一种带有电流保护功能的射频前端模块及相应的电子设备

摘要

本发明公开了一种带有电流保护功能的射频前端模块及相应的电子设备。该射频前端模块包括输入匹配模块、功率放大器、输出匹配模块、电源模块和保护单元；其中，输入匹配模块的输入端与外部射频信号连接，输出端与功率放大器的输入端连接；功率放大器的输出端与输出匹配模块的输入端连接，电源模块的输出端分别与功率放大器及保护单元连接，保护单元与功率放大器连接。本发明可以对射频前端模块中的功率放大器起到过流保护、过压保护和过功率保护的作用，从而极大提高了射频前端模块的可靠性和恶劣环境下的安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种带有电流保护功能的射频前端模块，同时也涉及包括该射频前端模块的电子设备，属于射频集成电路技术领域。

背景技术

随着集成电路技术的不断发展，现代电子设备对射频前端模块的要求越来越高，特别是在恶劣环境中工作的场景越来越多，例如工作环境温度的升高或降低已达到或超过所要求的温度范围的极限（一般温度范围为-25℃～85℃或者-40℃～110℃）。对于功率器件来说，当工作在高温或者低温环境下，功率器件的安全工作区域就会缩小，甚至当功率器件上的工作电流超过器件最大承受电流时，就会造成功率器件不可逆的损伤或毁坏。因此，为了保证功率器件的正常工作，需要采用适当的保护措施，限制功率器件在恶劣环境场景下的过大工作电流，以保证功率器件始终工作在安全工作区域。

如图1所示，在现有射频前端模块的一个示例中，包括输入匹配模块、功率放大器（Power Amplifier，简写为PA）、输出匹配模块和电源模块。其中，输入匹配模块用于实现功率放大器和输入端（PAIN）的阻抗匹配；输出匹配模块用于实现功率放大器和输出端（PAOUT）的功率匹配；功率放大器用于实现输入小信号的功率放大；电源模块提供功率放大器工作所需要的偏置电源和电流；VCC为功率放大器提供电源电压和电流；VDD为功率放大器中的偏置电路和电源模块提供电源电压，Vreg为功率放大器中的放大器提供偏置电源信号。在多数情况下，上述射频前端模块中的功率放大器一般包括两级或三级功率放大单元，因此相应的VCC和Vreg也需要存在多个，分别提供给每一级功率放大单元。

在国际申请号为PCT/JP2016/065919的PCT申请中，公开了一种功率放大器的保护电路。该功率放大器具有：被提供信号的第一节点和第二节点；用于向第一节点和第二节点施加偏置电压的偏置电路；以及推挽输出电路，推挽输出电路具有：基极连接到第一节点并用于从输出端子输出电流的多个达林顿连接的晶体管、以及基极连接到第二节点并用于从输出端子吸取电流的多个达林顿连接的晶体管，该功率放大器的保护电路具有：第一保护晶体管，其发射极连接到第一节点；第一二极管，连接在第一保护晶体管的集电极和输出端子之间；第二保护晶体管，其发射极连接到第二节点；第二二极管，连接在第二保护晶体管的集电极和输出端子之间；第一电阻以及热敏电阻，连接在第一节点和第二节点之间；以及第二电阻以及第三电阻，连接在第一节点和第二保护晶体管的集电极之间，由第一电阻以及热敏电阻分压的电压被施加给第二保护晶体管的基极，由第二电阻以及第三电阻分压的电压被施加给第一保护晶体管的基极。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种带有电流保护功能的射频前端模块。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种包括上述射频前端模块的电子设备。

为了实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种带有电流保护功能的射频前端模块，包括输入匹配模块、功率放大器、输出匹配模块、电源模块和保护单元；其中，

所述输入匹配模块的输入端与外部射频信号连接，输出端与所述功率放大器的输入端连接，所述功率放大器的输出端与所述输出匹配模块的输入端连接，所述电源模块的输出端分别与所述功率放大器及所述保护单元连接，所述保护单元与所述功率放大器连接；

所述保护单元至少包括一个限流电阻，所述限流电阻的一端与所述功率放大器的偏置电路连接，另一端与外部电源连接。

其中较优地，所述功率放大器包括至少一级功率放大单元，所述功率放大单元包括偏置电路和功率放大电路；其中，所述偏置电路包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管，以及第一偏置电阻和第一滤波电容；所述功率放大电路包括第四晶体管、第一镇流电阻以及第一电感。

其中较优地，所述第三晶体管的发射极与参考地电位连接，所述第三晶体管的基极和集电极短接后与所述第二晶体管的发射极连接，所述第二晶体管的基极和集电极短接后一方面与第一偏置电阻连接，另一方面与第一晶体管的基极连接，第一偏置电阻的另一端接连偏置电源，第一晶体管的集电极通过所述限流电阻与外部电源连接，所述第一晶体管的发射极与第一镇流电阻连接，第一镇流电阻的另一端一方面与输入端连接，另一方面与所述第四晶体管的基极连接；所述第四晶体管的发射极与参考地电位连接，第四晶体管的集电极一方面与输出端连接，另一方面与第一电感连接；第一电感的另一端与电源连接；第一滤波电容的一端与所述第一晶体管的基极连接，另一端与参考地电位连接。

其中较优地，所述射频前端模块满足如下公式：

I2≈β* I1

V

V

V

其中，V

其中较优地，所述限流电阻采用带有温度系数的热敏电阻。

其中较优地，对于低温下容易发生烧毁的功率放大电路，所述限流电阻选择负温度系数的热敏电阻；对于高温下容易发生烧毁的功率放大电路，所述限流电阻选择正温度系数的热敏电阻。

其中较优地，对于低温下容易发生烧毁的功率放大电路，所述偏置电源选择正温度系数的稳压源；对于高温下容易发生烧毁的功率放大电路，所述偏置电源选择负温度系数的稳压源。

其中较优地，所述保护单元由RLC组合电路实现；

所述RLC组合电路包括第十一电感、限流电阻，以及第十一电容和第十二电容；其中，所述限流电阻的一端一方面连接偏置电路中的第一晶体管的集电极，另一方面连接第十一电容；所述限流电阻的另一端一方面连接第十一电感，另一方面连接第十二电容；第十一电感的另一端与外部电源连接；第十一电容、第十二电容的另一端分别与参考地电位连接。

其中较优地，所述射频前端模块还包括控制开关；所述控制开关并联在所述RLC组合电路的两端，控制信号端连接电源或功率检测电路的输出端。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种电子设备，包括上述的射频前端模块。

与现有技术相比较，本发明可以对射频前端模块中的功率放大器起到过流保护，过压保护和过功率保护的作用，从而极大提高了射频前端模块的可靠性和恶劣环境下的安全性。另外，本发明仅是从电阻压降变化实现门限电压的功能，不会引入额外的电路功耗；本发明可仅由电阻实现，不会消耗太大的电路面积，即没有增加实施成本，可以适用于各种结构的射频前端模块之中。

附图说明

图1为现有技术中，一个典型的射频前端模块的示例图；

图2为本发明提供的一种带有电流保护功能的射频前端模块的电路原理图；

图3为本发明的第一实施例中，功率放大器、电源模块和保护单元的电路原理图；

图4为本发明的第一实施例中，放大单元和保护单元的电路原理图；

图5为本发明的第一实施例中，保护单元为后两级功率放大单元提供过电流保护的电路原理图；

图6为本发明的第一实施例中，保护单元为末级功率放大单元提供过电流保护的电路原理图；

图7为本发明的第二实施例中，放大单元和保护单元的电路原理图；

图8为本发明的第二实施例中，功率放大器、电源模块和保护单元的电路原理图；

图9为本发明的第二实施例中，保护单元为后两级功率放大单元提供过电流保护的电路原理图；

图10为本发明的第二实施例中，保护单元为末级功率放大单元提供过电流保护的电路原理图；

图11为本发明的第三实施例中，放大单元和保护单元的电路原理图；

图12为本发明的第三实施例中，保护单元带控制开关SW的第一种电路原理图；

图13为本发明的第三实施例中，保护单元带控制开关SW的第二种电路原理图；

图14为本发明提供的功率放大电路中，输入功率和输出电流的关系曲线图；

图15为采用本发明提供的射频前端模块的电子设备的示例图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图2所示，本发明所提供的带有电流保护功能的射频前端模块，包括输入匹配模块1、功率放大器2、输出匹配模块3、电源模块4和保护单元5。其中，输入匹配模块1的输入端（PAIN）与外部射频信号连接，输出端与功率放大器2的输入端连接，功率放大器2的输出端与输出匹配模块3的输入端连接，电源模块4的输出端分别与功率放大器2及保护单元5连接，保护单元5与功率放大器2连接。输入匹配模块1为输入端（PAIN）与功率放大器2之间提供阻抗匹配，功率放大器2用于将输入的射频信号进行功率放大，输出匹配模块3为功率放大器2的输出信号与输出端（PAOUT）之间提供功率匹配，电源模块4为功率放大器2提供工作所需要的偏置电流和电压，保护单元5为功率放大器2提供过电流的保护。

在本发明的第一实施例中，功率放大器2、电源模块4和保护单元5的具体电路原理如图3所示。其中，功率放大器2包括三级功率放大单元，分别为第一级功率放大单元PA1、第二级功率放大单元PA2、第三级功率放大单元PA3，各级功率放大单元顺序级联。第一级功率放大单元PA1的输入端（PAIN）连接输入匹配模块1，第一级功率放大单元PA1的输出端与第二级功率放大单元PA2的输入端连接，第二级功率放大单元PA2的输出端与第三级功率放大单元PA3的输入端连接，第三级功率放大单元PA3的输出端与输出匹配模块3连接。电源模块4的三个偏置电源Vreg1、Vreg1、Vreg3分别与三级功率放大单元PA1、PA2、PA3的偏置电源端连接。在本实施例中，保护单元5为一个限流电阻。该限流电阻的一端分别与三级功率放大单元PA1、PA2、PA3的偏置电路连接，另一端与外部电源VDD连接。

图4为本发明的第一实施例中，其中某一级功率放大单元PA n（n为正整数）和保护单元5的电路原理图。其中，功率放大单元PA n包括偏置电路和功率放大电路。偏置电路包括第一晶体管HBT1、第二晶体管HBT2、第三晶体管HBT3，以及第一偏置电阻R1和第一滤波电容C1。功率放大电路包括第四晶体管HBT4、第一镇流电阻R2，以及第一电感L1。保护单元5包括第一限流电阻R。其中，第二晶体管HBT2、第三晶体管HBT3组成双二极管（doulbe diode）。具体地说，第三晶体管HBT3的发射极与参考地电位（即接地端）连接，第三晶体管HBT3的基极和集电极短接后与第二晶体管HBT2的发射极连接，第二晶体管HBT2的基极和集电极短接后一方面与第一偏置电阻R1连接，另一方面与第一晶体管HBT1的基极连接，第一偏置电阻R1的另一端接连偏置电源Vreg，第一晶体管HBT1的集电极通过第一限流电阻R与外部电源VDD连接，第一晶体管HBT1的发射极与第一镇流电阻R2连接，第一镇流电阻R2的另一端一方面与输入端IN连接，另一方面与第四晶体管HBT4的基极连接。第四晶体管HBT4的发射极与参考地电位连接，第四晶体管HBT4的集电极一方面与输出端连接，另一方面与第一电感L1连接。第一电感L1的另一端与电源VCC连接，第一滤波电容C1的一端与第一晶体管HBT1的基极连接，第一滤波电容C1的另一端与参考地电位连接。

上述实施例所提供的带有电流保护功能的射频前端模块，其实现电流保护的工作原理如下：

I2≈β* I1 （1）

V

V

V

其中，V

上述公式4为第一晶体管HBT1的启动工作条件。根据公式1，当外部电路使第四晶体管HBT4 上的电流I2增大时，需要第一晶体管HBT1提供更大的输出电流I1，此时根据公式2和公式3，由于电流I1的增大，第一限流电阻R上的压降VR变大，第一晶体管HBT1的集电极电压V1C减小，当V1C减小至V

因此，本发明的一个技术特点在于将限流电阻上的压降作为一个门限值，以此限制功率放大电路的最大电流，从而实现电流保护功能。

上述第一实施例的技术方案，根据对电路性能的要求不同，功率放大器、电源模块和保护单元的电路结构还可以有不同的变形例，例如功率放大器并不限于由三级功率放大单元级联而成，一级、两级甚至多级功率放大单元级联在一起，也可以用于实现本发明。

另一方面，图３所示为保护单元为三级功率放大单元提供过电流保护的具体电路结构。如图５所示为保护单元为后两级功率放大单元提供过电流保护的具体电路结构，其中，保护单元为一个限流电阻，该限流电阻的一端分别与后两级功率放大单元PA2、PA3的偏置电路连接，另一端与外部电源VDD连接。如图６所示为保护单元为末级功率放大单元提供过电流保护的具体电路结构，其中，保护单元为一个限流电阻，该限流电阻的一端与后末级功率放大单元PA3的偏置电路连接，另一端与外部电源VDD连接。

除此之外，参见图3和图4，也可以采用电源模块检测功率放大单元PA n中的第一晶体管HBT1的输出电流I1，将I1反馈给偏置电源Vreg，当电路发生过电流I1增大到某一设定值时将偏置电源Vreg关闭，从而实现对功率放大器的过电流保护。

或者，通过检测VCC或者VDD上的电流提供过电流保护。当电路发生过电流时，VCC或者VDD上的电流增大到某一设定值时将VCC或者VDD关闭，也可以实现对功率放大器的过电流保护。

如图７和图８所示，在本发明的第二实施例中，对于因工作环境温度大幅度升高或降低会引起功率器件损伤或毁坏的情况，可以采取两种技术方案来解决过电流保护的问题。

第一种技术方案如图7所示，保护单元5中的限流电阻R可以采用带有温度系数的热敏电阻。对于低温下容易发生烧毁的功率放大电路，限流电阻R可以选择负温度系数的热敏电阻；对于高温下容易发生烧毁的功率放大电路，限流电阻R可以选择正温度系数的热敏电阻。它实现过电流保护的工作原理是：

假设电路是低温下容易发生烧毁的功率放大电路，限流电阻R选择了负温度系数的热敏电阻的情况如下：当温度降低时，第一限流电阻R的电阻值增大，此时根据公式1、公式2和公式3，第一限流电阻R上的压降V

假设电路是高温下容易发生烧毁的功率放大电路，限流电阻R选择了正温度系数的热敏电阻的情况如下：当温度升高时,第一限流电阻R的电阻值增大，此时根据公式1、公式2和公式3，第一限流电阻R上的压降V

第二种技术方案如图８所示。该技术方案是采用电源模块的一个带有温度系数的偏置电源Vreg4，通过限流电阻R为功率放大单元的偏置电路供电。对于低温下容易发生烧毁的功率放大电路，偏置电源Vreg4选择正温度系数的稳压源；对于高温下容易发生烧毁的功率放大电路，偏置电源Vreg4选择负温度系数的稳压源。其过电流保护的工作原理是：

假设电路是低温下容易发生烧毁的功率放大电路，偏置电源Vreg4选择了正温度系数的稳压源的情况如下：当温度降低时，偏置电源Vreg4的电压输出降低，此时根据公式1和公式3（此时，Vreg4代替公式中的VDD），第一晶体管HBT1的集电极电压V

假设电路是高温下容易发生烧毁的功率放大电路，偏置电源Vreg4选择了负温度系数的稳压源的情况如下：当温度升高时，偏置电源Vreg4的电压输出降低，此时根据公式1和公式3（此时，Vreg4代替公式中的VDD），第一晶体管HBT1的集电极电压V

本发明的第二实施例的技术方案，根据对电路性能的要求不同，功率放大器、电源模块和保护单元的电路结构还可以有不同的变形例。例如功率放大器并不限于由三级功率放大单元级联而成，一级、两级甚至多级功率放大单元级联在一起，也可以用于实现本发明。

另一方面，如图8所示为保护单元为三级功率放大单元提供过电流保护的具体电路结构，其中，保护单元为一个限流电阻，该限流电阻的一端分别与三级功率放大单元PA1、PA2、PA3的偏置电路连接，另一端与带有温度系数的偏置电源连接。如图9所示为保护单元为后两级功率放大单元提供过电流保护的具体电路结构，其中，保护单元为一个限流电阻，该限流电阻的一端分别与后两级功率放大单元PA2、PA3的偏置电路连接，另一端与带有温度系数的偏置电源连接。如图10所示为保护单元为末级功率放大单元提供过电流保护的具体电路结构，其中，其中，保护单元为一个限流电阻，该限流电阻的一端与末级功率放大单元PA3的偏置电路连接，另一端与带有温度系数的偏置电源连接。

除此之外，参见图8，也可以采用电源模块检测偏置电源Vreg4中的电流，当偏置电源Vreg4中的电流大于某一设定值时将偏置电源Vreg4关闭，从而实现对功率放大器的过电流保护。

如图11所示，在本发明的第三实施例中，对于保护单元中采用限流电阻R会引起射频阻抗匹配存在问题而影响电路性能的情况，可以采取RLC组合电路代替限流电阻R的方式来解决。其中，RLC组合电路包括第十一电感L、第十一电阻（即限流电阻）R，以及第十一电容C2和第十二电容C3。具体地说，第十一电阻R的一端一方面连接偏置电路中的第一晶体管HBT1的集电极，另一方面连接第十一电容C2；第十一电阻R的另一端一方面连接第十一电感L，另一方面连接第十二电容C3；第十一电感L的另一端与外部电源VDD连接。第十一电容C2、第十二电容C3的另一端分别与参考地电位连接。

需要说明的是，RLC组合电路也可以是其它组合形式，但其中至少有一个限流电阻。该RLC组合电路也可以通过一个控制开关SW来实现保护单元的投入和退出，使得RLC组合电路在正常情况下不会影响功率放大器的工作性能。

如图12所示，控制开关SW并联在作为保护单元的RLC组合电路两端，控制开关SW的控制信号端连接电源VCC3。正常工作时，控制开关SW闭合使保护单元退出工作状态，从而不影响功率放大器的工作性能。当电源VCC3增大达到某个门限值时，控制开关SW断开，RLC组合电路投入工作，从而起到限制电路过电压的保护作用。

如图13所示，控制开关SW并联在作为保护单元的RLC组合电路两端，控制开关SW的控制信号端连接功率检测电路Vdet的输出端。正常工作时，控制开关SW闭合使保护单元退出工作状态，从而不影响功率放大器的工作性能。当功率检测电路Vdet的输出功率增大达到某个门限值时，控制开关SW断开，RLC组合电路投入工作，从而起到限制电路过功率的保护作用。

上述第三实施例提供的在保护单元两端并联一个控制开关SW的技术方案，也可以根据具体电路的需要，同样适用于第一实施例和第二实施例的电路结构中，从而起到优化电路的保护功能和工作性能的作用。

为了体现本发明实施例所提供的射频前端模块的实际技术效果，发明人对其进行了实验测试。图14为本发明提供的功率放大电路中，输入功率和输出电流的关系曲线图。从图14中可以看出，当输入功率持续增大时，无保护单元的功率放大电路中输出电流随输入功率的增大而持续上升。而在本发明所提供的带有电流保护功能的功率放大电路中，当输入功率持续增大时，输出电流被恒定限制在800mA左右，从而实现了功率放大电路的过电流保护。

本发明所提供的带有电流保护功能的射频前端模块可以被用在电子设备中，作为通信组件的重要组成部分。这里所说的电子设备是指可以在移动环境中使用，支持GSM、EDGE、TD_SCDMA、TDD_LTE、FDD_LTE、5G等多种通信制式的计算机设备，包括移动电话、笔记本电脑、平板电脑、车载电脑等。此外，本发明所提供的技术方案也适用于其他通信组件应用的场合，例如通信基站等。

如图15所示，该电子设备至少包括处理器和存储器，还可以根据实际需要进一步包括通信组件、传感器组件、电源组件、多媒体组件及输入/输出接口。其中，存储器、通信组件、传感器组件、电源组件、多媒体组件及输入/输出接口均与该处理器连接。存储器可以是静态随机存取存储器（SRAM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）、可编程只读存储器（PROM）、只读存储器（ROM）、磁存储器、快闪存储器等，处理器可以是中央处理器（CPU）、图形处理器（GPU）、现场可编程逻辑门阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）、数字信号处理（DSP）芯片等。其它通信组件、传感器组件、电源组件、多媒体组件等均可以采用通用部件实现，在此就不具体说明了。

通过实施例对本发明技术方案的具体描述可以看出，本发明可以对射频前端模块中的功率放大器起到过流保护，过压保护和过功率保护的作用，从而极大提高了射频前端模块的可靠性和恶劣环境下的安全性。另外，本发明仅是从电阻压降变化实现门限电压的功能，不会引入额外的电路功耗；本发明可仅由电阻实现，不会消耗太大的电路面积，即没有增加实施成本，可以适用于各种结构的射频前端模块之中。

以上对本发明所提供的带有电流保护功能的射频前端模块及相应的电子设备进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将属于本发明专利权的保护范围。