用於數位電視功率放大器的功率過衝保護電路的製作方法
2023-05-25 08:24:41 1
用於數位電視功率放大器的功率過衝保護電路的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用於數位電視功率放大器的功率過衝保護電路，包括功率檢測電路和上衝檢測電路；功率檢測電路的時間常數通過外部分立器件可控，用於選擇時間常數，以保證能夠檢測出不同模式數位電視信號的功率上衝；所述上衝檢測電路包括具有高通特性的反相放大器、滯回比較器、參考電壓源和復位電路。本實用新型的有益效果是：優化設計了功率檢測電路的時間常數，對信號幅度的隨機起伏起到平滑作用，同時保留了功率上衝的特徵，既可以避免數位電視信號偽隨機性造成的誤動作，又能實現功率上衝的檢測。電路簡單，穩定，實現成本低。使功率上衝保護電路能方便地適用於採用中國數位電視標準的發射系統功率放大器中。
【專利說明】用於數位電視功率放大器的功率過衝保護電路
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種功率過衝保護電路，更具體說，它涉及一種用於數位電視功率放大器的功率過衝保護電路。
【背景技術】
[0002]在中等功率(百瓦量級)和大功率(若干千瓦量級)數位電視無線發射系統中，射頻功率放大器處於高能、高熱的工作狀態，是故障率較高的部件之一。一旦射頻功率放大器發生故障，發射功率會下降甚至消失，導致劣播或停播事故。射頻功率放大器中，末級大功率電晶體是最容易損壞的部件。造成大功率電晶體損壞的主要原因包括:過熱、過激勵、過載。
[0003]由於散熱系統故障導致電晶體過熱的時間一般為秒的量級，通過監測散熱系統工作狀態和關鍵部位的溫度，較容易實現保護功能。過激勵和過載都會導致器件內部半導體結構發生過壓擊穿，作用的機理有兩類:一是瞬時的射頻電壓超過半導體結構(如柵極-源極或漏極-源極)的耐壓值，並持續一定的時間；二是由於漏極功率的突變導致漏極-柵極之間產生高幅度電壓，將柵極-源極擊穿，損害發生的時間從納秒至微秒不等。
[0004]針對末級大功率電晶體的保護措施如專利US6，424，216B1 (B2)，US7, 486，144B2和US7，352，240B2等。其中關於過激勵和過載的防護多採用平均功率檢測和峰值功率(電壓)檢測，檢測值一旦超限則給出保護信號，由執行機構切斷大功率電晶體的柵壓或降低其激勵功率，達到保護功率管的目的。上述措施在數位電視廣播發射功放中應用時需要面對如下的困難:
[0005]地面數位電視廣播標準多採用擴頻通信的機理，其頻譜在通帶內類似白噪聲，時域包絡也是呈隨機分布的特徵。平均功率檢測需要較長的統計時間才能獲得平穩的檢測結果，以中國地面數位電視國家標準(CTTB)為例，一個信號幀最長為625uS，平均功率檢測的統計時間不應低於5?10個信號幀，即3?6mS，遠大於過載或過激勵損害發生的時間。
[0006]另外，數位電視廣播的激勵器都是採用幅度-相位聯合調製，大多數情況還會採用正交頻分復用(OFDM)的調製方式，具有較高的峰值平均功率比(PAPR)。信號的幅度按一定的規律隨機分布，峰值越高出現的概率越小，持續時間越短。這種特徵給峰值功率檢測和保護門限的確定帶來困難。隨機分布的幅度容易造成誤保護。
[0007]對於CTTB標準，不同幀頭模式的平均功率隨時間的變化特性是不同的，如圖1所示，在幀頭(11)長度是420 (55.6us)和945 (125us)兩種模式下，幀頭的平均功率比幀體
(12)高3dB，導致短時內信號功率是不平穩的，而幀頭長度為595 (78.7us)時幀頭和幀體平均功率相同。上述特性會影響峰值功率保護門限的選取:如果以幀頭期間的電平標準作為門限，則有可能幀體期間平均功率增大超過3dB時才啟動保護，失去保護的意義。如果以幀體期間的電平作為門限，則幀頭出現時容易觸發誤動作。所以對於數位電視廣播標準，採用已有的過激勵或過載保護方案較難實現準確有效的保護。
[0008]隨著大功率電晶體工藝技術的進步，抗失配性能上可以保證在超過45:1的負載電壓駐波比條件下電晶體安全工作。因此瞬時射頻電壓擊穿的情況會大幅減少，防護的重點是針對過激勵或過載造成漏極功率突變導致電壓擊穿的情況。
實用新型內容
[0009]本實用新型的目的是克服現有技術中的不足，提供一種針對數位電視廣播標準，尤其是中國地面數位電視廣播標準的保護效果好，不易誤觸發的用於數位電視功率放大器的功率過衝保護電路。
[0010]本實用新型的目的是通過以下技術方案實現的。這種用於數位電視功率放大器的功率過衝保護電路，包括功率檢測電路和上衝檢測電路；功率檢測電路的時間常數通過外部分立器件可控，選擇時間常數，以保證能夠檢測出不同模式數位電視信號的功率上衝；所述上衝檢測電路包括具有高通特性的反相放大器、滯回比較器、參考電壓源和復位電路。具有高通特性的反相放大器利用高通網絡濾除功率檢測信號中的低頻分量，並通過鉗位二極體消除負向的功率變化，只將功率上衝量放大；所述滯回比較器，輸入信號是所述具有高通特性的反相放大器放大的輸出，當上衝量幅度超過門限後會觸發滯回比較器使其翻轉，給出過衝指示信號，並將狀態鎖定；通過所述復位電路可以將所述滯回比較器的輸出信號清除，實現復位功能；所述電壓參考源為所述具有高通特性的反相放大器和所述滯回比較器提供參考電壓。
[0011]作為優選:採用對數線性的平均功率檢波器實現所述功率檢測電路，通過改變外接於輸出端的濾波電容調整檢波時間常數。
[0012]作為優選:採用電壓線性的平均功率檢波器實現所述功率檢測電路，通過改變外接於輸出端的濾波電容調整檢波時間常數。
[0013]作為優選:採用Analog Device公司的AD8362檢波器實現所述功率檢測電路,通過改變外接於CLPF端的電容調整檢波時間常數。
[0014]作為優選:所述具有高通特性的反相放大器通過高低電平可以設定所述具有高通特性的反相放大器的增益，以適應不同模式的數位電視信號。
[0015]作為優選:所述具有高通特性的反相放大器，電容Cl的一端為輸入端，另一端與電阻Rl連接，Rl的另一端與運算放大器Ul的反相輸入端連接；電阻R2 —端與運算放大器Ul的輸出端連接，另一端與運算放大器的反相輸入端連接；鉗位二極體Dl的負極與電容Cl和電阻Rl連接端連接，正極與運算放大器Ul的同相輸入端連接；運算放大器的輸出端與電阻R3的一端連接，另一端與電阻R4相連，連接點為具有高通特性的反相放大器的輸出端；電阻R4的另一端與NPN型三極體Ql的集電極連接；Q1的基極為模式設定輸入端；Q1的發射機接地；參考電壓源與運算放大器Ul的同相輸入端連接。
[0016]作為優選:所述滯回比較器的輸入端為電阻R5的一端；電阻R5的另一端與運算放大器U2的反相輸入端連接；電阻R6的一端與所述參考電壓源連接，另一端與運算放大器U2的同相輸入端連接；電阻R7的一端與運算放大器U2的輸出端連接，該輸出端即是所述過衝指示信號的輸出端，另一端與U2的同相輸入端連接；NPN型三極體Q2的集電極與U2的同相輸入端連接，Q2發射極接地，Q2的基極與電阻R8的一端連接；電阻R8的另一端為復位信號的輸入端。
[0017]本實用新型的有益效果是:本實用新型的用於數位電視發射系統功率放大器的功率過衝保護電路，優化設計了功率檢測電路的時間常數，對信號幅度的隨機起伏起到平滑作用，同時保留了功率上衝的特徵，既可以避免數位電視信號偽隨機性造成的誤動作，又能實現功率上衝的檢測。另外，本實用新型提出的上衝沿檢測電路將RC高通網路與肖特基二極體結合，實現了針對功率上衝變化的有效檢測方法，電路簡單，穩定，實現成本低。本實用新型針對中國數位電視標準中不同幀頭模式信號特徵不同的特點，在上衝沿檢測電路中設計了可通過外部信號控制放大器增益的功能，使功率上衝保護電路能方便地適用於採用中國數位電視標準的發射系統功率放大器中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為CTTB數位電視信號幀功率變化示意圖；
[0019]圖2為本實用新型的原理示意框圖；
[0020]圖3為本實用新型實施例的電路原理圖；
[0021]圖4為本實用新型實施例中滯回比較器電壓門限示意圖；
[0022]圖5為本實用新型上衝檢測電路的模塊圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖和實施例對本實用新型做進一步描述。雖然本實用新型將結合較佳實施例進行描述，但應知道，並不表示本實用新型限制在所述實施例中。相反，本實用新型將涵蓋可包含在有附後權利要求書限定的本實用新型的範圍內的替換物、改進型和等同物。
[0024]本實用新型提出的功率過衝保護電路，如圖2所示，包括平均功率檢測電路21和上衝檢測電路22兩部分。
[0025]平均功率檢測電路的輸入信號23取自功率放大器的輸入端或輸出端的定向耦合器，分別用於激勵功率或負載反射功率的過衝檢測。平均功率檢測電路可以採用集成電路晶片，也可以採用分立元件實現。無論採用何種形式，電路中均包含圖2所示RO和CO組成的低通濾波網絡，作用於檢波器的輸出電壓，完成一定時間常數的平均作用。通過改變電阻RO和電容CO的取值，得到不同的時間常數τ d=RQCQ。電阻RO和電容CO可以是電路中獨立的原件，也可能部分包含於集成電路內部。本實用新型實施例中採用對數線性檢波率的平均功率檢測集成電路AD8362，等效電阻RO位於集成電路內部，組織約1.lk，需要外接電容CO實現平均濾波功能。本實施例中取CO為47nF，等效的時間常數為50us。在採用CTTB標準三種幀頭模式下，均可以檢測出持續時間大於等於200uS，幅度不低於+IdB的功率上衝。
[0026]功率檢測電路的輸出24為模擬低頻信號，輸入至上衝沿檢測電路22中。上衝沿檢測電路的輸出25給出過衝指示，為邏輯開關信號，當沒有功率上衝時，輸出為一固定狀態(如低電平)，檢測到一次上衝後輸出狀態翻轉(如低電平)並保持，通過「復位」埠 26可以將過衝指示復位。上衝沿檢測電路的模式選擇埠 27通過高低電平設定內部放大器的增益，以適應不同模式數位電視信號。
[0027]本實用新型實施例的上衝沿檢測電路如圖3，包括具有高通特性的反相放大器31、滯回比較器32和電壓參考源33。
[0028]具有高通特性的反相放大器31中，電容Cl與電阻Rl構成高通網絡，濾除輸入信號中的直流和低頻分量。電容Cl的一端311作為上衝沿檢測電路的總輸入，來自功率檢測電路的輸出；電容Cl的另一端與電阻Rl的一端連接於312點，電阻Rl的另一端與運算放大器Ul的反相輸入端連接。電阻R2 —端接運算放大器Ul的反相輸入端，另一端與Ul的輸出連接，構成負反饋。運算放大器的同相輸入端與參考源33連接。二極體Dl的正極與運算放大器的同相輸入端連接，負極與電容Cl和電阻Rl串連匯接點312連接。Dl具有單向導通作用，當311點輸入電壓上升時，312點電壓上升，高於二極體Dl正極電壓Vref，二極體截止，上升沿信號被反相放大器放大；當311點輸入電壓下降，導致312點電壓低於Vref-Vd (Vd為二極體結壓降)時，二極體導通並將312點電壓鉗位在Vref-Vd，選擇Vd很小的肖特基二極體，可以保證下降幅度超過Vd的負脈衝不會通過放大器放大。運算放大器的輸出端還與電阻R3的一端連接，電阻R3的另一端與電阻R4和電阻R5連接在313處，313作為具有高通特性的反相放大器輸出端。電阻R4的另一端與NPN型三極體Q2的集電極連接；Q2的發射集接地，Q2的基極為模式設定輸入埠 314。當模式選擇埠 314加高電平時，三極體Q2對地導通，電阻R4接地，與R3 —起對運算放大器Ul的輸出端分壓，導致313點的電壓低於Ul的輸出電壓；當模式選擇埠 314為低電平時，三極體Q2截止，運算放大器的輸出電壓等於313點電壓。通過控制314的電壓，可以得到不同的放大增益。對於CTTB標準中幀頭取420和945的情況，由於幀頭功率高，導致功率檢測得到的電壓正向紋波較大，與幀頭595模式相比，同樣幅度的功率上衝，420和945模式檢測到的電壓正向電壓值要高於595模式。因此，對於前420和945幀頭，要將模式選擇埠 314加高電平，降低放大器的增益；595模式要將314加低電平,獲得相對較大的增益。
[0029]在不考慮二極體的作用時，由射頻輸入311至運算放大器輸出的電壓傳遞函數為
[0030]
【權利要求】
1.一種用於數位電視功率放大器的功率過衝保護電路，其特徵在於:包括功率檢測電路和上衝檢測電路；功率檢測電路的時間常數通過外部分立器件可控，用於選擇時間常數，以保證能夠檢測出不同模式數位電視信號的功率上衝；所述上衝檢測電路包括具有高通特性的反相放大器、滯回比較器、參考電壓源和復位電路；具有高通特性的反相放大器利用高通網絡濾除功率檢測信號中的低頻分量，並通過鉗位二極體消除負向的功率變化，只將功率上衝量放大；所述滯回比較器，輸入信號是所述具有高通特性的反相放大器放大的輸出，當上衝量幅度超過門限後會觸發滯回比較器使其翻轉，給出過衝指示信號，並將狀態鎖定；通過所述復位電路可以將所述滯回比較器的輸出信號清除，實現復位功能；所述電壓參考源為所述具有高通特性的反相放大器和所述滯回比較器提供參考電壓。
2.根據權利要求1所述的用於數位電視功率放大器的功率過衝保護電路，其特徵在於:採用對數線性的平均功率檢波器實現所述功率檢測電路，通過改變外接於輸出端的濾波電容調整檢波時間常數。
3.根據權利要求1所述的用於數位電視功率放大器的功率過衝保護電路，其特徵在於:採用電壓線性的平均功率檢波器實現所述功率檢測電路，通過改變外接於輸出端的濾波電容調整檢波時間常數。
4.根據權利要求1所述的用於數位電視功率放大器的功率過衝保護電路，其特徵在於:採用Analog Device公司的AD8362檢波器實現所述功率檢測電路,通過改變外接於CLPF端的電容調整檢波時間常數。
5.根據權利要求1所述的用於數位電視功率放大器的功率過衝保護電路，其特徵在於:所述具有高通特性的反相放大器通過高低電平可以設定所述具有高通特性的反相放大器的增益，以適應不同模式的數位電視信號。
6.根據權利要求1所述的用於數位電視功率放大器的功率過衝保護電路，其特徵在於:所述具有高通特性的反相放大器，電容Cl的一端為輸入端，另一端與電阻Rl連接，Rl的另一端與運算放大器Ul的反相輸入端連接；電阻R2 —端與運算放大器Ul的輸出端連接，另一端與運算放大器的反相輸入端連接；鉗位二極體Dl的負極與電容Cl和電阻Rl連接端連接，正極與運算放大器Ul的同相輸入端連接；運算放大器的輸出端與電阻R3的一端連接，另一端與電阻R4相連，連接點為具有高通特性的反相放大器的輸出端；電阻R4的另一端與NPN型三極體Ql的集電極連接；Q1的基極為模式設定輸入端；Q1的發射機接地；參考電壓源與運算放大器Ul的同相輸入端連接。
7.根據權利要求1所述的用於數位電視功率放大器的功率過衝保護電路，其特徵在於:所述滯回比較器的輸入端為電阻R5的一端；電阻R5的另一端與運算放大器U2的反相輸入端連接；電阻R6的一端與所述參考電壓源連接，另一端與運算放大器U2的同相輸入端連接；電阻R7的一端與運算放大器U2的輸出端連接，該輸出端即是所述過衝指示信號的輸出端，另一端與U2的同相輸入端連接；NPN型三極體Q2的集電極與U2的同相輸入端連接，Q2發射極接地，Q2的基極與電阻R8的一端連接；電阻R8的另一端為復位信號的輸入端。
【文檔編號】H03F3/20GK203537324SQ201320352456
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年6月18日 優先權日:2013年6月18日
【發明者】劉寧, 靳會蕊, 張小龍, 黃傳彬 申請人:三維通信股份有限公司