TMW2100型100kW中波發(fā)射機(jī)功放模塊研制

杜思山

【摘要】本文結(jié)合TMW2100型100kW中波發(fā)射機(jī)的特點(diǎn)，分析了功放模塊工作原理，結(jié)合功放模塊國(guó)產(chǎn)化研制過(guò)程，詳細(xì)介紹了模塊電橋電路、模塊電橋控制電路、模塊邏輯控制電路的設(shè)計(jì)原理，闡述了研制過(guò)程中的難點(diǎn)和電路改進(jìn)情況，并簡(jiǎn)單介紹了模塊元件篩選、焊接、測(cè)試、應(yīng)用等情況。自行研制的模塊各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到進(jìn)口模塊標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)約了成本，為安全播出提供了保障。

【關(guān)鍵詞】中波發(fā)射機(jī);功放模塊;研制

一、引言

TMW2100型100kW中波發(fā)射機(jī)是瑞士THALE公司生產(chǎn)的全固態(tài)數(shù)字化中波發(fā)射機(jī)，全機(jī)集成度高，大量運(yùn)用DSP、FPGA等大規(guī)模集成電路技術(shù)，整機(jī)技術(shù)水平比較高，是國(guó)內(nèi)發(fā)射臺(tái)安裝的比較多的機(jī)型，TMW2100型100kW中波發(fā)射機(jī)所有功放模塊都是寬頻帶模塊，可以在525-1605kHz的中波全頻段工作，每部發(fā)射機(jī)有80塊功放模塊，每年運(yùn)行中都有模塊損壞，需要更換，進(jìn)口模塊價(jià)格昂貴，采購(gòu)周期長(zhǎng)，制約了安全播出工作的開(kāi)展?；谝陨闲枰?，我臺(tái)組織人員總結(jié)模塊出現(xiàn)的故障，重新設(shè)計(jì)了模塊電橋電路、模塊控制電路、設(shè)計(jì)了功放模塊PCB電路、篩選模塊用元器件，研制了全新的功放模塊，大大降低了發(fā)射機(jī)運(yùn)行成本，降低了停播率，給安全播出提供了有力的保障。

二、功放模塊國(guó)產(chǎn)化

（一）功放模塊原理

射頻功放模塊原理如圖1，由H形電橋電路、電橋控制電路、模塊控制電路、溫度控制電路、熔斷器控制電路等電路組成。其中H形電橋包含4個(gè)電子開(kāi)關(guān)共8只CMOS場(chǎng)效應(yīng)管，每個(gè)功放模塊的輸入射頻激勵(lì)

信號(hào)有兩路，分別為FC+和FC-。FC+、FC-是兩個(gè)經(jīng)過(guò)相位調(diào)制的載頻信號(hào)，分別加至H橋的左臂和右臂，并經(jīng)反相緩沖器，控制H橋的四臂。FC+、FC-的工作頻率與載波頻率相同，通過(guò)FC+、FC-其間的相位差，能夠控制模塊的工作輸出幅度，實(shí)現(xiàn)幅度相位調(diào)制。這三路信號(hào)從功率放大器內(nèi)的分配器分配而來(lái)。所有功放模塊的輸出信號(hào)都?xì)w納于功率合成器中，合成后的總功率經(jīng)濾波器濾除諧波、雜頻信號(hào)，最后把功率合格而又以發(fā)射載頻為基礎(chǔ)的有用調(diào)幅波信號(hào)，經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò)和饋線送入天線。

每個(gè)功放模塊的輸入輸出控制信號(hào)有兩路（1）ON信號(hào)：控制射頻放大模塊導(dǎo)通或截止，實(shí)現(xiàn)粗階梯調(diào)制，由粗臺(tái)階調(diào)制板送來(lái);（2）RF-ON信號(hào)：發(fā)生異常時(shí)該信號(hào)使所 有射頻放大模塊關(guān)斷，具有最高優(yōu)先級(jí)。由快速監(jiān)控給出;（3）OK信號(hào)： 射頻放大模塊工作正常信號(hào)。

（二）模塊控制電路設(shè)計(jì)

（1） H形電橋電路

H形電橋電路如圖2所示，每一臂由兩只耐高壓的場(chǎng)效應(yīng)管并連組成，共有8只MOS-FET組成H橋的四臂。場(chǎng)效應(yīng)管具體型號(hào)為IRFP460LC，參數(shù)為500V、 20A、 250W，IRFP460LC具有較低的驅(qū)動(dòng)阻抗和高可靠性，可快速開(kāi)關(guān)切換，開(kāi)關(guān)時(shí)間可達(dá)50ns。

（2）電橋控制電路

模塊重新設(shè)計(jì)了H形電橋控制電路，具體電路如圖3所示，電橋控制電路主芯片采用SI8235， SI8235芯片是Silicon Labs公司推出可支持高達(dá)5KV隔離額定電壓值的ISO driver隔離驅(qū)動(dòng)器，該器件為業(yè)界最快速及最高集成度的隔離門(mén)極驅(qū)動(dòng)IC，廣泛地應(yīng)用在UPS、變頻器、逆變器等領(lǐng)域，具備超快速的50ns傳播延遲，比普通光耦合器結(jié)合門(mén)極驅(qū)動(dòng)器方案的速度快五倍以上。Si8235做了許多性能上的改善，一方面顯著地改善MOSFET的開(kāi)關(guān)次數(shù)，而減少FET開(kāi)關(guān)周期的功耗則能讓供電更有效率;另一方面Si8235能有效改善集成型重疊防護(hù)的效率。

功放模塊采用兩片SI8235芯片作為電橋控制電路，Q1、Q2場(chǎng)效應(yīng)管共用一片，Q3、Q4場(chǎng)效應(yīng)管共用一片。下面以其中一片為例簡(jiǎn)單介紹電橋控制電路工作原理，如圖3所示，F(xiàn)C+、FC-經(jīng)R1、C1、R2、C2阻容網(wǎng)絡(luò)送至U1的VIA、VIB輸入端，經(jīng)過(guò)SI8235芯片處理，由VOA、VOB端輸出，控制Q1、Q2場(chǎng)效應(yīng)管按序?qū)?，D1、

D2為鉗位二極管，防止異常高電壓擊穿芯片，R3電阻為設(shè)置死區(qū)保護(hù)電阻，保證Q1、Q2場(chǎng)效應(yīng)管不同時(shí)導(dǎo)通，保證Q1、Q2場(chǎng)效應(yīng)管不被燒毀。

（3）模塊控制電路

模塊控制電路如圖4所示，主要由溫度檢測(cè)控制、邏輯控制、顯示等電路組成，核心芯片為GAL16V8、TMP-01、74HC11，GAL16V8可電擦除重復(fù)編程的通用陣列邏輯器件，是模塊控制電路邏輯控制電路的核心，GAL是Lattice在PAL的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出來(lái)的器件，通過(guò)編程可以實(shí)現(xiàn)模塊邏輯控制功能。

圖4中U2（GAL16V8）為邏輯控制電路，1端為時(shí)鐘輸入端，2、3、4、5端分別為CORR-OK、FS-OK、PWR-OK、T-OK檢測(cè)輸入端，CORR-OK為模塊左右電橋電壓差檢測(cè)信號(hào)，F(xiàn)S-OK為模塊保險(xiǎn)檢測(cè)信號(hào)，PWR-OK為模塊電源檢測(cè)信號(hào)，T-OK為模塊溫度檢測(cè)信號(hào)。以上檢測(cè)信號(hào)正常時(shí)輸入高電平，當(dāng)有一路不正常時(shí)，U2相應(yīng)輸入端檢測(cè)到低電平，通過(guò)內(nèi)部可編程邏輯電路輸出高電平到發(fā)光二極管D2、D3、D4、D5發(fā)光報(bào)警，同時(shí)U2芯片14、15端輸出低電平， 14端低電平到發(fā)射機(jī)中央控制單元，中央控制單元通過(guò)觸摸屏聲光報(bào)警，15端低電平到U3A、U3B，通過(guò)與的關(guān)系，控制FC+、FC-不被送到SI8235電橋控制芯片，起到報(bào)警保護(hù);反之，以上檢測(cè)信號(hào)都正常，U2芯片13端輸出高電平，模塊ON發(fā)光二極管點(diǎn)亮，14、15端輸出高電平，模塊工作正常。

圖4中TMP-01為模塊溫度控制電路，TMP-01是一種低功耗可編程溫度控制器，主要由溫度傳感器、基準(zhǔn)電壓，窗口比較器及集電極開(kāi)路輸出三極管等組成，工作溫度范圍寬（-55℃～+150℃），典型的過(guò)溫精度達(dá)到士0.5℃。TMP-01芯片2端SH為溫度上限設(shè)置輸入端，3端SL為溫度下限設(shè)置輸入端，1端VREF提供2.5V基準(zhǔn)電壓，經(jīng)電阻R7、R8分壓后作溫度上、下限設(shè)置輸入信號(hào)，圖4所示當(dāng)溫度高于50度時(shí)，TMP-01芯片6端輸出低電平，從而拉低U2（GAL16V8）5端輸入電平，U2檢測(cè)到后，通過(guò)邏輯電路從16端輸出高電平，發(fā)光二極管D5點(diǎn)亮報(bào)警，同時(shí)U2芯片14、15端輸出低電平， 14端低電平到發(fā)射機(jī)中央控制單元，中央控制單元通過(guò)觸摸屏聲光報(bào)警，15端低電平到U3A、U3B，通過(guò)與的關(guān)系，控制FC+、FC-不被送到SI8235電橋控制芯片，起到過(guò)溫保護(hù)。

（三）PCB電路設(shè)計(jì)

由于功放模塊信號(hào)復(fù)雜，線路圖紙多達(dá)二十多頁(yè)，檢測(cè)電路和功率電路都在一張板子上，模塊工作于大電流、高頻率狀態(tài)，基于以上情況，為達(dá)到更好的電磁兼容性能，使模塊工作更穩(wěn)定，我們選擇了8層PCB電路板，需要單獨(dú)設(shè)計(jì)了電源層和接地層。由于印刷電路板圖的繪制難度大，在總結(jié)多年維護(hù)和修復(fù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，克服困難自主設(shè)計(jì)印刷電路板圖，對(duì)板圖進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)。板卡印刷電路板圖繪制后，由專業(yè)印刷電路板廠家進(jìn)行板卡制作。

（四）模塊元器件篩選與焊接

功放模塊元器件共2000多個(gè)，種類92種。包含電阻31種，電容15種，各種二極管、三極管十幾種，還有各種功能的集成塊等，并且大多是非常小的貼片式封裝。任何一個(gè)元器件的不穩(wěn)定都會(huì)造成模塊工作異?；蛘吖收希虼诵枰獙?duì)元器件進(jìn)行參數(shù)原理分析，進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)和篩選，最終確定型號(hào)，許多元器件需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)定做。

模塊焊接全部采用機(jī)器貼片焊接，功放模塊實(shí)物圖如圖5所示。

（五）模塊測(cè)試

模塊在工作電壓為 400V，頻率630KHZ，輸入信號(hào)為 9dBm的測(cè)試條件下，要求研制的模塊在中波頻段內(nèi)輸出功率均>1.25KW，效率≥90%，圖6 為進(jìn)口模塊和自主研制模塊輸出波形對(duì)比圖。

三、結(jié)束語(yǔ)

自主研制功放模塊在發(fā)射機(jī)工作將近2年，工作穩(wěn)定，發(fā)射機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到甲級(jí)，完全達(dá)到了進(jìn)口模塊的效果，部分指標(biāo)優(yōu)于進(jìn)口模塊，大大節(jié)約了成本，并經(jīng)過(guò)多次的修改完善，提高了模塊的穩(wěn)定性，對(duì)TMW2100型100kW中波發(fā)射機(jī)的安全播音提供了強(qiáng)有力的保障，提高了發(fā)射臺(tái)技術(shù)保障水平，確保了安全播出。

參考文獻(xiàn)：

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