基于智能传感器网络的大功率发射机保护系统设计

【摘要】针对国防特种通信与电子对抗领域里传统的大功率放大器设计中保护电路功能单一落后，智能化程度不高，容易造成功放损坏的现象，设计了一种以数字化传感检测芯片为主，以数字化总线相连接，辅以智能判断算法处理的保护电路。实验证明，该设计很好的起到了对大功率设备的保护作用。

【关键词】功率放大器;数字化传感器;智能处理

引言

在国防特种通信与电子对抗领域中，大功率发射机是其中必不可少的一种重要装备，其工作的稳定可靠直接关系到整个系统的压制效果，具有举足轻重的地位。然而由于功率放大器是大功率设备，具有大功率设备所固有的特点，如工作时电流大、温度高、负载敏感等特点，工作稳定性和可靠性要受到许多内外因素，诸如温度、频率等的影响。功率放大器前后相连设备以及环境的任何异常都有可能产生难以预料的后果甚至造成功放的损坏。长期以来，国内的相关大功率发射机都饱受可靠性不高的困扰，问题多发。虽然都有一些保护电路设计，但是这些设计无一例外都是采用一些互不相关的简单传感器电路，如温度继电器、功率检波器、电流检测电路等等来各自判断相关故障，具有滞后性，只能在发生故障后才检测出故障，而此时往往已经对功放造成了不可逆的损坏。此外，功放的故障通常具有相关性，并不是单个的传感器能够准确判断的。比如大电流可能引起过热、电源异常等故障指示，往往让维修人员一头雾水，难以迅速定位真正的故障原因。至于要求更高的功放工作时序上的故障，传统保护电路更是束手无策。严重的制约了部队电子对抗装备的战力。凡此种种，都迫切的要求对大功率发射设备的保护电路做一场革命性的重新设计，解决上述问题。随着技术的发展，尤其是传感器技术和数字处理芯片的技术进步，终于有可能利用数字化器件来突破上述瓶颈。通过采用智能总线连接遍布功放各个核心部位的数字化传感器，实时的监控功放各种敏感参数的变化，并结合根据大功率设备工作特点拟制的智能判断算法，本设计成功的实现了对功放的无损保护和智能调节，使大功率设备在各种异常和严酷的条件下都可以不损坏，大大提高了相关设备的可靠性。

图1 大驻波预判软件流程图

1.技术方案

为了实现上述思路，本文提出并在国内大功率放大器设计中率先实现了以下技术：

1.1 故障趋势预判技术

通过长期的功放设计应用，总结出了与功放设备可靠性密切相关的一些参数，包括驻波、温度、电流、电压等等。其中电流除了总电流外，由于大功率设备往往是由多个功率模块进行合成输出，不同模块之间若工作时电流相差过大，即出现电流不平衡情况对功放也是极其危险，因此有必要监测模块电流变化。而对这些故障的处理，传统电路都是有滞后的，只是在故障已经发生了之后才能检测出来。为了避免此种问题，有必要预判可能出现的故障，提前做出反应，只有这样才能真正意义上保护住功放。因此引入了高速处理芯片，使故障趋势预判得以实现。以大驻波故障处理为例，程序中有一个模块专门负责读取检测到的驻波值（通过外部电路对正反向检波电压的比较处理得到，参见文献[1]）。正常工作情况下，驻波值应大致保持稳定，若某一时刻发现驻波突然异常升高超过一定值，则程序就可以立即控制功放进入保护状态，而不必等到驻波达到危险值才响应。处理流程如图1所示。

可见该技术核心思想就是检测间隔很短时间内的两次参数的差值而非绝对值。只要这个差值变化突然加大，说明设备有发生相应故障的趋势，就可以立即命令功放进入保护状态。对于过热等故障，均可以采用此趋势预判技术加以解决。

1.2 电流不平衡判断技术

如上所述，对于由多个功率模块合成的大功率设备，各模块间的电流平衡问题对设备安全性至关重要。然而在模块数量较多时，涉及的比较器数量之多以及判断时序的复杂性，使电路复杂无比，基本上无法实现。为此采用了多通道智能检测芯片MAX1154[2]，该芯片除了具有八通道AD检测功能，可以同时检测八路模块电流情况外，最重要的是可以通过编程实现每路模块的实时连续检测，通过相关寄存器设置，每一路电流过大或过小均会实时报警，这样结合时序正确判断，就可以实现对模块电流异常的实时发现和处理。

1.3 智能温度补偿技术

对于大功率设备来说，增益会随着温度变化，而军用设备工作温度范围都很广，随着带来一系列令人头疼的问题。相关温补电路的设计也非常麻烦。以本方案所实际应用的某采用LDMOS功率管大功率设备来说，其温度变化就非常大。传统电路只能是被动的在控制电路上做温度补偿，费劲且补偿不具有连续性，温度适应性差。但是归根结底，这波动是由于功率管的特性引起的，如能直接根据温度变化调节功率管偏置电压，使与其特性特性曲线相吻合，就可以解决此问题。而新型器件ISL21400正好可以完成此任务[3]。该器件通过I2C接口接受主处理器的控制，可以拟合出一条随温度变化的电压输出曲线，直接作为功率管偏置电压，在全温度范围内自动补偿，从而较好的解决了此问题。

1.4 信号预检技术

现行技术体制下，功放多只能被动接受输入信号，与激励器之间是“盲控制”的关系，只有简单的单向电平信号控制。随着系统需求的日趋复杂，这种盲控制给功放所带来的时序上的风险也是越来越大，必须加以改变。为此，在原架构中增加了射频输入信号预检功能，即如图2所示的预选器与射频开关部分。其功能就是对输入的射频信号先进行检测，判断其幅度是否过大，频率是否在带内，信号时序是否正确，满足条件的信号才可以去激励功放，否则拒绝进行下一步，以免造成损害。

图2 信号预检电路示意图

1.5 智能总线设计技术

如前所述，功放的故障往往具有相关性，可能表现出来的是此现象，而其实则是彼原因。比如欠压的同时会出现过热等现象，而原因可能是电流过大。这只有同时检测电流、温度、电压等参数，才能借助MCU进行分析判断。要实现这一点，就必须有一种方法能够使MCU可以实时的获取最新参数。传统的保护电路各自为政，按功能独立分开，难以解决此问题。而由于功放保护对时间的极高要求，用MCU去定时查询的做法也是根本不能满足要求的。因此考虑引入了CPLD（或FPGA），利用其并行处理和高速的特性，可以实时监测各个传感器，并将这些信息通过智能总线进行整合，由主处理器进行综合分析处理。CPLD的软件模块划分如图3所示。

图3 CPLD软件模块划分示意图

工作时各个检测模块同时工作，不断的更新相应寄存器中的实时检测结果，再按照MCU的要求随时提供最新结果，从而很好的实现了对功放的实时全面监测。

2.设计实现

实现上述技术的具体设计方案如图4所示。

图4 新型控制保护电路组成示意图

考虑到驻波等故障保护时间要求极为严格，通过MCU去检测的时间已经不能接受，因此该电路以高速MCU和CPLD（或FPGA）为核心器件，通过独特的信息总线连接各种外围器件，功率控制与状态信息监测并行处理，充分应用了数字电路的强大功能和模拟电路的高效率、高速度。CPLD（或FPGA）可以保持对相关工作参数和状态的实时连续监测，及时研判故障趋势，引导功放自我保护，而MCU则把全部精力用于高速ALC等相关工作。从而有效的解决了庞大复杂的控制需求与极短的控制响应时间之间的矛盾。各外围电路通过信息交换总线与CPLD相连，一般不占用MCU的资源，当有必须通知MCU的事件时，以中断方式通知MCU，同时可以实时响应MCU的查询。实际工作时，主处理器在上电后首先完成对MAX1154、ISL21400以及其它数字化传感检测芯片的初始化。这些芯片的控制接口各不相同，如MAX1154是SPI控制接口，而每个功率模块上配置的一片ISL21400都需要一个I2C接口，所采用的温度传感器TC74也是I2C接口。再加上其他一些需要初始化的芯片，信息总线种类庞杂且数量众多，MCU的接口数量根本不敷使用。但是CPLD可以很好的实现接口服用，对各个外围器件实现分时复用。随后，CPLD即开始按照图2所示的模块划分，各个功能模块开始全速运行，实时监测功放所有参数的变化，并将这些参数随时报告给主MCU，主MCU就可以轻松的根据需要随时调看各种参数，综合判断各种故障。这样，在传统电路中，各个互相独立的故障保护功能借助MAX1154、ISL21400、TC74等一系列数字化智能传感器和CPLD、MCU实现了全面互联，使系统可以综合温度、电流、驻波等不同状态参数来判断故障并定位，准确率大幅度提高。

3.研究总结

在某电子对抗系统装备的研发中，应用了本文的设计。借助CPLD的智能总线控制MAX1154、ISL21400等一系列功能强大的数字化传感器、检测器，以及信号预检技术的应用，在异常情况下能够提前做出保护，并准确定位故障原因，极大的提高了功放的可靠性和易用性，功放的增益平坦度等相关性能指标也有极大提升，各项表现远优于传统产品，使传统的功率放大器控制保护技术取得了质的飞跃。

参考文献

[1]杨霖，等.利用对数检波器实现射频功放过驻波保护[M].电子产品世界，2008.11.

[2]MAXIM公司 MAX1153/4芯片手册 2010.6.

[3]Intersil公司 ISL21400芯片手册 2008.03.