功率放大器损坏的原因及其保护手段

文章来源：慧智微电子

原文作者：彭

本文介绍了功率放大器损坏的原因及其保护手段。

PA（Power Amplifier，功率放大器）通信系统的重要组成模块，负责将射频信号的放大与功率输出。PA的性能及可靠性对整个发射系统有重要的影响。

在手机通信系统中，PA的输出信号约为29~32dBm (约1,000mW)的大功率，对比Transceiver芯片0dBm (1mW)左右的功率输出 ，PA输出功率大1000倍。同时，为了达到相应的射频功率输出，PA一般需要消耗约1,900-4,000mW的直流功耗。

图1：典型手机通信系统链路

高功率、高功耗的应用也对PA可靠性提出挑战。在系统应用中，”烧PA“是工程师讨论中的热点话题。

为什么会烧PA

手机PA芯片中的半导体器件

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

HBT器件有三个极限参数，分别为：

集电极最大允许电流Icmax

集电极最大允许热耗散功率

集电极-发射极反向击穿电压BVCEO

在实际工作中，需要保证器件的最大工作电路、耗散功率、最大电压，在额定范围内。

PA的电压/电流摆幅

对于射频PA的HBT器件，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间变化，为了更好的表征电压与电流之间的关系，通常用Loadline（负载线）的方式，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关系，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大小。

2. 实际电路中，由于负载虚部的存在，会形成电压/电流相位差，可能使得负载线表现为中空的环形。

3. 直流工作点的选择（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工作中，由于高电源电压、高VSWR的存在，会让PA输出电压、电流摆幅增大。图3为一个典型的功率放大器，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]。可以看到，在大电压及VSWR下，PA将需要承受更大的电压及电流摆幅。当电压及电流摆幅超过器件的耐受值时，就会造成器件烧毁。

图3：不同电压及VSWR下，PA动态负载线的变化

如何保护PA不被烧毁

设计保障

PA需要合理设计，确保满足Ruggedness需求。

电流设计保障

需要合理设计器件的尺寸，确保在各个条件下，器件所通过的最大电流，小于器件的最大耐受电流。

在对通流的设计中，需要着重注意的是，PA末级并联了多个晶体管器件，需要保证电流均分在整个器件中，而不是所有电流集中于某一个器件，将器件烧毁。由于HBT器件开启电压随温度升高而降低，过大的电流会降低开启电压，同时使电流进一步增大，直到器件烧毁。

这种效应叫做Thermal Run-away，是电流烧毁中一种常见形式。为了防止Thermal Run-way的发生，需要在晶体管的Base端或者Emitter端加入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，防止电流的进一步增大[3]。

图4：PA的热分布不均（左），及Ballast电阻的设计

电压设计保障

对于电压防护，一般采用在末级晶体管Collector并联放置二极管串的方式进行稳压，使得输出摆幅稳定在二极管串的开启电压。

在电压防护电路设计中需要注意，一定要保证防护电路放置位置的对称性，确保所有器件的电压摆幅得到保护。

Ruggedness测试

由于PA可靠性难以靠仿真来准确设计，PA设计完成后，必须通过完整的Ruggedness测试，来确保PA的可靠性。

完整的Ruggedness测试环境如下图所示。Ruggedness测试需要涵盖以下测试条件：

图5：Ruggedness测试环境

以上测试项需要交叉组合，确保任意条件下，PA均不会有Ruggedness问题。

由于半导体器件的最大击穿电压BVCEO随温度降低而降低，PA增益随温度降低而升高，一般Ruggedness最恶劣的点发生在低温。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。

应用保障

虽然合格的PA在出厂前，进行了完整的Ruggedness测试，但在应用中仍然需要对应用环境加以注意，确保Ruggedness在应用中得到保障。应用中需要的主要保障如下：

适当控制电源电压

由图3所示，PA在低电压应用时，有较小的电压及电流摆幅，PA的Ruggedness将得到较好的保障。所以在应用中，适当控制电压电压，尽可能使用较低的电源电压，有助于提升器件的Ruggedness。

适当控制输出功率

大功率输出时，PA输出将有更大的电压电流摆幅。在应用允许范围内，适应控制输出功率，将有助于Ruggedness提升。

注意电源完整性及信号时序

手机是一个相当复杂的系统，涉及到多个模块之间的联动。在应用中，需要着重注意电源完整性(是否有过高的电压脉冲)、偏置控制信号的时序、输入信号的大小及时序，来确保PA是被工作在正常的状态。

结 语

PA Ruggedness设计是一个复杂工程，与器件物理、电路设计、系统应用均相关。在PA设计中，一定要对Ruggedness仔细设计，才可以确保手机在各种环境应用中，均不会出现“烧片”。