3DX-50发射机功放模块原理与常见故障分析

2017-06-21张海标马冲江苏广播电视总台广播发射中心

视听界(广播电视技术) 2017年3期

张海标马冲江苏广播电视总台广播发射中心

张海标马冲江苏广播电视总台广播发射中心

江苏广播发射中心肩负着6套中波频率的播出任务，6套频率中有5套共10台发射机采用3DX-50发射机，每台发射机有62块功放模块。在发射机的日常运行中，功放模块是最容易损坏的部件，对功放模块的维护是保证发射机安全运行的重要工作。本文着重介绍功放模块的原理与常见故障，并对日常运行中出现的一次故障进行分析，以加深对功放模块的理解，从而提高处理故障的能力，提升发射机安全播出的保障能力。

功放模块故障分析维修实例

1. 引言

3DX系列发射机是美国（HARRIS）公司生产的比较成熟的机型，我台新建的发射中心有5套频率共10台发射机采用了3DX-50发射机，替代了以前的DX系列机器。3DX系列是数字直接驱动（digital direct drive），相对于以前DX机器，3DX的制造安装中大量采用了模块化插拔的方式，在便于维护、方便拆卸的同时，也容易产生各种潜在的问题。功放模块是日常运行中最易发生问题的部件，对功放模块的正常维护及维修在发射机安全运行中起着非常重要的作用。

2. 功放模块的工作原理

3DX-50功放模块位于发射机中间机柜的功放柜中。功放柜装有62个功放模块和4个二进制模块，还包含了4个调制编码器，2个二进制电源和2个功放电源。所有的功放模块和调制编码器通过插头插入安装于机柜后的8块功放母板上。功放柜里有两种不同的母板：顶部母板和底部母板，在功放柜中分左右两列安装。每块顶部母板安装8块功放模块，每块底部母板安装8块功放模块及1块二进制模块。每一块功放模块在功放母板及滤波板上都有两对输入输出接头。一对是功放模块的300V电源A、B输入，另外一对是功放模块的射频输出。

3DX-50发射机的功放模块采用的是电压型无源逆变技术，用八个场效应管Q1～Q8 并接成四对，八个二极管D1～D8 一一对应地反向并联在Q1～Q8 上，变压器初级线圈L连接在两侧，构成全桥逆变电路。

信号A、B 是两组相位相差180 度的载频频率开关信号，信号A 由载频正半周转化而来，信号B 由载频负半周转化而来。两者与工作信号通过门电路共同控制Q1～Q8 的导通、关闭，如同开关一样。D1～D8 在电路中起续流作用。功放模块原理图见图1。

图1 功放模块原理图

需要模块工作时，工作信号送出高电平，触发器D送出“1” 信号Q1～Q8 完全由A、B信号控制。在载波周期的正半周，使Q1/Q3、Q6/Q8 导通，Q2/ Q4、Q5/Q7 关断，将+V左正右负地加到变压器初级线圈 L上；在载波周期的负半周，使Q2/Q4、Q5/ Q7 导通，Q1/Q3、Q6/Q8 关断，将+V左负右正地加到变压器初级线圈L上。这样功放模块输出一个载频方波电压到变压器初级线圈L 上（L 串联一个电容避免直流电压通地）。变压器初级线圈L属于感性负荷，使得功放模块工作时电流变化滞后于电压，反向并联在Q1～Q8 上的D1～D8，起续流作用，防止电压变化时变压器初级上的反电动势反向击穿Q1～Q8。

在模块工作时，同侧上下两对场效应管在信号A、B 控制下轮流导通，若A、B 的高电平有交迭情况，则同侧两对场效应管同时导通，导致直流电压+V 对地短路。所以，载频开关信号A、B 需要经过空载时间发生器处理，它们高电平之间有空载时间，空载时间内A、B 均为低电平，使Q1～Q8 都关闭。如果空载时间少于最低的40ns，会发生功放故障，同时会关闭模块并且把模块故障信号发送到调制编码器。

3. 功放模块常见故障分析及维修

3.1 功放模块常见故障

当功放模块出现故障时，首先需要判断是功放自身的故障还是功放板所处位置造成的故障。

（1）功放模块持续损坏

任何形式持续或重复的故障表明RF功放或发射机此位置出现问题。当故障发生后，通常的检修方法是将修好的功放置于正常工作的台阶，同时将正常运行的功放置于故障发生处。此方法能很快判断出是功放自身的故障还是功放板所处位置造成的故障。

（2）任一位置同一功放模块重复损坏

晶体管垫片有缺陷：破损的MOSFET管绝缘垫片会使晶体管短路。检查垫片中是否有硬碎片或者散热片上是否有毛刺和污渍。

ON/OFF线路缺陷：检查RF功放板上所有低压线路是否有缺陷部分。假如一侧有问题，就集中检查此侧。假如未发现有问题，则去掉保险丝后检查桥驱动的相位调整是否有问题。

印刷电路板上的虚焊：检查所有焊接点是否有虚焊，尤其是桥线路上的焊接点。

（3）同一位置上持续损坏功放板

错误的RF桥驱动:桥驱动的相位与其它模块的驱动相位必须是同相的。造成不正确的桥驱动相位的原因为RF功放晶体管有缺陷或者母板连接有问题。

错误的漏极相位:和一个模块与其他模块的RF桥驱动相位差必须在几度内一样，RF功放MOSFET管漏极开关的相位也必须同相。即使RF驱动是正确的，其它原因也会造成漏极相位不同步。造成错误漏极相位的原因有，连接不紧、RF功放错误效率线圈的接入、损坏的MOSFET管、RF功放输出磁环线圈有缺陷。由于相位问题造成损坏的功放板在损坏前仍可运行很短的时间，在这种情况下，这个模块会比其它的模块热。这就是模块不同相的很好的提示。

输出磁环线圈缺陷:每个RF功放的输出磁环线圈是将RF输出耦合到功率合成器上的。假如磁环有缺陷，功放不能有效运行会导致损坏。应检查磁环是否有裂缝或者是否有电弧产生的痕迹。有些检查能通过合成器罩的小窗口进行，但要进一步的检查必须将合成器罩卸下。

3.2 功放模块常见维修方法

MOSFET管与保险丝是功放模块中最容易损坏的元件，有故障的功放模块要经常对这两个元件进行检测与更换。（1）测试MOSFET管：检查MOSFET管时要用电池电压为3V到18V之间的欧姆表，测试能显示MOSFET管怎样通过其栅极的充放电实现MOSFET管的开关。将晶体管面向上置于绝缘表面。将欧姆表的正极与晶体管漏极（中间极）相连，欧姆表负极与其源极（右极）相连，接触跳线从栅极（左极）到源极开启MOSFET管，然后从栅极到漏极关闭MOSFET管。当MOSFET管关闭时，欧姆表读数为无穷大（至少在2MΩ）；当MOSFET管开启时，欧姆表读数应小于90KΩ。在测试时不能用手接触管脚。

在维修功放板时，即使只有一只或两只MOSFET管被击穿，仍建议更换模块损坏一侧的所有MOSFET管。当重新接通电源时，剩下的MOSFET管可能被击穿，功放板两侧的保险丝互不干扰。如果新更换的MOSFET管未起作用，经测试后未损坏的MOSFET管可作为备用件换上。

更换MOSFET管:检查晶体管的垫片，当晶体管从散热片卸下时可能被损坏，更换已损垫片。更换MOSFET管中间管脚的磁环。将晶体管插入板子，到MOSFET管与散热片连接的螺丝就位时方可紧固。将MOSFET管与散热片紧固，拧紧晶体管与散热片和板子连接的螺丝。

（2）测试并更换保险丝: 用欧姆表判断保险丝的好坏，然后根据型号表中的型号更换。

图2 功放模块实物图

4. 功放模块故障及维修实例

某次正常停机维护发射机后，在开机试机时，听见一声剧烈的爆破声，同时发射机自动关机。初步判断是发射机中有零部件短路被损坏，最有可能的是功放模块。断电、打开发射机功放柜后，闻到了一种元器件被烧的糊味，一个个逐步排查，最终发现是位于底部左侧的一个功放模块损坏。拆下该模块后，发现有烧毁的痕迹，仔细检查功放模块，发现MOSFET管和保险丝都已经损坏，印刷电路板背面的金手指到保险丝的线路已经烧断，造成了此功放模块的彻底损坏，如图3所示。

图3 被损坏的功放模块背面

然后打开功放柜后面的柜门，发现功放柜后面两侧的保险丝板有4个保险丝被熔断，拆开查看滤波板与功放母板，发现有少量拉弧的痕迹，对于造成这类情况的原因，分析功放模块故障的电路图如图4所示。

图4 功放模块部分电路图

图4显示功放模块母板送过来的300v电压，通过金手指在上面的电路并没有放电短路通道，然而却造成了功放模块的印刷电路板烧毁，以及保险丝和MOSFET管的损坏。根据经验分析，这是由于金手指的接头接触不良，从而引起合成变压器初级的感应电压没有放电回路而拉弧，从而导致功放模块发生烧毁。由于发射机接头、接点经常出现氧化现象，极容易出现接触不良的情况。根据电路原理分析，合成变压器初级线圈在功放模块的放电回路中断，从合成变压器的次级感应的电压，由于得不到及时的泄放，而产生很高的感应电压。在100%幅度调制的情况下，开通模块数为48块，其感应电压更高达48U，在如此高电压之下，就容易出现功放母板及滤波板的电路板拉弧，造成功放模块的损坏。