支持熱插拔的固體功率放大器模塊設(shè)計

李 楠

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊 050081）

在固態(tài)功率放大器的設(shè)計中，設(shè)備的可靠性是非常關(guān)鍵的指標，同時有些應(yīng)用場合還對設(shè)備在線維修、不間斷工作提出了要求。

本文針對C 波段千瓦級固態(tài)功率放大器的使用環(huán)境需求，設(shè)計了一種支持熱插拔的固態(tài)功率放大器模塊。當單個模塊發(fā)生故障時，可在設(shè)備不斷電的情況下更換故障模塊。

功放模塊采用兩級放大器級聯(lián)的方式實現(xiàn)，提供17dB 左右的增益，具有完整的輸入輸出功率檢測、駐波檢測、電壓電流檢測、故障保護、支持熱插拔及遙控功能。通過485總線與監(jiān)控單元通信。

1 增益鏈路設(shè)計

增益鏈路分為兩級，推動級放大器增益9dB，推動級放大器的輸出經(jīng)過3dB 定向耦合器分路后分別送至兩個末級放大器，末級放大器增益9dB，最后合路后得到52.6dBm 的輸出信號。

推動級放大器選用中電十三所的GaN 內(nèi)匹配功率模塊，基于全國產(chǎn)化材料及工藝的GaN 器件制備，采用先進的平面內(nèi)匹配合成技術(shù)和成熟的薄膜混合集成工藝，頻率可覆蓋4.4～5.0GHz波段，適應(yīng)各種脈沖/連續(xù)波工作條件，滿足電子對抗、衛(wèi)星通信、遙測遙控等高性能射頻/微波系統(tǒng)的寬帶、高功率、高效率及溫度等環(huán)境適應(yīng)性要求。飽和輸出功率45.3dBm，功率增益大于10dB，附加效率大于55%。漏源供電電壓28V。

末級放大器同樣選用中電十三所的GaN 功率模塊，飽和輸出功率50.5dBm，功率增益大于10dB，附加效率大于50%。

2 平面功率分配合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

功放模塊要求輸出功率達到160W?，F(xiàn)有的GaN 功率器件最大的輸出功率為100W。為了得到160W 的輸出功率，需要將兩只100W 的功放管進行功率合成。傳統(tǒng)的平面功率一分二合成網(wǎng)絡(luò)有Wilkinson 功分器、分支線耦合器、Lange 耦合器等。考慮到輸出功率達到160W，如果使用Wilkinson 功分器，當兩路輸出不平衡或反射功率過大時并聯(lián)電阻上需要承受很大功率，需要并聯(lián)電阻能需要承受很大功率，別且有良好的散熱手段，常用的電阻很難滿足要求，選用新工藝的合金電阻可以滿足要求但是成本太高，而Lange 耦合器調(diào)試較困難，所以選擇的分支線耦合器作為功放模塊的功率分配合成網(wǎng)絡(luò)。

首先在ADS 中建立分支線耦合器的仿真分析模型，通過對參數(shù)的優(yōu)化，設(shè)計出符合要求的耦合器。通過優(yōu)化在4.4G～5GHz的工作頻段內(nèi)分路端口隔離度大于18dB，幅度不平衡度＜0.2dB。滿足設(shè)計要求。

3 熱插拔電源管理電路設(shè)計

當功放模塊插入背板時，背板及電源已處于穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)，所有電容均被充滿電，功放模塊不帶電，模塊電路板上的電容沒有電荷，故當模塊與背板接觸時，由于板上的電容的充電將從電源吸入大量的瞬態(tài)電流。較大的電流會導致連接器、電路元件、電路板金屬連線等部件損壞，也可能使背板電源出現(xiàn)瞬時跌落，從而導致系統(tǒng)復位。為了避免瞬態(tài)大電流對設(shè)備造成的損傷，功放模塊中采用熱插拔管理芯片進行電源的管理。

熱插拔管理芯片通過控制一個外部MOSFET 來限制浪涌電流。通過檢測檢測電阻上流過的電流，調(diào)整外部MOSFET 柵極電壓，從而控制輸入電流。同時管理芯片可在輸出短路到接地或發(fā)生大型負載瞬變的情況下對電流做出限制。此外通過外部電路的設(shè)計將柵壓保護、過溫保護功能也通過熱插拔管理芯片統(tǒng)一完成，增加了系統(tǒng)的可靠性。

熱插拔管理芯片選用Linear 公司的LTC4260。LTC4260是一款具有I2C 兼容型監(jiān)控功能的正高壓熱插拔控制器。它可以使可插拔模塊安全地從工作中的電源背板上插上或拔下。浪涌電流的限制可通過控制外部N 溝道的MOSFET 的柵極電壓來實現(xiàn)。同時如果輸入電壓出現(xiàn)過壓或欠壓時，開關(guān)管也會關(guān)斷。當發(fā)生短路時，整個系統(tǒng)可以通過一個可編程的電子斷路器來保護。另外該芯片還提供一個信號用于顯示輸入電源電壓是否正常。

4 監(jiān)控電路設(shè)計

為了保證功放模塊安全穩(wěn)定的工作，必須對功放模塊的工作狀態(tài)進行實時的檢測，并提供相應(yīng)的保護措施。

主要的檢測量包括：工作電壓電流、輸入輸出功率、反射功率、功放溫度、柵源電壓狀態(tài)等。其中電源電壓過欠壓、功放過流、反射功率過大、功放過溫、柵源電壓故障時都要求及時切斷功放電源，保護設(shè)備防止放大器損壞。同時再要對功放的狀態(tài)通過指示燈進行指示。系統(tǒng)監(jiān)控單元通過485接口與功放模塊通信，完成對功放模塊工作狀態(tài)的檢測和控制。

MUC 通過I2C 接口讀取三個功率檢測器的檢測值，實時的對輸入功率、輸出功率和反射功率進行檢測。當反射功率超過設(shè)定值是，通過控制熱插拔管理芯片關(guān)斷功放電源。同時通過比較器電路對柵源電源和參考電壓進行比較，在柵源電源異常時通過熱插拔管理芯片關(guān)斷功放電源。

5 結(jié)束語

本文針對功放模塊支持熱插拔的需求進行了設(shè)計，對平面功率合成電路、熱插拔電源管理電路及監(jiān)控電路的設(shè)計進行了詳細的描述。設(shè)計出了支持熱插拔的功放模塊，滿足了系統(tǒng)對可靠性及在線維護功能的需求。