支持熱插拔的固體功率放大器模塊設計

李 楠

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊 050081）

在固態功率放大器的設計中，設備的可靠性是非常關鍵的指標，同時有些應用場合還對設備在線維修、不間斷工作提出了要求。

本文針對C 波段千瓦級固態功率放大器的使用環境需求，設計了一種支持熱插拔的固態功率放大器模塊。當單個模塊發生故障時，可在設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的方式實現，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總線與監控單元通信。

1 增益鏈路設計

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 內匹配功率模塊，基于全國產化材料及工藝的GaN 器件制備，采用先進的平面內匹配合成技術和成熟的薄膜混合集成工藝，頻率可覆蓋4.4～5.0GHz波段，適應各種脈沖/連續波工作條件，滿足電子對抗、衛星通信、遙測遙控等高性能射頻/微波系統的寬帶、高功率、高效率及溫度等環境適應性要求。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絡設計

功放模塊要求輸出功率達到160W。現有的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。傳統的平面功率一分二合成網絡有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電阻上需要承受很大功率，需要并聯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絡。

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

3 熱插拔電源管理電路設計

當功放模塊插入背板時，背板及電源已處于穩態工作狀態，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瞬時跌落，從而導致系統復位。為了避免瞬態大電流對設備造成的損傷，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計將柵壓保護、過溫保護功能也通過熱插拔管理芯片統一完成，增加了系統的可靠性。

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。同時如果輸入電壓出現過壓或欠壓時，開關管也會關斷。當發生短路時，整個系統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 監控電路設計

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

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，保護設備防止放大器損壞。同時再要對功放的狀態通過指示燈進行指示。系統監控單元通過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。當反射功率超過設定值是，通過控制熱插拔管理芯片關斷功放電源。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斷功放電源。

5 結束語

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