功放設計中的檢測及保護電路

摘要：射頻功放作為通信系統的最末級，因大功率而極易損害。由于功率放大器是一種相對比較昂貴，且為比較脆弱的器件，因此在設計功率放大器時(shí)，應重點(diǎn)關(guān)注如何保護功率放大器，以避免靜電、浪涌、過(guò)熱過(guò)溫、過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)載造成功放故障或者失效。本文詳細分析了射頻功率放大器的失效原因，并列舉了工程上常采用的保護方式，通過(guò)模型分析，構建了功放的檢測電路及保護電路，從而達到保護射頻功放的目的。
關(guān)鍵詞：射頻功放；檢測；保護電路。

0 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(guò)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，具體體現在功率放大管比較昂貴。在整個(gè)無(wú)線(xiàn)發(fā)射鏈路成本構成來(lái)看，功率放大器的成本比例大于50％(絕大多數)，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。其脆弱性主要體現在：靜電敏感性高；熱敏感性比較高；對射頻過(guò)載比較敏感，即對射頻輸入功率過(guò)載比較敏感；對輸出失配比較敏感。
由于上述原因，在設計功率放大器時(shí)必須考慮如何保護功率放大器，以避免靜電、浪涌、過(guò)熱過(guò)溫、過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)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(shí)現有效的保護，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、接觸導致靜電作用于功率管的電極，產(chǎn)生擊穿效應，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(guò)程中，采取防靜電措施來(lái)解決。解決方法有：a．通過(guò)防止靜電源的產(chǎn)生(比如保持空氣的濕度)；b．通過(guò)接地使靜電源的靜電能夠有效釋放而防止積累；c．通過(guò)采取靜電隔離措施。
(2)過(guò)壓引起的失效。過(guò)壓會(huì )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(guò)壓的情況有：a．功放直流饋電電路部分出現元器件失效，引起過(guò)壓；b．與功放相關(guān)的控制和電源部分出現故障產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)效應，引起的過(guò)壓。
(3)過(guò)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(guò)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(huì )引起功放永久性失效。其結果是直接導致功放燒毀。
(5)負載不匹配引起的失效。負載開(kāi)路、短路或失配使功放輸出端呈現比較高的駐波分布，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(guò)熱、過(guò)溫引起的失效。由于散熱不良或者環(huán)境溫度過(guò)高引起功率器件失效。

2 功放保護電路設計類(lèi)型
針對功率放大器失效的幾種原因，相應的保護電路設計主要分為如下幾方面：
(1)過(guò)壓保護。此保護形式表現在電路上有：
電壓鉗位電路：設計合適的鉗位電路可以使饋電電壓限制在安全的范圍內。
壓敏電路：通過(guò)并聯(lián)壓敏電阻或者其他壓敏器件，當電壓超過(guò)壓敏器件的臨界電平時(shí)，壓敏器件產(chǎn)生短路效應，拉低電平，從而達到保護的目的。
穩壓電路：通過(guò)穩壓電路使輸入電壓范圍得到擴大。
”電壓檢測+過(guò)壓判斷+執行保護”的閉環(huán)保護形式。
(2)過(guò)流保護。過(guò)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過(guò)流。比如功放過(guò)激勵或者自己的情況下，如果沒(méi)有限流，功放會(huì )被自己或者過(guò)激勵產(chǎn)生的大電流燒毀。
過(guò)流閉環(huán)保護：通過(guò)對功放的工作電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，一旦出現過(guò)流，自動(dòng)切斷電流，以達到保護功放的目的。
(3)過(guò)激勵保護。當輸入功率超過(guò)功率放大器安全工作范圍時(shí)，對功放實(shí)施的保護。過(guò)激勵保護的形式有：輸入功率限幅，通過(guò)限幅器件實(shí)現；過(guò)激勵閉環(huán)保護形式，通過(guò)對功放的輸入功率進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，一旦發(fā)現功放過(guò)激勵，自動(dòng)切斷輸入信號或者自動(dòng)大幅度衰減輸入信號，以達到保護功放的目的。
(4)熱保護。熱保護是在出現溫度過(guò)高或者過(guò)熱的情況下，對功放實(shí)施的保護形式。熱保護的方式是通過(guò)溫度或者熱檢測電路對功率放大器的溫度和熱的情況進(jìn)行監視，一旦檢測的溫度或者熱超過(guò)門(mén)限值，就通過(guò)保護執行裝置對功放進(jìn)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。