功率放大器损坏的原因及其维护手法

文章来历：慧智微电子。

原文作者：彭。

本文介绍了。功率扩大器。损坏的原因及其维护手法。

PA（Power Amplifier，功率扩大器）。通讯。体系的重要组成模块，担任将。射频。信号。的扩大与功率输出。PA的性能及可靠性对整个发射体系有重要的影响。

在。手机。通讯体系中，PA的输出信号约为29~32dBm (约1,000mW)的大功率，比照Transceiver芯片0dBm (1mW)左右的功率输出 ，PA输出功率大1000倍。一起，为了到达相应的射频功率输出，PA一般需求耗费约1,900-4,000mW的直流功耗。

图1：典型手机通讯体系链路。

高功率、高功耗的运用也对PA可靠性提出应战。在体系运用中，”烧PA“是工程师评论中的热点话题。

为什么会烧PA。

手机PA芯片中的。半导体。器材。

PA规划常用的半导体工艺为GaAs HBT、GaAs pHEMT、SOI CMOS、Bulk CMOS（体硅CMOS）。其间，GaAs HBT因为其功率密度大，成本低（相较于GaAs pHEMT），成为射频功率扩大器功率输出级的首选工艺。

HBT器材有三个极限参数，分别为：

集电极最大答应。电流。Icmax。

集电极最大答应热耗散功率。

集电极-发射极反向击穿电压BVCEO。

在实践作业中，需求保证器材的最大作业电路、耗散功率、最大电压，在额外范围内。

PA的电压/电流摆幅。

关于射频PA的HBT器材，输出。晶体管。的集电极有最大电压及电流摆幅。此点电压与电流之间的摆幅随时刻改变，为了更好的表征电压与电流之间的联系，通常用Lo。ad。line（负载线）的方法，将电压与电流画在同一幅图中，如图2所示。

晶体管的负载线反映了在不同的负载下，晶体管电压与电流间的相互联系，一般画在。DC。-IV曲线上。在负载线中：

1. 负载线的斜率反映了负载阻抗的巨细。

2. 实践电路中，因为负载虚部的存在，会构成电压/电流相位差，或许使得负载线表现为中空的。环形。。

3. 直流作业点的挑选（电压及电流），对负载线的摆幅有影响。

图2：一款PA的典型的动态负载线。

在PA作业中，因为高电源电压、高VSWR的存在，会让PA输出电压、电流摆幅增大。图3为一个典型的功率扩大器，分别是在3.2V及5V偏置电压下，50Ω及VSWR=10:1下的动态负载线 [2]。能够看到，在大电压及VSWR下，PA将需求接受更大的电压及电流摆幅。当电压及电流摆幅超越器材的耐受值时，就会形成器材焚毁。

图3：不同电压及VSWR下，PA动态负载线的改变。

怎么维护PA不被焚毁。

规划保证。

PA需求合理规划，保证满意Ruggedness需求。

电流规划保证。

需求合理规划器材的尺度，保证在各个条件下，器材所经过的最大电流，小于器材的最大耐受电流。

在对通流的规划中，需求侧重留意的是，PA末级并联了多个晶体管器材，需求保证电流均分在整个器材中，而不是一切电流集中于某一个器材，将器材焚毁。因为HBT器材敞开电压随温度升高而下降，过大的电流会下降敞开电压，一起使电流进一步增大，直到器材焚毁。

这种效应叫做Thermal Run-away，是电流焚毁中一种常见方法。为了避免Thermal Run-way的产生，需求在晶体管的Base端或许Emit。te。r端参加Ballast。电阻。。Ballast电阻的存在，使得电流变大的过程中，Vbe电压会减小，避免电流的进一步增大[3]。

图4：PA的热散布不均（左），及Ballast电阻的规划。

电压规划保证。

关于电压防护，一般采用在末级晶体管Collector并联放置。二极管。串的方法进行稳压，使得输出摆幅稳定在二极管串的敞开电压。

在电压防护。电路规划。中需求留意，必定要保证防护电路放置方位的对称性，保证一切器材的电压摆幅得到维护。

Ruggedness测验。

因为PA可靠性难以靠。仿真。来精确规划，PA规划完成后，有必要经过完好的Ruggedness测验，来保证PA的可靠性。

完好的Ruggedness测验环境如下图所示。Ruggedness测验需求包括以下测验条件：

图5：Ruggedness测验环境。

以上测验项需求穿插组合，保证恣意条件下，PA均不会有Ruggedness问题。

因为半导体器材的最大击穿电压BVCEO随温度下降而下降，PA增益随温度下降而升高，一般Ruggedness最恶劣的点产生在低温。所以，一般低温下，最大输入功率、最高电压、最大VSWR下，为Ruggedness最差条件。

运用保证。

尽管合格的PA在出厂前，进行了完好的Ruggedness测验，但在运用中依然需求对运用环境加以留意，保证Ruggedness在运用中得到保证。运用中需求的首要保证如下：

恰当操控电源电压。

由图3所示，PA在低电压运用时，有较小的电压及电流摆幅，PA的Ruggedness将得到较好的保证。所以在运用中，恰当操控电压电压，尽或许运用较低的。电源。电压，有助于提高器材的Ruggedness。

恰当操控输出功率。

大功率输出时，PA输出将有更大的电压电流摆幅。在运用答应范围内，习惯操控输出功率，将有助于Ruggedness提高。

留意电源完好性及信号时序。

手机是一个适当杂乱的体系，涉及到多个模块之间的联动。在运用中，需求侧重留意电源完好性(是否有过高的电压脉冲)、偏置操控信号的时序、输入信号的巨细及时序，来保证PA是被作业在正常的状况。

结 语。

PA Ruggedness规划是一个杂乱工程，与器材物理、电路规划、体系运用均相关。在PA规划中，必定要对Ruggedness细心规划，才能够保证手机在各种环境运用中，均不会呈现“烧片”。

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