多通道D類(lèi)功放水聲發(fā)射機(jī)的研究

尹凱華，郭小俊

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 艦船自動(dòng)化分所，上海 200135)

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多通道D類(lèi)功放水聲發(fā)射機(jī)的研究

尹凱華，郭小俊

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 艦船自動(dòng)化分所，上海 200135)

D類(lèi)功率放大器具有體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種發(fā)射電路中。針對(duì)水聲通信工程中使用D類(lèi)功放的主動(dòng)聲吶的發(fā)射機(jī)在多路發(fā)射機(jī)同時(shí)工作時(shí)容易引起故障的問(wèn)題，對(duì)發(fā)射機(jī)出現(xiàn)故障的原因進(jìn)行分析，并通過(guò)功率管選擇、功率管散熱處理、功率驅(qū)動(dòng)芯片選擇、鉗位二極管選擇、消振電路參數(shù)選擇及變壓器繞制工藝改進(jìn)等手段優(yōu)化電路性能。通過(guò)上述改進(jìn)措施，可使聲吶系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性大幅提高。

D類(lèi)功放；多通道發(fā)射機(jī)；脈沖尖刺；載波；包絡(luò)

0　引　言

主動(dòng)聲吶是水聲通信工程中使用頻率很高的一種設(shè)備，發(fā)射機(jī)是其重要組成部分。發(fā)射機(jī)按照工作原理可分為A類(lèi)、B類(lèi)、AB類(lèi)和D類(lèi)等，其中:A類(lèi)功率放大器(以下簡(jiǎn)稱“功放”)具有良好的線性特性，但效率太低(在50%以下)；B類(lèi)推挽功放在放大小信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生交越失真現(xiàn)象，且功率轉(zhuǎn)換效率低(在70%以下)。因此，聲吶發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)很少使用A類(lèi)和B類(lèi)功放。AB類(lèi)功放很好地解決了交越失真現(xiàn)象，且線性特性較好、轉(zhuǎn)換效率比B類(lèi)稍低，常被使用在聲吶發(fā)射機(jī)中[1]；而D類(lèi)功放具有體積小、功率轉(zhuǎn)換效率高(理論上是100%，典型值能達(dá)到85%以上)[2]、工作頻帶寬、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于聲吶工程中，尤其是反蛙人聲吶系統(tǒng)中。多通道發(fā)射機(jī)同時(shí)工作時(shí)能提高發(fā)射總功率，使發(fā)射換能器的總靈敏度提高、指向性指數(shù)增大，從而使得聲吶的聲源級(jí)得到提高，進(jìn)而使探測(cè)距離更遠(yuǎn)、范圍更廣。

1　D類(lèi)功放水聲發(fā)射機(jī)工作原理

D類(lèi)功放發(fā)射機(jī)的工作原理見(jiàn)圖1，其由發(fā)射驅(qū)動(dòng)、光耦隔離、邏輯保護(hù)、功率驅(qū)動(dòng)與放大、升壓變壓器、匹配網(wǎng)絡(luò)及發(fā)射換能器等部分組成[3]。

圖1　D類(lèi)功放發(fā)射機(jī)工作原理

(1) 發(fā)射驅(qū)動(dòng)信號(hào)為互為差分的單正極性方波信號(hào)；

(2) 光耦隔離實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)從數(shù)字端到模擬端的傳遞；

(3) 邏輯保護(hù)主要防止驅(qū)動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)非差分或頻移等邏輯錯(cuò)誤；

(4) 功率驅(qū)動(dòng)一般使用集成驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電路，要求開(kāi)關(guān)時(shí)間短、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)；

(5) 功率放大一般使用大功率管將驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大，由變壓器初級(jí)的耦合關(guān)系可知功率管漏源電壓VDS能放大到高壓電源的2倍；

(6) 由于發(fā)射的瞬間功率很大，一般的開(kāi)關(guān)電源并不能滿足大功率輸出，因此采用儲(chǔ)能電容的供電形式，根據(jù)發(fā)射功率與脈寬的大小、功放電路的功率轉(zhuǎn)換效率、允許承受的最大高壓壓降，可計(jì)算出儲(chǔ)能電容的最小允許值；

(7) 驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大后加載到帶中心抽頭的1：1：n升壓變壓器的初級(jí)上，再耦合到次級(jí)，經(jīng)過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)后輸出至發(fā)射換能器完成電聲能量轉(zhuǎn)換，向水中發(fā)射聲波。

2　多通道發(fā)射機(jī)可靠性問(wèn)題

多通道發(fā)射機(jī)同時(shí)工作時(shí)，在提高探測(cè)距離的同時(shí)，也帶來(lái)了故障頻繁發(fā)生的缺點(diǎn)，使得系統(tǒng)的可靠性大打折扣。故障具體表現(xiàn)為：易擊穿發(fā)射機(jī)的功率管，使得功率管漏源短路、發(fā)射高壓經(jīng)變壓器初級(jí)與地短路，導(dǎo)致發(fā)射機(jī)無(wú)法正常工作。產(chǎn)生該故障的直接原因是功率管漏源極在每個(gè)載波周期內(nèi)均產(chǎn)生1個(gè)高脈沖的交越失真，會(huì)對(duì)功率管產(chǎn)生巨大傷害，甚至損壞。圖2和圖3分別為改進(jìn)前單通道發(fā)射載波和發(fā)射包絡(luò)，可看出載波內(nèi)脈沖尖刺達(dá)到了190 V-0.6 μs，并伴隨有較大的振蕩。

圖2　改進(jìn)前單通道發(fā)射載波

圖3　改進(jìn)前單通道發(fā)射包絡(luò)

在多通道發(fā)射機(jī)同時(shí)工作時(shí)，這種載波上疊加的脈沖尖刺幅度會(huì)更高、脈寬更大。圖4為改進(jìn)前多通道發(fā)射載波，可知載波內(nèi)某一脈沖尖刺高達(dá)197 V-1 μs，并伴隨有很大的振蕩。在整個(gè)包絡(luò)內(nèi)甚至有載波出現(xiàn)更高、更寬的脈沖尖刺。圖5為改進(jìn)前多通道發(fā)射包絡(luò)，脈沖尖刺達(dá)到204 V，這種失真會(huì)對(duì)發(fā)射機(jī)造成相當(dāng)大的損害，一旦擊穿功率管，會(huì)使高壓與地短路，容易燒壞電路板，導(dǎo)致發(fā)射機(jī)無(wú)法正常工作，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的可靠性。

圖4　改進(jìn)前多通道發(fā)射載波

導(dǎo)致上述故障發(fā)生的根本原因相當(dāng)復(fù)雜，影響因素眾多，其中較為主要的原因是變壓器初級(jí)在每個(gè)載波的上升和下降沿都有一次電流方向的反轉(zhuǎn)，電流值約為10 A，此時(shí)初級(jí)線圈內(nèi)產(chǎn)生很大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并將其帶入到高壓電源里；而多通道發(fā)射機(jī)是共用1個(gè)高壓電源的，因此同時(shí)工作的發(fā)射機(jī)越多，高壓電源上的脈沖尖刺就越多、越高，最終引入到發(fā)射載波內(nèi)導(dǎo)致故障發(fā)生。圖6和圖7分別為單通道發(fā)射時(shí)的高壓和多通道同時(shí)發(fā)射時(shí)的高壓，可知：儲(chǔ)能電容上的高壓(60 V)在單通道發(fā)射時(shí)尖刺峰值達(dá)16 V；而多個(gè)通道同時(shí)發(fā)射時(shí)尖刺峰值達(dá)78 V。

3　提高多通道發(fā)射機(jī)可靠性的措施

3.1功率管的選擇

圖5　改進(jìn)前多通道發(fā)射包絡(luò)

圖6　單通道發(fā)射時(shí)高壓

3.2功率管散熱處理

功率管的工作溫度在正常工作溫度范圍內(nèi)越低越好。因此對(duì)功率管作散熱處理，加裝散熱片，并用風(fēng)扇吹風(fēng)散熱。散熱片用高性能導(dǎo)熱硅膠粘貼，其導(dǎo)熱率為K=3 W/(m℃)，安裝時(shí)厚度約為D=0.1 mm，則其熱阻為R=D/K=0.03 ℃/W;考慮實(shí)際安裝散熱片時(shí)表面不平整等因素,引入接觸熱阻，保守估計(jì)其總熱阻為RΘCS=0.2 ℃/W。而從數(shù)據(jù)手冊(cè)中可知本系統(tǒng)選用的功率管的熱阻為RΘJA=40 ℃/W，節(jié)與外殼熱阻為RΘJC=0.47 ℃/W。由“3.1”節(jié)可知，發(fā)射時(shí)功率管的漏極電流為ID=10 A,而發(fā)射驅(qū)動(dòng)電壓VGS=12 V。查功率管的數(shù)據(jù)手冊(cè)可得功率管在25 ℃和175 ℃時(shí)漏極電流與漏源管壓降曲線圖(見(jiàn)圖10)。

圖7　多通道同時(shí)發(fā)射時(shí)高壓

圖8　原功率管安全工作區(qū)

圖9　新功率管安全工作區(qū)

a) 25 ℃時(shí)曲線圖

b) 175 ℃時(shí)曲線圖

3.3功率驅(qū)動(dòng)芯片的選擇

由D類(lèi)發(fā)射機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性可知，集成功率驅(qū)動(dòng)芯片應(yīng)選取雙通道低端功率管驅(qū)動(dòng)器;查看功率管的技術(shù)參數(shù)可知其柵電荷典型值為QG=60 nC，電路使用驅(qū)動(dòng)電壓為VGS=12 V，聲吶工作頻率為f=80 K，則所需驅(qū)動(dòng)功率為Pdrive=2QGfVGS=115 mW。選擇一款驅(qū)動(dòng)芯片,其開(kāi)關(guān)時(shí)間典型值為50 ns(遠(yuǎn)小于聲吶工作頻率對(duì)應(yīng)的周期12.5 us)，驅(qū)動(dòng)輸出電流高達(dá)1.5 A，則在開(kāi)關(guān)時(shí)間t=50 ns時(shí)，輸出電流為I=QG/t=1.2 A<1.5 A;在驅(qū)動(dòng)電壓VGS=12 V時(shí)，最大驅(qū)動(dòng)功率Pmax=18 W,遠(yuǎn)大于所需驅(qū)動(dòng)功率，滿足要求。

3.4鉗位二極管的選擇

由于鉗位二極管能有效減緩電路中涌浪式電壓變化對(duì)電路元件產(chǎn)生的沖擊，因此在功率管漏源極間加裝鉗位二極管。圖11為功率管鉗位保護(hù)電路圖,可知鉗位二極管的使用能在一定層度上遏止載波上的脈沖尖刺。

3.5消振電路參數(shù)的選擇

由第2節(jié)可知，發(fā)射機(jī)在工作時(shí)其發(fā)射載波內(nèi)有較大振蕩情況出現(xiàn)，因此在2個(gè)功率管的漏極之間加入消振電路(見(jiàn)圖12)。實(shí)際測(cè)試中，增大消振電容C及減小消振電阻R可提升消振效果。但是,電阻R受功率的限制不能降得太小;C的容值不能取得過(guò)大，否則在發(fā)射的瞬間容易燒壞電阻R。電阻R上的平均功率可計(jì)算出來(lái)：

圖11　功率管鉗位保護(hù)電路圖

圖12　功率管漏極消振電路圖

在發(fā)射的瞬間,2個(gè)功率管的漏極之間是互為反向單正極性的方波信號(hào)，因此可根據(jù)基本電路理論知識(shí)計(jì)算得到流過(guò)電阻R的穩(wěn)態(tài)電流為周期函數(shù)。

(2)

3.6變壓器繞制工藝的改進(jìn)

變壓器采用鐵氧體高磁導(dǎo)率環(huán)形磁芯。

1) 改進(jìn)前初級(jí)和次級(jí)均為單股線緊密纏繞，磁路的分布參數(shù)影響較大，導(dǎo)致初級(jí)1和初級(jí)2的發(fā)射載波不對(duì)稱性較大。

2) 改進(jìn)后初級(jí)采用雙線平繞方式、緊密分組，次級(jí)采用分組緊密纏繞方法，以降低磁路分布參數(shù)的影響，提高初級(jí)對(duì)稱性和初次級(jí)耦合效率。

4　改進(jìn)后結(jié)果驗(yàn)證

采取上述一系列改進(jìn)措施后，得到改進(jìn)后單通道及多通道發(fā)射載波和包絡(luò)(見(jiàn)圖13～圖16)，可知：?jiǎn)瓮ǖ腊l(fā)射時(shí)載波無(wú)失真，基本無(wú)振蕩，包絡(luò)內(nèi)最大尖刺為127 V；多通道發(fā)射時(shí)載波內(nèi)脈沖尖刺達(dá)到135 V-0.1 μs，有輕微的振蕩趨勢(shì)，包絡(luò)內(nèi)最大尖刺為135 V。與改進(jìn)前相比，改進(jìn)后發(fā)射機(jī)的可靠性大幅提升。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，改進(jìn)后多套聲吶系統(tǒng)在使用過(guò)程中再無(wú)發(fā)射機(jī)損壞的故障出現(xiàn)。

圖13　改進(jìn)后單通道發(fā)射載波

圖14　改進(jìn)后單通道發(fā)射包絡(luò)

圖15　改進(jìn)后多通道發(fā)射載波

圖16　改進(jìn)后多通道發(fā)射包絡(luò)

5　結(jié)　語(yǔ)

發(fā)射機(jī)是主動(dòng)聲吶系統(tǒng)的重要組成部分，在保證其可靠性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升其性能是下一步需要做的工作。例如：進(jìn)一步增大發(fā)射脈寬，使各幀發(fā)射能量更大，并保證電路的可靠性；同時(shí)，將匹配網(wǎng)絡(luò)做得更好，實(shí)現(xiàn)發(fā)射源與負(fù)載換能器在寬帶內(nèi)的良好匹配，得到平坦的較寬的發(fā)射信號(hào)帶寬。

[1]田坦，劉國(guó)枝，孫大軍.聲吶技術(shù)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2000.

[2]張肅文.高頻電子線路[M].4版.北京:高等教育出版社，2004.

[3]謝文軒.應(yīng)答釋放器發(fā)射機(jī)和水聲通信發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2009:4-6.

[4]童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].3版.北京:高等教育出版社，2001.

Reliability of Multichannel D-Type Power Amplifier Transmitter for Hydro Acoustic Equipment and its Improvement

YIN Kaihua，GUO Xiaojun

(StateKeyLaboratoryofNavigationandSafetyTechnology，ShanghaiShip&ShippingResearchInstitute，Shanghai200135，China)

The D type power amplifier is usually used in various transmitters for its advantages, such as tiny size, high efficiency. The D type power amplifier is also a common design for the active sonar transmitter. However, when all the channels of a transmitter work together, one can find a high fault rate with the transmitter. This paper analyzes the causes of the faults and proposes the improvements of the circuit design, which make the sonar system much more reliable.

D type power amplifier; multichannel transmitter; spike pulse; carrier; envelope

2016-01-12

尹凱華(1985—)，男 ，江蘇南通人，工程師，主要從事水聲電子通信研究工作。

1674-5949(2016)01-054-08

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