基于多核處理架構的功放實時保護電路設計

　　摘要：針對寬帶射頻大功率放大器容易損壞的現(xiàn)象，分析了其故障原因和現(xiàn)有功放保護電路設計的不足。在此基礎上，提出了功放實時保護技術的思路，并據(jù)此設計了一種以多核單片機和高速CPLD、多通道AD檢測芯片等為核心構成的新型實時保護電路。該系統(tǒng)對與功放工作狀態(tài)密切相關的各種因素進行實時并行監(jiān)視處理，從而及時的對功放做出預防性保護。電路結構簡單緊湊，成本較低，對于提高功放等射頻大功率設備的可靠性有重大意義。

　　引言

　　在國防、通信等相關領域中，寬帶射頻大功率放大器是發(fā)射系統(tǒng)的重要組成部分。相關領域中往往需要用到由多個功率管合成輸出組成的幾百瓦乃至數(shù)千瓦等級的功放。如此大的功率等級必然對供電、散熱都有很強的要求，加上復雜的合成、匹配電路，這其中任意一環(huán)的故障往往就會引起價值昂貴的功放不可逆的損壞，通常表現(xiàn)為無功率輸出或者功率達不到額定值，從而影響整個發(fā)射系統(tǒng)的性能，甚至使發(fā)射系統(tǒng)癱瘓，造成較大經(jīng)濟損失。因此，寬帶射頻大功率放大器必須具備完善有效的保護電路。

　　現(xiàn)有的功放保護電路雖然也具備了完善的各種故障的保護功能，諸如駐波保護、過流保護、過熱保護、過欠壓保護、過激勵保護等，但是，這種電路的保護響應是滯后的，只能在故障已經(jīng)發(fā)生后發(fā)現(xiàn)故障，再做出防止故障進一步擴大的相應保護措施，諸如斷電、停止發(fā)射等，從本質上看是一種事后彌補行為。而此時，功放往往已經(jīng)發(fā)生了不可逆的損壞。以發(fā)射機系統(tǒng)中常見的駐波故障(通常由于功放輸出端開路造成)為例，當發(fā)生輸出開路等情況時，首先要等待耦合檢波電路對發(fā)生的變化做出響應并傳給控制板，然后控制電路再據(jù)此作出判斷，并進行相應的處理，如切斷功放模塊的偏置電壓供電等。從發(fā)生開路到功放最終退出發(fā)射工作狀態(tài)，這段保護響應時間可能要數(shù)十μs，然而“脆弱”的功率管對于駐波狀態(tài)下反向大功率的承受時間往往是非常短暫的，甚至不足這數(shù)十μs。實際工作中發(fā)現(xiàn)，等真正保護時，很多功率管已經(jīng)發(fā)生了或大或小的損傷。其它各種故障保護的情況也類似。因此，很有必要對現(xiàn)有功放控制保護電路作出從設計理念到具體實現(xiàn)的徹底改變，實現(xiàn)真正的保護功放不受傷。

　　方案設計

　　新的實時保護電路設計的出發(fā)點就是要防患于未然，能夠在故障發(fā)生前根據(jù)監(jiān)測到的參數(shù)變化趨勢作出合理判斷并采取相應措施。為此，對可能造成大功率功放損壞的幾個主要原因的相關檢測量作出歸納和整理，如圖1所示?！　?/p>

　　傳統(tǒng)的保護電路只是在檢測量已經(jīng)發(fā)生了標志著故障的巨大改變后才做出響應，而對這中間的變化過程是不問的。因此如果我們能夠對上述參數(shù)進行實時檢測比較，就有可能及時發(fā)現(xiàn)故障趨勢，從而在造成不可逆的損傷性故障之前提前采取相應預防措施。

　　還是以大駐波為例。大駐波狀態(tài)的判定是由上述正反向功率檢波電壓的比值決定的。如果能夠實時獲取這個比值，并與前一次測量的結果進行比較而不是只與一個預設的固定門限比較，就有可能在發(fā)生駐波值突然異常升高，意味著有可能發(fā)生大駐波狀況的前夕及時發(fā)現(xiàn)故障趨勢并作出反應，采取降額或者停止發(fā)射等方式應對，爭取到寶貴的數(shù)十μs時間，從而達到保護功放的目的。其軟件循環(huán)流程如圖2所示。