功率放大器主控制電路設(shè)計(jì)

楊志方，李詠梅 （武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢430205）

1 系統(tǒng)功能要求

射頻功率放大器系統(tǒng)是各種無(wú)線發(fā)射機(jī)的重要組成部分［1］。在發(fā)射機(jī)的前級(jí)電路中，調(diào)制震蕩電路所產(chǎn)生的射頻信號(hào)功率很小，需要經(jīng)過(guò)一系列的放大、緩沖、中間放大級(jí)、末級(jí)功率放大級(jí)，獲得足夠的射頻功率以后，才能饋送到天線上輻射出去［2］。為了獲得足夠大的射頻輸出功率，必須采用射頻功率放大器。筆者詳細(xì)介紹了一種射頻功率放大器主控制電路的設(shè)計(jì)方案，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 功率放大器的主控系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)要完成如下任務(wù)：

（1）完成系統(tǒng)的各種報(bào)警，這些報(bào)警主要是通過(guò)相關(guān)傳感器來(lái)檢測(cè)功放的輸出功率、溫度、電流等模擬量，然后將這些模擬量送入單片機(jī)，經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換后，再與各報(bào)警門(mén)限值進(jìn)行比較，并判斷是否需要報(bào)警。最后單片機(jī)對(duì)各采樣信號(hào)進(jìn)行處理并將功放的當(dāng)前狀態(tài)以電平的形式上報(bào)給基站系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是很多功能可以通過(guò)軟件來(lái)完成，設(shè)計(jì)起來(lái)很靈活，在保證功放性能的情況下成本相對(duì)較低。

（2）對(duì)于放大器的電流和溫度報(bào)警要考慮誤動(dòng)作的可能。因此，要求連續(xù)采樣10次，并去掉其中的最大值與最小值，然后取平均得到最終的電流或溫度值，再與門(mén)限值進(jìn)行比較，最終實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的告警功能。

（3）采用RS485通信方式與收發(fā)信機(jī)（Transreceiver，TRX）系統(tǒng)通信，將上述采集到的報(bào)警信息上報(bào)給系統(tǒng)，并且系統(tǒng)可以通過(guò)相應(yīng)指令關(guān)斷或開(kāi)啟功放，以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)功率放大器狀態(tài)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)放大器的功能要求，設(shè)計(jì)了以ADUC7020單片機(jī)為CPU的控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)管理該放大器的所有工作。下面依次探討各模塊的工作原理。

2.1 功率檢測(cè)

功放輸出功率通過(guò)30dB耦合度的微帶線耦合器輸出到功率檢波電路的射頻輸入端［3］，通過(guò)對(duì)數(shù)檢波器將耦合過(guò)來(lái)的射頻功率轉(zhuǎn)換為模擬電壓輸出。然后作為一個(gè)運(yùn)算放大器的輸入，經(jīng)由運(yùn)算放大器調(diào)整到需要的斜率，濾波后送入MCU中進(jìn)行處理。在檢波電路設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)是：

（1）檢波器電路能夠檢測(cè)的功率范圍應(yīng)大于要求的檢波功率范圍。檢波精度的設(shè)計(jì)：在功放的額定輸出為44.75dBm （注：30dBm＝10lg（1W））時(shí)，規(guī)范要求檢測(cè)精度為±0.5dB。輸出經(jīng)過(guò)30dB的耦合后進(jìn)入π衰電路。由于LT5534在常溫時(shí)輸入功率在－50～－10dBm內(nèi)其檢測(cè)精度能保證在±0.5dB以?xún)?nèi)，檢波器LT5534的輸入為－10dBm，保證了額定輸出功率的精度為±0.5dB以?xún)?nèi)。

（2）檢波器的高低溫特性應(yīng)滿足輸出功率要求。通過(guò)檢波器的選型來(lái)保證其高低溫特性滿足要求。LT5534在900M時(shí)輸出隨溫度漂移的典型值為0.008dB／℃，因此常溫到高溫 （25～80℃）時(shí)漂移為：（80－25）＊0.008＝0.44dB，從常溫到低溫 （25～－10℃）時(shí)漂移為：（25－ （－10））＊0.008＝0.28dB，在±0.5dB以?xún)?nèi)，滿足要求。

2.2 溫度檢測(cè)

功放的溫度檢測(cè)是由放置在需要監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處的溫度傳感器DS600將溫度值轉(zhuǎn)換為模擬電壓的形式輸出，經(jīng)運(yùn)算放大器濾波后送入MCU進(jìn)行處理。溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)要求功放工作的環(huán)境溫度范圍是0～60℃。當(dāng)環(huán)境溫度為60℃時(shí)，在正常散熱條件下，功放輸出為額定功率，腔體內(nèi)部的溫度會(huì)比環(huán)境溫度高20～30℃［4］?？紤]到功放輸出最大功率時(shí)腔體溫度比輸出額定功率時(shí)高，因此溫度檢測(cè)范圍為－10～80℃。

（2）對(duì)溫度斜率的處理可在傳感器的輸出電壓后加一個(gè)2倍壓電路，溫度斜率K＝6.45＊2＝12.9mV／℃。

2.3 電流檢測(cè)

電流檢測(cè)的目的是檢測(cè)末級(jí)功放管消耗的電流，通過(guò)電流取樣電阻將電流轉(zhuǎn)換為取樣電壓，再將取樣電壓經(jīng)過(guò)電流傳感器輸出最終的電流檢測(cè)電壓，將其處理后送給MCU進(jìn)行處理，與設(shè)定的電流報(bào)警閾值相比較。同時(shí)需根據(jù)末級(jí)功放管不損壞的情況下能承受的最大電流設(shè)定電流報(bào)警門(mén)限。電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)：

（1）電流檢測(cè)范圍的確定，可根據(jù)以下幾個(gè)方面來(lái)確定：① 靜態(tài)電流。靜態(tài)電流是指功放處于就緒狀態(tài)，功放的柵極和漏極供電電壓正常，在輸入端沒(méi)有加信號(hào)的情況下功放消耗的電流：IS＝60W／48V＝1.25A，其中60W為功放處于就緒狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)允許消耗的最大功率。48V為系統(tǒng)提供的電源最大電壓。②輸出額定功率 （40W）時(shí)的電流IE＝200W／48V＝4.2A，其中200W為功放輸出40W功率時(shí)系統(tǒng)允許消耗的最大功率。③輸出最大功率 （79W）時(shí)電流IM＝250W／25＝10A，其中250W為功放過(guò)沖時(shí)消耗的最大功率。25V為系統(tǒng)提供的電源最小電壓值。

另外考慮到報(bào)警門(mén)限電流應(yīng)大于功放輸出最大功率時(shí)的電流［5］，也就是電流的檢測(cè)范圍是1～10A。

（2）報(bào)警門(mén)限的確定。過(guò)電流報(bào)警的目的主要是防止末級(jí)功放管由于輸入功率過(guò)大超出了功放管所能承受的最大功率而導(dǎo)致功放管燒毀［6］。因此設(shè)定過(guò)流報(bào)警的電流門(mén)限值為10A。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，使模塊間的調(diào)用層次清晰，有利于調(diào)試、修改和維護(hù)。主程序負(fù)責(zé)管理整個(gè)程序，包括初始化、調(diào)用子模塊及協(xié)調(diào)他們之間的關(guān)系等。系統(tǒng)的功能模塊包括：系統(tǒng)初始化模塊、Flash讀寫(xiě)模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、中斷服務(wù)模塊、取數(shù)和調(diào)試功能模塊。

3.1 主程序流程圖

主程序流程圖如圖2所示，其主要工作是進(jìn)行模塊的初始化。系統(tǒng)硬件初始化主要實(shí)現(xiàn)的功能有單片機(jī)端口初始化和功能寄存器初始化，初始化的單片機(jī)內(nèi)部硬件模塊有：串口發(fā)送和接收器、定時(shí)器0、AD轉(zhuǎn)換模塊等。

數(shù)據(jù)初始值的初始化主要包括：輸出功率取樣點(diǎn)的值初始化，各種狀態(tài)標(biāo)志的初始化，柵壓數(shù)據(jù)的初始化等。

Flash操作模塊主要是對(duì)Flash中存放的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，然后根據(jù)數(shù)據(jù)的有效性判斷系統(tǒng)進(jìn)入何種模式 （運(yùn)行模式或取數(shù)調(diào)試模式）。

3.2 主循環(huán)工作流程圖

圖3為主循環(huán)的工作流程圖。主要工作是清看門(mén)狗，A／D采集處理并對(duì)功放的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，進(jìn)入相應(yīng)的服務(wù)模式［7］。

A／D數(shù)據(jù)采集模塊所做的工作為：在所有采樣通道都完成1個(gè)循環(huán) （對(duì)于每個(gè)通道采樣8次然后進(jìn)行平均，為1次“AD過(guò)程”得到的采樣值；連續(xù)10次“AD過(guò)程”為一個(gè)循環(huán)）的AD采樣后，將采樣到的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行一次數(shù)字濾波［8－9］。

圖2 主流程圖

圖3 主循環(huán)流程圖

3.3 中斷服務(wù)程序流程圖

圖4為中斷服務(wù)程序流程圖。主要工作是響應(yīng)TRX系統(tǒng)發(fā)出的同步信號(hào)，并進(jìn)行RS485通信處理。它所需完成的功能如下：① 及時(shí)響應(yīng)同步信號(hào)；② 進(jìn)行RS485通信服務(wù)；③進(jìn)行定時(shí)服務(wù)。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，功率放大器在接收到TRX以差分形式給出的同步信號(hào)后，最小30μs以后會(huì)收到TRX的3個(gè)字節(jié)的信息。最小60μs以后要求功率放大器對(duì)（N－2）時(shí)刻的查詢(xún)進(jìn)行回應(yīng)（假設(shè)當(dāng)前為N時(shí)刻）。如果在30μs以?xún)?nèi)沒(méi)有收到任何指令，則主動(dòng)上報(bào)功率放大器的狀態(tài)信息?！癛S485通信服務(wù)模塊”具有以下作用：①依據(jù)同步要求，進(jìn)行RS485指令的接收；②如果接收到客戶RS485信息，需進(jìn)行信息檢驗(yàn)和指令解析，從而進(jìn)行相應(yīng)的回復(fù)；③如果接收到內(nèi)部RS485信息，需進(jìn)行指令解析，從而進(jìn)行相應(yīng)的操作和回復(fù)。

圖4 中斷服務(wù)程序流程圖

為了增加系統(tǒng)的抗干擾性，使用了看門(mén)狗，使程序在跑飛時(shí)能復(fù)位［10］。

4 結(jié) 語(yǔ)

筆者采用ADUC7020單片機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)通用的功率放大器主控制電路，該控制電路成功的完成了對(duì)功率、電壓、電流和溫度等模擬量的采集，并通過(guò)RS485通信反饋給TRX系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)功率放大器的實(shí)時(shí)監(jiān)控，極大的節(jié)省了人力資源，也為功放故障的排查提供了方便。過(guò)去大多采用可調(diào)電阻為各功放管提供偏置電壓，而筆者采用單片機(jī)為各功放管提供偏置柵壓，使得產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，節(jié)約大量人力成本，并減少了人為錯(cuò)誤造成的故障，對(duì)于更復(fù)雜的功放項(xiàng)目具有借鑒意義。

［1］Peter B.Kensington.High linearity RF Amplifier Design ［M］.London：Artech House Publishers，2000：501－502.

［2］Steve C.Cripps.RF Power Amplifiers for Wireless Communications ［M］.Second Edition.London：Artech House Publishers，1999：5－6.

［3］張玉霞，張洪立，肖軍鵬，等 .前饋功放線性化技術(shù) ［J］.遙測(cè)遙控，2005，26（1）：58－61.

［4］李浩模 .通信用線性功率放大器的進(jìn)展 ［J］.半導(dǎo)體情報(bào)，2001，38 （1）：5－7.

［5］Jeong.Linearizing principles on principles on high power amplifier ［M］.Chonju：Chonbuk National University，2004：43－46.

［6］Joel Vuolevi，Timo Rahkonen.Distortion in RF power amplifiers ［M］.London：Artech House，2003：1－2.

［7］趙明洪，王敏錫，陳凱亞，等 .高效率線性功率放大器設(shè)計(jì) ［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2010（1）：95－98.

［8］高吉祥，王彥，朱衛(wèi)華，等 .高頻電子線路 ［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005：13－14.

［9］Cripps Steve C.Advanced techniques in RF power amplifier design ［M］.London：Artech House，2002：2－7.

［10］公茂法，馬寶甫，孫晨晨 .單片機(jī)人機(jī)接口實(shí)例集 ［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998：32－33.