鄒煒

【摘要】針對(duì)國(guó)防特種通信與電子對(duì)抗領(lǐng)域里傳統(tǒng)的大功率放大器設(shè)計(jì)中保護(hù)電路功能單一落后，智能化程度不高，容易造成功放損壞的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種以數(shù)字化傳感檢測(cè)芯片為主，以數(shù)字化總線(xiàn)相連接，輔以智能判斷算法處理的保護(hù)電路。實(shí)驗(yàn)證明，該設(shè)計(jì)很好的起到了對(duì)大功率設(shè)備的保護(hù)作用。

【關(guān)鍵詞】功率放大器;數(shù)字化傳感器;智能處理

引言

在國(guó)防特種通信與電子對(duì)抗領(lǐng)域中，大功率發(fā)射機(jī)是其中必不可少的一種重要裝備，其工作的穩(wěn)定可靠直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的壓制效果，具有舉足輕重的地位。然而由于功率放大器是大功率設(shè)備，具有大功率設(shè)備所固有的特點(diǎn)，如工作時(shí)電流大、溫度高、負(fù)載敏感等特點(diǎn)，工作穩(wěn)定性和可靠性要受到許多內(nèi)外因素，諸如溫度、頻率等的影響。功率放大器前后相連設(shè)備以及環(huán)境的任何異常都有可能產(chǎn)生難以預(yù)料的后果甚至造成功放的損壞。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)的相關(guān)大功率發(fā)射機(jī)都飽受可靠性不高的困擾，問(wèn)題多發(fā)。雖然都有一些保護(hù)電路設(shè)計(jì)，但是這些設(shè)計(jì)無(wú)一例外都是采用一些互不相關(guān)的簡(jiǎn)單傳感器電路，如溫度繼電器、功率檢波器、電流檢測(cè)電路等等來(lái)各自判斷相關(guān)故障，具有滯后性，只能在發(fā)生故障后才檢測(cè)出故障，而此時(shí)往往已經(jīng)對(duì)功放造成了不可逆的損壞。此外，功放的故障通常具有相關(guān)性，并不是單個(gè)的傳感器能夠準(zhǔn)確判斷的。比如大電流可能引起過(guò)熱、電源異常等故障指示，往往讓維修人員一頭霧水，難以迅速定位真正的故障原因。至于要求更高的功放工作時(shí)序上的故障，傳統(tǒng)保護(hù)電路更是束手無(wú)策。嚴(yán)重的制約了部隊(duì)電子對(duì)抗裝備的戰(zhàn)力。凡此種種，都迫切的要求對(duì)大功率發(fā)射設(shè)備的保護(hù)電路做一場(chǎng)革命性的重新設(shè)計(jì)，解決上述問(wèn)題。隨著技術(shù)的發(fā)展，尤其是傳感器技術(shù)和數(shù)字處理芯片的技術(shù)進(jìn)步，終于有可能利用數(shù)字化器件來(lái)突破上述瓶頸。通過(guò)采用智能總線(xiàn)連接遍布功放各個(gè)核心部位的數(shù)字化傳感器，實(shí)時(shí)的監(jiān)控功放各種敏感參數(shù)的變化，并結(jié)合根據(jù)大功率設(shè)備工作特點(diǎn)擬制的智能判斷算法，本設(shè)計(jì)成功的實(shí)現(xiàn)了對(duì)功放的無(wú)損保護(hù)和智能調(diào)節(jié)，使大功率設(shè)備在各種異常和嚴(yán)酷的條件下都可以不損壞，大大提高了相關(guān)設(shè)備的可靠性。

圖1 大駐波預(yù)判軟件流程圖

1.技術(shù)方案

為了實(shí)現(xiàn)上述思路，本文提出并在國(guó)內(nèi)大功率放大器設(shè)計(jì)中率先實(shí)現(xiàn)了以下技術(shù)：

1.1 故障趨勢(shì)預(yù)判技術(shù)

通過(guò)長(zhǎng)期的功放設(shè)計(jì)應(yīng)用，總結(jié)出了與功放設(shè)備可靠性密切相關(guān)的一些參數(shù)，包括駐波、溫度、電流、電壓等等。其中電流除了總電流外，由于大功率設(shè)備往往是由多個(gè)功率模塊進(jìn)行合成輸出，不同模塊之間若工作時(shí)電流相差過(guò)大，即出現(xiàn)電流不平衡情況對(duì)功放也是極其危險(xiǎn)，因此有必要監(jiān)測(cè)模塊電流變化。而對(duì)這些故障的處理，傳統(tǒng)電路都是有滯后的，只是在故障已經(jīng)發(fā)生了之后才能檢測(cè)出來(lái)。為了避免此種問(wèn)題，有必要預(yù)判可能出現(xiàn)的故障，提前做出反應(yīng)，只有這樣才能真正意義上保護(hù)住功放。因此引入了高速處理芯片，使故障趨勢(shì)預(yù)判得以實(shí)現(xiàn)。以大駐波故障處理為例，程序中有一個(gè)模塊專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)讀取檢測(cè)到的駐波值（通過(guò)外部電路對(duì)正反向檢波電壓的比較處理得到，參見(jiàn)文獻(xiàn)[1]）。正常工作情況下，駐波值應(yīng)大致保持穩(wěn)定，若某一時(shí)刻發(fā)現(xiàn)駐波突然異常升高超過(guò)一定值，則程序就可以立即控制功放進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，而不必等到駐波達(dá)到危險(xiǎn)值才響應(yīng)。處理流程如圖1所示。

可見(jiàn)該技術(shù)核心思想就是檢測(cè)間隔很短時(shí)間內(nèi)的兩次參數(shù)的差值而非絕對(duì)值。只要這個(gè)差值變化突然加大，說(shuō)明設(shè)備有發(fā)生相應(yīng)故障的趨勢(shì)，就可以立即命令功放進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。對(duì)于過(guò)熱等故障，均可以采用此趨勢(shì)預(yù)判技術(shù)加以解決。

1.2 電流不平衡判斷技術(shù)

如上所述，對(duì)于由多個(gè)功率模塊合成的大功率設(shè)備，各模塊間的電流平衡問(wèn)題對(duì)設(shè)備安全性至關(guān)重要。然而在模塊數(shù)量較多時(shí)，涉及的比較器數(shù)量之多以及判斷時(shí)序的復(fù)雜性，使電路復(fù)雜無(wú)比，基本上無(wú)法實(shí)現(xiàn)。為此采用了多通道智能檢測(cè)芯片MAX1154[2]，該芯片除了具有八通道AD檢測(cè)功能，可以同時(shí)檢測(cè)八路模塊電流情況外，最重要的是可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)每路模塊的實(shí)時(shí)連續(xù)檢測(cè)，通過(guò)相關(guān)寄存器設(shè)置，每一路電流過(guò)大或過(guò)小均會(huì)實(shí)時(shí)報(bào)警，這樣結(jié)合時(shí)序正確判斷，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊電流異常的實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理。

1.3 智能溫度補(bǔ)償技術(shù)

對(duì)于大功率設(shè)備來(lái)說(shuō)，增益會(huì)隨著溫度變化，而軍用設(shè)備工作溫度范圍都很廣，隨著帶來(lái)一系列令人頭疼的問(wèn)題。相關(guān)溫補(bǔ)電路的設(shè)計(jì)也非常麻煩。以本方案所實(shí)際應(yīng)用的某采用LDMOS功率管大功率設(shè)備來(lái)說(shuō)，其溫度變化就非常大。傳統(tǒng)電路只能是被動(dòng)的在控制電路上做溫度補(bǔ)償，費(fèi)勁且補(bǔ)償不具有連續(xù)性，溫度適應(yīng)性差。但是歸根結(jié)底，這波動(dòng)是由于功率管的特性引起的，如能直接根據(jù)溫度變化調(diào)節(jié)功率管偏置電壓，使與其特性特性曲線(xiàn)相吻合，就可以解決此問(wèn)題。而新型器件ISL21400正好可以完成此任務(wù)[3]。該器件通過(guò)I2C接口接受主處理器的控制，可以擬合出一條隨溫度變化的電壓輸出曲線(xiàn)，直接作為功率管偏置電壓，在全溫度范圍內(nèi)自動(dòng)補(bǔ)償，從而較好的解決了此問(wèn)題。

1.4 信號(hào)預(yù)檢技術(shù)

現(xiàn)行技術(shù)體制下，功放多只能被動(dòng)接受輸入信號(hào)，與激勵(lì)器之間是“盲控制”的關(guān)系，只有簡(jiǎn)單的單向電平信號(hào)控制。隨著系統(tǒng)需求的日趨復(fù)雜，這種盲控制給功放所帶來(lái)的時(shí)序上的風(fēng)險(xiǎn)也是越來(lái)越大，必須加以改變。為此，在原架構(gòu)中增加了射頻輸入信號(hào)預(yù)檢功能，即如圖2所示的預(yù)選器與射頻開(kāi)關(guān)部分。其功能就是對(duì)輸入的射頻信號(hào)先進(jìn)行檢測(cè)，判斷其幅度是否過(guò)大，頻率是否在帶內(nèi)，信號(hào)時(shí)序是否正確，滿(mǎn)足條件的信號(hào)才可以去激勵(lì)功放，否則拒絕進(jìn)行下一步，以免造成損害。

圖2 信號(hào)預(yù)檢電路示意圖

1.5 智能總線(xiàn)設(shè)計(jì)技術(shù)

如前所述，功放的故障往往具有相關(guān)性，可能表現(xiàn)出來(lái)的是此現(xiàn)象，而其實(shí)則是彼原因。比如欠壓的同時(shí)會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱等現(xiàn)象，而原因可能是電流過(guò)大。這只有同時(shí)檢測(cè)電流、溫度、電壓等參數(shù)，才能借助MCU進(jìn)行分析判斷。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，就必須有一種方法能夠使MCU可以實(shí)時(shí)的獲取最新參數(shù)。傳統(tǒng)的保護(hù)電路各自為政，按功能獨(dú)立分開(kāi)，難以解決此問(wèn)題。而由于功放保護(hù)對(duì)時(shí)間的極高要求，用MCU去定時(shí)查詢(xún)的做法也是根本不能滿(mǎn)足要求的。因此考慮引入了CPLD（或FPGA），利用其并行處理和高速的特性，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)傳感器，并將這些信息通過(guò)智能總線(xiàn)進(jìn)行整合，由主處理器進(jìn)行綜合分析處理。CPLD的軟件模塊劃分如圖3所示。

圖3 CPLD軟件模塊劃分示意圖

工作時(shí)各個(gè)檢測(cè)模塊同時(shí)工作，不斷的更新相應(yīng)寄存器中的實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果，再按照MCU的要求隨時(shí)提供最新結(jié)果，從而很好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)功放的實(shí)時(shí)全面監(jiān)測(cè)。

2.設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)的具體設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

圖4 新型控制保護(hù)電路組成示意圖

考慮到駐波等故障保護(hù)時(shí)間要求極為嚴(yán)格，通過(guò)MCU去檢測(cè)的時(shí)間已經(jīng)不能接受，因此該電路以高速M(fèi)CU和CPLD（或FPGA）為核心器件，通過(guò)獨(dú)特的信息總線(xiàn)連接各種外圍器件，功率控制與狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)并行處理，充分應(yīng)用了數(shù)字電路的強(qiáng)大功能和模擬電路的高效率、高速度。CPLD（或FPGA）可以保持對(duì)相關(guān)工作參數(shù)和狀態(tài)的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，及時(shí)研判故障趨勢(shì)，引導(dǎo)功放自我保護(hù)，而MCU則把全部精力用于高速ALC等相關(guān)工作。從而有效的解決了龐大復(fù)雜的控制需求與極短的控制響應(yīng)時(shí)間之間的矛盾。各外圍電路通過(guò)信息交換總線(xiàn)與CPLD相連，一般不占用MCU的資源，當(dāng)有必須通知MCU的事件時(shí)，以中斷方式通知MCU，同時(shí)可以實(shí)時(shí)響應(yīng)MCU的查詢(xún)。實(shí)際工作時(shí)，主處理器在上電后首先完成對(duì)MAX1154、ISL21400以及其它數(shù)字化傳感檢測(cè)芯片的初始化。這些芯片的控制接口各不相同，如MAX1154是SPI控制接口，而每個(gè)功率模塊上配置的一片ISL21400都需要一個(gè)I2C接口，所采用的溫度傳感器TC74也是I2C接口。再加上其他一些需要初始化的芯片，信息總線(xiàn)種類(lèi)龐雜且數(shù)量眾多，MCU的接口數(shù)量根本不敷使用。但是CPLD可以很好的實(shí)現(xiàn)接口服用，對(duì)各個(gè)外圍器件實(shí)現(xiàn)分時(shí)復(fù)用。隨后，CPLD即開(kāi)始按照?qǐng)D2所示的模塊劃分，各個(gè)功能模塊開(kāi)始全速運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功放所有參數(shù)的變化，并將這些參數(shù)隨時(shí)報(bào)告給主MCU，主MCU就可以輕松的根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)看各種參數(shù)，綜合判斷各種故障。這樣，在傳統(tǒng)電路中，各個(gè)互相獨(dú)立的故障保護(hù)功能借助MAX1154、ISL21400、TC74等一系列數(shù)字化智能傳感器和CPLD、MCU實(shí)現(xiàn)了全面互聯(lián)，使系統(tǒng)可以綜合溫度、電流、駐波等不同狀態(tài)參數(shù)來(lái)判斷故障并定位，準(zhǔn)確率大幅度提高。

3.研究總結(jié)

在某電子對(duì)抗系統(tǒng)裝備的研發(fā)中，應(yīng)用了本文的設(shè)計(jì)。借助CPLD的智能總線(xiàn)控制MAX1154、ISL21400等一系列功能強(qiáng)大的數(shù)字化傳感器、檢測(cè)器，以及信號(hào)預(yù)檢技術(shù)的應(yīng)用，在異常情況下能夠提前做出保護(hù)，并準(zhǔn)確定位故障原因，極大的提高了功放的可靠性和易用性，功放的增益平坦度等相關(guān)性能指標(biāo)也有極大提升，各項(xiàng)表現(xiàn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)產(chǎn)品，使傳統(tǒng)的功率放大器控制保護(hù)技術(shù)取得了質(zhì)的飛躍。

參考文獻(xiàn)

[1]楊霖，等.利用對(duì)數(shù)檢波器實(shí)現(xiàn)射頻功放過(guò)駐波保護(hù)[M].電子產(chǎn)品世界，2008.11.

[2]MAXIM公司 MAX1153/4芯片手冊(cè) 2010.6.

[3]Intersil公司 ISL21400芯片手冊(cè) 2008.03.