直接数字驱动功放模块的设计与应用

肖秋华

国家新闻出版广电总局561台

摘要：本文介绍了我台研发的一款新型直接数字驱动式中波发射机功放模块，结合实际设计电路详细阐述了其工作原理，并简单介绍了在多频中波发射机上的应用情况。关键字：直接数字驱动 功放模块 多频中波发射机1. 前言传统的中波发射机只能播出固定的某一频率，若改频时，需要对许多部位重新调整，以DX200中波发射机为例，调整的部位有预驱动、驱动级、效率线圈、输出网络以及部分板卡。直接数字驱动功放模块在本板上将差分PECL平衡信号转换成TTL射频信号进行放大后，驱动MOS场效应管，这样相对传统的中波发射机而言，省去了预驱动、驱动级以及复杂的调谐部件，对中波发射机的多频工作提供了现实依据，现直接数字驱动功放模块已经在我台正在研制的多频中波发射机上得到应用，三大指标均达到甲级，效率上优于现有的DX200发射机。2. 直接数字驱动功放模块工作原理直接数字驱动模块主要电路包括：射频输入转换电路、模块控制与监测、开关电源、射频隔离与驱动以及8个MOS场效应管IRFP460LC组成的H桥输出电路。首先模块接收外部输入的差分PECL平衡射频输入信号，通过本板的平衡转不平衡电路将差分PECL信号转换成TTL信号后送至可编程逻辑器件PAL22V10，与模块控制开关信号进行逻辑运算后产生5路射频信号BRI_A、BRI_B、BRI_C、BRI_D、PSCLK，其中BRI_A、BRI_D、PSCLK与RF同向，而BRI_B、BRI_C与RF反向；PSCLK作为开关电源的射频源送至开关电源电路；BRI_A、BRI_C同时送入一片射频隔离芯片，其中BRI_A控制MOS场效应管Q1/Q3，BRI_C控制MOS场效应管Q5/Q7；BRI_B、BRI_D同时送入另一片射频隔离芯片， BRI_B控制MOS场效应管Q2/Q4，BRI_D控制MOS场效应管Q6/Q8；如图1所示。

图1 直接数字驱动模块基本框图

当模块控制信号输入为高电平时，BRI_A、BRI_D与RF同向，BRI_B、BRI_C与RF反向，因此在载波正半周时， Q1/Q3,Q6/Q8导通，而Q2/Q4,Q5/Q7关断，形成射频输出的正半周；在载波负半周时， Q1/Q3,Q6/Q8关断， Q2/Q4,Q5/Q7导通，形成射频输出的负半周，因此在射频变压器两端产生2倍于电源电压的射频输出电压U0，如图2所示。当模块控制信号输入为低电平时，BRI_A、BRI_B为低电平，而BRI_C、BRI_D为高电平，故在载波整个周期，Q1/Q3,Q2/Q4均关断，而Q5/Q7，Q6/Q8导通，将射频输出变压器短路，感应电压可以通过Q5/Q7，Q6/Q8与地构成放电回路，保护功放模块。

图2 直接数字驱动模块输入输出波形图

3. 直接数字驱动功放模块的电路设计

3.1 射频隔离与死区保护

Si8233是Silicon Labs公司生产的专用MOS场效应管驱动器，采用Silicon Labs公司专有的硅隔离技术, 输入——输出可提供高达5kVRMS耐压；并具有独立高边VIA和低边VIB输入；输出高边VOA与输出低边VOB的隔离度高达1500V峰值，如图3所示。Si8233还具有高达8 MHz的开关频率与4.0 A峰值输出能力，直接数字驱动模块作为中波频段内功率放大器，不仅从开关频率还是隔离度来看，Si8233都能够满足要求。Si8233还有欠压锁定 （under voltage lock out）电路，防止当VDDI电压低于其工作电压容许范围时，直接数字驱动模块在启动或关断期间或其他干扰信号使得高边和低边输入同向， 从而导致场效应管IRFP460LC同时导通造成烧毁的现象。

图3 直接数字驱动模块射频隔离与死区保护电路

直接数字驱动模块采用两片SI8233芯片作为射频隔离与死区保护，从其工作原理中可知，BRI_A与BRI_C共用一片，控制MOS场效应管Q1/Q3, Q5/Q7；BRI_B与BRI_D共用另一片，控制MOS场效应管Q2/Q4,Q6/Q8。下面以其中一片SI8233芯片（U1）为例，介绍BRI_A与BRI_C间的隔离与死区保护，如图3所示。来自可编程逻辑器件PAL22V10输出的BRI_A、BRI_C经阻容网络分别加至SI8233的VIA、VIB输入端，BRI_A、BRI_C分别对应高边输出SIDE_A、低边输出SIDE_C，在输出端分别设有过压保护器件15V齐纳稳压管MMSZ5245BT1/15V，编号为CR33、CR22，防止异常高电压将芯片击穿；由开关隔离电源输出的+VD加至U1的16脚，为高边SIDE_A提供电源电压，其参考地电平为-VD（悬浮高电压）；+VA1也由开关隔离电源输出，加至U1的11脚为低边SIDE_C提供电源；为防止MOS场效应管垂直导通，在SI8233的6脚外接15K电阻，使SIDE_A、SIDE_C输出高电平时间均减少约150ns左右，即减小它们的占空比，从而使得场效应管栅极波形的交汇点均落在零轴上，如图4所示， Q1/Q3栅极输出波形与Q5/Q7栅极输出波形在零轴交叉，且有68ns的保护间隔，保证了场效应管Q1/Q3, Q5/Q7不会同时导通，提高了直接数字驱动模块工作的稳定性；倘若不设置死区保护时间，如图5所示，则Q1/Q3与Q5/Q7的栅极波形的交汇点将落在电源电压与零轴中间的电压上，交叠时间约为74ns，势必造成Q1/Q3还未关断时，Q5/Q7就已经导通，从而导致场效应管的烧毁。

图4 死区保护电阻为15K的栅极波形 图5 死区保护电阻为零的栅极波形

3.2 电源电路设计

直接数字驱动模块只外接+12V及+48V电源，通过电源变换电路将外接+12V及+48V变换成所需的所有电源，其中+5.5V由+12V电源经LM317稳压后产生，+VA1、+VA2、+VB、+VH、+VD均由开关电源产生。开关电源主要部件包括载波四分频电路、隔离电路、开关管、高频变压器、整流电路、滤波与稳压电路组成，如图6所示，下面简单介绍其工作原理。开关电源的振荡源是来自可编程逻辑器件PAL22V10输出的PSCLK信号，与载波信号同步， 其经过由74HCT74组成的4分频电路后，在U17的9脚输出四分之一PSCLK频率的信号，8脚输出一个与9脚反向的四分之一PSCLK频率的信号，这两个信号分别加至U15(SI8233)的VIA、VIB输入端，控制开关管Q12、Q13的开通与关断；为防止Q12、Q13同时导通而烧坏场效应管，因此在U15的6脚对地外接10K电阻，使Q12、Q13的栅极输出高电平时间均减少约100ns左右。开关电源设有自保电路，在开关电源启动前，Q12栅极电源电压即SI8233的VDDA是靠外接+12V电源经R47、CR54向100UF的电解电容C70及0.1UF的独石电容充电并储能形成电压，Q13栅极电压由外接+12V电源提供。开关电源启动后，Q12源极则为悬浮高电位，且电压高于外接+12V，此时外接+12V电源不能再为Q12栅极提供电压，由高频变压器T1次级C1C2的感应电压经CR63、CR64、CR65、CR66桥式整流产生的电压+VB提供。高频变压器T1次级A1A2经CR50、CR51、CR52、CR53桥式整流分三路，一路+VA1为MOS场效应管Q5/Q7栅极提供电源，一路+VA2为MOS场效应管Q6/Q8栅极提供电源，再一路经3.3V稳压管CR32与外接+12V电源会和，从而达到外接+12V与+VA1、+VA2互为备份，当外接+12V电源出现故障时，开关电源产生的+VA可以经CR32向本模块提供+12V电源，从而维持本模块+5.5V电源，保证了本模块各芯片的正常工作；当外接+48V或开关电源出现故障时，外接+12V电源也可以经CR32向本模块提供+VA电源，从而保证模块低边Q5/Q7、Q6/Q8的正常关断，防止输出磁环上的感应高电压将模块烧毁；这种设计思路不仅大大提高了模块本身电源的可靠性，而且也提高了模块的寿命。

图6 直接数字驱动模块电源电路

3.3 功放控制与监测电路

直接数字驱动模块采用可编程逻辑器件PAL22V10进行监测与控制，整个监测电路的输入信号包括射频输入RF、模块故障复位REST_L、模块开通与关断信号MEN_L、桥A输出采样信号+VH_5.1、桥B输出采样信号+VD_5.1; 输出信号包括模块故障输出FLT_OUT、开关电源振荡源PSCLK、场效应管控制信号BRI_A /BRI_B/BRI_C/BRI_D、开通指示信号MON、模块故障指示FAULTLED以及模块连锁故障INTERLOCK，如图7所示。PSCLK与射频信号RF同步，其不受模块控制信号MEN_L所控制，即模块有射频源输入就启动开关电压工作，而场效应管控制信号BRI_A /BRI_B/BRI_C/BRI_D是由射频信号CLK与模块控制信号MEN_L共同产生，当模块控制信号MEN_L为低电平时，BRI_A、BRI_D与RF同向，BRI_B、BRI_C与RF反向，此时模块处于开通状态，若模块工作正常，桥A输出采样信号+VH_5.1与桥B输出采样信号+VD_5.1均为+5.5VPP的方波信号（电源电压为+250VDC），桥A输出采样信号+VH_5.1经R65与C43组成的滤波网络后送至由LM339组成的窗口比较器，在U7的5、6脚上形成2.75V左右的直流，由图9可知，U7的7脚输入电压为+4.4V，4脚输入电压为+1.1V，因此，U7的5、6脚的电压介于4脚与7脚之间，则U7的1、2脚输出高电平，模块监测电路对桥B输出采样信号+VD_5.1与桥A一样，U7的13、14脚也输出高电平，即模块故障输入信号MFAULT_L为高电平，表明模块工作正常。若桥A输出采样信号+VH_5.1与桥B输出采样信号+VD_5.1中任意一个高于+8.8VPP或低于2.2VPP时，表明模块输出不正常，将触发窗口比较器阀值，U7输出低电平至PAL22V10，由PAL22V10将该模块关断，并产生一个模块故障信号送至控制器。当模块控制信号MEN_L为高电平时，模块处于关断状态，此时桥A输出采样信号+VH_5.1与桥B输出采样信号+VD_5.1均为零，而模块本身并未出现故障，为防止错误报警，在模块关断状态下，由PAL22V10的17脚输出一个故障屏蔽信号FLTCTL信号至窗口比较器，这样就有一个+3V左右的电压加到U7的5、6、9、10脚，从而达到将故障信息屏蔽的目的，即在模块关断情况下，不检测模块工作是否正常。另外，模块本身在PAL22V10内部还设有断激励保护电路，当射频信号没有或因接触不良等问题造成CLK信号没有时，PAL22V10将使BRI_A 、BRI_B输出低电平， BRI_C、BRI_D输出高电平，从而将模块立即关断，防止感应电压将模块烧毁。

图7 直接数字驱动模块控制与检测电路

4. 直接数字驱动模块在多频中波发射机中的应用

4.1 与DX发射机功率模块对比

直接数字驱动模块与DX发射机功率模块一样，均工作在开关状态下的D类，根据D类放大器工作原理，模块总的耗散功率主要消耗在场效应管的上升时间与下降时间，上升时间与下降时间越长，场效应管上消耗的功率越大，效率就越低，从图8可以看出，在载波729KHZ时，DX发射机功率模块上升时间tr+下降时间tf=66+79=145ns，而从图9可以看出，直接数字驱动模块上升时间tr+下降时间tf=40+41=81ns，因此，直接数字驱动模块的耗散功率较DX发射机功率模块下降40%以上。

图8 DX发射机功率模块输出波形图 图9 直接数字驱动模块输出波形图

4.2 应用效果

直接数字驱动模块与DX发射机功率模块外观尺寸相同，如图10所示，但由于采用了耐压更高、电流更大的IRFP460LC场效应管，且耗散功率更小，效率更高，因此直接数字驱动模块最大输出高于DX发射机功率模块；另外，直接数字驱动模块采用单独驱动方式，不开通时只需很小的驱动功率，在载波729KHZ，直接数字驱动模块所需驱动功率为40*0.24=9.6W，在200KW时开通102块，总的驱动功率不到为1KW；而我台载波729KHZ的DX发射机开通102块时，其总的驱动功率为22*125=2.75KW，因此，多频中波发射机整机效率也高于DX发射机。多频中波发射机已先后完成了载波630KHZ、729KHZ、981KHZ、1170KHZ等频率的调试工作，在所有测试频率中，其频响与杂音指标好于DX发射机，而失真与其相当，整机效率达到90%以上，高于DX发射机最高86%的效率。

图10 直接数字驱动模块实物图

5. 总结

直接数字驱动功放模块在具有体积小、效率高及直接数字驱动等特点，作为多频中波发射机的核心部件，为多频中波发射机的成功研制奠定了基础，而多频中波发射机的研制成功，打破了传统中波发射机只能播出某一固定频率的惯例，具有十分重要的意义。

作者：肖秋华 电话：0791-88262289 手机：13576091836 邮箱：8651465@qq.com

编辑：中国新闻技术工作者联合会