一种直接数字驱动功放模块的制作方法
【专利摘要】一种直接数字驱动功放模块，平衡转不平衡电路和开关电源电路分别连接可编程逻辑电路，可编程逻辑电路连接射频隔离芯片和驱动电路，射频隔离芯片和驱动电路连接H桥输出电路，所述H桥输出电路由八个MOS场效应管IRFP460LC组成。本实用新型的效果是：（1）采用直接单路差分PECL平衡射频输入，减少射频输出对输入的影响；（2）采用Si8233芯片进行射频隔离与死区保护，大大提高模块的集成度；电源设有自保电路，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。
【专利说明】一种直接数字驱动功放模块
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种应用在多频中波发射机的某一模块，具体涉及一种直接数字驱动功放模块。
【背景技术】
[0002]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上对输入的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、驱动级等复杂的调谐部件，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，能够在100KW载波下，加90%调制度，三大指标均达到甲级，效率上优于现有的DX200发射机。
【发明内容】
[0003]本实用新型的目的在于提供一种直接数字驱动功放模块，该模块设有自保电路，可以减少射频输出对输入的影响，并且采用射频隔离与死区保护相结合，提高模块的集成度。
[0004]本实用新型是这样来实现的，它包括平衡转不平衡电路、开关电源电路、可编程逻辑电路、射频隔离芯片和驱动电路、H桥输出电路，所述H桥输出电路由八个MOS场效应管IRFP460LC组成，其特征是:平衡转不平衡电路和开关电源电路分别连接可编程逻辑电路，可编程逻辑电路连接射频隔离芯片和驱动电路，射频隔离芯片和驱动电路连接H桥输出电路。
[0005]本实用新型所述射频隔离芯片采用两片SI8233芯片作为射频隔离与死区保护。
[0006]本实用新型所述开关电源电路只外接+12V和+48V电源，其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。
[0007]本实用新型所述可编程逻辑电路中包括器件PAL22V10，器件PAL22V10检测与控制直接数字驱动功放模块输入信号和输出信号。
[0008]本实用新型的工作原理是:直接数字驱动功放模块接收外部输入的差分PECL平衡射频输入信号，通过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电路中的器件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通过驱动电路控制MOS场效应管Q1/Q3，BRI_C通过驱动电路控制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通过驱动电路控制MOS场效应管Q2/Q4，BRI_D通过驱动电路控制MOS场效应管Q6/Q8。
[0009]本实用新型的效果是:(I)采用直接单路差分PECL平衡射频输入，减少射频输出对输入的影响；(2)采用Si8233芯片进行射频隔离与死区保护，大大提高模块的集成度；
(3)采用IXDD604PI芯片来驱动MOS场效应管IRFP460，具有体积小、驱动能力强的特点，并在IXDD604PI输出端增加了滤波与栅极保护电路，确保场效应管IRFP460能够及时开通与关断；(4)电源设有自保电路，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；(5)采用可编程逻辑器件PAL22V10进行监测与控制，与传统的发射机对保险丝监测不同，直接监测射频功放输出，对射频输出设有过高与过低保护，并在无射频激励时，自动将模块关断，防止感应电压将模块烧毁。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为本实用新型的结构示意图。
[0011]图2为本实用新型的射频隔离与死区保护电路图。
[0012]图3为本实用新型的开关电源电路图。
[0013]图4为本实用新型的开关电源电路输入部分拆分图。
[0014]图5为本实用新型的开关电源电路输出部分拆分图。
[0015]图6为本实用新型的开关电源电路+5.5V电源拆分图。
[0016]图7为本实用新型控制与检测电路图。
[0017]图8为本实用新型控制与检测电路输入部分拆分图。
[0018]图9为本实用新型控制与检测电路输出部分拆分图。
[0019]图10为本实用新型可控编程逻辑电路。
[0020]图11为本实用新型的输出波形图和DX发射机功率模块输出波形图对比图。
[0021]在图中，1、平衡转不平衡电路，2、开关电源电路，3、可编程逻辑电路，4、射频隔离芯片，5、驱动电路，6、H桥输出电路，7、M0S场效应管Q1/Q3，8、M0S场效应管Q5/Q7，
9、MOS场效应管Q2/Q4，10、MOS场效应管Q6/Q8。
【具体实施方式】
[0022]如图1所示，本实用新型是这样来工作和实施的，它包括平衡转不平衡电路1、开关电源电路2、可编程逻辑电路3、射频隔离芯片4和驱动电路5、H桥输出电路6，所述H桥输出电路6由八个MOS场效应管IRFP460LC组成，其特征是:平衡转不平衡电路I和开关电源电路2分别连接可编程逻辑电路3，可编程逻辑电路3连接射频隔离芯片4和驱动电路5，射频隔离芯片4和驱动电路5连接H桥输出电路6。
[0023]本实用新型的工作原理是:直接数字驱动功放模块接收外部输入的差分PECL平衡射频输入信号，通过平衡转不平衡电路2将差分PECL信号转换成TTL信号后送至可编程逻辑电路3中的器件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2 ; BRI_A、BRI_C同时送入一片射频隔离芯片4，其中BRI_A通过驱动电路5控制MOS场效应管Q1/Q3 (7) (7)，BRI_C通过驱动电路5控制MOS场效应管Q5/Q7 (8) (8) ;BRI_B、BRI_D同时送入另一片射频隔离芯片4，BRI_B通过驱动电路5控制MOS场效应管Q2/Q4 (9) (9)，BRI_D通过驱动电路5控制MOS场效应管Q6/Q8(10) (10)，当模块控制信号输入为高电平时，BRI_A和BRI_D与RF同向，BRI_B和BRI_C与RF反向，因此在载波正半周时，MOS场效应管Ql/Q3(7)和MOS场效应管Q6/Q8 (10)导通，而MOS场效应管Q2/Q4 (9)和MOS场效应管Q5/Q7 (8)关断，形成射频输出的正半周；在载波负半周时，MOS场效应管Ql/Q3(7)和MOS场效应管Q6/Q8 (10)关断，MOS场效应管Q2/Q4 (9)和MOS场效应管Q5/Q7 (8)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UO，当模块控制信号输入为低电平时，BRI_A和BRI_B为低电平，而BRI_C和BRI_D为高电平，故在载波整个周期，MOS场效应管Q1/Q3 (7)和MOS场效应管Q2/Q4 (9)均关断，而MOS场效应管Q5/Q7 (8)和MOS场效应管Q6/Q8(10)导通，将射频输出变压器短路，感应电压可以通过MOS场效应管Q5/Q7 (8)和MOS场效应管Q6/Q8(10)与地构成回路放电。
[0024](I)本实用新型关于射频隔离与死区保护:
[0025]5丨8233是5丨1化011 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5 kVRMS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，Si8233也具有高达8 MHz的开关频率与4.0 A峰值输出能力，Si8233还有欠压锁定电路，防止当VDDI电压低于其容许范围工作电压时，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；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。
[0026]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 (7)，MOS场效应管Q5/Q7⑶；
共用另一片，控 制MOS场效应管Q2/Q4(9)，MOS场效应管Q6/Q8 (10)。下面以其中一片SI8233芯片(Ul)为例，介绍BRI_A与BRI_C间的射频隔离与死区保护。
[0027]如图2所示，来自可编程逻辑电路3中的器件PAL22V10输出的BRI_A、
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Ul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);+VAl也由开关隔离电源输出，加至Ul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，保证了 MOS场效应管Ql/Q3(7)，MOS场效应管Q5/Q7 (8)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，则MOS场效应管Q1/Q3 (7)与MOS场效应管Q5/Q7 (8)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，势必造成MOS场效应管Q1/Q3 (7)还未关断时，MOS场效应管Q5/Q7 (8)就已经导通，从而造成场效应管的烧毁。
[0028](2)本实用新型开关电源电路的设计:
[0029]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，+VAU +VA2、+VB、+VH、+VD均由开关电源产生，开关电源电路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。[0030]如图3、图4、图5、图6所示，其工作原理为:开关电源的振荡源是来自可编程逻辑电路中器件PAL22V10输出的PSCLK信号与载波信号同步，其经过由74HCT74组成的四分频电路后，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IOK电阻，使Q12、Q13的栅极输出高电平时间均减少约IOOns左右。
[0031]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Tl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。
[0032]高频变压器Tl次级A1A2经CR50、CR51、CR52、CR53桥式整流分三路，一路+VAl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+VAl、+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MOS场效应管Q5/Q7、MOS场效应管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。
[0033](3)本实用新型功放控制与监测电路:
[0034]直接数字驱动模块采用可编程逻辑电路3中器件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输出米样信号+VH_5.1、桥B输出米样信号+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Μ0Ν、模块故障指示FAULTLED以及模块连锁故障INTERLOCK。
[0035]如图7、图8、图9、图10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，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—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。
[0036]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。
[0037]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。
[0038](4)本实用新型与DX发射机模块对比:
[0039]如图11所示，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，DX发射机功率模块(左)上升时间+下降时间=66+79=145ns，直接数字驱动模块(右)上升时间+下降时间=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44%。
[0040]直接数字驱动模块与DX发射机功率模块外观尺寸相同，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，因此输出功率更大；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47.8*0.36=17.2W，在200KW时开通102块，总的驱动功率为1.754KW ;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，整机效率将高于DX发射机。
【权利要求】
1.一种直接数字驱动功放模块，它包括平衡转不平衡电路、开关电源电路、可编程逻辑电路、射频隔离芯片和驱动电路、H桥输出电路，所述H桥输出电路由八个MOS场效应管IRFP460LC组成，其特征是:平衡转不平衡电路和开关电源电路分别连接可编程逻辑电路，可编程逻辑电路连接射频隔离芯片和驱动电路，射频隔离芯片和驱动电路连接H桥输出电路。
2.根据权利要求1所述的一种直接数字驱动功放模块，其特征在于:所述射频隔离芯片采用两片SI8233芯片作为射频隔离与死区保护。
3.根据权利要求1所述的一种直接数字驱动功放模块，其特征在于:所述开关电源电路只外接+12V和+48V电源，其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。
4.根据权利要求1所述的一种直接数字驱动功放模块，其特征在于:所述可编程逻辑电路中包括器件PAL22V10。
【文档编号】H03F3/21GK203734630SQ201320888217
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】徐邦辉, 聂志龙, 肖秋华, 周光成, 王立军, 曾宾阳, 曾霖 申请人:国家广播电影电视总局五六一台