3DX-50發(fā)射機(jī)功放模塊原理與常見(jiàn)故障分析

張海標(biāo) 馬沖 江蘇廣播電視總臺(tái)廣播發(fā)射中心

3DX-50發(fā)射機(jī)功放模塊原理與常見(jiàn)故障分析

張海標(biāo) 馬沖 江蘇廣播電視總臺(tái)廣播發(fā)射中心

江蘇廣播發(fā)射中心肩負(fù)著6套中波頻率的播出任務(wù)，6套頻率中有5套共10臺(tái)發(fā)射機(jī)采用3DX-50發(fā)射機(jī)，每臺(tái)發(fā)射機(jī)有62塊功放模塊。在發(fā)射機(jī)的日常運(yùn)行中，功放模塊是最容易損壞的部件，對(duì)功放模塊的維護(hù)是保證發(fā)射機(jī)安全運(yùn)行的重要工作。本文著重介紹功放模塊的原理與常見(jiàn)故障，并對(duì)日常運(yùn)行中出現(xiàn)的一次故障進(jìn)行分析，以加深對(duì)功放模塊的理解，從而提高處理故障的能力，提升發(fā)射機(jī)安全播出的保障能力。

功放模塊 故障分析 維修實(shí)例

1. 引言

3DX系列發(fā)射機(jī)是美國(guó)（HARRIS）公司生產(chǎn)的比較成熟的機(jī)型，我臺(tái)新建的發(fā)射中心有5套頻率共10臺(tái)發(fā)射機(jī)采用了3DX-50發(fā)射機(jī)，替代了以前的DX系列機(jī)器。3DX系列是數(shù)字直接驅(qū)動(dòng)（digital direct drive），相對(duì)于以前DX機(jī)器，3DX的制造安裝中大量采用了模塊化插拔的方式，在便于維護(hù)、方便拆卸的同時(shí)，也容易產(chǎn)生各種潛在的問(wèn)題。功放模塊是日常運(yùn)行中最易發(fā)生問(wèn)題的部件，對(duì)功放模塊的正常維護(hù)及維修在發(fā)射機(jī)安全運(yùn)行中起著非常重要的作用。

2. 功放模塊的工作原理

3DX-50功放模塊位于發(fā)射機(jī)中間機(jī)柜的功放柜中。功放柜裝有62個(gè)功放模塊和4個(gè)二進(jìn)制模塊，還包含了4個(gè)調(diào)制編碼器，2個(gè)二進(jìn)制電源和2個(gè)功放電源。所有的功放模塊和調(diào)制編碼器通過(guò)插頭插入安裝于機(jī)柜后的8塊功放母板上。功放柜里有兩種不同的母板：頂部母板和底部母板，在功放柜中分左右兩列安裝。每塊頂部母板安裝8塊功放模塊，每塊底部母板安裝8塊功放模塊及1塊二進(jìn)制模塊。每一塊功放模塊在功放母板及濾波板上都有兩對(duì)輸入輸出接頭。一對(duì)是功放模塊的300V電源A、B輸入，另外一對(duì)是功放模塊的射頻輸出。

3DX-50發(fā)射機(jī)的功放模塊采用的是電壓型無(wú)源逆變技術(shù)，用八個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管Q1～Q8 并接成四對(duì)，八個(gè)二極管D1～D8 一一對(duì)應(yīng)地反向并聯(lián)在Q1～Q8 上，變壓器初級(jí)線圈L連接在兩側(cè)，構(gòu)成全橋逆變電路。

信號(hào)A、B 是兩組相位相差180 度的載頻頻率開(kāi)關(guān)信號(hào)，信號(hào)A 由載頻正半周轉(zhuǎn)化而來(lái)，信號(hào)B 由載頻負(fù)半周轉(zhuǎn)化而來(lái)。兩者與工作信號(hào)通過(guò)門(mén)電路共同控制Q1～Q8 的導(dǎo)通、關(guān)閉，如同開(kāi)關(guān)一樣。D1～D8 在電路中起續(xù)流作用。功放模塊原理圖見(jiàn)圖1。

圖1 功放模塊原理圖

需要模塊工作時(shí)，工作信號(hào)送出高電平，觸發(fā)器D送出“1” 信號(hào)Q1～Q8 完全由A、B信號(hào)控制。在載波周期的正半周，使Q1/Q3、Q6/Q8 導(dǎo)通，Q2/ Q4、Q5/Q7 關(guān)斷，將+V左正右負(fù)地加到變壓器初級(jí)線圈 L上；在載波周期的負(fù)半周，使Q2/Q4、Q5/ Q7 導(dǎo)通，Q1/Q3、Q6/Q8 關(guān)斷，將+V左負(fù)右正地加到變壓器初級(jí)線圈L上。這樣功放模塊輸出一個(gè)載頻方波電壓到變壓器初級(jí)線圈L 上（L 串聯(lián)一個(gè)電容避免直流電壓通地）。變壓器初級(jí)線圈L屬于感性負(fù)荷，使得功放模塊工作時(shí)電流變化滯后于電壓，反向并聯(lián)在Q1～Q8 上的D1～D8，起續(xù)流作用，防止電壓變化時(shí)變壓器初級(jí)上的反電動(dòng)勢(shì)反向擊穿Q1～Q8。

在模塊工作時(shí)，同側(cè)上下兩對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管在信號(hào)A、B 控制下輪流導(dǎo)通，若A、B 的高電平有交迭情況，則同側(cè)兩對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)致直流電壓+V 對(duì)地短路。所以，載頻開(kāi)關(guān)信號(hào)A、B 需要經(jīng)過(guò)空載時(shí)間發(fā)生器處理，它們高電平之間有空載時(shí)間，空載時(shí)間內(nèi)A、B 均為低電平，使Q1～Q8 都關(guān)閉。如果空載時(shí)間少于最低的40ns，會(huì)發(fā)生功放故障，同時(shí)會(huì)關(guān)閉模塊并且把模塊故障信號(hào)發(fā)送到調(diào)制編碼器。

3. 功放模塊常見(jiàn)故障分析及維修

3.1 功放模塊常見(jiàn)故障

當(dāng)功放模塊出現(xiàn)故障時(shí)，首先需要判斷是功放自身的故障還是功放板所處位置造成的故障。

（1）功放模塊持續(xù)損壞

任何形式持續(xù)或重復(fù)的故障表明RF功放或發(fā)射機(jī)此位置出現(xiàn)問(wèn)題。當(dāng)故障發(fā)生后，通常的檢修方法是將修好的功放置于正常工作的臺(tái)階，同時(shí)將正常運(yùn)行的功放置于故障發(fā)生處。此方法能很快判斷出是功放自身的故障還是功放板所處位置造成的故障。

（2）任一位置同一功放模塊重復(fù)損壞

晶體管墊片有缺陷：破損的MOSFET管絕緣墊片會(huì)使晶體管短路。檢查墊片中是否有硬碎片或者散熱片上是否有毛刺和污漬。

ON/OFF線路缺陷：檢查RF功放板上所有低壓線路是否有缺陷部分。假如一側(cè)有問(wèn)題，就集中檢查此側(cè)。假如未發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題，則去掉保險(xiǎn)絲后檢查橋驅(qū)動(dòng)的相位調(diào)整是否有問(wèn)題。

印刷電路板上的虛焊：檢查所有焊接點(diǎn)是否有虛焊，尤其是橋線路上的焊接點(diǎn)。

（3）同一位置上持續(xù)損壞功放板

錯(cuò)誤的RF橋驅(qū)動(dòng):橋驅(qū)動(dòng)的相位與其它模塊的驅(qū)動(dòng)相位必須是同相的。造成不正確的橋驅(qū)動(dòng)相位的原因?yàn)镽F功放晶體管有缺陷或者母板連接有問(wèn)題。

錯(cuò)誤的漏極相位:和一個(gè)模塊與其他模塊的RF橋驅(qū)動(dòng)相位差必須在幾度內(nèi)一樣，RF功放MOSFET管漏極開(kāi)關(guān)的相位也必須同相。即使RF驅(qū)動(dòng)是正確的，其它原因也會(huì)造成漏極相位不同步。造成錯(cuò)誤漏極相位的原因有，連接不緊、RF功放錯(cuò)誤效率線圈的接入、損壞的MOSFET管、RF功放輸出磁環(huán)線圈有缺陷。由于相位問(wèn)題造成損壞的功放板在損壞前仍可運(yùn)行很短的時(shí)間，在這種情況下，這個(gè)模塊會(huì)比其它的模塊熱。這就是模塊不同相的很好的提示。

輸出磁環(huán)線圈缺陷:每個(gè)RF功放的輸出磁環(huán)線圈是將RF輸出耦合到功率合成器上的。假如磁環(huán)有缺陷，功放不能有效運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞。應(yīng)檢查磁環(huán)是否有裂縫或者是否有電弧產(chǎn)生的痕跡。有些檢查能通過(guò)合成器罩的小窗口進(jìn)行，但要進(jìn)一步的檢查必須將合成器罩卸下。

3.2 功放模塊常見(jiàn)維修方法

MOSFET管與保險(xiǎn)絲是功放模塊中最容易損壞的元件，有故障的功放模塊要經(jīng)常對(duì)這兩個(gè)元件進(jìn)行檢測(cè)與更換。（1） 測(cè)試MOSFET管：檢查MOSFET管時(shí)要用電池電壓為3V到18V之間的歐姆表，測(cè)試能顯示MOSFET管怎樣通過(guò)其柵極的充放電實(shí)現(xiàn)MOSFET管的開(kāi)關(guān)。 將晶體管面向上置于絕緣表面。將歐姆表的正極與晶體管漏極（中間極）相連，歐姆表負(fù)極與其源極（右極）相連，接觸跳線從柵極（左極）到源極開(kāi)啟MOSFET管，然后從柵極到漏極關(guān)閉MOSFET管。當(dāng)MOSFET管關(guān)閉時(shí)，歐姆表讀數(shù)為無(wú)窮大（至少在2MΩ）；當(dāng)MOSFET管開(kāi)啟時(shí)，歐姆表讀數(shù)應(yīng)小于90KΩ。在測(cè)試時(shí)不能用手接觸管腳。

在維修功放板時(shí)，即使只有一只或兩只MOSFET管被擊穿，仍建議更換模塊損壞一側(cè)的所有MOSFET管。當(dāng)重新接通電源時(shí)，剩下的MOSFET管可能被擊穿，功放板兩側(cè)的保險(xiǎn)絲互不干擾。如果新更換的MOSFET管未起作用，經(jīng)測(cè)試后未損壞的MOSFET管可作為備用件換上。

更換MOSFET管:檢查晶體管的墊片，當(dāng)晶體管從散熱片卸下時(shí)可能被損壞，更換已損墊片。更換MOSFET管中間管腳的磁環(huán)。將晶體管插入板子，到MOSFET管與散熱片連接的螺絲就位時(shí)方可緊固。將MOSFET管與散熱片緊固，擰緊晶體管與散熱片和板子連接的螺絲。

（2） 測(cè)試并更換保險(xiǎn)絲: 用歐姆表判斷保險(xiǎn)絲的好壞，然后根據(jù)型號(hào)表中的型號(hào)更換。

圖2 功放模塊實(shí)物圖

4. 功放模塊故障及維修實(shí)例

某次正常停機(jī)維護(hù)發(fā)射機(jī)后，在開(kāi)機(jī)試機(jī)時(shí)，聽(tīng)見(jiàn)一聲劇烈的爆破聲，同時(shí)發(fā)射機(jī)自動(dòng)關(guān)機(jī)。初步判斷是發(fā)射機(jī)中有零部件短路被損壞，最有可能的是功放模塊。斷電、打開(kāi)發(fā)射機(jī)功放柜后，聞到了一種元器件被燒的糊味，一個(gè)個(gè)逐步排查，最終發(fā)現(xiàn)是位于底部左側(cè)的一個(gè)功放模塊損壞。拆下該模塊后，發(fā)現(xiàn)有燒毀的痕跡，仔細(xì)檢查功放模塊，發(fā)現(xiàn)MOSFET管和保險(xiǎn)絲都已經(jīng)損壞，印刷電路板背面的金手指到保險(xiǎn)絲的線路已經(jīng)燒斷，造成了此功放模塊的徹底損壞，如圖3所示。

圖3 被損壞的功放模塊背面

然后打開(kāi)功放柜后面的柜門(mén)，發(fā)現(xiàn)功放柜后面兩側(cè)的保險(xiǎn)絲板有4個(gè)保險(xiǎn)絲被熔斷，拆開(kāi)查看濾波板與功放母板，發(fā)現(xiàn)有少量拉弧的痕跡，對(duì)于造成這類(lèi)情況的原因，分析功放模塊故障的電路圖如圖4所示。

圖4 功放模塊部分電路圖

圖4顯示功放模塊母板送過(guò)來(lái)的300v電壓，通過(guò)金手指在上面的電路并沒(méi)有放電短路通道，然而卻造成了功放模塊的印刷電路板燒毀，以及保險(xiǎn)絲和MOSFET管的損壞。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析，這是由于金手指的接頭接觸不良，從而引起合成變壓器初級(jí)的感應(yīng)電壓沒(méi)有放電回路而拉弧，從而導(dǎo)致功放模塊發(fā)生燒毀。由于發(fā)射機(jī)接頭、接點(diǎn)經(jīng)常出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，極容易出現(xiàn)接觸不良的情況。根據(jù)電路原理分析，合成變壓器初級(jí)線圈在功放模塊的放電回路中斷，從合成變壓器的次級(jí)感應(yīng)的電壓，由于得不到及時(shí)的泄放，而產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓。在100%幅度調(diào)制的情況下，開(kāi)通模塊數(shù)為48塊，其感應(yīng)電壓更高達(dá)48U，在如此高電壓之下，就容易出現(xiàn)功放母板及濾波板的電路板拉弧，造成功放模塊的損壞。

5. 總結(jié)

本文介紹了3DX-50發(fā)射機(jī)功放模塊的基本原理，列舉了日常維護(hù)中常見(jiàn)的故障以及維修方法，并對(duì)一例實(shí)際故障進(jìn)行了分析。從本人設(shè)備維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，平時(shí)要多檢查發(fā)射機(jī)各個(gè)連接節(jié)點(diǎn)是否連接可靠，應(yīng)杜絕接觸不良情況的發(fā)生，盡最大努力保障設(shè)備的安全播出。

[1] 廣播電視安全播出管理規(guī)定及專(zhuān)業(yè)實(shí)施細(xì)則

[2] 張丕灶，劉鐵軒等. 全固態(tài)中波發(fā)送系統(tǒng)調(diào)整與維護(hù)

[3] 3DX-50發(fā)射機(jī)說(shuō)明書(shū)圖紙