功放设计中的检测及保护电路的设计研究

0 引言

    射频功率放大器是将发射机里的射频小功率信号，经过一系列的放大一激励级、中间级、末前级、末级功率放大级，获得足够大的射频功率的装置。射频功放是发送设备的重要组成部分。

    功率放大器是一种比较昂贵的资源，具体体现在功率放大管比较昂贵。在整个无线发射链路成本构成来看，功率放大器的成本比例大于50％(绝大多数)，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种相对比较脆弱的器件，尤其是与低功率小信号放大管比较。其脆弱性主要体现在：静电敏感性高；热敏感性比较高；对射频过载比较敏感，即对射频输入功率过载比较敏感；对输出失配比较敏感。

    由于上述原因，在设计功率放大器时必须考虑如何保护功率放大器，以避免静电、浪涌、过热过温、过压、过流、过载造成功放故障或者失效。

1 引起功放失效的原因

    要对功率放大器实现有效的保护，必须要知道引起其失效的原因。功放失效的原因主要有以下几种：

    (1)静电击穿引起的失效。运输、接触导致静电作用于功率管的电极，产生击穿效应，使器件永久失效。这种失效的避免可以从器件、单板运输、操作等过程中，采取防静电措施来解决。解决方法有：a．通过防止静电源的产生(比如保持空气的湿度)；b．通过接地使静电源的静电能够有效释放而防止积累；c．通过采取静电隔离措施。

    (2)过压引起的失效。过压会引起功率放大器的电极击穿或者处于不正常的工作状态。引起过压的情况有：a．功放直流馈电电路部分出现元器件失效，引起过压；b．与功放相关的控制和电源部分出现故障产生的关联效应，引起的过压。

    (3)过流引起的失效。功放的工作电流超出其正常工作电流而引起的失效。

    (4)过激励引起的失效。输入的功率电平超出功率放大器安全范围，会引起功放永久性失效。其结果是直接导致功放烧毁。

    (5)负载不匹配引起的失效。负载开路、短路或失配使功放输出端呈现比较高的驻波分布，使射频能量不能有效地传输出去，大部分能量转换成热，造成热积累，一方面降低了功放效率，另一方面，将造成功放热烧毁。

    (6)过热、过温引起的失效。由于散热不良或者环境温度过高引起功率器件失效。

2 功放保护电路设计类型

    针对功率放大器失效的几种原因，相应的保护电路设计主要分为如下几方面：

    (1)过压保护。此保护形式表现在电路上有：

    电压钳位电路：设计合适的钳位电路可以使馈电电压限制在安全的范围内。

    压敏电路：通过并联压敏电阻或者其他压敏器件，当电压超过压敏器件的临界电平时，压敏器件产生短路效应，拉低电平，从而达到保护的目的。

    稳压电路：通过稳压电路使输入电压范围得到扩大。

    ”电压检测+过压判断+执行保护”的闭环保护形式。

    (2)过流保护。过流保护主要有以下几种形式：

电源限流保护：如果给功率放大器馈电的电源模块具有限流功能，那么该限流功能能够防止功放出现过流。比如功放过激励或者自己的情况下，如果没有限流，功放会被自己或者过激励产生的大电流烧毁。

    过流闭环保护：通过对功放的工作电流进行实时监测，一旦出现过流，自动切断电流，以达到保护功放的目的。

    (3)过激励保护。当输入功率超过功率放大器安全工作范围时，对功放实施的保护。过激励保护的形式有：输入功率限幅，通过限幅器件实现；过激励闭环保护形式，通过对功放的输入功率进行实时监测，一旦发现功放过激励，自动切断输入信号或者自动大幅度衰减输入信号，以达到保护功放的目的。

    (4)热保护。热保护是在出现温度过高或者过热的情况下，对功放实施的保护形式。热保护的方式是通过温度或者热检测电路对功率放大器的温度和热的情况进行监视，一旦检测的温度或者热超过门限值，就通过保护执行装置对功放进行保护。

    (5)失配保护。失配保护是在功放输出失配的情况下，为避免失配对功放损害的一种保护电路形式。

3 功率放大器的保护模型

    通过对各种功放的保护电路分析，一个完整保护电路基本上可以通过如图1所示的模型进行描述。该模型由以下几部分构成：

    (1)状态监测部分。通过传感器实时跟踪相关状态的变化，为保护提供实时数据；

    (2)比较判断部分。让来自状态监测的数据与预设的保护／告警／恢复门限进行比较，根据比较结果输出相应的数据到告警显示、保护执行机构或者通过通信口上报后台等；

    (3)保护执行部分。根据来自比较判断的数据做出相应的保护动作。保护执行动作就是状态异常时，执行保护：状态恢复正常时，解除保护即自恢复。

    此模型的基本工作原理为：状态监测部分通过传感器实时跟踪功率放大器相关状态变化，并将反映该变化的数据传给比较判断部分；比较判断部分对检测得到的数据与预设的告警、保护门限、自恢复门限进行比较，根据比较结果，输出命令至保护执行机构或者告警显示部分，另外将信息通过通信口上报后台。

    以上是一个完整、系统的保护电路模型，即按该模型去设计保护电路能够达到目的，但是实际应用中很多并非有一个如上完整的模型而只有其中几部分，甚至有时只是单个器件构成。比如限幅器件的本身特性就包含了状态检测、判断比较、执行保护，只不过是这些过程不是靠其他器件完成，而是靠器件本身的特性完成的。类似的器件还有钳位二极管、压敏电阻、PPTC(polymeric positivetemperature coeffic-ient)自恢复电流保护器件等。

4 功放的状态监测

    功率放大器的状态监测是功放保护设计的一个非常重要的环节，能否正确、有效、及时检测出状态变化，是能否有效进行保护的关键。

4．1 状态监测分类

    功率放大器有很多状态，但根据系统保护设计方面的需求，并非对每个状态进行状态监测，而是对一些关键状态进行检测。根据监测的状态的不同，将状态监测分类为：

    (1)激励状态监测，监测输入功率变化；

    (2)电流流状态监测，监测功放的工作电流变化；

    (3)电压状态监测，监测功率放大器的功率管或者其他电路的某些电压变化；

    (4)匹配配状态监测，监测功放输出负载匹配情况；

    (5)增益状态监测，监测整个功放的增益变化；

    (6)输出功率状态监测，监测功放的输出功率变化；

    (7)温度／热状态检测，监测功率的温度和热变化。

4．2 状态监测的检测电路

    功率放大器的状态监测是通过各种检测电路实现的，实现上述状态监测的检测电路有：

    (1)功率检测电路。功率检测电路可用作激励状态监测、匹配状态监测、输出功率状态监测、增益状态检测的基本检测单元；

    而功率检测电路根据要检测的功率类型不同可分为：a．峰值功率检测电路，反映载波包络变化的功率检测电路。目前比较成熟的峰值检波电路模块有AD公司的AD8313、AD8307等。AD8313的典型应用电路，如图2所示；b．平均功率检测电路，反映载波平均功率变化的功率检测电路。平均功率检测电路一般在峰值功率检测的基础上加上平滑滤波电路即可；c．RMS功率检测电路，反映载波均方差功率变化的功率检测电路。对于如CDMA等变包络调制功率信号，RMS功率检测电路能够真实的反映其功率变化。目前应用比较多的电路是基于AD公司的AD8361、AD8362等电路。

    根据检测电路输入和输入的对应关系，可将功率检测电路分为：a．对数功率检测电路，即检波输出电平与输入功率的对数呈线性变化关系的功率检测电路。该电路适于检测dB变化要求情况：b．线性功率检测电路，即检波输出电平与输入功率呈线性变化关系的功率检测电路。该电路适于检测W变化要求的情况。

    (2)电压取样电路。电压取样电路可作为电流状态监测、电压状态监测的基本电路。

    (3)电流检测电路。或者电路是检测电流变化的基本电路。可以用电流检测进行电流状态监测。目前电流检测电路应用比较多的是霍尔电路，尤其是大电流检测

    (4)温度检测电路。检测温度变化，是温度／热监测基本电路。

    由于不同的状态监测对检测电路的要求是不一样的，或者同一状态检测不同的系统对检测电路的要求也不一样。明确对相应检测电路的要求是进行检测电路设计的前提。对检测电路的共同要求主要有精度、准确度、线性、动态、响应时间、噪声性能、抗干扰性、灵敏度、可靠性、一致性。

4．3 状态的比较判断

    比较判断是保护电路设计一个比较重要的部分，尤其是闭环保护电路。其功能是将监测的状态数据与预置的门限数据进行比较，根据比较结果输出命令去保护执行装置、显示告警装置或者直接通过通信口上报后台。比较判断根据电路实现形式的不同分为硬件判断和软件判断两种形式。根据门限可变与否可将比较判断分为固定门限比较判断，可调门限比较判断。

4．4 保护执行装置

    保护执行装置是功率放大器保护电路中的保护执行者，它根据来自比较判断的命令，做出相应的保护动作：进入保护，解除保护。执行保护的器件和装置主要有如下几类：

    (1)开关器件类：用在射频功率放大器的开关主要包括直流开关、射频开关，其作用是通过切断直流电流或射频激励达到保护的目的。

    (2)参量限制器件类：用在射频功率放大器的参量限制，主要有限幅器件和限流器件。该类器件是通过限制激励的幅度或者电流强度来达到保护的目的。

    (3)参量调整器件类：用在射频功率放大器的参量调整类器件，有电调衰减器、数字衰减器、可变增益放大器。使用该类器件能够将过激励部分调整回安全状态。

    (4)组合类器件：将保护执行部分跟功率放大器的其他电路集成在一起，形成一个多功能组合器件。比如LP295l，LP2951如果用在功率放大管的偏置电路上，一方面可以提供稳定的偏压；另外LP2951有一CONTROL端，如果该端输入高电平信号，那么输出电压为零，该功能可以作为保护用。

4．5 保护电路举例分析

    下面介绍某功放的保护设计电路，其原理如图3所示。其功能是当输入信号超过一定电平时，将输入信号大幅度衰减，以保证后面的功率放大器不被损害。该电路由如下几部分构成。

    (1)功率取样部分(图中白色部分)。该电路为一取样耦合器。

    (2)功率检测部分(图中蓝色部分)。该部分的核心器件是一个峰值检波器AD8313，其功能是检测耦合过来信号的功率变化。

    (3)滤波比较部分(图中浅黄色+黄色部分)。该部分通过一个PI型滤波器滤除交变部分和干扰，输入至比较器电路LM311，将信号与参考电平进行比较，输出高电平或者低电平至电调衰减器。

    (4)电调衰减部分(图中白色部分)。该部分的功能是：正常工作时它是作为增益调节装置使用的，当输入功率超过输入功率上限时，比较器输出的高电平使该电调衰减器实行最大衰减。