CN112180337A - 功率管放大模块的故障检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率管放大模块的故障检测装置，包括：至少两个定向耦合器、至少两个检波器和控制保护电路，其中：两个定向耦合器，用于检测输入端和输出端的功率信号，分为输入、输出两个检波器，分别与两个定向耦合器连接，用于对输入的功率信号进行解调，得到功率调制信号，并输入控制保护电路；所述控制保护电路，用于在任一检波器输入的信号大于相应的门限值，或功率管漏极电压大于相应的门限值，控制功率管放大模块停止工作；用于控制栅极电压先于漏极电压施加于功率管。采用上述技术方案，针对模块或元器件级别进行雷达发射机发射组件的故障检测和保护；对模块或元器件的输入和输出进行同时检测，确保检测结果的准确度。

Description

功率管放大模块的故障检测装置

技术领域

本发明涉及电路检测领域，尤其涉及一种功率管放大模块的故障检测装置。

背景技术

随着科学技术的发展，雷达发射机的输出功率要求越来越大，工作频率越来越高；相应的发射组件功率也就需要越大，从而需要多路功率管合成的方式来实现其功率输出，这就使得在实际发射组件内存在有大量的电子元器件，一旦有任何一个元器件出现故障，都会导致发射组件出现故障，从而不能正常工作，为了解决故障人们一般会花费大量的时间来寻找和解决问题。

传统的发射组件的故障定位都只是组件级（组件通常可以由多个模块组成，每个模块通常用于实现单一功能），监测组件的电压、电流、输出功率及输出驻波等；这样导致组件内任何元器件损坏都不利于排查故障的原因，难以快速确定故障元器件并进行故障保护；另外，在进行检测时，也往往是只对组件的输入或输出进行检测，然而在输入或输出中的一项符合门限标准时，其对应的输出或输入也可能超出门限，其中的元器件或模块已经出现故障，但是没有被检测出来。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种功率管放大模块的故障检测装置，实现模块以及芯片级别的故障检测和保护，并且在输入端和输出端同时进行实时监测，可以保证检测结果的准确度。

技术方案：本发明提供一种功率管放大模块的故障检测装置，包括：至少两个定向耦合器、至少两个检波器和控制保护电路，其中：

两个定向耦合器，分别与功率管放大模块的输入端和输出端连接，用于检测输入端的功率信号和输出端的功率信号，并分别输入检波器；

两个检波器，分别与两个定向耦合器连接，用于对输入的功率信号进行解调，得到输入端的功率调制信号和输出端的功率调制信号，并输入控制保护电路；

所述控制保护电路，与功率管放大模块的控制端连接，分别与两个检波器连接，用于在任一检波器输入的信号大于相应的门限值，或功率管漏极电压大于相应的门限值，控制功率管放大模块停止工作；与功率管的漏极连接，用于调制漏极的电压脉冲信号；还与功率管的栅极连接，用于控制栅极电压先于漏极电压施加于功率管。

具体的，所述功率管放大模块与定向耦合器通过微带线连接，控制保护电路与功率管放大模块通过线缆连接，检波器与定向耦合器通过射频电缆连接，检波器输出口与控制保护电路通过线缆连接。

具体的，所述控制保护电路，包括：运放比较电路，用于将检波器输入的信号与预设的门限值进行比较；运放比较电路与两个检波器分别对应。

具体的，所述运放比较电路，包括：运算放大器、比较器、运算放大电阻、门限电阻，其中：

运算放大器，同相输入端与检波器的输出连接，反相输入端与运算放大电阻连接，输出端与比较器连接；

比较器，比较端与门限电阻连接，输出端输出故障信号；门限值取决于门限电阻的电阻值。

具体的，所述控制保护电路，包括时序保护电路，其中包括：XCM660芯片、第一调节电阻、第二调节电阻、XCM670芯片、分压电阻和霍尔传感器，其中：

所述XCM670芯片，Hs管脚和Ho管脚分别和分压电阻连接;

所述霍尔传感器，正IP管脚与功率管的漏极连接，负IP管脚与XCM670芯片的Vin管脚连接，Vcc管脚施加5V电压，Viout管脚输出的电压用于衡量功率管漏极电压是否过流；

所述XCM660芯片，Vin管脚和Vaux管脚施加5V电压，EN管脚与功率管的栅极连接，管脚TTL施加3.3V脉冲信号，管脚Ho与第一调节电阻连接，管脚Vdis与第二调节电阻连接，Vo管脚与XCM670芯片的TTL管脚连接，第一调节电阻的电阻值用于调节Vo管脚输出脉冲信号的上升沿，第二调节电阻的电阻值用于调节Vo管脚输出脉冲信号的下降沿；

所述XCM670芯片，Vd管脚输出调制的电压脉冲信号。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：针对模块或元器件级别进行雷达发射机发射组件的故障检测和保护；对模块或元器件的输入和输出进行同时检测，确保检测结果的准确度。

附图说明

图1为本发明提供的功率管放大模块的故障检测装置的结构示意图；

图2为本发明提供的运放比较电路的示意图；

图3为本发明提供的时序保护电路的示意图；

图4为本发明功率管漏极电压的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

参阅图1，其为本发明提供的功率管放大模块的故障检测装置的结构示意图。

本发明实施例中提供一种功率管放大模块的故障检测装置，包括：至少两个定向耦合器、至少两个检波器和控制保护电路，其中：

两个定向耦合器，分别与功率管放大模块的输入端和输出端连接，用于检测输入端的功率信号和输出端的功率信号，并分别输入检波器；

两个检波器，分别与两个定向耦合器连接，用于对输入的功率信号进行解调，得到输入端的功率调制信号和输出端的功率调制信号，并输入控制保护电路；

所述控制保护电路，与功率管放大模块的控制端连接，分别与两个检波器连接，用于在任一检波器输入的信号大于相应的门限值，或功率管漏极电压大于相应的门限值，控制功率管放大模块停止工作；与功率管的漏极连接，用于调制漏极的电压脉冲信号；还与功率管的栅极连接，用于控制栅极电压先于漏极电压施加于功率管。

在具体实施中，功率管放大模块可以是包含功率管的电路模组，可以用于输出功率的放大，应用于雷达发射机的发射组件之中。

在具体实施中，在功率管放大模块（功率管）的输入端和输出端，均设有定向耦合器（定向耦合器可以采用带状线形式，此类定向耦合器具有很强的空间抗干扰能力，以达到准确测量特定位置的功率，特定位置可以预先设置），其中输入端的定向耦合器主要是用于输入的激励信号（功率信号）的实时检测，防止过激励导致功率管的损坏，一旦发现过激励的情况，检波器得到的检波信号（功率调制信号）幅度会变大，超过控制保护电路设定的相应的门限值，控制保护电路可以关闭向功率管放大模块输出的TTL信号或使能信号，从而使得功率管放大模块停止工作，起到保护作用；同样功率管输出端的定向耦合器实时监测驻波情况，当驻波超过控制保护电路设定的相应的门限值后，控制保护电路控制功率管放大模块停止工作。输入端激励信号的门限值和输出端驻波的门限值，可以分别进行设置。

在具体实施中，控制保护电路还可以通过接入功率管漏极电压，检测漏极电压是否也超过相应的门限值，在超过的情况下，同样可以控制功率管放大模块停止工作；同时，通过同时接入功率管的漏极和栅极，基于时序控制，实现栅极电压先于漏极电压施加于功率管。

在具体实施中，本发明提出的故障检测装置，可以在模块或芯片级别进行雷达发射机发射组件的故障检测和保护，快速定位故障的发生是否是由功率管以及放大模组所引起，监测功率管（易损件，关重件）的工作状态，以达到实时监测组件的工作状态及预判可能损坏的时间；对模块或元器件的输入和输出进行同时地、实时地监测，可以确保检测结果的准确度。

本发明实施例中，所述功率管放大模块与定向耦合器通过微带线连接，控制保护电路与功率管放大模块通过线缆连接，检波器与定向耦合器通过射频电缆连接，检波器输出口与控制保护电路通过线缆连接。

参阅图2，其为为本发明提供的运放比较电路的示意图。

本发明实施例中，所述控制保护电路，包括：运放比较电路，用于将检波器输入的信号与预设的门限值进行比较；运放比较电路与两个检波器分别对应。

在具体实施中，运放比较电路与两个检波器分别对应，运放比较电路可以设置有两个，分别设置激励信号的门限值和驻波信号的门限值，分别与输入端的定向耦合器和输出端的定向耦合器连接。

本发明实施例中，所述运放比较电路，包括：运算放大器U4、比较器U5、运算放大电阻（图2中的R3和R4）、门限电阻（图2中的R7和R8），其中：

运算放大器，同相输入端（端口3）与检波器的输出连接，反相输入端（端口2）与运算放大电阻连接，输出端（端口1）与比较器（端口6）连接，端口4和端口5为供电端口；

比较器，比较端（端口7）与门限电阻连接，输出端（端口8）输出故障信号，端口9为供电端口；门限值取决于门限电阻的电阻值。

在具体实施中，检波器输入的检波信号（功率调制信号），通过运算放大器（U4芯片）进行放大，检波信号先经过二级管（图2中的D1，实现信号的输入输出隔离作用），再次经过电阻进行分压（图2中的R1和R2，用于控制输入的信号的动态范围，若输入的检波信号过大，将会导致运算放大器因输入过大而损坏，同时也起到了在一定放大倍数的情况下，区分输入信号的大小的作用），通过运算放大器的端口3输入；放大倍数通过运算放大电阻进行设计，放大倍数等于（1+R4/R3），运算放大电阻通过运算放大器的端口2接入，电容（图2中的C1）接入运算放大器的供电端口。检波信号经过放大后，由于检波信号为脉冲信号，此时通过电阻和电容（图2中的R5和C2）来进行积分（用于将脉冲信号变成接近直流信号，便于比较器（U5芯片）进行比较）；再次经过电阻（图2中的R6）进行限流，同时经电容（图2中的C3）进行滤波，最终将放大后的信号输入比较器（通过比较器的端口6输入），进行比较。通过设定比较器比较端口7外接的门限电阻（图2中的R7和R8）电阻值来设定相应的门限值，门限值为：5V×R8/(R7+R8),当检波信号输入值被放大超过该门限值后，则判断出现故障，可以上报信号给FPGA，FPGA芯片收到故障信号后，可以控制关闭图3中TTL信号的输入，从而起到保护功率管的作用。

参阅图3，其为本发明提供的时序保护电路的示意图。

本发明实施例中，所述控制保护电路，包括时序保护电路，其中包括：XCM660芯片、第一调节电阻、第二调节电阻、XCM670芯片、分压电阻和霍尔传感器，其中：

所述XCM670芯片，Hs管脚和Ho管脚分别和分压电阻连接，

所述霍尔传感器，正IP管脚与功率管的漏极连接，负IP管脚与XCM670芯片的Vin管脚连接，Vcc管脚施加5V电压，Viout管脚输出的电压用于衡量功率管漏极电压是否过限；

所述XCM660芯片（U1芯片），Vin管脚和Vaux管脚施加5V电压，EN管脚与功率管的栅极连接，管脚TTL施加3.3V脉冲信号，管脚Ho与第一调节电阻连接，管脚Vdis与第二调节电阻连接，Vo管脚与XCM670芯片（U2芯片）的TTL管脚连接，第一调节电阻的电阻值用于调节Vo管脚输出脉冲信号的上升沿，第二调节电阻的电阻值用于调节Vo管脚输出脉冲信号的下降沿；

所述XCM670芯片（U2芯片），Vd管脚输出调制的电压脉冲信号。

在具体实施中，功率管的时序保护功能时，选择了具有过压、过流保护功能的芯片（XCM660、XCM670）作为主要的芯片，即实现开关特性，又具限压及过流保护功能，能很好的满足功率管的实时监测功能。

在具体实施中，国产芯片XCM670（U2芯片）HS管脚可以提供过压保护功能，通过分压电阻（图3中的R3和R4）设置其过压的门限值（实际应用中设定此值可以通过测试每只功率管实际工作时的尖峰电压进行确定，如图4所示，未工作时功率管的漏极电压理想状态为标准脉冲波，实际功率管工作过程中该波形，会出现上升沿过冲和下降沿过冲现象，所以设置门限值时需要考虑上升沿过冲的幅值，避免在实际使用过程中会出现误报的现象）。霍尔传感器（芯片U3，ACS724LLCTR），主要实现过流保护功能，48V（功率管漏极电压）加入传感器正IP管脚（IP+），并经过负IP管脚（IP-）输出至芯片XCM670（U2芯片）的Vin管脚；霍尔传感器的Vcc管脚加入5V电压后，可通过测量Viout管脚的电压来衡量整个电路的工作电流，Viout管脚输出的电压和工作电流关系为：13.3mV/A,在设定相应的门限值后，当电流超过该门限值后，控制保护电路会关闭TTL输出（芯片XCM660的TTL管脚），从而起到功率管的保护功能；实际工作中电流的门限值设置可以通过严格测试每只功率管在最高工作比、最大的工作脉宽情况下的电流值进行确定。

在具体实施中，国产芯片XCM660（U1芯片），是一款中高压型调制开关驱动模块，采用 19.6mm x 10.0mm x 2.9mm 超薄型 BGA 封装。主要功能是将输入TTL信号转换为高压调制信号输出，用于驱动外置的NMOS（U2芯片），并且该模块还具有NMOS关断后快速泄放后级功放漏极电压的功能。为了提高系统的可靠性，芯片还具有负压掉电检测并关断输出的功能，可以为芯片XCM670（U2芯片）提供具有驱动能力的TTL信号。外部电源给芯片XCM670（U2芯片）的Vin管脚及Vaux管脚提供5V供电，并通过电容 (图3中的C1，4.7Uf电容)对地进行滤波；同时给TTL管脚供电3.3V脉冲信号、EN管脚供电-5V电压（与功率管的栅极连接），Vo管脚输出具有1A电流左右驱动能力的5V脉冲电压；管脚Ho通过第一调节电阻（图3中的R1）的电阻值用以实现调节Vo管脚输出脉冲信号的上升沿；管脚Vdis通过第二调节电阻（图3中的R2）的电阻值用以实现调节Vo管脚输出脉冲信号的下降沿。

在具体实施中，U1芯片输入至U2芯片的TTL信号，加入U2芯片的TTL管脚，芯片U3的负IP管脚（IP-）输出的48V电压加入U2芯片Vin管脚后，由U2芯片调制成48V电压脉冲信号，并通过Vd管脚输出，作为功率管漏极电压脉冲信号；U1芯片和U2芯片的EN管脚分别接入功率管的栅极-5V电压，在-5V电压施加入U2芯片后，U2芯片才通过Vd管脚输出电压脉冲信号，达到控制栅极电压先于漏极电压施加于功率管，实现功率管的时序保护功能。

在具体实施中，U2芯片（芯片XCM670）是一款大功率中高压型调制开关模块，其采用10.0mm x 10.0mm x 3.0mm 超薄型LGA封装。该模块内置了导通阻抗极小的N沟道MOSFET，有助于减小系统的损耗，提高工作的可靠性。该模块内置的MOSFET可以快速响应外部的TTL调制信号，实现输出电压的快速上升与下降。模块内置了泄放电路，可以加快输出电压的下降沿。为了提高系统的可靠性，模块还具有负压掉电检测并关断输出的功能。

Claims (5)

1.一种功率管放大模块的故障检测装置，其特征在于，包括：至少两个定向耦合器、至少两个检波器和控制保护电路，其中：

两个定向耦合器，分别与功率管放大模块的输入端和输出端连接，用于检测输入端的功率信号和输出端的功率信号，并分别输入检波器；

两个检波器，分别与两个定向耦合器连接，用于对输入的功率信号进行解调，得到输入端的功率调制信号和输出端的功率调制信号，并输入控制保护电路；

所述控制保护电路，与功率管放大模块的控制端连接，分别与两个检波器连接，用于在任一检波器输入的信号大于相应的门限值，或功率管漏极电压大于相应的门限值，控制功率管放大模块停止工作；与功率管的漏极连接，用于调制漏极的电压脉冲信号；还与功率管的栅极连接，用于控制栅极电压先于漏极电压施加于功率管。

2.根据权利要求1所述的功率管放大模块的故障检测装置，其特征在于，所述功率管放大模块与定向耦合器通过微带线连接，控制保护电路与功率管放大模块通过线缆连接，检波器与定向耦合器通过射频电缆连接，检波器输出口与控制保护电路通过线缆连接。

3.根据权利要求1所述的功率管放大模块的故障检测装置，其特征在于，所述控制保护电路，包括：运放比较电路，用于将检波器输入的信号与预设的门限值进行比较；运放比较电路与两个检波器分别对应。

4.根据权利要求3所述的功率管放大模块的故障检测装置，其特征在于，所述运放比较电路，包括：运算放大器、比较器、运算放大电阻、门限电阻，其中：

运算放大器，同相输入端与检波器的输出连接，反相输入端与运算放大电阻连接，输出端与比较器连接；

比较器，比较端与门限电阻连接，输出端输出故障信号；门限值取决于门限电阻的电阻值。

5.根据权利要求1所述的功率管放大模块的故障检测装置，其特征在于，所述控制保护电路，包括时序保护电路，其中包括：XCM660芯片、第一调节电阻、第二调节电阻、XCM670芯片、分压电阻和霍尔传感器，其中：

所述XCM670芯片，Hs管脚和Ho管脚分别和分压电阻连接;

所述霍尔传感器，正IP管脚与功率管的漏极连接，负IP管脚与XCM670芯片的Vin管脚连接，Vcc管脚施加5V电压，Viout管脚输出的电压用于衡量功率管漏极电压是否过流；

所述XCM660芯片，Vin管脚和Vaux管脚施加5V电压，EN管脚与功率管的栅极连接，管脚TTL施加3.3V脉冲信号，管脚Ho与第一调节电阻连接，管脚Vdis与第二调节电阻连接，Vo管脚与XCM670芯片的TTL管脚连接，第一调节电阻的电阻值用于调节Vo管脚输出脉冲信号的上升沿，第二调节电阻的电阻值用于调节Vo管脚输出脉冲信号的下降沿；

所述XCM670芯片，Vd管脚输出调制的电压脉冲信号。

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