直接數(shù)字驅(qū)動(dòng)功放模塊常見故障分析

曾賓陽

摘要：直接數(shù)字驅(qū)動(dòng)模塊是由561臺(tái)獨(dú)立研發(fā)的新一代大功率功放驅(qū)動(dòng)模塊，性能穩(wěn)定，效率高。本人長(zhǎng)期從事于該模塊的研發(fā)和維護(hù)，積累了一定的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)就該模塊在工作過程中出現(xiàn)的常見故障給予簡(jiǎn)要分析，以期為相關(guān)人員維修和研究模塊提供幫助。

關(guān)鍵詞：直接數(shù)字驅(qū)動(dòng)功放模塊；射頻信號(hào)；故障分析

中圖分類號(hào)：TN948.53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）02-0238-03

1 前言

直接數(shù)字驅(qū)動(dòng)功放模塊采用數(shù)字芯片技術(shù)直接對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行放大，不需要提前對(duì)送到模塊的射頻信號(hào)進(jìn)行前級(jí)放大，而是把射頻信號(hào)直接送到功放模塊，在功放模塊中采用驅(qū)動(dòng)芯片直接對(duì)射頻信號(hào)放大來驅(qū)動(dòng)MOS場(chǎng)效應(yīng)管，省去DX200所需的前級(jí)放大。模塊采用大量貼片元器件，大大減少了模塊的體積，集成度高，節(jié)省電源耗，提高了電能利用效率[1]。目前，直接數(shù)字驅(qū)動(dòng)功放模塊在我臺(tái)研制的MF200多頻中波廣播發(fā)射機(jī)上得到很好的應(yīng)用，性能穩(wěn)定，現(xiàn)在已經(jīng)平穩(wěn)運(yùn)行上千小時(shí)，電聲指標(biāo)均達(dá)到了國家規(guī)定的甲級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。雖然Thomcast公司生產(chǎn)的M2W中波發(fā)射機(jī)與Harris公司生產(chǎn)的3DX中波發(fā)射機(jī)上也使用了直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)，但驅(qū)動(dòng)方式有很大區(qū)別，設(shè)計(jì)思路也不盡相同，維護(hù)方式也相應(yīng)不同。

2 直接數(shù)字驅(qū)動(dòng)功放模塊結(jié)構(gòu)

直接數(shù)字驅(qū)動(dòng)功放模塊主要功能電路分為以下幾個(gè)部分[1]：一是射頻預(yù)處理電路，對(duì)輸入到模塊的平衡信號(hào)進(jìn)行平衡轉(zhuǎn)不平衡變換變?yōu)門TL電平，提高信號(hào)的抗干擾能力，送入可編程邏輯芯片PAL22V10進(jìn)行后續(xù)處理；二是電源轉(zhuǎn)換電路，直接數(shù)字驅(qū)動(dòng)模塊通過合成母板得到+12V和+48V電源，再經(jīng)過功放模塊的開關(guān)電源電路轉(zhuǎn)換成所需各種電源；三是射頻隔離和驅(qū)動(dòng)技術(shù)，采用硅隔離技術(shù)的MOS場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)芯片Si8233，可以很好地對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離，利用驅(qū)動(dòng)芯片IXDN604對(duì)IRFP460直接驅(qū)動(dòng)，滿足直接數(shù)字驅(qū)動(dòng)功放模塊的設(shè)計(jì)需求。

通過我臺(tái)自主研發(fā)的直接數(shù)字驅(qū)動(dòng)功放模塊測(cè)試平臺(tái)，可以很好地對(duì)測(cè)試點(diǎn)和各芯片輸入輸出波形進(jìn)行測(cè)量，通過測(cè)試數(shù)據(jù)來判斷具體故障點(diǎn)[2]。下面就各主要功能電路出現(xiàn)的典型故障進(jìn)行分析和總結(jié)。

2.1 射頻預(yù)處理部分故障分析

射頻預(yù)處理部分電路比較簡(jiǎn)單，出現(xiàn)故障也比較容易查找出，信號(hào)發(fā)生器送給兩模塊合成母板的信號(hào)頻率為850KHZ，幅度為4.24VPP，占空比為52%的方波信號(hào)，經(jīng)過處理后，送到模塊輸入芯片U21。首先用示波器測(cè)試芯片U21輸出波形，正常波形為占空比為50%，峰峰值為+5V的方波信號(hào)。若輸出波形無、占空比不對(duì)或者幅度不對(duì)，則測(cè)量U21芯片的電源和接地是否正常，輸入信號(hào)是否為占空比為50%，峰峰值為1.2V的方波，以及芯片U16是否擊穿，有異常則檢查原因。若上述外圍電路測(cè)試都正常，則可判斷為芯片MC100ELT23損壞，更換該芯片即可。射頻預(yù)處理電路圖1所示。

2.2 電源轉(zhuǎn)換電路故障分析

直接數(shù)字驅(qū)動(dòng)模塊通過隔離變壓器將外接+12V和48V電源變換成各芯片所需電源，+12V電源經(jīng)LM317穩(wěn)壓后產(chǎn)生+5.5V電源，+VB、+VA1、+VA2、+VH、+VD由變壓器T1產(chǎn)生，電路原理圖如圖2所示。

正常情況下，合低壓開關(guān)，測(cè)試平臺(tái)驅(qū)動(dòng)電流表顯示的單塊模塊驅(qū)動(dòng)電流約為0.30A左右，若電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該0.30A或?yàn)榱悖瑴y(cè)量保險(xiǎn)F5，F(xiàn)6，F(xiàn)7，F(xiàn)8和F9，看是否有開路，若存在開路情況，則更換相應(yīng)保險(xiǎn)。更換保險(xiǎn)后，合低壓，若驅(qū)動(dòng)電流表顯示依然為零，則要進(jìn)一步分析原因，分為以下幾種情況。

（1）F5開路，F(xiàn)5，F(xiàn)6，F(xiàn)7，F(xiàn)8和F9正常。測(cè)量MOS管Q11和Q12是否擊穿，若柵源級(jí)擊穿，則會(huì)導(dǎo)致+48V電源對(duì)地短路而使得F5燒斷。若電流快速上升直到F5開路，時(shí)間大約為1S左右，則可能是變壓器T1次級(jí)整流電路中，有個(gè)別整流二極管開路或者性能不好，導(dǎo)致次級(jí)電流增大，進(jìn)而使得變壓器初級(jí)電流越來越大，從而使F5開路，這種情況要用數(shù)字萬用表二極管檔測(cè)量各變壓器T1次級(jí)整流電路中的二極管，看是否有短路或者性能不好的，更換有異常的整流二極管。（2）F5正常，F(xiàn)6，F(xiàn)7，F(xiàn)8和F9其中有一個(gè)或者多個(gè)開路。以保險(xiǎn)F9為例，F(xiàn)9為電源+VD的通路提供保護(hù)，為隔離芯片U1和場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)芯片U6提供電源。當(dāng)F9再次開路，則需檢查芯片U1和U6是否有異常。首先判斷隔離芯片U1是否有異常，測(cè)量引腳U1-15和UI-16是否短路，如短路，則可斷定U1有問題，更換U1；若引腳U1-15和U1-16沒有短路，則測(cè)量芯片U1外圍電路是否正常，比如各引腳輸入信號(hào)是否正常，正常情況下引腳U1-1和U1-2輸入波形為占空比50%，頻率為850KHZ，峰峰值為+5V，相位相反的方波信號(hào)，U1-3和U1-8為+5V，U1-4、U1-5和U1-9接地，引腳U1-10和U1-15輸出波形為占空比40%，峰峰值為+16V，相位相反的方波信號(hào)。U1輸入信號(hào)正常，而沒有輸出，則可判斷芯片U1有異常。U1輸入輸出都正常，則測(cè)量芯片U6，正常情況下，U6-6對(duì)地電阻阻值為150歐姆左右，若遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該值，則說明電源對(duì)地隔離度不夠，更換該芯片，同時(shí)測(cè)量二極管CR6和CR21是否短路，如短路則更換。其余保險(xiǎn)開路可按照F9方法找出故障點(diǎn)。（3）F5，F(xiàn)6，F(xiàn)7，F(xiàn)8和F9均正常。若更換保險(xiǎn)開路保險(xiǎn)后，測(cè)量F5，F(xiàn)6，F(xiàn)7，F(xiàn)8和F9均正常，驅(qū)動(dòng)電流表依然顯示為零，則需檢查電源處理芯片U15是否工作正常。正常情況下，經(jīng)過四分頻芯片U17處理后，U15-1和U15-2輸入波形為占空比50%，頻率為212KHZ，峰峰值為+5V，相位相反的方波信號(hào)，U15-3和U15-8為+5V電源，U15-4、U15-5和U15-9接地，U15-16測(cè)量為對(duì)地+30V左右懸浮電壓，U15-11為+12V， U15-15輸出波形為占空比48%，頻率為212KHZ，峰峰值為70V左右的方波信號(hào)，U15-10輸出波形為占空比48%，頻率為212KHZ，峰峰值為20V左右的方波信號(hào)。

下面我們將根據(jù)測(cè)量值與上述正常值比較，查找故障點(diǎn)。例1：假設(shè)U15-1和U15-2輸入波形沒有或者頻率不對(duì)，則應(yīng)查找前級(jí)電路，測(cè)量CR29、CR30是否擊穿，R75和R80是否開路，以及分頻電路是否工作正常，一級(jí)級(jí)往前測(cè)量，直到找出故障點(diǎn)；例2：U15-16的電壓為零，說明開關(guān)電源沒有啟動(dòng)，這時(shí)需測(cè)量二極管CR54兩端電壓，正常情況下正端為+12V，負(fù)端為11.3V左右，在實(shí)際過程中，碰到過幾次電阻R47和二極管CR54開路現(xiàn)象，導(dǎo)致+12V電源不能通過經(jīng)CR32向模塊提供+VA電源，低邊MOS管Q5/Q7、Q6/Q8也就無法關(guān)斷，輸出磁環(huán)上的感應(yīng)高電壓將模塊損壞，擊穿場(chǎng)效應(yīng)管；例3：當(dāng)測(cè)得芯片U15輸入信號(hào)和電源都正常，MOS管Q11和Q12也正常，合低壓后驅(qū)動(dòng)電流表顯示電流依然為零，則可判斷為U15內(nèi)部可能有故障，更換U15即可。

2.3 場(chǎng)效應(yīng)管擊穿故障分析

直接數(shù)字驅(qū)動(dòng)功放模塊利用射頻隔離驅(qū)動(dòng)器SI8233芯片對(duì)射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行隔離，MOSFET采用IR公司生產(chǎn)的IRFP460，IRFP460的主要參數(shù)為Rds為0.22Ω，Id為20A，Vds為500V，Vdg為500V，可以很好地滿足設(shè)計(jì)需求，而且IRFP460輸入電容小，所需驅(qū)動(dòng)功率低，柵極只要2.6V左右電壓就可以導(dǎo)通，輸出波形好[3]。用驅(qū)動(dòng)芯片IXDN604對(duì)IRFP460直接驅(qū)動(dòng)，省去了預(yù)驅(qū)動(dòng)等復(fù)雜部件，方便設(shè)計(jì)和維護(hù)。IRFP460驅(qū)動(dòng)原理圖3所示。

導(dǎo)致場(chǎng)效應(yīng)管擊穿的原因有很多種，本節(jié)只對(duì)維修過程中經(jīng)常出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析。首先對(duì)+250V電源保險(xiǎn)進(jìn)行測(cè)量，看是否有250V電源保險(xiǎn)開路，以F3為例，若測(cè)得F3開路，用萬用表二極管檔測(cè)量F3保險(xiǎn)對(duì)應(yīng)的四個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管Q1/Q3和Q5/Q7的柵源、漏源級(jí)是否有短路現(xiàn)象，正常情況下二極管檔測(cè)量柵源級(jí)數(shù)值為480左右，漏源級(jí)無窮大，若測(cè)得某管的數(shù)值很小或者為零，則說明該管已經(jīng)擊穿，先卸除有異常的場(chǎng)效應(yīng)管，但不要急著更換該管，應(yīng)先在模塊測(cè)試平臺(tái)加低壓，測(cè)試IRFP460的柵極波形，正常情況下柵極波形為頻率850KHZ，占空比為42%，峰峰值為16V左右的類方波，若波形不對(duì)或者沒有，則需向前級(jí)查找原因，一般為隔離芯片U1損壞，判斷是否為隔離芯片U1異常可以參考故障處理2.2節(jié)。若F3未開路，四個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管Q1/Q3和Q5/Q7也正常，則要向前級(jí)查找故障點(diǎn)，看通路中電阻R1和R4是否開路，二極管CR6、CR7、CR8、CR21是否擊穿，芯片U1、U6和U18是否工作正常，芯片外圍電路是否有短路現(xiàn)象等。同理，F(xiàn)4開路也可根據(jù)F3開路的處理步驟進(jìn)行故障處理。

3 總結(jié)

本文簡(jiǎn)要講述了直接數(shù)字驅(qū)動(dòng)功放模塊在日常維護(hù)中碰到的幾種典型故障及對(duì)故障的簡(jiǎn)要分析。在實(shí)際設(shè)計(jì)和維護(hù)過程中，碰到的問題繁雜眾多，由于篇幅限制，不能一一贅述，希望上述故障維護(hù)心得能給予相關(guān)研究人員。

參考文獻(xiàn)

[1]肖秋華.直接數(shù)字驅(qū)動(dòng)功放模塊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].廣播電視信息，2014（12）：74-77.

[2]周光成.基于4kW數(shù)字式直接驅(qū)動(dòng)功放模塊試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].無線發(fā)射與傳輸技術(shù)，2013（12）：100-102.

[3]徐幫輝，聶志龍，肖秋華，等.MF-200多頻中波發(fā)射機(jī)原理[C].2014國際傳輸與覆蓋研討會(huì)論文集，2014.