一種水聲應(yīng)答器發(fā)射電路的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

陳可欽，王永恒

（1.中國海洋石油總公司，北京100010；2.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱150001）

0 引 言

應(yīng)答器作為現(xiàn)代水聲設(shè)備，在水下定位、潛艇導(dǎo)航和海底地形監(jiān)測等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。在實(shí)際應(yīng)用過程中，要求應(yīng)答器具有體積小、作用距離遠(yuǎn)、寬頻帶、待機(jī)時間長和可靠性高的特點(diǎn)。水聲發(fā)射機(jī)是應(yīng)答器的重要組成部分，同樣也是系統(tǒng)耗電量最大的部分，其性能優(yōu)劣直接影響到應(yīng)答器系統(tǒng)的作用距離、工作時間和系統(tǒng)性能。通常情況下，應(yīng)答器多采用電池供電，傳統(tǒng)的水聲功放多采用甲乙類或乙類功放，具有體積大、效率低發(fā)熱量大的特點(diǎn)，不適用于水下應(yīng)答器。因此，本文針對某應(yīng)答器的實(shí)際使用要求，設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一種采用推挽式D類功放電路，完成的電路小體積、高效率并具有待機(jī)功能。水池和湖試試驗(yàn)表明：電路各項指標(biāo)滿足設(shè)計要求，工作穩(wěn)定可靠。

1 發(fā)射電路系統(tǒng)組成

通常發(fā)射電路主要由整形保護(hù)電路、驅(qū)動電路、功放電路和匹配電路組成，如圖1所示。系統(tǒng)CPU給出發(fā)射信號經(jīng)整形保護(hù)電路整形和保護(hù)以后輸出給驅(qū)動電路，驅(qū)動電路將信號進(jìn)行處理后，驅(qū)動功放管有效工作；功放電路完成對小信號的功率放大；匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)功放與換能器間的阻抗匹配以及對信號的濾波；換能器最終將電信號轉(zhuǎn)換為聲信號，向水中輻射聲波。

圖1 發(fā)射電路組成框圖

2 發(fā)射電路整體設(shè)計

由應(yīng)答器實(shí)際應(yīng)用需要，得到發(fā)射系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）聲源級：SL≥190dB；

（2）換能器發(fā)送電壓響應(yīng)：131dB ref＠1μPa 1m；

（3）工作頻率：8kHz～16kHz；

（4）工作電壓：24V；

（5）信號脈寬：25ms；

（6）信號周期：1s；

（7）電源：可充電鋰電池，輸出電流2A。

根據(jù)聲源輻射聲功率與聲源級SL之間的關(guān)系可以得出換能器的輻射聲功率。具體表達(dá)式如下：

式中，Pa為換能器發(fā)射聲功率；DI為發(fā)射指向性指數(shù)。本系統(tǒng)換能器指向性指數(shù)為DI＝3dB。

通常壓電陶瓷換能器的電聲換效率約為η換能器≈30%，則本論文中應(yīng)答器功放輸出的電功率約為133 W。由電源功率和換能器輻射聲功率的轉(zhuǎn)換關(guān)系可知，系統(tǒng)電源功率的大小完全取決于功放的效率。因此功放采用何種電路形式對系統(tǒng)起著重要作用。

2.1 方案選擇

一般情況下，傳統(tǒng)水聲功放主要分為線性功放和非線性功放（D類功放）。在傳統(tǒng)的聲納系統(tǒng)中，多使用B類和AB類線性功放對待發(fā)射的水聲信號進(jìn)行功率放大以保證其線性度，但其理論功率轉(zhuǎn)換效率為78.5%，而實(shí)際的工作效率在50%～70%之間，由此帶來功耗、散熱、體積、重量等一系列問題。D類功率放大器的功放管工作于開關(guān)狀態(tài)，理論上功率轉(zhuǎn)換效率值為100%，典型值為85%，因此可有效減小功放的尺寸和重量，降低對系統(tǒng)電源的要求。故應(yīng)答器發(fā)射電路采用D類功放。

D類功率放大器多采用推挽式和全橋式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。推挽式功率放大器一般應(yīng)用于功率＜500W的情況，全橋式D類功率放大器則一般應(yīng)用于功率容量＜1 000W的情況。結(jié)合應(yīng)答器的功率要求可知，推挽式功率放大電路即可滿足設(shè)計指標(biāo)。假設(shè)實(shí)際D類功放的轉(zhuǎn)換效率約為75%，則應(yīng)答器電源輸出功率約為177W。

目前，D類功放多用于音頻電路，多將信號進(jìn)行調(diào)制處理。常用的調(diào)制方式有兩種：脈沖寬度調(diào)制（PWM）和脈沖密度調(diào)制（PDM）。由于本應(yīng)答器無需調(diào)整發(fā)射功率，因此本文設(shè)計時未采用調(diào)制方式，即：發(fā)射信號的頻率為發(fā)射電路的工作頻率。此方案可降低因高頻調(diào)制信號而帶來的功放管開關(guān)損耗；減小由于加入死區(qū)時間而帶來的能量損失，亦可避免由于調(diào)制方式導(dǎo)致功放管過窄的導(dǎo)通時間，提高發(fā)射電路的可靠性。

2.2 主電路設(shè)計

D類功放中通常采用增強(qiáng)型場效應(yīng)管（MOSFET）作為功率元件，相比于雙極型功率晶體管功率MOSFET具有開關(guān)速度高、導(dǎo)通電阻小、驅(qū)動電路簡單且與負(fù)載電流無關(guān)、無二次擊穿特性等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中采用IR公司的N溝道功率場效應(yīng)管IRF540N。其UDSS＝100V；ID＝28A＠25℃；導(dǎo)通內(nèi)阻44mΩ。

理論上，功率MOSFET柵源電壓UGS只需高于閾值電壓就可導(dǎo)通而不需要電流，但功率MOSFET柵源極與柵漏極之間存在寄生電容，而驅(qū)動功率MOSFET就是對寄生電容的充放電，因此輸入驅(qū)動信號需要能提供一定電流以快速對電容充放電，達(dá)到減小功率MOSFET開關(guān)損耗并提高功率MOSFET開關(guān)速度的目的。目前，市場上集成驅(qū)動芯片性能優(yōu)良、可靠性高且使用方便，文中最終采用MICREL公司的單路輸入輸出驅(qū)動芯片MIC4422完成設(shè)計，驅(qū)動電流峰值：9A，工作范圍：4.5V～20V，延遲時間30ns，滿足系統(tǒng)要求。

電路設(shè)計過程中為了降低應(yīng)答器待機(jī)功耗，發(fā)射電路中采用具有停機(jī)功能的臺灣P－DUKE電源模塊LCD15－24S12W為邏輯和驅(qū)動電路供電。其效率高達(dá)87%；最大電流輸出1 300mA；待機(jī)功耗約為20 μA。

如圖2所示，為了提高電路的穩(wěn)定性及可靠性，在功率MOSFET的柵源極間加入穩(wěn)壓管，以保護(hù)柵極；在功率MOSFET的漏源極加入100V（D2、D6）穩(wěn)壓管，防止因功放非阻性負(fù)載而導(dǎo)致的尖峰電壓擊穿功率管；電路中使用 RDC（R4、V1、C5）組成的吸收回路，防止在功率MOSFET關(guān)斷時，由變壓器漏電感引起開關(guān)管集電極電壓突然升高引起功放管擊穿，同時亦可減小發(fā)射電路工作在開關(guān)狀態(tài)下產(chǎn)生的較高EMI輻射。

變壓器的設(shè)計在本系統(tǒng)的設(shè)計過程中十分關(guān)鍵，既要保證足夠的功率容量和開關(guān)速度，又要力圖做到小體積和低功耗。本設(shè)計采用日本TDK公司的PC40磁性材料的P36／22型磁芯，其具有較高的功率容量、導(dǎo)磁率低的特點(diǎn)。變壓器在實(shí)際制作時，應(yīng)具有足夠的初級電感量以保證工作信號低頻段的正常工作；若變壓器的工作頻率較高時還應(yīng)考慮到電流集膚效應(yīng)導(dǎo)致的變壓器發(fā)熱，此時可采用多股線解決；還應(yīng)注意變壓器的制作工藝，如絕緣和浸漬，以保證良好的穩(wěn)定性和可靠性。

圖2 發(fā)射電路主體電路圖

2.3 散熱考慮

由以上論述可知，發(fā)射電路輸出功率：177W，發(fā)射信號長度：τ＝25ms，電源電壓24V。當(dāng)發(fā)射機(jī)發(fā)送脈沖信號時，假定功率管工作在最壞情況時，功率管上管壓降UDS為2V，流過功率管的最大電流Imax為7.4A，由于發(fā)射機(jī)采用半橋推挽放大電路形式，則功率管必須消耗的脈沖功率P為：

考慮到發(fā)射機(jī)以脈沖形式向外發(fā)送信號，則單個功率MOSFET消耗的平均功率為ˉP：

式中，P為單個功率管消耗的脈沖功率，τ為脈沖寬度，T為脈沖重復(fù)周期。

查找IRFB540N數(shù)據(jù)手冊可知，TO－220AB封裝下功率管的最大節(jié)溫為175℃，節(jié)與外殼之間的熱電阻為RθJC＝1.15℃／W，節(jié)與環(huán)境之間的熱電阻為：RθJA＝62℃／W。

假定功率管周圍空氣最高溫度為40℃，通過上面公式計算，功放管的結(jié)溫約為52℃，遠(yuǎn)小于175℃。因此在設(shè)計中為了減小電路體積，功率MOSFET未進(jìn)行散熱處理。

2.4 儲能電容

考慮到發(fā)射電路具有瞬時功率較大，平均功率較小的特點(diǎn)。如果用24V鋰電池電源直接給電路供電則無法提供足夠的瞬時功率，設(shè)計中采用大容量蓄能電容的方案為發(fā)射單元提供瞬時大電流。由設(shè)計指標(biāo)可知：發(fā)射功率為177W，最大發(fā)射脈沖寬度為25 ms，充電鋰電池放電電流為2A，允許5%的電壓衰落，則蓄能電容容量：

系統(tǒng)最終采用松下公司生產(chǎn)的兩個33 000μF的電解電容完成設(shè)計。

3 匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

常用的壓電換能器屬于電容性負(fù)載，其阻抗特性隨頻率的變化而變化，因此需要在功放與換能器之間加入匹配網(wǎng)絡(luò)，提高功放的工作效率。即采用外加電抗性元件調(diào)節(jié)水聲換能器的輸入電抗，使得電抗趨近于零。

壓電換能器在諧振頻率附近可以看作集總參數(shù)系統(tǒng)，等效電路如圖3（a）所示。其中：C0為換能器靜態(tài)電容；Rf為機(jī)械阻反映到電端的電阻；Lf為動態(tài)電感值；Cf為動態(tài)電容值。圖3（b）、（c）分別為換能器的并聯(lián)等效電路和串聯(lián)等效電路，RL為換能器并聯(lián)電路等效阻抗，R＇L為換能器串聯(lián)電路等效阻抗。工程中常采用串聯(lián)匹配、并聯(lián)匹配和寬帶匹配完成設(shè)計。

3.1 串聯(lián)匹配

串聯(lián)匹配電路示意圖如圖4所示。對于串聯(lián)調(diào)諧，需要先把換能器等效電路由并聯(lián)形式變?yōu)榇?lián)形式。并串轉(zhuǎn)換前后各元件值之間的關(guān)系為：

圖3 換能器等效電路

圖4 換能器串聯(lián)匹配電路

式中，ωs為換能器的固有諧振頻率。

3.2 并聯(lián)匹配

圖5 換能器并聯(lián)匹配電路

綜合以上分析可得出下面結(jié)論：

（1）串聯(lián)匹配相比并聯(lián)匹配具有更小的電感量，因此有利于減小匹配網(wǎng)絡(luò)的體積和重量，但當(dāng)（ωSCORL）2?1時，LP≈LS。

（3）采用串聯(lián)調(diào)諧后，換能器發(fā)送響應(yīng)呈現(xiàn)雙峰狀態(tài)系統(tǒng)帶寬變窄；而并聯(lián)匹配后帶寬特性略低于串聯(lián)匹配。

3.3 寬帶匹配

串聯(lián)匹配和并聯(lián)匹配均屬于窄帶匹配僅在某個頻率點(diǎn)將換能器調(diào)諧為純阻，但換能器通常工作在一定頻率范圍內(nèi)，因此需要匹配網(wǎng)絡(luò)在換能器工作的頻帶內(nèi)接近于純阻。工程上通常采用串聯(lián)匹配電感LP和并聯(lián)匹配電感LS組成的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示。

圖6 寬帶匹配電路

在網(wǎng)絡(luò)的高頻段LP電感值較大，相當(dāng)于開路，LS與CO組成串聯(lián)回路對網(wǎng)絡(luò)高頻進(jìn)行補(bǔ)償；在低頻段，LS的感抗隨頻率降低而下降，CO容抗隨頻率降低而增大，因此電路逐漸呈現(xiàn)容性，此時LS和LP串聯(lián)后與靜態(tài)電容CO組成并聯(lián)諧振回路，完成對電路低頻段的匹配。LS和LP計算公式如下：

對于實(shí)際使用的換能器而言，本論文對三種匹配電路均進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果如下：

（1）由于換能器本身的阻抗特性，（ωSCORL）2?1，因此串并聯(lián)匹配電感的大小基本相同；

（2）并聯(lián)匹配的帶寬略好于串聯(lián)匹配；

（3）寬帶匹配的性能同并聯(lián)匹配相近。

因此并聯(lián)匹配方式兼顧了系統(tǒng)帶寬性能和體積尺寸，綜合考慮本文采用并聯(lián)匹配方式完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

4 水池和湖試

在實(shí)驗(yàn)室條件下，令發(fā)射電路正常工作，工作頻率12kHz，利用電流環(huán)觀測電源輸入和發(fā)射電路輸出電流波形幅度。計算得到發(fā)射電路的效率約為83%；整體電路在待機(jī)情況下的靜態(tài)功耗為20μA。

系統(tǒng)在消聲水池進(jìn)行聲源級測試。利用RESON公司的標(biāo)準(zhǔn)水聽器TC4040，接收靈敏度為－206dB，應(yīng)答器距離標(biāo)準(zhǔn)水聽器為2m，由示波器接收到8 kHz～16kHz的信號峰峰值由mV到mV。根據(jù)以下公式得出系統(tǒng)聲源級，計算的結(jié)果如圖7所示。

圖7 聲源級曲線

圖8 某定位系統(tǒng)定位結(jié)果

使用該發(fā)射電路的應(yīng)答器于2012年8月在吉林松花湖進(jìn)行了某定位系統(tǒng)的定位實(shí)驗(yàn)，實(shí)際的定位結(jié)果如圖8所示。曲線為船航行軌跡，圓點(diǎn)為實(shí)時解算出的應(yīng)答器位置。整個實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)答器工作穩(wěn)定，聲源級滿足要求，信號無異常情況。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一種應(yīng)用于應(yīng)答器的發(fā)射電路，與傳統(tǒng)的水聲功放電路相比，該電路采用推挽式D類功率放大器作為主體方案，結(jié)合實(shí)際換能器阻抗特性完成了阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)了電路的小體積和高效率；同時該電路具備待機(jī)功能，有效降低應(yīng)答器的待機(jī)功耗，延長了應(yīng)答器的工作時間。實(shí)驗(yàn)室測試和湖試表明：在工作頻率12kHz時，發(fā)射電路整體效率可達(dá)83%；待機(jī)功耗20μA；聲源級達(dá)到190dB；滿足應(yīng)答器技術(shù)指標(biāo)，具有一定的工程使用價值。

［1］丁繼勝，吳永亭，唐秋華，楊 龍.超短基線水下定位系統(tǒng)通信接口的實(shí)現(xiàn)方法［J］.海洋測繪，2006，26（2）：49－51.

［2］俞宏沛，袁崇堯.換能器與發(fā)射機(jī)的阻抗匹配［J］.聲學(xué)技術(shù)，1991，10（1）：22－28.