某大功率功放的熱設計研究

廣州海格通信集團股份有限公司 范 斌

某大功率功放的熱設計研究

廣州海格通信集團股份有限公司 范 斌

本文主要進行大功率功放的研究與設計，結合自己的實際工作針對熱設計展開分析，首先在相應理論分析的基礎上，對大功率功放的熱設計進行分析，在分析的基礎上展開仿真。通過仿真發現設計中存在的不合理方面，然后進一步優化，希望能夠保證大功率功放熱設計的科學性以及合理性。

大功率功放；熱設計；仿真；優化

大功率功放設計主要是研究如何最大限度的將功率傳遞出去，減少多余熱量的產生。研究功放熱設計對于提升整機的工作效率，延長設備中元器件使用壽命都有重要意義。本文將主要從功放的散熱設計和功放效率提升兩個維度開展研究分析。

1.某大功率功放熱結構設計分析

1.1 功放機箱組成及設計

在進行大功率功放機箱的設計優化中，對于各個模塊進行了分析與總結，最終確定了以下幾個模塊，包括激勵級、波導轉換級和末級，另外還有電源模塊，為了加強設備的檢測，大功率功放中還設置了溫度檢測模塊、檢波模塊以及監控模塊等。

在某大功率功放機箱的設計中，不僅僅考慮了各模塊的尺寸設計，還考慮各模塊的接線設計。機箱一共分為供電區、主功能區以及通風散熱區三層的組成模式，通過圖中設計可以看出，在功放主功能區中各部分組成尺寸設計比較小，并且和其他兩層相比較而言線纜連接關系最多，中間層的主要作用是考慮到通風散熱作用，通過風機和散熱器的引入來實現。下層供電區的選擇和設計中主要考慮了供電安全性和可靠性，所以在設計中設計了2個電源模塊。

1.2 散熱優化

本設計中針對設計實際情況采用強風冷卻的方案進行散熱設計優化：（1）為減小末級放大模塊和功率管之間的熱阻，在設計中采用了銦箔；（2）為保證末級放大模塊工作中產生的熱量快速的擴散，在其底部焊接了4根壓扁的熱管，這樣的設計還能夠很好的減小熱阻；（3）在機箱風機風量的設計中，也和以往的設計略有差別，在設計中根據熱平衡方程進行優化設計；（4）對于整個大功率功放的散熱器選擇和設計中，還注意尺寸參數的設計，注意尺寸設計和散熱要求相適應，另外還應該注重散熱器設計盡可能的輕量化；（5）在設計中，不僅僅單獨的按照理論展開分析與研究，還借助仿真的手段進行，通過仿真模擬對于設計展開進一步的優化，最終保證各項設計參數合理、科學，并且能夠正常工作。

2.大功率功放功率提升與優化設計

2.1 大功率功放效率提升設計

本方案設計了一個通用的硬件平臺，可以搭載不同的波形即支持多模，寬帶，并在此基礎上滿足長的續航時間、小型化。那么就會帶來幾個問題，多模高峰均比信號對功率容量的需求以及恒包絡信號對效率的需求的矛盾。以及超寬帶下功率容量不平坦以及效率不平坦的矛盾。上述的這些問題都對功放的通用性與小型化帶來挑戰。為了解決這些問題，同時考慮手持機體積的限制，綜合上述的功放相關技術，在此次方案中擬采用GaN功放管結合工作點自適應與回退法結合的方式來滿足小型化、低功耗的需求。功放的核心部分有三塊：功放鏈路、多段諧波濾波器、工作點自適應模塊。

根據功放模塊以及功放管的特征對這三個模塊進行指標分解。其中設計優化指標情況如表1、表2、表3所示。

2.2 大功率功放容量與效率仿真

整體方案而言需要著重關注末級功放管在整個頻段范圍內結合工作點自適應技術后其是否能夠滿足線性與效率的要求。以下將著重對該部分關鍵內容進行論證。效率仿真如圖1所示。

表1 功放鏈路指標

表2 諧波濾波器

圖1 仿真結果圖

表3 工作點自適應模塊

30MHz仿真結果如圖（a）所示，從圖上可知在16V供電時，其功率容量大于40dBm，功放管效率為60.8%。100MHz在漏壓15V時，仿真結果如圖（b）所示，從圖中可以知道其功率容量接近40dBm，效率為61.7%。200MHz在漏壓15V時，仿真結果如圖（c）所示，從圖中可以知道其功率容量接近40dBm，效率為60%。300MHz在漏壓15V時，仿真結果如圖（d）所示，從圖中可以知道其功率容量接近40dBm，效率為57.3%。400MHz在漏壓15V時，仿真結果如圖（e）所示，從圖中可以知道其功率容量接近40dBm，效率為58.3%。512MHz在漏壓15V時，仿真結果如圖所示，從圖中可以知道其功率容量大于39dBm，效率為55%。發射時信道控制與信道功耗為6W，推動級功耗為2W，則最差點512MHz的效率為55%@39dBm。則此時末級功放管的功耗為8W/0.55=14.55W,整體發射功耗則為14.55W+6W+2W=22.55W，小于整機要求的30W，此時整機效率為22.2%。

2W時則著重論證其在最薄弱的點512MHz時的效率，由于輸出功率變小，此時工作點自適應需要調整漏壓到9V，其仿真結果如圖2所示：

圖2 5 1 2 MH z 2 W效率與功率仿真

表4 整機功率與功耗

從圖2上可以看出此時效率有58.4%。此時功放管輸出有3W，則對應末級功放管功耗為5.13W，此時推動級功耗2W，整機其他6W，則整體功耗為13.13W，滿足整機20W的要求。針對功放末級的仿真結果以及結合相關模塊的指標對整機的輸出功率、效率、功耗總結如表4所示。

從表4數據可以說明使用GaN功放管結合工作點自適應技術，可以有效解決寬帶功率容量平坦度的問題，同時可以在不同功率容量時均能獲得高的功放效率。如果硬件平臺需要支持高峰均比，如QPSK其峰均比為3dB，如果整機還是需要5W的平均功率，則此時峰值功率需要提高3dB到42dBm，則此時在512MHz時，通過工作點自適應技術將其漏壓調整到20V，其功率容量則高于42dBm。并且考慮未來的擴展，可以通過工作點自適應技術調節更高的漏壓以獲得更高的功率容量或者支持更多的模式。

綜上所述，采用本方案的GaN結合工作點自適應技術，可以有效的減小體積、降低功耗，并同時支持不同的模式，不同的功率等級，以及超寬帶。

3.結論

對于大功率功放而言，不僅僅各個放大器對于其功能實現具有重要影響，對于其熱設計和散熱等方面的設計也具有重要的意義。本文主要結合自己的經驗進行某大功率功放的研究與分析，提出熱設計的必要性，并且進行了詳細設計分析，在設計的基礎上進行簡要的仿真分析，在散熱器方面進行一定的優化，希望散熱效果更好，熱設計更加科學。

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