DX中波发射机频繁损坏模块保险的故障分析和解决办法
魏宏林 闻明华
（国家新闻出版广电总局953台）
摘 要： 本文介绍了DX中波发射机频繁出现同一位置功率放大模块保险熔断故障，更换新的功率放大模块也不能解决问题；通过分析调制编码板对模块的导通控制原理，确定故障原因是调制编码板TSC4423驱动器的输出驱动分压电阻发热变性造成的，并且对故障解决办法进行阐述。关键词：功率放大模块 保险 频繁熔断 解决办法1 引言
在西新工程中，我局许多台站都引进了美国哈里斯公司的DX型中波发射机，但是随着发射机运行时间的增加，许多元器件发生老化，特别是容易产生热量的元器件，长时间处在温度较高的发射机机箱环境下，出现了性能下降，引起与其关联的其它一些部位发生故障，这对我们的维护工作提出了挑战。此文就我台调制编码板上控制功率放大模块的调制信号分压电阻老化对发射机产生的影响进行深入分析，并且提出解决办法。2 故障的查找与分析
2.1 故障现象DX-400中波发射机由两个功放单元组成，在正常运行时，其中一个功放单元出现保险故障，功放单元故障显示板上，“FUSE”（保险）故障红灯被点亮，但是发射机播音正常。查看故障功放单元功率表，输出功率降低1kW，打开出现保险故障的功放单元前部右机柜、中机柜、左机柜和扩展机柜柜门，分别查看6块调制编码板和1块二进制调制编码板上的保险故障灯DS6，发现其中扩展机柜调制编码板（2A30）的保险故障灯DS6亮红灯，查找与这块调制编码板对应的32块功率放大模块上的保险故障灯DS1和DS2，发现有一块功率放大模块的故障灯DS1亮红灯。为了保证发射机的功率输出和指标正常，在后半夜停机后，我们将保险出现故障的模块进行了更换，开启发射机后，该模块保险依然发生熔断。2.2 故障的查找利用后半夜的停机时间，我们对故障的原因进行了分析和查找。初步判断模块保险反复熔断的原因可能有如下两点：2.2.1 原因之一是功率放大模块的射频驱动信号不正常为了更好的说明我们查找故障的方法，首先说明功率放大模块的工作原理，功率放大模块的射频驱动信号是通过连接在功率合成母板上的射频同轴电缆连接到射频放大模块上，简要说明射频驱动信号和射频功率放大模块的关系，从而进一步阐述射频驱动信号对功率放大模块保险的影响。射频放大模块开通工作原理。图2为射频放大模块工作原理简图。由图2可知，当来自调制编码板的开通信号（一个负的控制电压）到达射频放大模块时，射频放大模块PNP型晶体三极管Q13、Q12饱和导通，射频放大模块的工作方式可以分两种情况讨论，可以根据射频激励信号的正半周期和负半周期分类，这两个周期相差180度。⑴ 射频激励信号的正半个周期。这半个周期中，来自调制编码板的开通信号（一个负的控制电压）使PNP型晶体三极管Q13导通，给与场效应管Q5、Q7栅极连接的变压器T1的次级提供一个接地信号。这样由F3来的射频激励信号，经过变压器T1的初级、次级,到达场效应管Q5、Q7的栅极。这个信号的电平约为+2V到+4V,使场效应管Q5、Q7饱和导通。同时信号也到达Q1和Q3的栅极，但是由于T1的变压器次级两个输出端的同命端反向，为了更好的说明T1和T2射频激励变压器同命端的电压输出情况，将T1和T2射频激励变压器工作原理图进行放大，如图1 T1、T2射频激励变压器放大图所示，图1中，黑色圆点所示的是T1和T2射频激励变压器次级同命端，即T1的3端输出为+2V到+4V，1端输出也为+2V到+4V，所以与Q1和Q3栅极连接的一端为-2V到-4V，从而Q1和Q3不导通。而与场效应管Q2、Q4栅极连接的是变压器T2的次级4端，这个信号是经过射频激励保险F4来的，它的幅度大小与加在Q5、Q7的3端上的激励信号相等。所以它使Q2、Q4饱和导通，这样Q2、Q4和Q5、Q7，再加上电容C15和合成母板上的初级线圈构成一个电压回路，输出一个方波。图1 T1、T2射频激励变压器放大图
在这种导通情况下，虽然来自调制编码板的开通信号（一个负的控制电压）也加到了PNP型晶体三极管Q14上，射频激励保险F4来的激励信号通过T2射频激励变压器次级也加到了Q6、Q8的栅极，但是，由于加到Q6、Q8的射频激励信号与3端的信号反向，这个信号是负的，所以不能使Q6、Q8导通。⑵ 射频激励信号的负半个周期。同样的原理，这半个周期中，来自调制编码板的开通信号（一个负的控制电压）使PNP型晶体三极管Q12导通，给与场效应管Q6、Q8栅极连接的变压器T2的次级提供一个接地信号。这样由F4来的射频激励信号，经过变压器T2的初级、次级,到达场效应管Q6、Q8的栅极。这个信号的电平约为+2V到+4V,使场效应管Q6、Q8饱和导通。而与场效应管Q1、Q3栅极连接的是变压器T1的次级，这个信号是经过射频激励保险F3来的，它的幅度大小与加在Q6、Q8的次级上的激励信号相等，它使Q1、Q3饱和导通，这样Q1、Q3和Q6、Q8，再加上电容C15和合成母板上的初级线圈构成一个电压回路，输出一个方波。射频放大模块关断工作原理。当一个来自调制编码板的大约为+2.5V的关断信号到达射频放大模块时，射频放大模块的PNP型晶体三极管Q13、Q12截止，而NPN型晶体三极管Q9、Q10饱和导通，将T1、T2次级的接地去掉，这样,使得T1、T2变压器次级没有输出，场效应管Q5、Q7（Q6、Q8）的栅极的射频激励，由晶体三极管Q9（Q10）通过二极管CR9（CR10）箝位在二极管对地的管压降上，这时，场效应管Q5、Q7（Q6、Q8）所需要的正激励电压（+2V到+4V）被去掉，场效应管Q5、Q7（Q6、Q8）断开。图2射频放大模块工作原理简图
通过以上分析，得出以下结论，模块输出的方波电压，是通过Q1～Q8的8个场效应管导通和关断实现的，而射频激励信号的作用是在调制编码板的开通/关断信号的控制下，为这8个场效应管的栅极提供导通和关断的控制电压。四对场效应管的工作原理可以等效为图3为射频功率放大器桥式放大电路工作原理简图。在图3中，4对MOSFET（场效应管）用作开关控制， 如果Q1/Q3和Q6/Q8饱和导通，则Q2/Q4和Q5/Q7被截止；如果Q1/Q3和Q6/Q8被截止，则Q2/Q4和Q5/Q7饱和导通。每个部分都产生一个方波输出，但是两个方波相差180度。这些场效应管的作用就是有效地将整个电源电压跨接在合成变压器初级绕组上。图3 射频功率放大器桥式放大电路工作原理简图
在正常工作的情况下，MOSFET场效应管Q1∽Q8工作在开关状态，也就是工作在饱和导通和截止两个状态。但是，如果射频激励电缆发生接触不良、接触电阻增大的情况时，射频激励信号就会减小，来自调制编码板的开通和关断信号加到功率放大模块时，射频激励信号不足以使场效应管工作在饱和导通和截止状态，也就是说激励电压达不到栅极饱和导通的电压。这样就使得场效应管工作在欠压放大状态，不是工作在开关状态，在这种状态下，引起场效应管管耗过大，发热很快而烧坏，从而引起F1和F2保险熔断。所以，要对功率放大模块的射频驱动信号进行测量。利用后半夜停机时间，断开发射机380V低压电源总开关和对应功率放大单元的高压真空断路器，确保这个功率放大单元没有电。用钥匙打开后机柜柜门，找到对应模块的射频激励电缆，用万用表的电阻档测量对应模块的两条同轴电缆是否是导通的。如果电阻很小，说明模块的激励信号没有接触不良的问题；如果电阻很大，说明模块的激励信号有接触不良的问题，需要更换同轴电缆或者对应的插头。通过测量，确定不是射频激励信号和射频同轴电缆故障导致的模块保险熔断故障。2.2.2 原因之二是调制编码板上的TSC4423驱动器的输出驱动信号不正常通过查找，排除了射频同轴电缆原因引起的射频模块保险熔断故障，将查找重点放在调制编码版的TSC4423驱动器的输出驱动信号上。将发射机后门恢复，合上发射机的低压电源总开关和高压真空断路器，确认发射机的电源和工作状态正常后，高功率开启发射机。用万用表的直流电压档测量损坏模块对应的调制编码板2A30上的分压电阻39Ω和100Ω中间B点的输出电压（见图4）。发现B点的电压为-1.60V，正常情况下应该是-1V左右，可以判断可能由于调制编码板输出驱动信号不正常，导致模块保险的熔断。进一步查找，发现调制编码板的分压电阻已经出现了过热发黑的现象，将调制编码板拆下，在100Ω和39Ω电阻焊接处PCB板的背面已经烧糊，调制编码板下部两排电阻的焊接部分周围已经碳化变黑。随后，将两个功放单元所有的调制编码板均拆下进行检查，发现都有不同程度被烧坏和烧糊的情况，而且扩展机柜调制编码板背面被烧坏程度最严重。当发射机正常工作时，扩展机柜模块导通时间比较少，而左机柜模块导通时间比较长，此时编码板模块损坏的情况却不严重。分析其产生原因，同时我们也找到了射频放大模块保险频繁熔断的根本问题所在。2.3 故障原因分析简要分析调制编码板上的TSC4423驱动器的输出驱动信号和射频放大模块工作状态的关系。进一步阐述TSC4423驱动器的输出驱动信号变化对射频放大模块保险的影响和调制编码板的发热烧糊原因。DX中波发射机在正常工作时，由模拟输入板输入的音频信号经过A/D转换板（模/数转换板），转换为十二比特（12bit）的数字信号，送入七块调制编码板中。这些数字信号通过金跳线加到B+和B-提供电源的输出驱动反向器上，变为一个负的信号，也就是图5中TSC4423驱动器的输出。这个信号由一个39Ω/3W的碳膜电阻R1和一个100Ω/3W的碳膜电阻R2进行分压，得到一个大约-1V左右的控制电压，通过合成母板控制功放模块的导通；如果是一个大约+2.5V的控制电压，通过合成母板控制功放模块的关断。图4 数字信号驱动射频放大模块简图
在金跳线和模块之间的调制编码板上，从金跳线来的逻辑控制信号，分别加到TSC4423驱动器中S1、S2场效应管的栅极，用来控制S1、S2晶体管的导通和关断；其中S1的漏极接B+电源，为+5.5V，S2的源极接地；如果S1导通，S2关断，TSC4423输出驱动的A点将输出一个高电平，通过R1（为39欧姆 3瓦）和R2（为100欧姆 3瓦）两个电阻分压，得到+2.5V的控制信号，将模块关断，这种情况可以简化为下图5输出驱动等效电路图中（1）的情况；如果S1关断，S2导通，TSC4423输出驱动的A点将输出一个低电平，通过R1和R2两个电阻分压，得到一个-1V的控制信号，将模块导通，这种情况可以简化为下图5输出驱动等效电路图中（2）的情况。图5 输出驱动等效电路图
通过用万用表的直流电压档测量损坏模块对应的调制编码板的分压电阻39Ω和100Ω中间B点的输出电压。发现B点的电压为-1.60V，正常情况下应该是-1V左右，可以判断可能由于调制编码板输出驱动信号不正常，导致模块保险的熔断。这里有两个问题，一个是为什么B点的电压在-1.60V时射频放大模块保险会熔断？另一个是为什么扩展机柜模块导通时间少，而控制模块导通和关断的调制编码板39欧姆和100欧姆电阻温度反而高？2.3.1 首先分析为什么B点的电压在-1.60V时射频放大模块保险会熔断？通过分析，我们知道在B点电压为-1.60V时，功率放大模块中的PNP型晶体三极管Q13（Q12）依然能够可靠导通，射频放大模块上的场效应管Q1∽Q8能正常导通，但是这个-1.60V的电压值是39Ω和100Ω两个分压电阻已经发热变性的情况下分压得到的射频放大模块导通控制电压，它的计算公式是UB=(B-)×,其中RS2为TSC4423驱动器中S2晶体管的导通电阻，控制电压UB正常为-1V左右，但是随着R1的发热变性，R1阻值增大，UB变成-1.60V左右，但是模块能正常工作。但是模块要关断时，射频放大模块导通控制电压UB计算公式是UB=【(B+)-（B-）】×，其中RS1为TSC4423驱动器中S1晶体管的导通电阻，R1由于发热变性比正常值大，这是的UB本来应该是+2.5V左右，由于R1的增大，关断电压变为0.1V左右，这个电压到达射频放大模块时，射频放大模块PNP型晶体三极管Q13（Q12）不能可靠快速关断，处于临界状态，晶体三极管Q13（Q12）的分压电阻增大，这种情况同样导致射频激励变压器次级的射频激励信号减小，场效应管工作在欠压放大状态，不是工作在开关状态，引起场效应管管耗过大，从而引起F1和F2保险熔断。这也告诉我们，不是所有的R1和R2电阻值发生变化都会导致射频放大模块保险熔断，而是只有B点的电压不能满足射频放大模块PNP型晶体三极管Q13（Q12）可靠快速导通和关断需要的时候，才有可能发生射频放大模块保险的熔断。所以，可能有的电阻已经发热变性，但是还能使射频放大模块PNP型晶体三极管Q13（Q12）可靠快速导通和关断，就不会表现出保险的熔断，放大模块还能正常工作。但是还是建议定期测量R1和R2的电阻值，如果阻值变化较大，要及时更换。2.3.2分析为什么扩展机柜模块导通时间少，而控制模块导通和关断的调制编码板39欧姆和100欧姆电阻温度反而高？我们通过实际测量和计算得到模块导通和关断这两种情况下100欧姆电阻的发热量。⑴模块关断情况下模块关断情况下驱动器TSC4423的输出可以等效为图5中（1）的情况，S1导通，S2关断，编码器输出为高电平，射频放大器关断。由电阻功率计算可得100Ω电阻产生的热量约为：P100Ω===0.64（W）⑵ 模块导通情况下模块导通情况下驱动器TSC4423的输出可以等效为图5中（2）的情况，S2导通，S1关断，编码器输出为低电平，射频放大器合通。由电阻功率计算可得100Ω电阻产生的热量约为：P100Ω===0.20（W）通过上面的计算发现，在模块不导通的情况下，100Ω电阻产生的热量比模块导通的情况大两倍。实际用测温枪测量电阻温度也证实了这一点：模块导通情况下100Ω电阻的温度为32°C左右，而模块不导通情况下100Ω电阻对应的温度为60°C左右。因为大多数情况下，扩展机柜的模块都处于关断的情况，而左机柜的模块处于长时间开通状态，所以扩展机柜的驱动分压电阻发热量相对更高，从而出现扩展机柜的调制编码板比左机柜的调制编码板烧坏情况更严重。
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