多通道D類功放水聲發射機的研究

尹凱華，郭小俊

(上海船舶運輸科學研究所 艦船自動化分所，上海 200135)

?

多通道D類功放水聲發射機的研究

尹凱華，郭小俊

(上海船舶運輸科學研究所 艦船自動化分所，上海 200135)

D類功率放大器具有體積小、效率高等優點，被廣泛應用于各種發射電路中。針對水聲通信工程中使用D類功放的主動聲吶的發射機在多路發射機同時工作時容易引起故障的問題，對發射機出現故障的原因進行分析，并通過功率管選擇、功率管散熱處理、功率驅動芯片選擇、鉗位二極管選擇、消振電路參數選擇及變壓器繞制工藝改進等手段優化電路性能。通過上述改進措施，可使聲吶系統穩定性和可靠性大幅提高。

D類功放；多通道發射機；脈沖尖刺；載波；包絡

0　引　言

主動聲吶是水聲通信工程中使用頻率很高的一種設備，發射機是其重要組成部分。發射機按照工作原理可分為A類、B類、AB類和D類等，其中:A類功率放大器(以下簡稱“功放”)具有良好的線性特性，但效率太低(在50%以下)；B類推挽功放在放大小信號時會產生交越失真現象，且功率轉換效率低(在70%以下)。因此，聲吶發射機設計很少使用A類和B類功放。AB類功放很好地解決了交越失真現象，且線性特性較好、轉換效率比B類稍低，常被使用在聲吶發射機中[1]；而D類功放具有體積小、功率轉換效率高(理論上是100%，典型值能達到85%以上)[2]、工作頻帶寬、抗干擾能力強等優點，被廣泛應用于聲吶工程中，尤其是反蛙人聲吶系統中。多通道發射機同時工作時能提高發射總功率，使發射換能器的總靈敏度提高、指向性指數增大，從而使得聲吶的聲源級得到提高，進而使探測距離更遠、范圍更廣。

1　D類功放水聲發射機工作原理

D類功放發射機的工作原理見圖1，其由發射驅動、光耦隔離、邏輯保護、功率驅動與放大、升壓變壓器、匹配網絡及發射換能器等部分組成[3]。

圖1　D類功放發射機工作原理

(1) 發射驅動信號為互為差分的單正極性方波信號；

(2) 光耦隔離實現驅動信號從數字端到模擬端的傳遞；

(3) 邏輯保護主要防止驅動信號出現非差分或頻移等邏輯錯誤；

(4) 功率驅動一般使用集成驅動芯片驅動電路，要求開關時間短、驅動能力強；

(5) 功率放大一般使用大功率管將驅動信號放大，由變壓器初級的耦合關系可知功率管漏源電壓VDS能放大到高壓電源的2倍；

(6) 由于發射的瞬間功率很大，一般的開關電源并不能滿足大功率輸出，因此采用儲能電容的供電形式，根據發射功率與脈寬的大小、功放電路的功率轉換效率、允許承受的最大高壓壓降，可計算出儲能電容的最小允許值；

(7) 驅動信號經過功率放大后加載到帶中心抽頭的1：1：n升壓變壓器的初級上，再耦合到次級，經過匹配網絡后輸出至發射換能器完成電聲能量轉換，向水中發射聲波。

2　多通道發射機可靠性問題

多通道發射機同時工作時，在提高探測距離的同時，也帶來了故障頻繁發生的缺點，使得系統的可靠性大打折扣。故障具體表現為：易擊穿發射機的功率管，使得功率管漏源短路、發射高壓經變壓器初級與地短路，導致發射機無法正常工作。產生該故障的直接原因是功率管漏源極在每個載波周期內均產生1個高脈沖的交越失真，會對功率管產生巨大傷害，甚至損壞。圖2和圖3分別為改進前單通道發射載波和發射包絡，可看出載波內脈沖尖刺達到了190 V-0.6 μs，并伴隨有較大的振蕩。

圖2　改進前單通道發射載波

圖3　改進前單通道發射包絡

在多通道發射機同時工作時，這種載波上疊加的脈沖尖刺幅度會更高、脈寬更大。圖4為改進前多通道發射載波，可知載波內某一脈沖尖刺高達197 V-1 μs，并伴隨有很大的振蕩。在整個包絡內甚至有載波出現更高、更寬的脈沖尖刺。圖5為改進前多通道發射包絡，脈沖尖刺達到204 V，這種失真會對發射機造成相當大的損害，一旦擊穿功率管，會使高壓與地短路，容易燒壞電路板，導致發射機無法正常工作，嚴重影響了系統的可靠性。

圖4　改進前多通道發射載波

導致上述故障發生的根本原因相當復雜，影響因素眾多，其中較為主要的原因是變壓器初級在每個載波的上升和下降沿都有一次電流方向的反轉，電流值約為10 A，此時初級線圈內產生很大的感應電動勢，并將其帶入到高壓電源里；而多通道發射機是共用1個高壓電源的，因此同時工作的發射機越多，高壓電源上的脈沖尖刺就越多、越高，最終引入到發射載波內導致故障發生。圖6和圖7分別為單通道發射時的高壓和多通道同時發射時的高壓，可知：儲能電容上的高壓(60 V)在單通道發射時尖刺峰值達16 V；而多個通道同時發射時尖刺峰值達78 V。

3　提高多通道發射機可靠性的措施

3.1功率管的選擇

圖5　改進前多通道發射包絡

圖6　單通道發射時高壓

3.2功率管散熱處理

功率管的工作溫度在正常工作溫度范圍內越低越好。因此對功率管作散熱處理，加裝散熱片，并用風扇吹風散熱。散熱片用高性能導熱硅膠粘貼，其導熱率為K=3 W/(m℃)，安裝時厚度約為D=0.1 mm，則其熱阻為R=D/K=0.03 ℃/W;考慮實際安裝散熱片時表面不平整等因素,引入接觸熱阻，保守估計其總熱阻為RΘCS=0.2 ℃/W。而從數據手冊中可知本系統選用的功率管的熱阻為RΘJA=40 ℃/W，節與外殼熱阻為RΘJC=0.47 ℃/W。由“3.1”節可知，發射時功率管的漏極電流為ID=10 A,而發射驅動電壓VGS=12 V。查功率管的數據手冊可得功率管在25 ℃和175 ℃時漏極電流與漏源管壓降曲線圖(見圖10)。

圖7　多通道同時發射時高壓

圖8　原功率管安全工作區

圖9　新功率管安全工作區

a) 25 ℃時曲線圖

b) 175 ℃時曲線圖

3.3功率驅動芯片的選擇

由D類發射機的驅動特性可知，集成功率驅動芯片應選取雙通道低端功率管驅動器;查看功率管的技術參數可知其柵電荷典型值為QG=60 nC，電路使用驅動電壓為VGS=12 V，聲吶工作頻率為f=80 K，則所需驅動功率為Pdrive=2QGfVGS=115 mW。選擇一款驅動芯片,其開關時間典型值為50 ns(遠小于聲吶工作頻率對應的周期12.5 us)，驅動輸出電流高達1.5 A，則在開關時間t=50 ns時，輸出電流為I=QG/t=1.2 A<1.5 A;在驅動電壓VGS=12 V時，最大驅動功率Pmax=18 W,遠大于所需驅動功率，滿足要求。

3.4鉗位二極管的選擇

由于鉗位二極管能有效減緩電路中涌浪式電壓變化對電路元件產生的沖擊，因此在功率管漏源極間加裝鉗位二極管。圖11為功率管鉗位保護電路圖,可知鉗位二極管的使用能在一定層度上遏止載波上的脈沖尖刺。

3.5消振電路參數的選擇

由第2節可知，發射機在工作時其發射載波內有較大振蕩情況出現，因此在2個功率管的漏極之間加入消振電路(見圖12)。實際測試中，增大消振電容C及減小消振電阻R可提升消振效果。但是,電阻R受功率的限制不能降得太小;C的容值不能取得過大，否則在發射的瞬間容易燒壞電阻R。電阻R上的平均功率可計算出來：

圖11　功率管鉗位保護電路圖

圖12　功率管漏極消振電路圖

在發射的瞬間,2個功率管的漏極之間是互為反向單正極性的方波信號，因此可根據基本電路理論知識計算得到流過電阻R的穩態電流為周期函數。

(2)

3.6變壓器繞制工藝的改進

變壓器采用鐵氧體高磁導率環形磁芯。

1) 改進前初級和次級均為單股線緊密纏繞，磁路的分布參數影響較大，導致初級1和初級2的發射載波不對稱性較大。

2) 改進后初級采用雙線平繞方式、緊密分組，次級采用分組緊密纏繞方法，以降低磁路分布參數的影響，提高初級對稱性和初次級耦合效率。

4　改進后結果驗證

采取上述一系列改進措施后，得到改進后單通道及多通道發射載波和包絡(見圖13～圖16)，可知：單通道發射時載波無失真，基本無振蕩，包絡內最大尖刺為127 V；多通道發射時載波內脈沖尖刺達到135 V-0.1 μs，有輕微的振蕩趨勢，包絡內最大尖刺為135 V。與改進前相比，改進后發射機的可靠性大幅提升。經實踐驗證，改進后多套聲吶系統在使用過程中再無發射機損壞的故障出現。

圖13　改進后單通道發射載波

圖14　改進后單通道發射包絡

圖15　改進后多通道發射載波

圖16　改進后多通道發射包絡

5　結　語

發射機是主動聲吶系統的重要組成部分，在保證其可靠性的基礎上，進一步提升其性能是下一步需要做的工作。例如：進一步增大發射脈寬，使各幀發射能量更大，并保證電路的可靠性；同時，將匹配網絡做得更好，實現發射源與負載換能器在寬帶內的良好匹配，得到平坦的較寬的發射信號帶寬。

[1]田坦，劉國枝，孫大軍.聲吶技術[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2000.

[2]張肅文.高頻電子線路[M].4版.北京:高等教育出版社，2004.

[3]謝文軒.應答釋放器發射機和水聲通信發射機設計[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2009:4-6.

[4]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].3版.北京:高等教育出版社，2001.

Reliability of Multichannel D-Type Power Amplifier Transmitter for Hydro Acoustic Equipment and its Improvement

YIN Kaihua，GUO Xiaojun

(StateKeyLaboratoryofNavigationandSafetyTechnology，ShanghaiShip&ShippingResearchInstitute，Shanghai200135，China)

The D type power amplifier is usually used in various transmitters for its advantages, such as tiny size, high efficiency. The D type power amplifier is also a common design for the active sonar transmitter. However, when all the channels of a transmitter work together, one can find a high fault rate with the transmitter. This paper analyzes the causes of the faults and proposes the improvements of the circuit design, which make the sonar system much more reliable.

D type power amplifier; multichannel transmitter; spike pulse; carrier; envelope

2016-01-12

尹凱華(1985—)，男 ，江蘇南通人，工程師，主要從事水聲電子通信研究工作。

1674-5949(2016)01-054-08

TN 713+.8

A