基于多核处理架构的功放实时保护电路设计

摘要：针对宽带射频大功率放大器容易损坏的现象，分析了其故障原因和现有功放保护电路设计的不足。在此基础上，提出了功放实时保护技术的思路，并据此设计了一种以多核单片机和高速CPLD、多通道AD检测芯片等为核心构成的新型实时保护电路。该系统对与功放工作状态密切相关的各种因素进行实时并行监视处理，从而及时的对功放做出预防性保护。电路结构简单紧凑，成本较低，对于提高功放等射频大功率设备的可靠性有重大意义。

引言

在国防、通信等相关领域中，宽带射频大功率放大器是发射系统的重要组成部分。相关领域中往往需要用到由多个功率管合成输出组成的几百瓦乃至数千瓦等级的功放。如此大的功率等级必然对供电、散热都有很强的要求，加上复杂的合成、匹配电路，这其中任意一环的故障往往就会引起价值昂贵的功放不可逆的损坏，通常表现为无功率输出或者功率达不到额定值，从而影响整个发射系统的性能，甚至使发射系统瘫痪，造成较大经济损失。因此，宽带射频大功率放大器必须具备完善有效的保护电路。

现有的功放保护电路虽然也具备了完善的各种故障的保护功能，诸如驻波保护、过流保护、过热保护、过欠压保护、过激励保护等，但是，这种电路的保护响应是滞后的，只能在故障已经发生后发现故障，再做出防止故障进一步扩大的相应保护措施，诸如断电、停止发射等，从本质上看是一种事后弥补行为。而此时，功放往往已经发生了不可逆的损坏。以发射机系统中常见的驻波故障(通常由于功放输出端开路造成)为例，当发生输出开路等情况时，首先要等待耦合检波电路对发生的变化做出响应并传给控制板，然后控制电路再据此作出判断，并进行相应的处理，如切断功放模块的偏置电压供电等。从发生开路到功放最终退出发射工作状态，这段保护响应时间可能要数十μs，然而“脆弱”的功率管对于驻波状态下反向大功率的承受时间往往是非常短暂的，甚至不足这数十μs。实际工作中发现，等真正保护时，很多功率管已经发生了或大或小的损伤。其它各种故障保护的情况也类似。因此，很有必要对现有功放控制保护电路作出从设计理念到具体实现的彻底改变，实现真正的保护功放不受伤。

方案设计

新的实时保护电路设计的出发点就是要防患于未然，能够在故障发生前根据监测到的参数变化趋势作出合理判断并采取相应措施。为此，对可能造成大功率功放损坏的几个主要原因的相关检测量作出归纳和整理，如图1所示。　　

传统的保护电路只是在检测量已经发生了标志着故障的巨大改变后才做出响应，而对这中间的变化过程是不问的。因此如果我们能够对上述参数进行实时检测比较，就有可能及时发现故障趋势，从而在造成不可逆的损伤性故障之前提前采取相应预防措施。

还是以大驻波为例。大驻波状态的判定是由上述正反向功率检波电压的比值决定的。如果能够实时获取这个比值，并与前一次测量的结果进行比较而不是只与一个预设的固定门限比较，就有可能在发生驻波值突然异常升高，意味着有可能发生大驻波状况的前夕及时发现故障趋势并作出反应，采取降额或者停止发射等方式应对，争取到宝贵的数十μs时间，从而达到保护功放的目的。其软件循环流程如图2所示。