电压v2大于设定阈值电压时生成使能信号；

40、在有所述使能信号时，对所述电源电压进行dc-dc变换，输出漏极偏置电压；

41、在所述电源电压断开时，先使所述漏极偏置电压跌落，然后使所述第一负栅极偏置电压vgs1和第二负栅极偏置电压vgs2衰减。

42、本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：

43、在实际使用时，本发明的电路在电源电压接入时第一负压产生电路和第二负压产生电路先产生第一负栅极偏置电压和第二负栅极偏置电压，在ldo稳压电路输出的驱动电压v2稳定后即大于设定阈值电压时通过电压监测电路输出使能信号，dc-dc转换电路接收使能信号后输出漏极偏置电压，从而能保证先建立负栅极电压后建立正的漏极偏置电压，防止器件击穿；另外通过调整dc-dc转换电路输出的漏极偏置电压大小、第一负压产生电路输出的第一负栅极偏置电压的大小和第二负压产生电路输出的第二负栅极偏置电压大小，从而可以使电路能适配多种应用场景。