TMW2100型100kW中波发射机功放模块研制

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  【摘要】本文结合TMW2100型100kW中波发射机的特点,分析了功放模块工作原理,结合功放模块国产化研制过程,详细介绍了模块电桥电路、模块电桥控制电路、模块逻辑控制电路的设计原理,阐述了研制过程中的难点和电路改进情况,并简单介绍了模块元件筛选、焊接、测试、应用等情况。自行研制的模块各项指标均达到进口模块标准,节约了成本,为安全播出提供了保障。
  【关键词】中波发射机;功放模块;研制
  一、引言
  TMW2100型100kW中波发射机是瑞士THALE公司生产的全固态数字化中波发射机,全机集成度高,大量运用DSP、FPGA等大规模集成电路技术,整机技术水平比较高,是国内发射台安装的比较多的机型,TMW2100型100kW中波发射机所有功放模块都是宽频带模块,可以在525-1605kHz的中波全频段工作,每部发射机有80块功放模块,每年运行中都有模块损坏,需要更换,进口模块价格昂贵,采购周期长,制约了安全播出工作的开展。基于以上需要,我台组织人员总结模块出现的故障,重新设计了模块电桥电路、模块控制电路、设计了功放模块PCB电路、筛选模块用元器件,研制了全新的功放模块,大大降低了发射机运行成本,降低了停播率,给安全播出提供了有力的保障。
  二、功放模块国产化
  (一)功放模块原理
  射频功放模块原理如图1,由H形电桥电路、电桥控制电路、模块控制电路、温度控制电路、熔断器控制电路等电路组成。其中H形电桥包含4个电子开关共8只CMOS场效应管,每个功放模块的输入射频激励
  信号有两路,分别为FC+和FC-。FC+、FC-是两个经过相位调制的载频信号,分别加至H桥的左臂和右臂,并经反相缓冲器,控制H桥的四臂。FC+、FC-的工作频率与载波频率相同,通过FC+、FC-其间的相位差,能够控制模块的工作输出幅度,实现幅度相位调制。这三路信号从功率放大器内的分配器分配而来。所有功放模块的输出信号都归纳于功率合成器中,合成后的总功率经滤波器滤除谐波、杂频信号,最后把功率合格而又以发射载频为基础的有用调幅波信号,经匹配网络和馈线送入天线。
  每个功放模块的输入输出控制信号有两路(1)ON信号:控制射频放大模块导通或截止,实现粗阶梯调制,由粗台阶调制板送来;(2)RF-ON信号:发生异常时该信号使所 有射频放大模块关断,具有最高优先级。由快速监控给出;(3)OK信号: 射频放大模块工作正常信号。
  (二)模块控制电路设计
  (1) H形电桥电路
  H形电桥电路如图2所示,每一臂由两只耐高压的场效应管并連组成,共有8只MOS-FET组成H桥的四臂。场效应管具体型号为IRFP460LC,参数为500V、 20A、 250W,IRFP460LC具有较低的驱动阻抗和高可靠性,可快速开关切换,开关时间可达50ns。
  (2)电桥控制电路
  模块重新设计了H形电桥控制电路,具体电路如图3所示,电桥控制电路主芯片采用SI8235, SI8235芯片是Silicon Labs公司推出可支持高达5KV隔离额定电压值的ISO driver隔离驱动器,该器件为业界最快速及最高集成度的隔离门极驱动IC,广泛地应用在UPS、变频器、逆变器等领域,具备超快速的50ns传播延迟,比普通光耦合器结合门极驱动器方案的速度快五倍以上。Si8235做了许多性能上的改善,一方面显著地改善MOSFET的开关次数,而减少FET开关周期的功耗则能让供电更有效率;另一方面Si8235能有效改善集成型重叠防护的效率。
  功放模块采用两片SI8235芯片作为电桥控制电路,Q1、Q2场效应管共用一片,Q3、Q4场效应管共用一片。下面以其中一片为例简单介绍电桥控制电路工作原理,如图3所示,FC+、FC-经R1、C1、R2、C2阻容网络送至U1的VIA、VIB输入端,经过SI8235芯片处理,由VOA、VOB端输出,控制Q1、Q2场效应管按序导通,D1、
  D2为钳位二极管,防止异常高电压击穿芯片,R3电阻为设置死区保护电阻,保证Q1、Q2场效应管不同时导通,保证Q1、Q2场效应管不被烧毁。
  (3)模块控制电路
  模块控制电路如图4所示,主要由温度检测控制、逻辑控制、显示等电路组成,核心芯片为GAL16V8、TMP-01、74HC11,GAL16V8可电擦除重复编程的通用阵列逻辑器件,是模块控制电路逻辑控制电路的核心,GAL是Lattice在PAL的基础上设计出来的器件,通过编程可以实现模块逻辑控制功能。
  图4中U2(GAL16V8)为逻辑控制电路,1端为时钟输入端,2、3、4、5端分别为CORR-OK、FS-OK、PWR-OK、T-OK检测输入端,CORR-OK为模块左右电桥电压差检测信号,FS-OK为模块保险检测信号,PWR-OK为模块电源检测信号,T-OK为模块温度检测信号。以上检测信号正常时输入高电平,当有一路不正常时,U2相应输入端检测到低电平,通过内部可编程逻辑电路输出高电平到发光二极管D2、D3、D4、D5发光报警,同时U2芯片14、15端输出低电平, 14端低电平到发射机中央控制单元,中央控制单元通过触摸屏声光报警,15端低电平到U3A、U3B,通过与的关系,控制FC+、FC-不被送到SI8235电桥控制芯片,起到报警保护;反之,以上检测信号都正常,U2芯片13端输出高电平,模块ON发光二极管点亮,14、15端输出高电平,模块工作正常。
  图4中TMP-01为模块温度控制电路,TMP-01是一种低功耗可编程温度控制器,主要由温度传感器、基准电压,窗口比较器及集电极开路输出三极管等组成,工作温度范围宽(-55℃~+150℃),典型的过温精度达到士0.5℃。TMP-01芯片2端SH为温度上限设置输入端,3端SL为温度下限设置输入端,1端VREF提供2.5V基准电压,经电阻R7、R8分压后作温度上、下限设置输入信号,图4所示当温度高于50度时,TMP-01芯片6端输出低电平,从而拉低U2(GAL16V8)5端输入电平,U2检测到后,通过逻辑电路从16端输出高电平,发光二极管D5点亮报警,同时U2芯片14、15端输出低电平, 14端低电平到发射机中央控制单元,中央控制单元通过触摸屏声光报警,15端低电平到U3A、U3B,通过与的关系,控制FC+、FC-不被送到SI8235电桥控制芯片,起到过温保护。
  (三)PCB电路设计
  由于功放模块信号复杂,线路图纸多达二十多页,检测电路和功率电路都在一张板子上,模块工作于大电流、高频率状态,基于以上情况,为达到更好的电磁兼容性能,使模块工作更稳定,我们选择了8层PCB电路板,需要单独设计了电源层和接地层。由于印刷电路板图的绘制难度大,在总结多年维护和修复经验的基础上,克服困难自主设计印刷电路板图,对板图进行了优化和改进。板卡印刷电路板图绘制后,由专业印刷电路板厂家进行板卡制作。
  (四)模块元器件筛选与焊接
  功放模块元器件共2000多个,种类92种。包含电阻31种,电容15种,各种二极管、三极管十几种,还有各种功能的集成块等,并且大多是非常小的贴片式封装。任何一个元器件的不稳定都会造成模块工作异常或者故障,因此需要对元器件进行参数原理分析,进行反复试验和筛选,最终确定型号,许多元器件需要进行重新设计定做。
  模块焊接全部采用机器贴片焊接,功放模块实物图如图5所示。
  (五)模块测试
  模块在工作电压为 400V,频率630KHZ,输入信号为 9dBm的测试条件下,要求研制的模块在中波频段内输出功率均>1.25KW,效率≥90%,图6 为进口模块和自主研制模块输出波形对比图。
  三、结束语
  自主研制功放模块在发射机工作将近2年,工作稳定,发射机各项指标达到甲级,完全达到了进口模块的效果,部分指标优于进口模块,大大节约了成本,并经过多次的修改完善,提高了模块的稳定性,对TMW2100型100kW中波发射机的安全播音提供了强有力的保障,提高了发射台技术保障水平,确保了安全播出。
  参考文献:
  [1]陶嘉庆,李国华 .新型模块式中波发射机[J] 广播与电视技术 1998年.
  [2]魏瑞发 数字化调幅发射机 无线电台管理局 1999年.
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