一种功放保护电路和方法与流程

本发明涉及电路技术领域，具体涉及一种功放保护电路和方法。

背景技术：

作为通信和特种通信系统中的重要组成设备，功率放大器(即，功放)工作的稳定可靠直接关系到整个系统的工作效果。然而由于功率放大器是大功率设备，具有大功率设备所固有的特点，如工作时电流大、温度高、负载敏感等特点，工作稳定性和可靠性要受到许多外部因素，诸如温度、频率变化等的影响。功率放大器前后相连接设备以及环境的任何异常都有可能在功放这里被“放大”成严重故障甚至损坏功放。因此所有的功放都无一例外的设计有大量保护措施，诸如过热保护、开路保护等，在这些异常发生后迅速行动发挥保护。

但是在实际应用中却发现尽管功放已经进入了保护状态，仍然发生了不可逆的损坏，即并没有达到所期望的保护效果。

技术实现要素：

本发明提供了一种放保护电路和方法，以解决现有保护电路，保护滞后，达不到期望的保护效果的技术问题。

为了达到上述技术目的，本申请的技术方案是这样实现的：

根据本申请的一个方面，提供了一种功放保护电路，包括：第一级比较电路，以及与第一级比较电路串联的第二级比较电路；

所述第一级比较电路包括第一运算放大器，用于接收输入的当前时刻对应的功率检测电压值以及当前时刻之前预设时刻的功率检测电压值，并进行比较后得出两者的差值，将所述差值输出作为第二级比较电路的其中一路输入；

所述第二级比较电路包括第二比较器，用于接收所述第一级比较电路输出的差值以及接收预设差值门限，并比较所述差值与所述差值门限，当所述差值大于所述差值门限时输出告警。

可选地，第一运算放大器包括第一输入端，第二输入端以及第一输出端；

所述第一输入端与信号源连接，接收信号源输入的当前时刻对应的功率检测电压；

所述第二输入端与第一数模转换器的输出端连接，所述第一数模转换器的输入端与处理器连接，所述处理器与模数转换器的输出端连接，所述模数转换器的输入端与信号源连接，接收信号源输入的当前时刻之前预设时刻对应的功率检测电压；

所述第一输出端与第二比较器连接，输出所述第一运算放大器比较当前时刻对应的功率检测电压以及当前时刻之后预设时刻对应的功率检测电压后得出的差值至所述第二比较器。

可选地，第二比较器包括第三输入端，第四输入端和第二输出端；

所述第三输入端与所述第一输出端连接，接收第一运算放大器输出的当前时刻对应的功率检测电压以及当前时刻之前预设时刻对应的功率检测电压的差值；

所述第四输入端与第二数模转换器的输出端连接，所述第二数模转换器的输入端与所述处理器连接，接收预设差值门限；

所述第二输出端与所述处理器连接，用于输出所述第一比较器比较所述差值与所述差值门限并当所述差值大于所述差值门限时生成的告警信号给所述处理器。

可选地，所述第一输入端为第一运算放大器的正向输入端，所述正向输入端第一电阻的一端以及第三电阻的一端连接，所述第一电阻的另一端与信号源连接，所述第三电阻的另一端接地；

所述第二输入端为第一运算放大器的反向输入端，所述反向输入端与第二电阻的一端以及第四电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端与第一数模转换器的输出端连接，所述第四电阻的另一端与所述第一输出端连接。

可选地，所述第三输入端为所述第二比较器的正向输入端，所述第四输入端为所述第二比较器的反向输入端，所述反向输入端与所述第二数模转换器的输出端连接。

可选地，所述处理器包括具有串行外设接口spi以及直接存储器存取dma控制器的处理器。

根据本申请的另一个方面，提供了一种功放保护方法，包括：

获取当前时刻对应的功率检测电压值以及当前时刻之前预设时刻的功率检测电压值，

比较当前时刻对应的功率检测电压值以及当前时刻之前预设时刻的功率检测电压值后得出两者的差值；

将所述差值与预设差值门限比较，当所述差值大于所述差值门限时输出告警。

可选地，获取当前时刻对应的功率检测电压值以及当前时刻之前预设时刻的功率检测电压值包括：

将第一运算放大器的第一输入端与信号源连接，接收信号源输入的当前时刻对应的功率检测电压；

将第一运算放大器的第二输入端与第一数模转换器的输出端连接，所述第一数模转换器的输入端与处理器连接，所述处理器与模数转换器的输出端连接，所述模数转换器的输入端与信号源连接，接收信号源输入的当前时刻之前预设时刻对应的功率检测电压；

将第一运算放大器的第一输出端与第二比较器连接，输出差值至所述第二比较器。

可选地，将所述差值与预设差值门限比较包括：

将第二比较器的第三输入端与所述第一输出端连接，接收第一运算放大器输出的当前时刻对应的功率检测电压以及当前时刻之前预设时刻对应的功率检测电压的差值；

将所述第二比较器的第四输入端与第二数模转换器的输出端连接，所述第二数模转换器的输入端与所述处理器连接，接收预设差值门限；

将所述第二比较器的第二输出端与所述处理器连接，用于输出当所述差值大于所述差值门限时生成的告警信号给所述处理器。

可选地，所述将第一运算放大器的第一输入端与信号源连接包括：

将所述第一输入端作为第一运算放大器的正向输入端，将所述正向输入端第一电阻的一端以及第三电阻的一端连接，将所述第一电阻的另一端与信号源连接，所述第三电阻的另一端接地；

将所述第二输入端作为第一运算放大器的反向输入端，将所述反向输入端与第二电阻的一端以及第四电阻的一端连接，将所述第二电阻的另一端与第一数模转换器的输出端连接，将所述第四电阻的另一端与所述第一输出端连接。

有益效果：本发明实施例在分析当前功放故障时的保护处理机制的基础上，创造性的提出了转变不准确的绝对值检测判断为准确的趋势测量，即，对电路进行实时检测，并根据当前时刻对应的电压值以及当前时刻之前预设时刻对应的电压值之差，得出信号变化趋势，当某个时间段的差值超出预设差值告警门限时，提前采取故障保护措施，避免对设备造成损坏，成功解决了长期困扰功放设备损坏的问题，在通信、军工等领域具有重要的应用和参考价值。

附图说明

图1是本发明一个实施例的功放保护电路的原理示意图；

图2是本发明一个实施例的功放保护方法的流程图。

具体实施方式

本发明的设计构思是：针对目前功放保护措施在实际应用中并没有达到所期望的保护效果的问题，经过分析后知道，未能达到保护期望的主要原因在于目前所有的保护电路设计均是基于事后判断。即是说，在功放已经发生了严重的故障状态后才能检测出该故障再去采取相应措施，这就带来了滞后性，使功放在严重的故障状态下持续运行了一段时间，从而造成损害。

以大驻波故障情况为例。由于匹配或输出线缆接触不好等原因造成的反射功率过大(大驻波)是对功放危害最大的一种故障情况。目前主流的大驻波保护电路设计有两种，一种是判断反射功率的绝对值，当反射功率超过一定程度时进入保护状态；另一种是比较反向功率与正向功率的相对值，当反向功率超过正向功率的一定比例时进入保护状态。前一种保护方式的检测准确，但是因为缺乏正向功率的比较，不能反映出驻波系数，会带来误保护；后一种方式较常用，能够反映出驻波系数，但是由于正反向的检测误差也时常会发生误报护。最关键的是，无论哪一种方式，都是在已经发生了严重的驻波反射情况后才会检测到大驻波，然后再由电路采取各种处理措施，具有滞后性。从发生故障情况到最终停止输出或降额输出的整个环节耗时通常在十微秒到数十微秒之间(取决于具体电路设计)，即功放需要在故障情况下继续工作数十微秒。而功放的核心器件功率晶体管对于大幅度反射功率往往极为敏感，某些种类的功放对于全反射下大驻波的耐受时间甚至仅为3-5微秒，超过这个时间就会造成不可逆的损坏，而这是目前的基于事后判断方法的功放保护技术所无法解决的困难。使得功放虽能提示出故障状态，却无法从根本上保护设备。

为了解决在通信和特种通信领域中的重要设备即，功率放大器中常见的由于故障保护处理的滞后性导致设备损坏或误防护致功放不能正常工作的问题，提出一种基于趋势判断的功放故障保护处理方法，通过在故障发生之前就持续判断检测信号变化趋势，在检测出异常趋势信号后就提前进入保护状态，从而做到了提前开始预防，使功放不会进入严重故障状态，从而实现了保护设备不受损的目的。具体是采用两级串联比较器实现故障判断:其中第一级是包括运放的求差值电路，用于实时比较每个时间段内始末时刻的电压信号得出其差值；而第二级比较器用于将该差值与预设告警门限比较，从而得到最终告警信号,并据此做出保护动作。以下结合附图对本申请实施例的电路进行重点说明。

参见图1，本实施例的这种功放保护电路包括：第一级比较电路，以及与第一级比较电路串联的第二级比较电路；第一级比较电路包括第一运算放大器(参见图1中示意的功放)，用于接收输入的当前时刻对应的功率检测电压值以及当前时刻之前预设时刻的功率检测电压值，并进行比较后得出两者的差值，将差值输出作为第二级比较电路的其中一路输入；第二级比较电路包括第二比较器(参见图1中示意的比较器)，用于接收第一级比较电路输出的差值以及接收预设差值门限，并比较差值与差值门限，当差值大于差值门限时输出告警。

需要说明的是，本实施例中是将当前时刻的电压值以及当前时刻之前的电压值进行比较。从图1所示可知，经过电阻r1到达第一运算放大器“+”端(即，同相输入端)的信号为当前时刻对应的检测电压，而同一时刻出现在第一运放“-”端(即，反相输入端)的电压是经过了ad-da转换延时的信号，折算回去(信号源处)可知同一时刻出现在第一运放“-”端的信号肯定是在“+”端信号之前(比如5微秒之前)产生的。

具体的，参见图1，第一运算放大器包括第一输入端，第二输入端以及第一输出端；第一输入端与信号源(参见图1中示意的检测信号输入端)连接，接收信号源输入的当前时刻对应的功率检测电压；第二输入端与第一数模转换器(见图1中示意的第一d/a转换器)的输出端连接，第一数模转换器的输入端与处理器连接，处理器与模数转换器(见图1中示意的a/d转换器)的输出端连接，模数转换器(即图1中的a/d转换器)的输入端与信号源(参见图1中示意的检测信号输入端)连接，接收信号源输入的当前时刻之前预设时刻对应的功率检测电压；第一输出端与第二比较器连接，输出差值至第二比较器。利用第一运算放大器，接收功率检测电压，实现了来自同一个信号源的两个不同时刻的电压值的实时比较。

参见图1，第二比较器包括第三输入端，第四输入端和第二输出端；第三输入端与第一输出端连接，接收第一运算放大器输出的当前时刻对应的功率检测电压以及当前时刻之前预设时刻对应的功率检测电压的差值；第四输入端与第二数模转换器的输出端连接，第二数模转换器的输入端与处理器连接，接收预设差值门限；第二输出端与处理器连接，用于输出差值大于差值门限时生成的告警信号给处理器。

如图1所示，第一输入端为第一运算放大器的正向输入端，正向输入端第一电阻(见图1中的r1)的一端以及第三电阻(见图1中的r3)的一端连接，第一电阻的另一端与信号源连接，第三电阻的另一端接地；第二输入端为第一运算放大器的反向输入端，反向输入端与第二电阻(见图1中的r2)的一端以及第四电阻(见图1中的r4)的一端连接，第二电阻的另一端与第一数模转换器的输出端连接，第四电阻的另一端与第一输出端连接。在本实施例中，参见图1，第三输入端为第二比较器的正向输入端，第四输入端为第二比较器的反向输入端，反向输入端与第二数模转换器的输出端连接。

如前所述，本发明实施例提出了以趋势判断代替事后判断的功放故障检测具体的实现电路和方法。考虑到功放的各种故障保护原理之间的通用性，为了论述简要和方便，在本发明实施例中以对功放危害最大的驻波情况为例对该防护电路的工作加以说明。

对于功放驻波故障的保护，电路分为检测和判断处理两部分。其中检测部分主要是采用耦合检波器件实现高速实时的功率-电压转换，以不同幅度的电压值表征功率值。这部分电路与现有技术保护处理电路一致，都是分两路同时检测正向和反射功率的大小，将功率检测电压输出到控制板。

本发明实施例的改进主要针对控制板上的判断处理部分，以实现趋势判断的电路代替了传统的基于事后判断的电路。故障趋势判断的原理是：相关信号的绝对检测值大并不一定能确定发生了故障状态，但是检测值在短时间内的变化量过大则必然是一种故障趋势。考虑到功率检测电压是一个模拟连续变量，不会发生类似从0到1的突变，故完全可以根据该变量的变化曲率来预测可能发生的异常状况。变不准确的绝对值测量为相对差值测量，通过不断计算变化曲率来提出预警。其难点在于如何快速得到检测电压实时值与前一时刻值之间的差值。

本发明一个实施例借助ad-da过程实现电压信号的固定延时，解决了上述难点。具体的，参见图1所示，本实施例的功放保护电路的工作过程是：

实时反射功率检测电压(检测信号输入)到达控制板后分为两路，其中一路是实时检测信号，直接去往由高速运放(型号如ad8056)和r1至r4这四个电阻组成的减法电路的正输入端，而另一路去往由处理器(arm处理器)控制的高速ad-da环路。信号由模数转换ad器件的模拟信号输入端进入，处理器通过spi接口读取ad结果，再由处理器的dma((directmemoryaccess，直接存储器存取)通道直接给第一数模转换da器件，da器件的模拟电压输出端直接接到减法电路的负输入端。由功放组成的减法电路的输出直接接到高速比较器的正端，而比较器的负端来自另一路da输出的预设比较基准(即预设差值门限)。当该比较器的正端大于负端时，产生高电平报警信号，送回处理器并产生中断，进行相应的故障处理。

需要说明的是，本发明一个实施例中处理器包括具有spi接口和dma控制器的处理器，例如，stm32f107。选用stm32f107处理器的主要是因为该处理器的spi接口dma能力。电路选用的ad器件与da器件均为高速串行spi接口器件，可以挂在处理器的同一个spi接口上，且其数据格式均为16位，方便处理。这样，检测电压的ad-da处理过程在处理器的dma控制下自动连续实现，避免了因为处理器要处理别的工作而造成不同的检测时间间隔，影响检测准确度。而且由于dma流程本身不受处理器其它工作干扰，处理器环节的延时得以基本固定，ad器件和da器件本身的数据转换时间在同一个电路中也是相对固定的，从而使整个ad-da环节的延时基本固定。经测算，实测检测电压信号的ad-da处理支路的固定延时约为5微秒左右。因此，图1中第一级比较电路(即，第一运放作比较器的比较电路)实际上比较的是反射功率的当前检测电压值与大约5微秒前的检测电压值的差值。

这个5微秒前后差值的大小直接反映了故障趋势。功放设备正常工作时，在每一个这样的5微秒的时间段内，电压差值必然是在一定范围内的，不可能发生很大的变化，而如果负载情况发生异常，就会在某一个这样的时间段内发现电压差值突然开始急剧增大，从而判断出可能的故障趋势。图1中第二比较器组成的比较电路正是完成这项比较，通过将实时差值与第二数模转换器输出的预设的某个最大差值进行比较，得出告警信号。该告警信号以中断方式通知处理器，处理器采取切断收发或降额输出等方式及时采取保护动作，从而实现了在功放设备进入严重故障状态前就进入保护状态。

需要说明的是，对于过热、过流等其它的功放故障情况的处理方式与上述大驻波故障的保护电路类似，也就是说，图1所示电路完全适用于不同的故障状态的判断和保护。具体应用其它功放故障的保护时，将若干个如图1中所示的基本单元电路的叠加即可，换句话说，将图1中的电路复制可用于保护别的功放故障，只需改变图1中检测信号输入源。而如果图1中处理器采用有3个独立的spi接口的处理，那么多个类似功放保护电路的处理器可以共用。

经过试验，将本技术方案实现的功能保护电路成功应用于某型号功放设备中，开路大驻波情况下保护时间(指功放完成切断功率输出动作的时间)由原来的故障发生后十微秒到数十微秒不等大幅度提升到进入全反射状态后2-3微秒，极大地提高了设备可靠性，未再出现功放损坏的现象。

此外，图1中的电子器件的型号仅为示意性说明，不限于此，比如可以使用其它类型的处理器替代图1的ad-da支路中的处理器stm32f107来实现本功能，但是无论换用何种处理器，均无法绕过此电路形式，本质上仍与本技术方案相同。同样的，若换用其他型号的运放或比较器也可以实现本方案，但是电路形式和结构仍与本方案相同。即，器件的型号更换不影响对本电路形式的引用。

与前述实施例同属一个发明构思，本申请一个实施例还提供了一种功放保护方法，参见图2，该方法包括：

步骤s201，获取当前时刻对应的功率检测电压值以及当前时刻之前预设时刻的功率检测电压值，

步骤s202，比较当前时刻对应的功率检测电压值以及当前时刻之前预设时刻的功率检测电压值后得出两者的差值；

步骤s203，将所述差值与预设差值门限比较，当所述差值大于所述差值门限时输出告警。

在本发明的一个实施例中，步骤s201具体包括：将第一运算放大器的第一输入端与信号源连接，接收信号源输入的当前时刻对应的功率检测电压；将第一运算放大器的第二输入端与第一数模转换器的输出端连接，所述第一数模转换器的输入端与处理器连接，所述处理器与模数转换器的输出端连接，所述模数转换器的输入端与信号源连接，接收信号源输入的当前时刻之前预设时刻对应的功率检测电压；将第一运算放大器的第一输出端与第二比较器连接，输出差值至所述第二比较器。

在本发明的一个实施例中，步骤s202，具体包括：将第二比较器的第三输入端与所述第一输出端连接，接收第一运算放大器输出的当前时刻对应的功率检测电压以及当前时刻之前预设时刻对应的功率检测电压的差值；将所述第二比较器的第四输入端与第二数模转换器的输出端连接，所述第二数模转换器的输入端与所述处理器连接，接收预设差值门限；将所述第二比较器的第二输出端与所述处理器连接，用于输出当所述差值大于所述差值门限时生成的告警信号给所述处理器。

在本发明的一个实施例中，将第一运算放大器的第一输入端与信号源连接包括：将所述第一输入端作为第一运算放大器的正向输入端，将所述正向输入端第一电阻的一端以及第三电阻的一端连接，将所述第一电阻的另一端与信号源连接，所述第三电阻的另一端接地；将所述第二输入端作为第一运算放大器的反向输入端，将所述反向输入端与第二电阻的一端以及第四电阻的一端连接，将所述第二电阻的另一端与第一数模转换器的输出端连接，将所述第四电阻的另一端与所述第一输出端连接。

需要说明的是，图2所示的功放保护方法是基于图1中的电路实现的，因此有关图2所示功放保护方法的实现步骤的更多说明可参见前述实施例中对图1所示电路的工作过程的说明，这里不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围以权利要求的保护范围为准。