多通道D类功放水声发射机的研究

尹凯华，郭小俊

(上海船舶运输科学研究所 舰船自动化分所，上海 200135)



多通道D类功放水声发射机的研究

尹凯华，郭小俊

(上海船舶运输科学研究所 舰船自动化分所，上海 200135)

D类功率放大器具有体积小、效率高等优点，被广泛应用于各种发射电路中。针对水声通信工程中使用D类功放的主动声呐的发射机在多路发射机同时工作时容易引起故障的问题，对发射机出现故障的原因进行分析，并通过功率管选择、功率管散热处理、功率驱动芯片选择、钳位二极管选择、消振电路参数选择及变压器绕制工艺改进等手段优化电路性能。通过上述改进措施，可使声呐系统稳定性和可靠性大幅提高。

D类功放；多通道发射机；脉冲尖刺；载波；包络

0　引　言

主动声呐是水声通信工程中使用频率很高的一种设备，发射机是其重要组成部分。发射机按照工作原理可分为A类、B类、AB类和D类等，其中:A类功率放大器(以下简称“功放”)具有良好的线性特性，但效率太低(在50%以下)；B类推挽功放在放大小信号时会产生交越失真现象，且功率转换效率低(在70%以下)。因此，声呐发射机设计很少使用A类和B类功放。AB类功放很好地解决了交越失真现象，且线性特性较好、转换效率比B类稍低，常被使用在声呐发射机中[1]；而D类功放具有体积小、功率转换效率高(理论上是100%，典型值能达到85%以上)[2]、工作频带宽、抗干扰能力强等优点，被广泛应用于声呐工程中，尤其是反蛙人声呐系统中。多通道发射机同时工作时能提高发射总功率，使发射换能器的总灵敏度提高、指向性指数增大，从而使得声呐的声源级得到提高，进而使探测距离更远、范围更广。

1　D类功放水声发射机工作原理

D类功放发射机的工作原理见图1，其由发射驱动、光耦隔离、逻辑保护、功率驱动与放大、升压变压器、匹配网络及发射换能器等部分组成[3]。

图1　D类功放发射机工作原理

(1) 发射驱动信号为互为差分的单正极性方波信号；

(2) 光耦隔离实现驱动信号从数字端到模拟端的传递；

(3) 逻辑保护主要防止驱动信号出现非差分或频移等逻辑错误；

(4) 功率驱动一般使用集成驱动芯片驱动电路，要求开关时间短、驱动能力强；

(5) 功率放大一般使用大功率管将驱动信号放大，由变压器初级的耦合关系可知功率管漏源电压VDS能放大到高压电源的2倍；

(6) 由于发射的瞬间功率很大，一般的开关电源并不能满足大功率输出，因此采用储能电容的供电形式，根据发射功率与脉宽的大小、功放电路的功率转换效率、允许承受的最大高压压降，可计算出储能电容的最小允许值；

(7) 驱动信号经过功率放大后加载到带中心抽头的1：1：n升压变压器的初级上，再耦合到次级，经过匹配网络后输出至发射换能器完成电声能量转换，向水中发射声波。

2　多通道发射机可靠性问题

多通道发射机同时工作时，在提高探测距离的同时，也带来了故障频繁发生的缺点，使得系统的可靠性大打折扣。故障具体表现为：易击穿发射机的功率管，使得功率管漏源短路、发射高压经变压器初级与地短路，导致发射机无法正常工作。产生该故障的直接原因是功率管漏源极在每个载波周期内均产生1个高脉冲的交越失真，会对功率管产生巨大伤害，甚至损坏。图2和图3分别为改进前单通道发射载波和发射包络，可看出载波内脉冲尖刺达到了190 V-0.6 μs，并伴随有较大的振荡。

图2　改进前单通道发射载波

图3　改进前单通道发射包络

在多通道发射机同时工作时，这种载波上叠加的脉冲尖刺幅度会更高、脉宽更大。图4为改进前多通道发射载波，可知载波内某一脉冲尖刺高达197 V-1 μs，并伴随有很大的振荡。在整个包络内甚至有载波出现更高、更宽的脉冲尖刺。图5为改进前多通道发射包络，脉冲尖刺达到204 V，这种失真会对发射机造成相当大的损害，一旦击穿功率管，会使高压与地短路，容易烧坏电路板，导致发射机无法正常工作，严重影响了系统的可靠性。

图4　改进前多通道发射载波

导致上述故障发生的根本原因相当复杂，影响因素众多，其中较为主要的原因是变压器初级在每个载波的上升和下降沿都有一次电流方向的反转，电流值约为10 A，此时初级线圈内产生很大的感应电动势，并将其带入到高压电源里；而多通道发射机是共用1个高压电源的，因此同时工作的发射机越多，高压电源上的脉冲尖刺就越多、越高，最终引入到发射载波内导致故障发生。图6和图7分别为单通道发射时的高压和多通道同时发射时的高压，可知：储能电容上的高压(60 V)在单通道发射时尖刺峰值达16 V；而多个通道同时发射时尖刺峰值达78 V。

3　提高多通道发射机可靠性的措施

3.1功率管的选择

图5　改进前多通道发射包络

图6　单通道发射时高压

3.2功率管散热处理

功率管的工作温度在正常工作温度范围内越低越好。因此对功率管作散热处理，加装散热片，并用风扇吹风散热。散热片用高性能导热硅胶粘贴，其导热率为K=3 W/(m℃)，安装时厚度约为D=0.1 mm，则其热阻为R=D/K=0.03 ℃/W;考虑实际安装散热片时表面不平整等因素,引入接触热阻，保守估计其总热阻为RΘCS=0.2 ℃/W。而从数据手册中可知本系统选用的功率管的热阻为RΘJA=40 ℃/W，节与外壳热阻为RΘJC=0.47 ℃/W。由“3.1”节可知，发射时功率管的漏极电流为ID=10 A,而发射驱动电压VGS=12 V。查功率管的数据手册可得功率管在25 ℃和175 ℃时漏极电流与漏源管压降曲线图(见图10)。

图7　多通道同时发射时高压

图8　原功率管安全工作区

图9　新功率管安全工作区

a) 25 ℃时曲线图

b) 175 ℃时曲线图

3.3功率驱动芯片的选择

由D类发射机的驱动特性可知，集成功率驱动芯片应选取双通道低端功率管驱动器;查看功率管的技术参数可知其栅电荷典型值为QG=60 nC，电路使用驱动电压为VGS=12 V，声呐工作频率为f=80 K，则所需驱动功率为Pdrive=2QGfVGS=115 mW。选择一款驱动芯片,其开关时间典型值为50 ns(远小于声呐工作频率对应的周期12.5 us)，驱动输出电流高达1.5 A，则在开关时间t=50 ns时，输出电流为I=QG/t=1.2 A<1.5 A;在驱动电压VGS=12 V时，最大驱动功率Pmax=18 W,远大于所需驱动功率，满足要求。

3.4钳位二极管的选择

由于钳位二极管能有效减缓电路中涌浪式电压变化对电路元件产生的冲击，因此在功率管漏源极间加装钳位二极管。图11为功率管钳位保护电路图,可知钳位二极管的使用能在一定层度上遏止载波上的脉冲尖刺。

3.5消振电路参数的选择

由第2节可知，发射机在工作时其发射载波内有较大振荡情况出现，因此在2个功率管的漏极之间加入消振电路(见图12)。实际测试中，增大消振电容C及减小消振电阻R可提升消振效果。但是,电阻R受功率的限制不能降得太小;C的容值不能取得过大，否则在发射的瞬间容易烧坏电阻R。电阻R上的平均功率可计算出来：

图11　功率管钳位保护电路图

图12　功率管漏极消振电路图

在发射的瞬间,2个功率管的漏极之间是互为反向单正极性的方波信号，因此可根据基本电路理论知识计算得到流过电阻R的稳态电流为周期函数。

(2)

3.6变压器绕制工艺的改进

变压器采用铁氧体高磁导率环形磁芯。

1) 改进前初级和次级均为单股线紧密缠绕，磁路的分布参数影响较大，导致初级1和初级2的发射载波不对称性较大。

2) 改进后初级采用双线平绕方式、紧密分组，次级采用分组紧密缠绕方法，以降低磁路分布参数的影响，提高初级对称性和初次级耦合效率。

4　改进后结果验证

采取上述一系列改进措施后，得到改进后单通道及多通道发射载波和包络(见图13～图16)，可知：单通道发射时载波无失真，基本无振荡，包络内最大尖刺为127 V；多通道发射时载波内脉冲尖刺达到135 V-0.1 μs，有轻微的振荡趋势，包络内最大尖刺为135 V。与改进前相比，改进后发射机的可靠性大幅提升。经实践验证，改进后多套声呐系统在使用过程中再无发射机损坏的故障出现。

图13　改进后单通道发射载波

图14　改进后单通道发射包络

图15　改进后多通道发射载波

图16　改进后多通道发射包络

5　结　语

发射机是主动声呐系统的重要组成部分，在保证其可靠性的基础上，进一步提升其性能是下一步需要做的工作。例如：进一步增大发射脉宽，使各帧发射能量更大，并保证电路的可靠性；同时，将匹配网络做得更好，实现发射源与负载换能器在宽带内的良好匹配，得到平坦的较宽的发射信号带宽。

[1]田坦，刘国枝，孙大军.声呐技术[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2000.

[2]张肃文.高频电子线路[M].4版.北京:高等教育出版社，2004.

[3]谢文轩.应答释放器发射机和水声通信发射机设计[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2009:4-6.

[4]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].3版.北京:高等教育出版社，2001.

Reliability of Multichannel D-Type Power Amplifier Transmitter for Hydro Acoustic Equipment and its Improvement

YIN Kaihua，GUO Xiaojun

(StateKeyLaboratoryofNavigationandSafetyTechnology，ShanghaiShip&ShippingResearchInstitute，Shanghai200135，China)

The D type power amplifier is usually used in various transmitters for its advantages, such as tiny size, high efficiency. The D type power amplifier is also a common design for the active sonar transmitter. However, when all the channels of a transmitter work together, one can find a high fault rate with the transmitter. This paper analyzes the causes of the faults and proposes the improvements of the circuit design, which make the sonar system much more reliable.

D type power amplifier; multichannel transmitter; spike pulse; carrier; envelope

2016-01-12

尹凯华(1985—)，男 ，江苏南通人，工程师，主要从事水声电子通信研究工作。

1674-5949(2016)01-054-08

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