設(shè)計功率放大器電路時如何實現(xiàn)檢測和保護功能

引言

射頻功率放大器是將發(fā)射機里的射頻小功率信號，經(jīng)過一系列的放大一激勵級、中間級、末前級、末級功率放大級，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比較脆弱的器件，尤其是與低功率小信號放大管比較。其脆弱性主要體現(xiàn)在：靜電敏感性高；熱敏感性比較高；對射頻過載比較敏感，即對射頻輸入功率過載比較敏感；對輸出失配比較敏感。

由于上述原因，在設(shè)計功率放大器時必須考慮如何保護功率放大器，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

要對功率放大器實現(xiàn)有效的保護，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）過激勵引起的失效。輸入的功率電平超出功率放大器安全范圍，會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、功放保護電路設(shè)計類型

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

（1）過壓保護。此保護形式表現(xiàn)在電路上有：

電壓鉗位電路：設(shè)計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，壓敏器件產(chǎn)生短路效應(yīng)，拉低電平，從而達到保護的目的。

穩(wěn)壓電路：通過穩(wěn)壓電路使輸入電壓范圍得到擴大。

”電壓檢測+過壓判斷+執(zhí)行保護”的閉環(huán)保護形式。

（2）過流保護。過流保護主要有以下幾種形式：

電源限流保護：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。比如功放過激勵或者自己的情況下，如果沒有限流，功放會被自己或者過激勵產(chǎn)生的大電流燒毀。

過流閉環(huán)保護：通過對功放的工作電流進行實時監(jiān)測，一旦出現(xiàn)過流，自動切斷電流，以達到保護功放的目的。

（3）過激勵保護。當(dāng)輸入功率超過功率放大器安全工作范圍時，對功放實施的保護。過激勵保護的形式有：輸入功率限幅，通過限幅器件實現(xiàn)；過激勵閉環(huán)保護形式，通過對功放的輸入功率進行實時監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)功放過激勵，自動切斷輸入信號或者自動大幅度衰減輸入信號，以達到保護功放的目的。

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

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

3、功率放大器的保護模型

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

（1）狀態(tài)監(jiān)測部分。通過傳感器實時跟蹤相關(guān)狀態(tài)的變化，為保護提供實時數(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／告警／恢復(fù)門限進行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)到告警顯示、保護執(zhí)行機構(gòu)或者通過通信口上報后臺等；

（3）保護執(zhí)行部分。根據(jù)來自比較判斷的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的保護動作。保護執(zhí)行動作就是狀態(tài)異常時，執(zhí)行保護：狀態(tài)恢復(fù)正常時，解除保護即自恢復(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時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；比較判斷部分對檢測得到的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的告警、保護門限、自恢復(fù)門限進行比較，根據(jù)比較結(jié)果，輸出命令至保護執(zhí)行機構(gòu)或者告警顯示部分，另外將信息通過通信口上報后臺。

設(shè)計功率放大器電路時如何實現(xiàn)檢測和保護功能

以上是一個完整、系統(tǒng)的保護電路模型，即按該模型去設(shè)計保護電路能夠達到目的，但是實際應(yīng)用中很多并非有一個如上完整的模型而只有其中幾部分，甚至有時只是單個器件構(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，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)測是功放保護設(shè)計的一個非常重要的環(huán)節(jié)，能否正確、有效、及時檢測出狀態(tài)變化，是能否有效進行保護的關(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)保護設(shè)計方面的需求，并非對每個狀態(tài)進行狀態(tài)監(jiān)測，而是對一些關(guān)鍵狀態(tài)進行檢測。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現(xiàn)的，實現(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。對于如CDMA等變包絡(luò)調(diào)制功率信號，RMS功率檢測電路能夠真實的反映其功率變化。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應(yīng)關(guān)系，可將功率檢測電路分為：a．對數(shù)功率檢測電路，即檢波輸出電平與輸入功率的對數(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?；蛘唠娐肥菣z測電流變化的基本電路。可以用電流檢測進行電流狀態(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)對檢測電路的要求也不一樣。明確對相應(yīng)檢測電路的要求是進行檢測電路設(shè)計的前提。對檢測電路的共同要求主要有精度、準(zhǔn)確度、線性、動態(tài)、響應(yīng)時間、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

比較判斷是保護電路設(shè)計一個比較重要的部分，尤其是閉環(huán)保護電路。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)進行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出命令去保護執(zhí)行裝置、顯示告警裝置或者直接通過通信口上報后臺。比較判斷根據(jù)電路實現(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 保護執(zhí)行裝置

保護執(zhí)行裝置是功率放大器保護電路中的保護執(zhí)行者，它根據(jù)來自比較判斷的命令，做出相應(yīng)的保護動作：進入保護，解除保護。執(zhí)行保護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達到保護的目的。

（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的幅度或者電流強度來達到保護的目的。

（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^激勵部分調(diào)整回安全狀態(tài)。

（4）組合類器件：將保護執(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，那么輸出電壓為零，該功能可以作為保護用。

4．5 保護電路舉例分析

下面介紹某功放的保護設(shè)計電路，其原理如圖3所示。其功能是當(dāng)輸入信號超過一定電平時，將輸入信號大幅度衰減，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。