TMW2100型100kW中波发射机功放模块研制

杜思山

【摘要】本文结合TMW2100型100kW中波发射机的特点，分析了功放模块工作原理，结合功放模块国产化研制过程，详细介绍了模块电桥电路、模块电桥控制电路、模块逻辑控制电路的设计原理，阐述了研制过程中的难点和电路改进情况，并简单介绍了模块元件筛选、焊接、测试、应用等情况。自行研制的模块各项指标均达到进口模块标准，节约了成本，为安全播出提供了保障。

【关键词】中波发射机;功放模块;研制

一、引言

TMW2100型100kW中波发射机是瑞士THALE公司生产的全固态数字化中波发射机，全机集成度高，大量运用DSP、FPGA等大规模集成电路技术，整机技术水平比较高，是国内发射台安装的比较多的机型，TMW2100型100kW中波发射机所有功放模块都是宽频带模块，可以在525-1605kHz的中波全频段工作，每部发射机有80块功放模块，每年运行中都有模块损坏，需要更换，进口模块价格昂贵，采购周期长，制约了安全播出工作的开展。基于以上需要，我台组织人员总结模块出现的故障，重新设计了模块电桥电路、模块控制电路、设计了功放模块PCB电路、筛选模块用元器件，研制了全新的功放模块，大大降低了发射机运行成本，降低了停播率，给安全播出提供了有力的保障。

二、功放模块国产化

（一）功放模块原理

射频功放模块原理如图1，由H形电桥电路、电桥控制电路、模块控制电路、温度控制电路、熔断器控制电路等电路组成。其中H形电桥包含4个电子开关共8只CMOS场效应管，每个功放模块的输入射频激励

信号有两路，分别为FC+和FC-。FC+、FC-是两个经过相位调制的载频信号，分别加至H桥的左臂和右臂，并经反相缓冲器，控制H桥的四臂。FC+、FC-的工作频率与载波频率相同，通过FC+、FC-其间的相位差，能够控制模块的工作输出幅度，实现幅度相位调制。这三路信号从功率放大器内的分配器分配而来。所有功放模块的输出信号都归纳于功率合成器中，合成后的总功率经滤波器滤除谐波、杂频信号，最后把功率合格而又以发射载频为基础的有用调幅波信号，经匹配网络和馈线送入天线。

每个功放模块的输入输出控制信号有两路（1）ON信号：控制射频放大模块导通或截止，实现粗阶梯调制，由粗台阶调制板送来;（2）RF-ON信号：发生异常时该信号使所 有射频放大模块关断，具有最高优先级。由快速监控给出;（3）OK信号： 射频放大模块工作正常信号。

（二）模块控制电路设计

（1） H形电桥电路

H形电桥电路如图2所示，每一臂由两只耐高压的场效应管并連组成，共有8只MOS-FET组成H桥的四臂。场效应管具体型号为IRFP460LC，参数为500V、 20A、 250W，IRFP460LC具有较低的驱动阻抗和高可靠性，可快速开关切换，开关时间可达50ns。

（2）电桥控制电路

模块重新设计了H形电桥控制电路，具体电路如图3所示，电桥控制电路主芯片采用SI8235， SI8235芯片是Silicon Labs公司推出可支持高达5KV隔离额定电压值的ISO driver隔离驱动器，该器件为业界最快速及最高集成度的隔离门极驱动IC，广泛地应用在UPS、变频器、逆变器等领域，具备超快速的50ns传播延迟，比普通光耦合器结合门极驱动器方案的速度快五倍以上。Si8235做了许多性能上的改善，一方面显著地改善MOSFET的开关次数，而减少FET开关周期的功耗则能让供电更有效率;另一方面Si8235能有效改善集成型重叠防护的效率。

功放模块采用两片SI8235芯片作为电桥控制电路，Q1、Q2场效应管共用一片，Q3、Q4场效应管共用一片。下面以其中一片为例简单介绍电桥控制电路工作原理，如图3所示，FC+、FC-经R1、C1、R2、C2阻容网络送至U1的VIA、VIB输入端，经过SI8235芯片处理，由VOA、VOB端输出，控制Q1、Q2场效应管按序导通，D1、

D2为钳位二极管，防止异常高电压击穿芯片，R3电阻为设置死区保护电阻，保证Q1、Q2场效应管不同时导通，保证Q1、Q2场效应管不被烧毁。

（3）模块控制电路

模块控制电路如图4所示，主要由温度检测控制、逻辑控制、显示等电路组成，核心芯片为GAL16V8、TMP-01、74HC11，GAL16V8可电擦除重复编程的通用阵列逻辑器件，是模块控制电路逻辑控制电路的核心，GAL是Lattice在PAL的基础上设计出来的器件，通过编程可以实现模块逻辑控制功能。

图4中U2（GAL16V8）为逻辑控制电路，1端为时钟输入端，2、3、4、5端分别为CORR-OK、FS-OK、PWR-OK、T-OK检测输入端，CORR-OK为模块左右电桥电压差检测信号，FS-OK为模块保险检测信号，PWR-OK为模块电源检测信号，T-OK为模块温度检测信号。以上检测信号正常时输入高电平，当有一路不正常时，U2相应输入端检测到低电平，通过内部可编程逻辑电路输出高电平到发光二极管D2、D3、D4、D5发光报警，同时U2芯片14、15端输出低电平， 14端低电平到发射机中央控制单元，中央控制单元通过触摸屏声光报警，15端低电平到U3A、U3B，通过与的关系，控制FC+、FC-不被送到SI8235电桥控制芯片，起到报警保护;反之，以上检测信号都正常，U2芯片13端输出高电平，模块ON发光二极管点亮，14、15端输出高电平，模块工作正常。

图4中TMP-01为模块温度控制电路，TMP-01是一种低功耗可编程温度控制器，主要由温度传感器、基准电压，窗口比较器及集电极开路输出三极管等组成，工作温度范围宽（-55℃～+150℃），典型的过温精度达到士0.5℃。TMP-01芯片2端SH为温度上限设置输入端，3端SL为温度下限设置输入端，1端VREF提供2.5V基准电压，经电阻R7、R8分压后作温度上、下限设置输入信号，图4所示当温度高于50度时，TMP-01芯片6端输出低电平，从而拉低U2（GAL16V8）5端输入电平，U2检测到后，通过逻辑电路从16端输出高电平，发光二极管D5点亮报警，同时U2芯片14、15端输出低电平， 14端低电平到发射机中央控制单元，中央控制单元通过触摸屏声光报警，15端低电平到U3A、U3B，通过与的关系，控制FC+、FC-不被送到SI8235电桥控制芯片，起到过温保护。

（三）PCB电路设计

由于功放模块信号复杂，线路图纸多达二十多页，检测电路和功率电路都在一张板子上，模块工作于大电流、高频率状态，基于以上情况，为达到更好的电磁兼容性能，使模块工作更稳定，我们选择了8层PCB电路板，需要单独设计了电源层和接地层。由于印刷电路板图的绘制难度大，在总结多年维护和修复经验的基础上，克服困难自主设计印刷电路板图，对板图进行了优化和改进。板卡印刷电路板图绘制后，由专业印刷电路板厂家进行板卡制作。

（四）模块元器件筛选与焊接

功放模块元器件共2000多个，种类92种。包含电阻31种，电容15种，各种二极管、三极管十几种，还有各种功能的集成块等，并且大多是非常小的贴片式封装。任何一个元器件的不稳定都会造成模块工作异常或者故障，因此需要对元器件进行参数原理分析，进行反复试验和筛选，最终确定型号，许多元器件需要进行重新设计定做。

模块焊接全部采用机器贴片焊接，功放模块实物图如图5所示。

（五）模块测试

模块在工作电压为 400V，频率630KHZ，输入信号为 9dBm的测试条件下，要求研制的模块在中波频段内输出功率均>1.25KW，效率≥90%，图6 为进口模块和自主研制模块输出波形对比图。

三、结束语

自主研制功放模块在发射机工作将近2年，工作稳定，发射机各项指标达到甲级，完全达到了进口模块的效果，部分指标优于进口模块，大大节约了成本，并经过多次的修改完善，提高了模块的稳定性，对TMW2100型100kW中波发射机的安全播音提供了强有力的保障，提高了发射台技术保障水平，确保了安全播出。

参考文献：

[1]陶嘉庆，李国华 .新型模块式中波发射机[J] 广播与电视技术 1998年.

[2]魏瑞发 数字化调幅发射机 无线电台管理局 1999年.