支持热插拔的固体功率放大器模块设计

李 楠

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄 050081）

在固态功率放大器的设计中，设备的可靠性是非常关键的指标，同时有些应用场合还对设备在线维修、不间断工作提出了要求。

本文针对C 波段千瓦级固态功率放大器的使用环境需求，设计了一种支持热插拔的固态功率放大器模块。当单个模块发生故障时，可在设备不断电的情况下更换故障模块。

功放模块采用两级放大器级联的方式实现，提供17dB 左右的增益，具有完整的输入输出功率检测、驻波检测、电压电流检测、故障保护、支持热插拔及遥控功能。通过485总线与监控单元通信。

1 增益链路设计

增益链路分为两级，推动级放大器增益9dB，推动级放大器的输出经过3dB 定向耦合器分路后分别送至两个末级放大器，末级放大器增益9dB，最后合路后得到52.6dBm 的输出信号。

推动级放大器选用中电十三所的GaN 内匹配功率模块，基于全国产化材料及工艺的GaN 器件制备，采用先进的平面内匹配合成技术和成熟的薄膜混合集成工艺，频率可覆盖4.4～5.0GHz波段，适应各种脉冲/连续波工作条件，满足电子对抗、卫星通信、遥测遥控等高性能射频/微波系统的宽带、高功率、高效率及温度等环境适应性要求。饱和输出功率45.3dBm，功率增益大于10dB，附加效率大于55%。漏源供电电压28V。

末级放大器同样选用中电十三所的GaN 功率模块，饱和输出功率50.5dBm，功率增益大于10dB，附加效率大于50%。

2 平面功率分配合成网络设计

功放模块要求输出功率达到160W。现有的GaN 功率器件最大的输出功率为100W。为了得到160W 的输出功率，需要将两只100W 的功放管进行功率合成。传统的平面功率一分二合成网络有Wilkinson 功分器、分支线耦合器、Lange 耦合器等。考虑到输出功率达到160W，如果使用Wilkinson 功分器，当两路输出不平衡或反射功率过大时并联电阻上需要承受很大功率，需要并联电阻能需要承受很大功率，别且有良好的散热手段，常用的电阻很难满足要求，选用新工艺的合金电阻可以满足要求但是成本太高，而Lange 耦合器调试较困难，所以选择的分支线耦合器作为功放模块的功率分配合成网络。

首先在ADS 中建立分支线耦合器的仿真分析模型，通过对参数的优化，设计出符合要求的耦合器。通过优化在4.4G～5GHz的工作频段内分路端口隔离度大于18dB，幅度不平衡度＜0.2dB。满足设计要求。

3 热插拔电源管理电路设计

当功放模块插入背板时，背板及电源已处于稳态工作状态，所有电容均被充满电，功放模块不带电，模块电路板上的电容没有电荷，故当模块与背板接触时，由于板上的电容的充电将从电源吸入大量的瞬态电流。较大的电流会导致连接器、电路元件、电路板金属连线等部件损坏，也可能使背板电源出现瞬时跌落，从而导致系统复位。为了避免瞬态大电流对设备造成的损伤，功放模块中采用热插拔管理芯片进行电源的管理。

热插拔管理芯片通过控制一个外部MOSFET 来限制浪涌电流。通过检测检测电阻上流过的电流，调整外部MOSFET 栅极电压，从而控制输入电流。同时管理芯片可在输出短路到接地或发生大型负载瞬变的情况下对电流做出限制。此外通过外部电路的设计将栅压保护、过温保护功能也通过热插拔管理芯片统一完成，增加了系统的可靠性。

热插拔管理芯片选用Linear 公司的LTC4260。LTC4260是一款具有I2C 兼容型监控功能的正高压热插拔控制器。它可以使可插拔模块安全地从工作中的电源背板上插上或拔下。浪涌电流的限制可通过控制外部N 沟道的MOSFET 的栅极电压来实现。同时如果输入电压出现过压或欠压时，开关管也会关断。当发生短路时，整个系统可以通过一个可编程的电子断路器来保护。另外该芯片还提供一个信号用于显示输入电源电压是否正常。

4 监控电路设计

为了保证功放模块安全稳定的工作，必须对功放模块的工作状态进行实时的检测，并提供相应的保护措施。

主要的检测量包括：工作电压电流、输入输出功率、反射功率、功放温度、栅源电压状态等。其中电源电压过欠压、功放过流、反射功率过大、功放过温、栅源电压故障时都要求及时切断功放电源，保护设备防止放大器损坏。同时再要对功放的状态通过指示灯进行指示。系统监控单元通过485接口与功放模块通信，完成对功放模块工作状态的检测和控制。

MUC 通过I2C 接口读取三个功率检测器的检测值，实时的对输入功率、输出功率和反射功率进行检测。当反射功率超过设定值是，通过控制热插拔管理芯片关断功放电源。同时通过比较器电路对栅源电源和参考电压进行比较，在栅源电源异常时通过热插拔管理芯片关断功放电源。

5 结束语

本文针对功放模块支持热插拔的需求进行了设计，对平面功率合成电路、热插拔电源管理电路及监控电路的设计进行了详细的描述。设计出了支持热插拔的功放模块，满足了系统对可靠性及在线维护功能的需求。