功放設計中的檢測及保護電路

摘要：射頻功放作為通信系統的最末級，因大功率而極易損害。由于功率放大器是一種相對比較昂貴，且為比較脆弱的器件，因此在設計功率放大器時，應重點關注如何保護功率放大器，以避免靜電、浪涌、過熱過溫、過壓、過流、過載造成功放故障或者失效。本文詳細分析了射頻功率放大器的失效原因，并列舉了工程上常采用的保護方式，通過模型分析，構建了功放的檢測電路及保護電路，從而達到保護射頻功放的目的。
關鍵詞：射頻功放；檢測；保護電路。

0 引言
射頻功率放大器是將發射機里的射頻小功率信號，經過一系列的放大一激勵級、中間級、末前級、末級功率放大級，獲得足夠大的射頻功率的裝置。射頻功放是發送設備的重要組成部分。
功率放大器是一種比較昂貴的資源，具體體現在功率放大管比較昂貴。在整個無線發射鏈路成本構成來看，功率放大器的成本比例大于50％(絕大多數)，而且功率越大，其所占成本比例就越大。
另外功率放大器的功率放大管是一種相對比較脆弱的器件，尤其是與低功率小信號放大管比較。其脆弱性主要體現在：靜電敏感性高；熱敏感性比較高；對射頻過載比較敏感，即對射頻輸入功率過載比較敏感；對輸出失配比較敏感。
由于上述原因，在設計功率放大器時必須考慮如何保護功率放大器，以避免靜電、浪涌、過熱過溫、過壓、過流、過載造成功放故障或者失效。

1 引起功放失效的原因
要對功率放大器實現有效的保護，必須要知道引起其失效的原因。功放失效的原因主要有以下幾種：
(1)靜電擊穿引起的失效。運輸、接觸導致靜電作用于功率管的電極，產生擊穿效應，使器件永久失效。這種失效的避免可以從器件、單板運輸、操作等過程中，采取防靜電措施來解決。解決方法有：a．通過防止靜電源的產生(比如保持空氣的濕度)；b．通過接地使靜電源的靜電能夠有效釋放而防止積累；c．通過采取靜電隔離措施。
(2)過壓引起的失效。過壓會引起功率放大器的電極擊穿或者處于不正常的工作狀態。引起過壓的情況有：a．功放直流饋電電路部分出現元器件失效，引起過壓；b．與功放相關的控制和電源部分出現故障產生的關聯效應，引起的過壓。
(3)過流引起的失效。功放的工作電流超出其正常工作電流而引起的失效。
(4)過激勵引起的失效。輸入的功率電平超出功率放大器安全范圍，會引起功放永久性失效。其結果是直接導致功放燒毀。
(5)負載不匹配引起的失效。負載開路、短路或失配使功放輸出端呈現比較高的駐波分布，使射頻能量不能有效地傳輸出去，大部分能量轉換成熱，造成熱積累，一方面降低了功放效率，另一方面，將造成功放熱燒毀。
(6)過熱、過溫引起的失效。由于散熱不良或者環境溫度過高引起功率器件失效。

2 功放保護電路設計類型
針對功率放大器失效的幾種原因，相應的保護電路設計主要分為如下幾方面：
(1)過壓保護。此保護形式表現在電路上有：
電壓鉗位電路：設計合適的鉗位電路可以使饋電電壓限制在安全的范圍內。
壓敏電路：通過并聯壓敏電阻或者其他壓敏器件，當電壓超過壓敏器件的臨界電平時，壓敏器件產生短路效應，拉低電平，從而達到保護的目的。
穩壓電路：通過穩壓電路使輸入電壓范圍得到擴大。
”電壓檢測+過壓判斷+執行保護”的閉環保護形式。
(2)過流保護。過流保護主要有以下幾種形式：
電源限流保護：如果給功率放大器饋電的電源模塊具有限流功能，那么該限流功能能夠防止功放出現過流。比如功放過激勵或者自己的情況下，如果沒有限流，功放會被自己或者過激勵產生的大電流燒毀。
過流閉環保護：通過對功放的工作電流進行實時監測，一旦出現過流，自動切斷電流，以達到保護功放的目的。
(3)過激勵保護。當輸入功率超過功率放大器安全工作范圍時，對功放實施的保護。過激勵保護的形式有：輸入功率限幅，通過限幅器件實現；過激勵閉環保護形式，通過對功放的輸入功率進行實時監測，一旦發現功放過激勵，自動切斷輸入信號或者自動大幅度衰減輸入信號，以達到保護功放的目的。
(4)熱保護。熱保護是在出現溫度過高或者過熱的情況下，對功放實施的保護形式。熱保護的方式是通過溫度或者熱檢測電路對功率放大器的溫度和熱的情況進行監視，一旦檢測的溫度或者熱超過門限值，就通過保護執行裝置對功放進行保護。
(5)失配保護。失配保護是在功放輸出失配的情況下，為避免失配對功放損害的一種保護電路形式。