功放設(shè)計(jì)中的檢測及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)研究

0 引言

射頻功率放大器是將發(fā)射機(jī)里的射頻小功率信號(hào)，經(jīng)過一系列的放大一激勵(lì)級(jí)、中間級(jí)、末前級(jí)、末級(jí)功率放大級(jí)，獲得足夠大的射頻功率的裝置。射頻功放是發(fā)送設(shè)備的重要組成部分。

功率放大器是一種比較昂貴的資源，具體體現(xiàn)在功率放大管比較昂貴。在整個(gè)無線發(fā)射鏈路成本構(gòu)成來看，功率放大器的成本比例大于50％(絕大多數(shù))，而且功率越大，其所占成本比例就越大。

另外功率放大器的功率放大管是一種相對(duì)比較脆弱的器件，尤其是與低功率小信號(hào)放大管比較。其脆弱性主要體現(xiàn)在：靜電敏感性高；熱敏感性比較高；對(duì)射頻過載比較敏感，即對(duì)射頻輸入功率過載比較敏感；對(duì)輸出失配比較敏感。

由于上述原因，在設(shè)計(jì)功率放大器時(shí)必須考慮如何保護(hù)功率放大器，以避免靜電、浪涌、過熱過溫、過壓、過流、過載造成功放故障或者失效。

1 引起功放失效的原因

要對(duì)功率放大器實(shí)現(xiàn)有效的保護(hù)，必須要知道引起其失效的原因。功放失效的原因主要有以下幾種：

(1)靜電擊穿引起的失效。運(yùn)輸、接觸導(dǎo)致靜電作用于功率管的電極，產(chǎn)生擊穿效應(yīng)，使器件永久失效。這種失效的避免可以從器件、單板運(yùn)輸、操作等過程中，采取防靜電措施來解決。解決方法有：a．通過防止靜電源的產(chǎn)生(比如保持空氣的濕度)；b．通過接地使靜電源的靜電能夠有效釋放而防止積累；c．通過采取靜電隔離措施。

(2)過壓引起的失效。過壓會(huì)引起功率放大器的電極擊穿或者處于不正常的工作狀態(tài)。引起過壓的情況有：a．功放直流饋電電路部分出現(xiàn)元器件失效，引起過壓；b．與功放相關(guān)的控制和電源部分出現(xiàn)故障產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)效應(yīng)，引起的過壓。

(3)過流引起的失效。功放的工作電流超出其正常工作電流而引起的失效。

(4)過激勵(lì)引起的失效。輸入的功率電平超出功率放大器安全范圍，會(huì)引起功放永久性失效。其結(jié)果是直接導(dǎo)致功放燒毀。

(5)負(fù)載不匹配引起的失效。負(fù)載開路、短路或失配使功放輸出端呈現(xiàn)比較高的駐波分布，使射頻能量不能有效地傳輸出去，大部分能量轉(zhuǎn)換成熱，造成熱積累，一方面降低了功放效率，另一方面，將造成功放熱燒毀。

(6)過熱、過溫引起的失效。由于散熱不良或者環(huán)境溫度過高引起功率器件失效。

2 功放保護(hù)電路設(shè)計(jì)類型

針對(duì)功率放大器失效的幾種原因，相應(yīng)的保護(hù)電路設(shè)計(jì)主要分為如下幾方面：

(1)過壓保護(hù)。此保護(hù)形式表現(xiàn)在電路上有：

電壓鉗位電路：設(shè)計(jì)合適的鉗位電路可以使饋電電壓限制在安全的范圍內(nèi)。

壓敏電路：通過并聯(lián)壓敏電阻或者其他壓敏器件，當(dāng)電壓超過壓敏器件的臨界電平時(shí)，壓敏器件產(chǎn)生短路效應(yīng)，拉低電平，從而達(dá)到保護(hù)的目的。

穩(wěn)壓電路：通過穩(wěn)壓電路使輸入電壓范圍得到擴(kuò)大。

”電壓檢測+過壓判斷+執(zhí)行保護(hù)”的閉環(huán)保護(hù)形式。

(2)過流保護(hù)。過流保護(hù)主要有以下幾種形式：

電源限流保護(hù)：如果給功率放大器饋電的電源模塊具有限流功能，那么該限流功能能夠防止功放出現(xiàn)過流。比如功放過激勵(lì)或者自己的情況下，如果沒有限流，功放會(huì)被自己或者過激勵(lì)產(chǎn)生的大電流燒毀。

過流閉環(huán)保護(hù)：通過對(duì)功放的工作電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，一旦出現(xiàn)過流，自動(dòng)切斷電流，以達(dá)到保護(hù)功放的目的。

(3)過激勵(lì)保護(hù)。當(dāng)輸入功率超過功率放大器安全工作范圍時(shí)，對(duì)功放實(shí)施的保護(hù)。過激勵(lì)保護(hù)的形式有：輸入功率限幅，通過限幅器件實(shí)現(xiàn)；過激勵(lì)閉環(huán)保護(hù)形式，通過對(duì)功放的輸入功率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)功放過激勵(lì)，自動(dòng)切斷輸入信號(hào)或者自動(dòng)大幅度衰減輸入信號(hào)，以達(dá)到保護(hù)功放的目的。

(4)熱保護(hù)。熱保護(hù)是在出現(xiàn)溫度過高或者過熱的情況下，對(duì)功放實(shí)施的保護(hù)形式。熱保護(hù)的方式是通過溫度或者熱檢測電路對(duì)功率放大器的溫度和熱的情況進(jìn)行監(jiān)視，一旦檢測的溫度或者熱超過門限值，就通過保護(hù)執(zhí)行裝置對(duì)功放進(jìn)行保護(hù)。

(5)失配保護(hù)。失配保護(hù)是在功放輸出失配的情況下，為避免失配對(duì)功放損害的一種保護(hù)電路形式。

3 功率放大器的保護(hù)模型

通過對(duì)各種功放的保護(hù)電路分析，一個(gè)完整保護(hù)電路基本上可以通過如圖1所示的模型進(jìn)行描述。該模型由以下幾部分構(gòu)成：

(1)狀態(tài)監(jiān)測部分。通過傳感器實(shí)時(shí)跟蹤相關(guān)狀態(tài)的變化，為保護(hù)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；

(2)比較判斷部分。讓來自狀態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的保護(hù)／告警／恢復(fù)門限進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)到告警顯示、保護(hù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或者通過通信口上報(bào)后臺(tái)等；

(3)保護(hù)執(zhí)行部分。根據(jù)來自比較判斷的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。保護(hù)執(zhí)行動(dòng)作就是狀態(tài)異常時(shí)，執(zhí)行保護(hù)：狀態(tài)恢復(fù)正常時(shí)，解除保護(hù)即自恢復(fù)。

此模型的基本工作原理為：狀態(tài)監(jiān)測部分通過傳感器實(shí)時(shí)跟蹤功率放大器相關(guān)狀態(tài)變化，并將反映該變化的數(shù)據(jù)傳給比較判斷部分；比較判斷部分對(duì)檢測得到的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的告警、保護(hù)門限、自恢復(fù)門限進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果，輸出命令至保護(hù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或者告警顯示部分，另外將信息通過通信口上報(bào)后臺(tái)。

以上是一個(gè)完整、系統(tǒng)的保護(hù)電路模型，即按該模型去設(shè)計(jì)保護(hù)電路能夠達(dá)到目的，但是實(shí)際應(yīng)用中很多并非有一個(gè)如上完整的模型而只有其中幾部分，甚至有時(shí)只是單個(gè)器件構(gòu)成。比如限幅器件的本身特性就包含了狀態(tài)檢測、判斷比較、執(zhí)行保護(hù)，只不過是這些過程不是靠其他器件完成，而是靠器件本身的特性完成的。類似的器件還有鉗位二極管、壓敏電阻、PPTC(polymeric positivetemperature coeffic-ient)自恢復(fù)電流保護(hù)器件等。

4 功放的狀態(tài)監(jiān)測

功率放大器的狀態(tài)監(jiān)測是功放保護(hù)設(shè)計(jì)的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，能否正確、有效、及時(shí)檢測出狀態(tài)變化，是能否有效進(jìn)行保護(hù)的關(guān)鍵。

4．1 狀態(tài)監(jiān)測分類

功率放大器有很多狀態(tài)，但根據(jù)系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)方面的需求，并非對(duì)每個(gè)狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，而是對(duì)一些關(guān)鍵狀態(tài)進(jìn)行檢測。根據(jù)監(jiān)測的狀態(tài)的不同，將狀態(tài)監(jiān)測分類為：

(1)激勵(lì)狀態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測輸入功率變化；

(2)電流流狀態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測功放的工作電流變化；

(3)電壓狀態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測功率放大器的功率管或者其他電路的某些電壓變化；

(4)匹配配狀態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測功放輸出負(fù)載匹配情況；

(5)增益狀態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測整個(gè)功放的增益變化；

(6)輸出功率狀態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測功放的輸出功率變化；

(7)溫度／熱狀態(tài)檢測，監(jiān)測功率的溫度和熱變化。

4．2 狀態(tài)監(jiān)測的檢測電路

功率放大器的狀態(tài)監(jiān)測是通過各種檢測電路實(shí)現(xiàn)的，實(shí)現(xiàn)上述狀態(tài)監(jiān)測的檢測電路有：

(1)功率檢測電路。功率檢測電路可用作激勵(lì)狀態(tài)監(jiān)測、匹配狀態(tài)監(jiān)測、輸出功率狀態(tài)監(jiān)測、增益狀態(tài)檢測的基本檢測單元；

而功率檢測電路根據(jù)要檢測的功率類型不同可分為：a．峰值功率檢測電路，反映載波包絡(luò)變化的功率檢測電路。目前比較成熟的峰值檢波電路模塊有AD公司的AD8313、AD8307等。AD8313的典型應(yīng)用電路，如圖2所示；b．平均功率檢測電路，反映載波平均功率變化的功率檢測電路。平均功率檢測電路一般在峰值功率檢測的基礎(chǔ)上加上平滑濾波電路即可；c．RMS功率檢測電路，反映載波均方差功率變化的功率檢測電路。對(duì)于如CDMA等變包絡(luò)調(diào)制功率信號(hào)，RMS功率檢測電路能夠真實(shí)的反映其功率變化。目前應(yīng)用比較多的電路是基于AD公司的AD8361、AD8362等電路。

根據(jù)檢測電路輸入和輸入的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可將功率檢測電路分為：a．對(duì)數(shù)功率檢測電路，即檢波輸出電平與輸入功率的對(duì)數(shù)呈線性變化關(guān)系的功率檢測電路。該電路適于檢測dB變化要求情況：b．線性功率檢測電路，即檢波輸出電平與輸入功率呈線性變化關(guān)系的功率檢測電路。該電路適于檢測W變化要求的情況。

(2)電壓取樣電路。電壓取樣電路可作為電流狀態(tài)監(jiān)測、電壓狀態(tài)監(jiān)測的基本電路。

(3)電流檢測電路。或者電路是檢測電流變化的基本電路?？梢杂秒娏鳈z測進(jìn)行電流狀態(tài)監(jiān)測。目前電流檢測電路應(yīng)用比較多的是霍爾電路，尤其是大電流檢測

(4)溫度檢測電路。檢測溫度變化，是溫度／熱監(jiān)測基本電路。

由于不同的狀態(tài)監(jiān)測對(duì)檢測電路的要求是不一樣的，或者同一狀態(tài)檢測不同的系統(tǒng)對(duì)檢測電路的要求也不一樣。明確對(duì)相應(yīng)檢測電路的要求是進(jìn)行檢測電路設(shè)計(jì)的前提。對(duì)檢測電路的共同要求主要有精度、準(zhǔn)確度、線性、動(dòng)態(tài)、響應(yīng)時(shí)間、噪聲性能、抗干擾性、靈敏度、可靠性、一致性。

4．3 狀態(tài)的比較判斷

比較判斷是保護(hù)電路設(shè)計(jì)一個(gè)比較重要的部分，尤其是閉環(huán)保護(hù)電路。其功能是將監(jiān)測的狀態(tài)數(shù)據(jù)與預(yù)置的門限數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出命令去保護(hù)執(zhí)行裝置、顯示告警裝置或者直接通過通信口上報(bào)后臺(tái)。比較判斷根據(jù)電路實(shí)現(xiàn)形式的不同分為硬件判斷和軟件判斷兩種形式。根據(jù)門限可變與否可將比較判斷分為固定門限比較判斷，可調(diào)門限比較判斷。

4．4 保護(hù)執(zhí)行裝置

保護(hù)執(zhí)行裝置是功率放大器保護(hù)電路中的保護(hù)執(zhí)行者，它根據(jù)來自比較判斷的命令，做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作：進(jìn)入保護(hù)，解除保護(hù)。執(zhí)行保護(hù)的器件和裝置主要有如下幾類：

(1)開關(guān)器件類：用在射頻功率放大器的開關(guān)主要包括直流開關(guān)、射頻開關(guān)，其作用是通過切斷直流電流或射頻激勵(lì)達(dá)到保護(hù)的目的。

(2)參量限制器件類：用在射頻功率放大器的參量限制，主要有限幅器件和限流器件。該類器件是通過限制激勵(lì)的幅度或者電流強(qiáng)度來達(dá)到保護(hù)的目的。

(3)參量調(diào)整器件類：用在射頻功率放大器的參量調(diào)整類器件，有電調(diào)衰減器、數(shù)字衰減器、可變增益放大器。使用該類器件能夠?qū)⑦^激勵(lì)部分調(diào)整回安全狀態(tài)。

(4)組合類器件：將保護(hù)執(zhí)行部分跟功率放大器的其他電路集成在一起，形成一個(gè)多功能組合器件。比如LP295l，LP2951如果用在功率放大管的偏置電路上，一方面可以提供穩(wěn)定的偏壓；另外LP2951有一CONTROL端，如果該端輸入高電平信號(hào)，那么輸出電壓為零，該功能可以作為保護(hù)用。

4．5 保護(hù)電路舉例分析

下面介紹某功放的保護(hù)設(shè)計(jì)電路，其原理如圖3所示。其功能是當(dāng)輸入信號(hào)超過一定電平時(shí)，將輸入信號(hào)大幅度衰減，以保證后面的功率放大器不被損害。該電路由如下幾部分構(gòu)成。

(1)功率取樣部分(圖中白色部分)。該電路為一取樣耦合器。

(2)功率檢測部分(圖中藍(lán)色部分)。該部分的核心器件是一個(gè)峰值檢波器AD8313，其功能是檢測耦合過來信號(hào)的功率變化。

(3)濾波比較部分(圖中淺黃色+黃色部分)。該部分通過一個(gè)PI型濾波器濾除交變部分和干擾，輸入至比較器電路LM311，將信號(hào)與參考電平進(jìn)行比較，輸出高電平或者低電平至電調(diào)衰減器。

(4)電調(diào)衰減部分(圖中白色部分)。該部分的功能是：正常工作時(shí)它是作為增益調(diào)節(jié)裝置使用的，當(dāng)輸入功率超過輸入功率上限時(shí)，比較器輸出的高電平使該電調(diào)衰減器實(shí)行最大衰減。