TB45-103S液冷發(fā)射機(jī)功放單元設(shè)計(jì)分析與維護(hù)

2018-12-04 天津廣播電視臺(tái) 王林

【摘要】薊縣府君山發(fā)射臺(tái)兩部意大利siel公司生產(chǎn)的TB45-103S型10KW發(fā)射機(jī)為單激勵(lì)器、雙通道液冷電視發(fā)射機(jī)，用于分米波段二十二頻道天津公共電視節(jié)目的無線播出任務(wù)。本文重點(diǎn)對(duì)發(fā)射機(jī)UA252LLV功放單元的射頻邏輯控制、射頻控制、射頻末級(jí)放大、及電源分配控制等環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了闡述，并對(duì)其典型故障進(jìn)行了分析和總結(jié)，不當(dāng)之處敬請(qǐng)批評(píng)指正。

【關(guān)鍵詞】 UA252LLV功率放大器 HSMP3810 寬帶移相電路器件燒毀

一．概述

TB45-103S型發(fā)射機(jī)為單激勵(lì)器、雙通道大功率液冷電視發(fā)射機(jī)，整機(jī)采用5塊UA252LLV型2.8KW功率放大器，其中四塊用于10KW圖像功率，另一塊用于1KW伴音功率，圖像功放和伴音功放可通用，有力地節(jié)約了備件資源。為了方便對(duì)末級(jí)功放的監(jiān)測與調(diào)整，發(fā)射機(jī)對(duì)5塊功放單元的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了采樣，并在監(jiān)測單元采用數(shù)碼管集中顯示。功放單元的開關(guān)電源采用超高冗余的外置模式，三組2KW開關(guān)電源相互協(xié)作保障功放單元的穩(wěn)定運(yùn)行。功放單元與機(jī)架的連接采用螺桿漸進(jìn)式緊固方式，避免了快速拔插帶來的撞擊震動(dòng)和損壞輸出接口的風(fēng)險(xiǎn)。發(fā)射機(jī)的功放單元及功率合成單元采用液冷方式冷卻，功放單元外置的開關(guān)電源以及激勵(lì)器均采用風(fēng)冷模式。

二．UA252LLV功放單元結(jié)構(gòu)

UA252LLV型功率放大器由邏輯控制單元、射頻控制單元、射頻推動(dòng)單元、末級(jí)放大單元、電源分配單元等組成。如圖1所示。此功放為470MHZ-860MHZ的全U段設(shè)計(jì)，邏輯控制單元接收到開機(jī)命令，開啟PSU開關(guān)電源并與射頻控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過使能信號(hào)啟動(dòng)射頻控制及射頻放大單元工作，如果產(chǎn)生報(bào)警信息可及時(shí)關(guān)斷射頻控制。邏輯控制單元還通過Up485接口與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，顯示出功放單元當(dāng)前的工作狀態(tài)。射頻控制單元可以實(shí)現(xiàn)射頻功率控制和輸出相位的整體調(diào)節(jié)，為減少合成損耗提供必要的保障。射頻推動(dòng)和末級(jí)放大單元均采用以MRF377為核心的放大模塊，末級(jí)采用8組模塊并聯(lián)模式通過威爾金森分配與合成網(wǎng)絡(luò)最終輸出功率為2.8KW。電源分配單元將三組PSU開關(guān)電源合理分配，保證功放單元的供電安全。

TB45-103S液冷發(fā)射機(jī)功放單元設(shè)計(jì)分析與維護(hù)

三．功放單元分部的設(shè)計(jì)分析

1.邏輯控制Logic

邏輯控制單元接收來自發(fā)射機(jī)總控的開機(jī)命令，并確認(rèn)功放連鎖保護(hù)電路正常后，ENABLE使能信號(hào)為高電平，啟動(dòng)PSU開關(guān)電源及各級(jí)射頻放大。通過外部Up485接口將功放單元的輸入功率、輸出功率、反射功率、電壓、電流、溫度、不平衡功率等運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示在整機(jī)前面板的功放監(jiān)測單元上，方便對(duì)功放單元進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)測，確保功放單元穩(wěn)定運(yùn)行。射頻聯(lián)鎖保護(hù)原理圖如圖2所示，當(dāng)檢測電路檢測出過激勵(lì)，輸出過大、反射超限、不平衡功率過大、過壓、過流、超溫等故障時(shí)，IC23(HEF4051BT)的3腳VBIAS由原來的12V被鉗制到-5V，及時(shí)將功放單元射頻通路關(guān)斷。IC23為帶邏輯電平轉(zhuǎn)換的8通道模擬開關(guān)，使用MOS管的開關(guān)方式控制信號(hào)鏈路的通斷，確保功放單元安全。

2.射頻控制Control

·射頻增益控制

在放大器的射頻前級(jí)接入了由電容、電阻、電感、二極管等組成的電控衰減網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)增益控制的目的。其中D1（HSMP3810）、D2相同，為分布電容很小的PIN管作為電控增益器件之一，它的作用和一般的PN結(jié)二極管相同，但結(jié)構(gòu)有所差別。其管子兩邊分別重?fù)诫sP型和N型半導(dǎo)體，中間本征半導(dǎo)體I的電導(dǎo)率很高，所以PIN管在零偏置時(shí)電阻很大，可以達(dá)到7-10KΩ。在正偏置時(shí)，由P區(qū)和N區(qū)分別向I區(qū)注入空穴和電子，它們?cè)贗區(qū)不斷復(fù)合，最終達(dá)到平衡，可使原來電阻率很高的I區(qū)變?yōu)榈妥鑵^(qū)。正向偏置電壓越大使I區(qū)的電阻越小，由于PIN管的分布電容很小，使得它的頻率特性優(yōu)良，因此它的阻值只決定正向偏置的電流。在圖3中，VDC為電路提供直流偏置電壓，增益控制電壓為Up，當(dāng)Up電壓為零時(shí)，D1阻抗很大，Ui通過R1、R2、R3、D1、C1等組成的傳輸網(wǎng)絡(luò)正常輸出。增益需要調(diào)節(jié)時(shí)，通過功放前面板的增益控制電位器可以使Up在0-12V之間變化，當(dāng)Up電壓逐漸升高時(shí)， D1正向偏置電壓逐漸變大，D1的阻抗隨之變小，A點(diǎn)的電位隨著D1阻抗的變小而上升，使得D2的正向偏置變小，D2的阻抗變大，輸出UOut信號(hào)逐漸變小，達(dá)到了電壓控制增益的目的。

TB45-103S液冷發(fā)射機(jī)功放單元設(shè)計(jì)分析與維護(hù)

·相位調(diào)節(jié)控制

寬帶移相電路基于容性負(fù)載全反射的機(jī)理引入相位偏移。采用變頻二極管與3dB橋結(jié)合形成混合型移相器，實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)改變相位的目的。這種調(diào)相的方法僅限于工作在mW量級(jí)，因此將此調(diào)相電路加到功放單元的射頻控制級(jí)。圖4為移相器電路原理圖，其中變?nèi)荻O管、電阻、3dB橋及微帶線組成了RLC串聯(lián)諧振電路。

TB45-103S液冷發(fā)射機(jī)功放單元設(shè)計(jì)分析與維護(hù)

當(dāng)fv<f0時(shí)，諧振電路相當(dāng)于RC電路，電流IR超前電壓Ui，即輸出UR超前輸入電壓Ui，相移為Φ正。當(dāng)fv＞f0時(shí)，電路相當(dāng)于RL電路，電流IR滯后電壓Ui，即輸出UR滯后輸入電壓Ui，相移為Φ負(fù)。當(dāng)fv=f0時(shí)，電路相當(dāng)于RLC諧振電路，Φ0=0。相位調(diào)節(jié)向量圖如圖5、6、7所示。

TB45-103S液冷發(fā)射機(jī)功放單元設(shè)計(jì)分析與維護(hù)

通過調(diào)整R1電位器，改變了變?nèi)荻O管的電容容量，進(jìn)而使輸出電壓相位超前或滯后輸入電壓相位，達(dá)到了調(diào)節(jié)功放單元相位的目的，通過和其它功放單元相位的合理調(diào)整，最終可以使整機(jī)功率輸出達(dá)到最大值。根據(jù)威爾金森網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)在調(diào)整本單元輸出相位時(shí)可能影響相鄰功放單元的工作狀態(tài)，應(yīng)反復(fù)調(diào)整各個(gè)功放單元使相位均保持一致，達(dá)到功放單元端口良好匹配，減少功率在合成網(wǎng)絡(luò)的損耗，使功率合成達(dá)到最佳狀態(tài)。調(diào)相后的功放運(yùn)行一段時(shí)間后, 由于器件狀態(tài)、環(huán)境溫度等因素會(huì)發(fā)生變化，可能使功放單元的整體工作狀態(tài)產(chǎn)生變化, 導(dǎo)致整機(jī)功率下降，還需要時(shí)時(shí)關(guān)注功放的功率輸出及反射，必要時(shí)應(yīng)重新進(jìn)行相位調(diào)整。

3.末級(jí)放大AMP

圖8為末級(jí)380W功放模塊原理圖，核心部件T1、T2為MRF377場效應(yīng)管，非常適用于大功率線性放大單元，32V直流電壓VDC通過R9、R11為功放管T1、T2提供柵極電壓VGS，通過改變R9和R11可改變功放管的的靜態(tài)工作點(diǎn)。VDC還通過R14、R15、TR3、TR4等給功放管T1、T2提供漏極電壓。穩(wěn)壓管D3、D4穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，從而獲得最佳線性指標(biāo)。其采用一體化結(jié)構(gòu)的對(duì)管進(jìn)行推挽放大，具有輸入、輸出易于匹配及前后級(jí)隔離好的特點(diǎn)，并可以獲得最為滿意的幅頻特性、增益特性以及良好的線性指標(biāo)。單級(jí)380W功率放大單元靜態(tài)工作電流IDQ=0.1A，可通過電阻R22=0.01Ω測量靜態(tài)工作電壓為1mv。

TB45-103S液冷發(fā)射機(jī)功放單元設(shè)計(jì)分析與維護(hù)

4.電源分配Distribution

電源分配原理圖如圖9所示。電源分配單元中利用兩個(gè)整流橋VT1、VT2實(shí)現(xiàn)了三組32V開關(guān)電源合理分配，相互協(xié)作的設(shè)計(jì)理念。VDC1、VDC2、VDC3-8分別為射頻控制級(jí)、射頻推動(dòng)級(jí)和末級(jí)射頻放大單元供電，V1的正端1腳除直接為VDC3、VDC4供電外，還通過VT1的D1為射頻控制級(jí)VDC1、推動(dòng)級(jí)VDC2供電。V2的正端2腳除直接為VDC5、VDC6、VDC7供電外，還通過VT2的D5為射頻控制級(jí)VDC1、推動(dòng)級(jí)VDC2供電。V3的正端 3腳除直接為VDC8、VDC9、VDC10供電外，還通過VT2的D6為射頻控制級(jí)VDC1、推動(dòng)級(jí)VDC2供電。其中D2、D5、D6又使三組電源相互隔離，單組電源故障后彼此不受影響。通過這樣的設(shè)計(jì)保障了三組電源中有任意一組甚至兩組電源故障都不會(huì)造成整個(gè)功放不工作，只會(huì)影響部分末級(jí)的供電，充分優(yōu)化了開關(guān)電源的資源，為射頻控制和推動(dòng)級(jí)供電提供了三層保障，解決了功率放大器單一開關(guān)電源高故障率的瓶頸問題。

TB45-103S液冷發(fā)射機(jī)功放單元設(shè)計(jì)分析與維護(hù)

四.故障實(shí)例與檢測

（1）功放模塊器件燒毀故障

·場效應(yīng)管MRF377故障

在一次維修中發(fā)現(xiàn)整機(jī)輸出功率下降至9KW。功放前面板ALARM紅燈亮，監(jiān)測面板顯示A3報(bào)警且紅燈報(bào)警。通過功放監(jiān)測單元檢測工作電壓VCC=32V，工作電流IDC=70A，輸出功率FWD=2.1KW。檢查處理：用轉(zhuǎn)接控制線將連接功放模塊，在轉(zhuǎn)接控制線上應(yīng)設(shè)置使能開關(guān)，來控制功放模塊的ENABLE信號(hào)，功放模塊輸出端終接500W、50Ω負(fù)載。首先斷開激勵(lì)，standby狀態(tài)開機(jī)并送入ENABLE控制信號(hào)，檢測單級(jí)放大器電阻R14上靜態(tài)電壓為1mv，R15上靜態(tài)電壓為0mv。檢查T2外圍偏置電路均正常，初步判斷R15所在的T2功率放大器損壞，測量該場效應(yīng)管漏極已經(jīng)短路（正常時(shí)漏極對(duì)地電阻為3.5kΩ）。更換后，對(duì)380W功放模塊重新進(jìn)行靜態(tài)調(diào)整。調(diào)節(jié)電位器R11使VR15為1mv。將整機(jī)功率調(diào)至滿功率10KW，通過功放監(jiān)測板測量其工作電壓為32v，電流為90A，輸出功率為2.8kw，故障排除。

·電解電容C39、貼片電阻R14和R15開焊燒毀故障

如果場效應(yīng)管正常，可能是供電端接觸不實(shí)或接觸面變小產(chǎn)生熱阻發(fā)熱，溫度積累并升高造成焊錫熱熔，而每日關(guān)機(jī)后溫度下降焊錫冷卻重新凝結(jié)。反復(fù)過程中致器件開焊或焊盤燒壞。

·合成吸收負(fù)載R36燒毀故障

電路設(shè)計(jì)要求吸收負(fù)載的作用一是當(dāng)有放大管不工作時(shí)吸收由此造成的不平衡功率確保輸出。二是反射功率過大時(shí)吸收掉過大的功率保護(hù)射頻放大管。所以當(dāng)吸收負(fù)載燒壞時(shí)，要檢查這兩個(gè)原因。若射頻放大管正常，則說明有極大的反射功率瞬間產(chǎn)生，超過吸收負(fù)載本身極限功率而燒毀。

·電感L3開焊故障

電感L3是射頻放大管輸出的保護(hù)屏障。電感L3開焊表明通過其線圈的瞬間信號(hào)太大而產(chǎn)生熱能，熱量傳到焊盤，積累超過焊盤負(fù)重，使其開焊。電路設(shè)計(jì)正常工作時(shí)不會(huì)發(fā)生上述情況。L3線圈發(fā)熱只有反射來的信號(hào)會(huì)使其產(chǎn)生過大的熱量。前面已分析放大器有反射保護(hù)控制電路，當(dāng)發(fā)射信號(hào)過大超過保護(hù)閾值后會(huì)自動(dòng)降低輸出功率來保護(hù)自身不受損壞。由于任何信號(hào)在電路中都有傳輸時(shí)間，邏輯控制電路的響應(yīng)時(shí)間是所有保護(hù)電路中響應(yīng)時(shí)間最快的，因此射頻電路的控制一般不使用CPU控制。

（2）功放單元無功率輸出故障

在功放單元無功率輸出故障檢修中，檢測功放單元供電電源正常，射頻輸入信號(hào)正常，工作電流為50A的靜態(tài)工作狀態(tài)。圖10為功放射頻前級(jí)，射頻輸入經(jīng)過電阻R1、R2、R3和H1分配給射頻預(yù)驅(qū)動(dòng)管T1、T2。R1、R2、R3組成π型衰減網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)阻值可計(jì)算出K=R2/R1=0.06，R1=50*(N+1)/(N-1)，N=Ui/Ua1，算出 Ui=1.4 Ua1，則π型網(wǎng)絡(luò)為3dB衰減器。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)R2電阻虛焊，造成Ua1變大，F(xiàn)AST PROTECTION電路為過激勵(lì)保護(hù)電路，當(dāng)在A1點(diǎn)檢測到輸入信號(hào)過大時(shí)， Ua2輸出為低電平，拉低預(yù)驅(qū)動(dòng)管T1、T2的柵極電壓，使功放單元末級(jí)功率輸出為零，確保射頻通路的安全。

TB45-103S液冷發(fā)射機(jī)功放單元設(shè)計(jì)分析與維護(hù)