一种GaN功率放大器上电掉电时序控制电路的制作方法

一种gan功率放大器上电掉电时序控制电路
技术领域
1.本实用新型属于电子技术领域，具体涉及一种gan功率放大器上电掉电时序控制电路。


背景技术：

2.随着现代通信技术的发展，对通信系统中的核心部件功率放大器的要求越来越高：高功率、高效率、大带宽、低成本和小型化。传统的ldmos功率放大器已无法满足以上要求。得益于材料工艺及制造工艺的提升，具有大带宽、高功率、高效率的gan功率放大器应运而生，并应用于通信系统中。由于其栅极工作在负压状态，且对上电掉电的时序有着严格的要求，在电路设计或者使用不当的情况下极易发生gan功率放大器的损坏。因此，gan功率放大器的栅极和漏极上电掉电时序控制电路的设计就尤为重要。
3.目前，业内普遍使用的方案是采用专用的负压芯片来控制gan功率放大器的上电掉电时序，但这种方案成本高昂，并且无法有效避免电路上其他器件异常造成时序异常而导致gan功率放大器烧毁的情况。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于，提供一种gan功率放大器上电掉电时序控制电路，完成gan功率放大器的栅极和漏极上电掉电时序控制，并且在电路上其他器件异常时仍能有效保护gan功率放大器不被烧毁。
5.为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：
6.一种gan功率放大器上电掉电时序控制电路，包括主控芯片及与主控芯片相连的栅压开关控制电路和漏压开关控制电路；
7.栅压开关控制电路包括相连的栅压逻辑控制单元电路和栅压开关单元电路，栅压逻辑控制单元电路与主控芯片、系统整机输出的栅压控制信号连接，栅压开关单元电路与gan功率放大器的栅极连接；
8.漏压开关控制电路包括相连的漏压逻辑控制单元电路和漏压开关单元电路，漏压逻辑控制单元电路与主控芯片连接，漏压开关单元电路与gan功率放大器的漏极连接；gan功率放大器的栅极和漏压逻辑控制单元电路之间还连接有栅压检测单元电路。
9.进一步地，栅压开关控制电路还包括栅压产生单元电路，栅压产生单元电路与栅压开关单元电路连接。
10.进一步地，主控芯片内部设有dac模块，dac模块与栅压产生单元电路连接。
11.进一步地，栅压产生单元电路内部设有反比例放大器，将dac模块输出的正电压值反向。
12.进一步地，该时序控制电路还包括电压转换单元电路，将系统整机输入的电源电压转换为时序控制电路的工作电压。
13.进一步地，电压转换单元电路的负压具有掉电延时功能。
14.进一步地，该时序控制电路还包括电源，提供时序控制电路的工作电压。
15.进一步地，主控芯片为mcu。
16.本实用新型的有益效果是：本实用新型的gan功率放大器上电掉电时序控制电路，能够完成gan功率放大器的栅极和漏极上电掉电时序控制，成本低廉，并且能够在电路上其他器件异常时仍能有效保护gan功率放大器不被烧毁。
附图说明
17.图1是本实用新型的gan功率放大器上电掉电时序控制电路图。
18.图2是gan功率放大器栅极偏置电压产生及开关控制电路图。
19.图3是gan功率放大器漏极偏置电压时序控制及开关电路图。
具体实施方式
20.下面结合附图对本实用新型作进一步的说明：
21.本实用新型的gan功率放大器上电掉电时序控制电路适用于gan功率放大器的上电掉电时序控制。该时序控制电路通过使用通用的负压芯片降低了产品的成本，并实现了在任何情况下，上电时，先偏置gan功率放大器的栅极负压，待负压稳定后再偏置漏极的正压；掉电时，gan功率放大器的漏极正压先掉电，待漏极的正压掉电至安全范围后，栅极负压再掉电；并且在电路中有器件工作异常时仍然能有效保护gan功率放大器不烧毁。
22.本实用新型实施例的gan功率放大器上电掉电时序控制电路，如图1所示，包括主控芯片及与主控芯片相连的栅压开关控制电路和漏压开关控制电路；
23.栅压开关控制电路包括相连的栅压逻辑控制单元电路2和栅压开关单元电路，栅压逻辑控制单元电路与主控芯片、系统整机输出的栅压控制信号连接，栅压开关单元电路与gan功率放大器的栅极连接；
24.漏压开关控制电路包括相连的漏压逻辑控制单元电路1和漏压开关单元电路，漏压逻辑控制单元电路与主控芯片连接，漏压开关单元电路与gan功率放大器的漏极连接；gan功率放大器的栅极和漏压逻辑控制单元电路之间还连接有栅压检测单元电路。
25.进一步地，栅压开关控制电路还包括栅压产生单元电路，用于产生gan功率放大器栅极所需的偏置电压(负电压)；也可以同漏极一样，由电源转换单元电路产生栅压，再由栅压开关单元电路实现开关控制。
26.进一步地，该时序控制电路还包括电源转换单元电路，用于将系统整机输入的电源电压转换为时序控制电路的工作电压；此外，还可以单独给该时序控制电路设置一个电源，无需进行电源转换，直接提供时序控制电路所需的工作电压。
27.各单元电路主要完成以下功能：
28.(1)电源转换单元电路：将系统输入的电源电压转换为时序控制电路工作所需的 5v、 3.3v、
‑
5v电压，转换后的电源满足相应器件对电源质量、带载能力的需求。同时
‑
5v电源满足掉电延时的需求，保证在异常断电时，gan功率放大器的漏极正压先断电，栅极负压后断电。
29.(2)主控芯片：主控芯片实现对电路状态的监控和异常处理，并通过自带的dac实现对gan功率放大器栅压的控制，保证其正常工作。
30.(3)栅压和漏压逻辑控制单元电路：实现逻辑需求，控制栅压与漏压开关逻辑，保证其满足gan功率放大器的上电和掉电逻辑。
31.(4)栅压产生单元电路：在主控芯片的控制下，产生gan功率放大器栅极所需的偏置电压(负电压)。
32.(5)栅压开关单元电路：实现gan功率放大器栅极电压开关控制，开关控制信号由系统整机与主控芯片通过栅压逻辑控制单元电路进行控制。
33.(6)栅压检测单元电路：检测栅压是否已正常提供到gan功率放大器的栅极，并将检测结果提供给漏压开关逻辑控制单元。保证在上电过程中，栅极先上电，漏极后上电。
34.(7)漏压开关单元电路：实现gan功率放大器漏极电压开关控制，开关控制信号由主控芯片和栅极电压检测结果通过漏压逻辑控制单元电路进行控制。该单元电路掉电时间满足掉电时序需求，比栅极掉电快10倍，为异常情况的掉电提供了足够的时延保障。
35.为了更好地说明本实用新型的gan功率放大器上电掉电时序控制电路，如图2和图3所示，本实用新型还提供一种具体的电路实现方案。其中，图2包含了控制框图中的主控芯片、栅压逻辑控制单元电路、部分漏压逻辑控制单元电路、栅压产生单元电路及栅压开关单元电路。图3包含电源转换单元
‑
负压产生电路、栅压检测单元电路、剩余部分漏压逻辑控制单元电路及漏压开关单元电路。
36.如图2所示，由于主控芯片和栅压逻辑控制单元中包括很多与本实用新型不相关的内容，为了更好的理解这部分的内在逻辑关系，这两个部分采用逻辑框图的形式展现。主控芯片主要完成以下功能：
37.(1)提供可调整、可保存、可进行实时温度补偿的栅极偏置电压，本方案采用mcu自带的dac实现(正电压)。如图2所示，“dac1”为mcu输出的栅极偏置电压的正电压值。
38.(2)控制栅极偏置电压和漏极偏置电压的开启和关断。如图2所示，mcu输出的“drainvolt
‑
en
‑
mcu”信号控制漏极偏置电压的开启和关断(高电平开启，低电平关断)，“pa
‑
en
‑
mcu”控制栅极偏置电压的开启和关断(高电平开启，低电平关断)。
39.(3)完成栅极偏置电压检测、比较、异常告警关断，其功能可由mcu自带的比较器实现，该比较器自带内置可调参考。“vg
‑
det”信号为栅压检测信号，输入到mcu的比较输入端，可根据应用需求将内部可调参考设置为合理值。当输入电压异常，低于参考电压时，比较器输出信号“cmp
‑
en”输出低电平，启动相应的保护机制；反之输出高电平，正常工作。
40.逻辑控制单元电路1(漏压)中，信号“cmp
‑
en”与信号“drainvolt
‑
en
‑
mcu”分别输入到与门芯片的两个输入端，经逻辑与后输出信号“drainvolt
‑
sw”。即，“drainvolt
‑
sw”＝“cmp
‑
en”&&“drainvolt
‑
en
‑
mcu”。信号“drainvolt
‑
sw”为高电平时，漏极偏置电压开启，为低电平时，漏极偏置电压关断。
41.逻辑控制单元电路2(栅压)中信号“pa
‑
en
‑
mcu”与信号“pa
‑
en
‑
sys”(系统整机输出的栅压控制信号)分别输入到与门芯片的两个输入端，经逻辑与后输出信号“pa
‑
en”。即，“pa
‑
en”＝“pa
‑
en
‑
mcu”&&“pa
‑
en
‑
sys”。信号“pa
‑
en”为高电平时，栅极偏置电压开启，为低电平时，栅极偏置电压关断。
42.栅压控制单元电路通过运放构成的反比例放大器将mcu自带的dac输出的正电压值dac1反向，反向后的负电压dac1
‑
n输出到由模拟开关u2组成的栅压开关单元电路。u2为二选一开关，它由负电源供电，两个输入端b1接栅压dac1
‑
n，b0接负电源
‑
5v，使能信号为
“
pa
‑
en”(高电平开启栅压，低电平关断栅压)，输出端vg接gan功率放大器的栅极，为栅极提供偏置电压。u2的逻辑为：当使能信号“pa
‑
en”为高电平时，输出端vg与b1端dac1
‑
n导通，pa开启；当使能信号“pa
‑
en”为低电平时，输出端vg与b0端
‑
5v导通，pa关断。图2的几个电路单元完成了栅压的产生与开关控制。
43.如图3所示，负压产生电路中u1为负压转换芯片， 5v电源输入后通过u1产生负电源电压
‑
5v。c2、c3可调整负压产生时间和掉电时负压断电时间，可根据实际需求对容值进行调整来保证突然掉电时负压保持时间，本实用新型中负压保持时间为290ms。
44.栅压检测单元通过运放u4组成的反比例放大电路将栅极偏置电压“vg”(负压)转换成正电压“vg
‑
det”，提供给逻辑控制单元1中的模拟开关u3。u3为二选一开关，它的两个输入端b2接“vg
‑
det”，b1接地，使能信号为“drainvolt
‑
sw”，输出端“drainvolt
‑
en”接到漏压开关单元电路，作为漏压开关使能信号。u3的控制逻辑为：使能脚为高电平时，输出端与b2导通；使能脚为低电平时，输出端与b1导通。使能脚接下拉电阻r4，确保在上电瞬间使能脚为低电平。
45.漏压开关单元电路采用npn三极管q2和pmos管q1实现漏极偏置电压的开关控制。u3的输出端“drainvolt
‑
en”通过电阻r8连接到q2的基极，q1的源极连接到电源“ 48v_in”，q1的漏极连接到gan功率放大器的漏极。当“drainvolt
‑
en”为高电平时，q2的集电极与发射极导通，电源“ 48v_in”串联r3和r5到地，在q1的栅极和源极形成压差(设计合理的r3和r5阻值，确保压差大于导通门限电压)，q1的源极和漏极导通，gan功率放大器的漏极偏置电压开启。当“drainvolt_en”为低电平时，q2截止，r5连接q2的集电极端相当于悬空，q1截止，gan功率放大器的漏极偏置电压关断。
46.由于漏极偏置电压关断时是依靠gan功率放大器放电，放电较慢，并且gan功率放大器在不同导通状态下放电时间存在差异，无法保证一个可靠的断电时序，因此在q1的漏极接一个对地电阻r2，为gan功率放大器的漏极偏置电压提供了一个可靠的卸放回路。调整r2的阻值可调整漏压放电时间，本实用新型中gan功率放大器漏极偏置电压放电时间为22ms。
47.该电路的具体工作原理如下：
48.正常流程下，单板上电后，连接到u3使能脚的“drainvolt
‑
sw”信号为低电平(“cmp
‑
en”与“drainvolt
‑
en
‑
mcu”均为低电平)，u3的输出端与b1导通接到地，“drainvolt
‑
en”信号为低电平，q2、q1均截止，gan功率放大器的漏极偏置电压未开启。mcu检测到栅极偏置电压正常后，将“drainvolt
‑
en
‑
mcu”信号置为高电平。负压达到安全值后，比较器输出信号“cmp
‑
en”为高电平。那么信号“drainvolt
‑
sw”为高电平，u3的输出端与b2导通，“drainvolt
‑
en”信号为高电平，q2、q1均导通，gan功率放大器的漏极偏置电压开启。
49.如果负电源电压
‑
5v在上电前已经异常，那么单板上电后，栅压检测信号“vg
‑
det”为低电平
→
比较器输出信号“cmp
‑
en”为低电平
→
信号“drainvolt
‑
sw”为低电平
→
漏极偏置电压不开启。即使mcu也工作异常，由于“vg
‑
det”为低电平，u3输出的“drainvolt
‑
en”信号仍然为低电平，漏极偏置电压仍然不开启。
50.如果负电源电压(
‑
5v)在工作过程中发生异常，mcu自带的比较器检测到的栅极偏置电压异常，信号“cmp
‑
en”被置为低电平
→
信号“drainvolt
‑
sw”被置为低电平
→
漏极偏置电压关断。此过程中，mcu自带的比较器响应时间小于5ms，从负电源电压发生异常到mcu输
出的“drainvolt_en_mcu”信号置为低电平，再到gan功率放大器的漏极偏置电压放电完毕，总响应时间低于30ms。远远低于栅极负电压的保持时间，因此gan功率放大器仍然安全。
51.如果正常工作过程中，系统突然断电，由于正电源没有设计断电保持时间，它会快速断电。u3电源断电，无法工作，q2基极接了下拉电阻r9，迅速变为低电平，漏极偏置电压开始关断。而栅压开关电路中，u2由于负电源电压还在保持，还可以维持正常工作，而信号“pa
‑
en”接了下拉电阻，快速变为低电平，栅压vg与b0导通，输出
‑
5v。本实用新型经测试，系统突然断电情况下，漏压降至安全电压后260ms左右，栅极负压才完全断电，因此gan功率放大器仍然安全。
52.以上实施例以及原理仅用于说明本实用新型的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，本实用新型的保护范围不限于上述实施例。所以，凡是依据本实用新型的技术实质所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。