文章來源：慧智微電子

原文作者：彭

本文介紹了功率放大器損壞的原因及其保護手段。

PA（Power Amplifier，功率放大器）通信系統(tǒng)的重要組成模塊，負責將射頻信號的放大與功率輸出。PA的性能及可靠性對整個發(fā)射系統(tǒng)有重要的影響。

在手機通信系統(tǒng)中，PA的輸出信號約為29~32dBm (約1,000mW)的大功率，對比Transceiver芯片0dBm (1mW)左右的功率輸出 ，PA輸出功率大1000倍。同時，為了達到相應的射頻功率輸出，PA一般需要消耗約1,900-4,000mW的直流功耗。

圖1：典型手機通信系統(tǒng)鏈路

高功率、高功耗的應用也對PA可靠性提出挑戰(zhàn)。在系統(tǒng)應用中，”燒PA“是工程師討論中的熱點話題。

為什么會燒PA

手機PA芯片中的半導體器件

PA設計常用的半導體工藝為GaAs HBT、GaAs pHEMT、SOI CMOS、Bulk CMOS（體硅CMOS）。其中，GaAs HBT因為其功率密度大，成本低（相較于GaAs pHEMT），成為射頻功率放大器功率輸出級的首選工藝。

HBT器件有三個極限參數(shù)，分別為：

集電極最大允許電流Icmax

集電極最大允許熱耗散功率

集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓BVCEO

在實際工作中，需要保證器件的最大工作電路、耗散功率、最大電壓，在額定范圍內(nèi)。

PA的電壓/電流擺幅

對于射頻PA的HBT器件，輸出晶體管的集電極有最大電壓及電流擺幅。此點電壓與電流之間的擺幅隨時間變化，為了更好的表征電壓與電流之間的關系，通常用Loadline（負載線）的方式，將電壓與電流畫在同一幅圖中，如圖2所示。

晶體管的負載線反映了在不同的負載下，晶體管電壓與電流間的相互關系，一般畫在DC-IV曲線上。在負載線中：

1. 負載線的斜率反映了負載阻抗的大小。

2. 實際電路中，由于負載虛部的存在，會形成電壓/電流相位差，可能使得負載線表現(xiàn)為中空的環(huán)形。

3. 直流工作點的選擇（電壓及電流），對負載線的擺幅有影響。

圖2：一款PA的典型的動態(tài)負載線

在PA工作中，由于高電源電壓、高VSWR的存在，會讓PA輸出電壓、電流擺幅增大。圖3為一個典型的功率放大器，分別是在3.2V及5V偏置電壓下，50Ω及VSWR=10:1下的動態(tài)負載線 [2]。可以看到，在大電壓及VSWR下，PA將需要承受更大的電壓及電流擺幅。當電壓及電流擺幅超過器件的耐受值時，就會造成器件燒毀。

圖3：不同電壓及VSWR下，PA動態(tài)負載線的變化

如何保護PA不被燒毀

設計保障

PA需要合理設計，確保滿足Ruggedness需求。

電流設計保障

需要合理設計器件的尺寸，確保在各個條件下，器件所通過的最大電流，小于器件的最大耐受電流。

在對通流的設計中，需要著重注意的是，PA末級并聯(lián)了多個晶體管器件，需要保證電流均分在整個器件中，而不是所有電流集中于某一個器件，將器件燒毀。由于HBT器件開啟電壓隨溫度升高而降低，過大的電流會降低開啟電壓，同時使電流進一步增大，直到器件燒毀。

這種效應叫做Thermal Run-away，是電流燒毀中一種常見形式。為了防止Thermal Run-way的發(fā)生，需要在晶體管的Base端或者Emitter端加入Ballast電阻。Ballast電阻的存在，使得電流變大的過程中，Vbe電壓會減小，防止電流的進一步增大[3]。

圖4：PA的熱分布不均（左），及Ballast電阻的設計

電壓設計保障

對于電壓防護，一般采用在末級晶體管Collector并聯(lián)放置二極管串的方式進行穩(wěn)壓，使得輸出擺幅穩(wěn)定在二極管串的開啟電壓。

在電壓防護電路設計中需要注意，一定要保證防護電路放置位置的對稱性，確保所有器件的電壓擺幅得到保護。

Ruggedness測試

由于PA可靠性難以靠仿真來準確設計，PA設計完成后，必須通過完整的Ruggedness測試，來確保PA的可靠性。

完整的Ruggedness測試環(huán)境如下圖所示。Ruggedness測試需要涵蓋以下測試條件：

圖5：Ruggedness測試環(huán)境

以上測試項需要交叉組合，確保任意條件下，PA均不會有Ruggedness問題。

由于半導體器件的最大擊穿電壓BVCEO隨溫度降低而降低，PA增益隨溫度降低而升高，一般Ruggedness最惡劣的點發(fā)生在低溫。所以，一般低溫下，最大輸入功率、最高電壓、最大VSWR下，為Ruggedness最差條件。

應用保障

雖然合格的PA在出廠前，進行了完整的Ruggedness測試，但在應用中仍然需要對應用環(huán)境加以注意，確保Ruggedness在應用中得到保障。應用中需要的主要保障如下：

適當控制電源電壓

由圖3所示，PA在低電壓應用時，有較小的電壓及電流擺幅，PA的Ruggedness將得到較好的保障。所以在應用中，適當控制電壓電壓，盡可能使用較低的電源電壓，有助于提升器件的Ruggedness。

適當控制輸出功率

大功率輸出時，PA輸出將有更大的電壓電流擺幅。在應用允許范圍內(nèi)，適應控制輸出功率，將有助于Ruggedness提升。

注意電源完整性及信號時序

手機是一個相當復雜的系統(tǒng)，涉及到多個模塊之間的聯(lián)動。在應用中，需要著重注意電源完整性(是否有過高的電壓脈沖)、偏置控制信號的時序、輸入信號的大小及時序，來確保PA是被工作在正常的狀態(tài)。

結 語

PA Ruggedness設計是一個復雜工程，與器件物理、電路設計、系統(tǒng)應用均相關。在PA設計中，一定要對Ruggedness仔細設計，才可以確保手機在各種環(huán)境應用中，均不會出現(xiàn)“燒片”。