基于智能傳感器網絡的大功率發射機保護系統設計

鄒煒

【摘要】針對國防特種通信與電子對抗領域里傳統的大功率放大器設計中保護電路功能單一落后，智能化程度不高，容易造成功放損壞的現象，設計了一種以數字化傳感檢測芯片為主，以數字化總線相連接，輔以智能判斷算法處理的保護電路。實驗證明，該設計很好的起到了對大功率設備的保護作用。

【關鍵詞】功率放大器;數字化傳感器;智能處理

引言

在國防特種通信與電子對抗領域中，大功率發射機是其中必不可少的一種重要裝備，其工作的穩定可靠直接關系到整個系統的壓制效果，具有舉足輕重的地位。然而由于功率放大器是大功率設備，具有大功率設備所固有的特點，如工作時電流大、溫度高、負載敏感等特點，工作穩定性和可靠性要受到許多內外因素，諸如溫度、頻率等的影響。功率放大器前后相連設備以及環境的任何異常都有可能產生難以預料的后果甚至造成功放的損壞。長期以來，國內的相關大功率發射機都飽受可靠性不高的困擾，問題多發。雖然都有一些保護電路設計，但是這些設計無一例外都是采用一些互不相關的簡單傳感器電路，如溫度繼電器、功率檢波器、電流檢測電路等等來各自判斷相關故障，具有滯后性，只能在發生故障后才檢測出故障，而此時往往已經對功放造成了不可逆的損壞。此外，功放的故障通常具有相關性，并不是單個的傳感器能夠準確判斷的。比如大電流可能引起過熱、電源異常等故障指示，往往讓維修人員一頭霧水，難以迅速定位真正的故障原因。至于要求更高的功放工作時序上的故障，傳統保護電路更是束手無策。嚴重的制約了部隊電子對抗裝備的戰力。凡此種種，都迫切的要求對大功率發射設備的保護電路做一場革命性的重新設計，解決上述問題。隨著技術的發展，尤其是傳感器技術和數字處理芯片的技術進步，終于有可能利用數字化器件來突破上述瓶頸。通過采用智能總線連接遍布功放各個核心部位的數字化傳感器，實時的監控功放各種敏感參數的變化，并結合根據大功率設備工作特點擬制的智能判斷算法，本設計成功的實現了對功放的無損保護和智能調節，使大功率設備在各種異常和嚴酷的條件下都可以不損壞，大大提高了相關設備的可靠性。

圖1 大駐波預判軟件流程圖

1.技術方案

為了實現上述思路，本文提出并在國內大功率放大器設計中率先實現了以下技術：

1.1 故障趨勢預判技術

通過長期的功放設計應用，總結出了與功放設備可靠性密切相關的一些參數，包括駐波、溫度、電流、電壓等等。其中電流除了總電流外，由于大功率設備往往是由多個功率模塊進行合成輸出，不同模塊之間若工作時電流相差過大，即出現電流不平衡情況對功放也是極其危險，因此有必要監測模塊電流變化。而對這些故障的處理，傳統電路都是有滯后的，只是在故障已經發生了之后才能檢測出來。為了避免此種問題，有必要預判可能出現的故障，提前做出反應，只有這樣才能真正意義上保護住功放。因此引入了高速處理芯片，使故障趨勢預判得以實現。以大駐波故障處理為例，程序中有一個模塊專門負責讀取檢測到的駐波值（通過外部電路對正反向檢波電壓的比較處理得到，參見文獻[1]）。正常工作情況下，駐波值應大致保持穩定，若某一時刻發現駐波突然異常升高超過一定值，則程序就可以立即控制功放進入保護狀態，而不必等到駐波達到危險值才響應。處理流程如圖1所示。

可見該技術核心思想就是檢測間隔很短時間內的兩次參數的差值而非絕對值。只要這個差值變化突然加大，說明設備有發生相應故障的趨勢，就可以立即命令功放進入保護狀態。對于過熱等故障，均可以采用此趨勢預判技術加以解決。

1.2 電流不平衡判斷技術

如上所述，對于由多個功率模塊合成的大功率設備，各模塊間的電流平衡問題對設備安全性至關重要。然而在模塊數量較多時，涉及的比較器數量之多以及判斷時序的復雜性，使電路復雜無比，基本上無法實現。為此采用了多通道智能檢測芯片MAX1154[2]，該芯片除了具有八通道AD檢測功能，可以同時檢測八路模塊電流情況外，最重要的是可以通過編程實現每路模塊的實時連續檢測，通過相關寄存器設置，每一路電流過大或過小均會實時報警，這樣結合時序正確判斷，就可以實現對模塊電流異常的實時發現和處理。

1.3 智能溫度補償技術

對于大功率設備來說，增益會隨著溫度變化，而軍用設備工作溫度范圍都很廣，隨著帶來一系列令人頭疼的問題。相關溫補電路的設計也非常麻煩。以本方案所實際應用的某采用LDMOS功率管大功率設備來說，其溫度變化就非常大。傳統電路只能是被動的在控制電路上做溫度補償，費勁且補償不具有連續性，溫度適應性差。但是歸根結底，這波動是由于功率管的特性引起的，如能直接根據溫度變化調節功率管偏置電壓，使與其特性特性曲線相吻合，就可以解決此問題。而新型器件ISL21400正好可以完成此任務[3]。該器件通過I2C接口接受主處理器的控制，可以擬合出一條隨溫度變化的電壓輸出曲線，直接作為功率管偏置電壓，在全溫度范圍內自動補償，從而較好的解決了此問題。

1.4 信號預檢技術

現行技術體制下，功放多只能被動接受輸入信號，與激勵器之間是“盲控制”的關系，只有簡單的單向電平信號控制。隨著系統需求的日趨復雜，這種盲控制給功放所帶來的時序上的風險也是越來越大，必須加以改變。為此，在原架構中增加了射頻輸入信號預檢功能，即如圖2所示的預選器與射頻開關部分。其功能就是對輸入的射頻信號先進行檢測，判斷其幅度是否過大，頻率是否在帶內，信號時序是否正確，滿足條件的信號才可以去激勵功放，否則拒絕進行下一步，以免造成損害。

圖2 信號預檢電路示意圖

1.5 智能總線設計技術

如前所述，功放的故障往往具有相關性，可能表現出來的是此現象，而其實則是彼原因。比如欠壓的同時會出現過熱等現象，而原因可能是電流過大。這只有同時檢測電流、溫度、電壓等參數，才能借助MCU進行分析判斷。要實現這一點，就必須有一種方法能夠使MCU可以實時的獲取最新參數。傳統的保護電路各自為政，按功能獨立分開，難以解決此問題。而由于功放保護對時間的極高要求，用MCU去定時查詢的做法也是根本不能滿足要求的。因此考慮引入了CPLD（或FPGA），利用其并行處理和高速的特性，可以實時監測各個傳感器，并將這些信息通過智能總線進行整合，由主處理器進行綜合分析處理。CPLD的軟件模塊劃分如圖3所示。

圖3 CPLD軟件模塊劃分示意圖

工作時各個檢測模塊同時工作，不斷的更新相應寄存器中的實時檢測結果，再按照MCU的要求隨時提供最新結果，從而很好的實現了對功放的實時全面監測。

2.設計實現

實現上述技術的具體設計方案如圖4所示。

圖4 新型控制保護電路組成示意圖

考慮到駐波等故障保護時間要求極為嚴格，通過MCU去檢測的時間已經不能接受，因此該電路以高速MCU和CPLD（或FPGA）為核心器件，通過獨特的信息總線連接各種外圍器件，功率控制與狀態信息監測并行處理，充分應用了數字電路的強大功能和模擬電路的高效率、高速度。CPLD（或FPGA）可以保持對相關工作參數和狀態的實時連續監測，及時研判故障趨勢，引導功放自我保護，而MCU則把全部精力用于高速ALC等相關工作。從而有效的解決了龐大復雜的控制需求與極短的控制響應時間之間的矛盾。各外圍電路通過信息交換總線與CPLD相連，一般不占用MCU的資源，當有必須通知MCU的事件時，以中斷方式通知MCU，同時可以實時響應MCU的查詢。實際工作時，主處理器在上電后首先完成對MAX1154、ISL21400以及其它數字化傳感檢測芯片的初始化。這些芯片的控制接口各不相同，如MAX1154是SPI控制接口，而每個功率模塊上配置的一片ISL21400都需要一個I2C接口，所采用的溫度傳感器TC74也是I2C接口。再加上其他一些需要初始化的芯片，信息總線種類龐雜且數量眾多，MCU的接口數量根本不敷使用。但是CPLD可以很好的實現接口服用，對各個外圍器件實現分時復用。隨后，CPLD即開始按照圖2所示的模塊劃分，各個功能模塊開始全速運行，實時監測功放所有參數的變化，并將這些參數隨時報告給主MCU，主MCU就可以輕松的根據需要隨時調看各種參數，綜合判斷各種故障。這樣，在傳統電路中，各個互相獨立的故障保護功能借助MAX1154、ISL21400、TC74等一系列數字化智能傳感器和CPLD、MCU實現了全面互聯，使系統可以綜合溫度、電流、駐波等不同狀態參數來判斷故障并定位，準確率大幅度提高。

3.研究總結

在某電子對抗系統裝備的研發中，應用了本文的設計。借助CPLD的智能總線控制MAX1154、ISL21400等一系列功能強大的數字化傳感器、檢測器，以及信號預檢技術的應用，在異常情況下能夠提前做出保護，并準確定位故障原因，極大的提高了功放的可靠性和易用性，功放的增益平坦度等相關性能指標也有極大提升，各項表現遠優于傳統產品，使傳統的功率放大器控制保護技術取得了質的飛躍。

參考文獻

[1]楊霖，等.利用對數檢波器實現射頻功放過駐波保護[M].電子產品世界，2008.11.

[2]MAXIM公司 MAX1153/4芯片手冊 2010.6.

[3]Intersil公司 ISL21400芯片手冊 2008.03.