某大功率功放的热设计研究

广州海格通信集团股份有限公司 范 斌

某大功率功放的热设计研究

广州海格通信集团股份有限公司 范 斌

本文主要进行大功率功放的研究与设计，结合自己的实际工作针对热设计展开分析，首先在相应理论分析的基础上，对大功率功放的热设计进行分析，在分析的基础上展开仿真。通过仿真发现设计中存在的不合理方面，然后进一步优化，希望能够保证大功率功放热设计的科学性以及合理性。

大功率功放；热设计；仿真；优化

大功率功放设计主要是研究如何最大限度的将功率传递出去，减少多余热量的产生。研究功放热设计对于提升整机的工作效率，延长设备中元器件使用寿命都有重要意义。本文将主要从功放的散热设计和功放效率提升两个维度开展研究分析。

1.某大功率功放热结构设计分析

1.1 功放机箱组成及设计

在进行大功率功放机箱的设计优化中，对于各个模块进行了分析与总结，最终确定了以下几个模块，包括激励级、波导转换级和末级，另外还有电源模块，为了加强设备的检测，大功率功放中还设置了温度检测模块、检波模块以及监控模块等。

在某大功率功放机箱的设计中，不仅仅考虑了各模块的尺寸设计，还考虑各模块的接线设计。机箱一共分为供电区、主功能区以及通风散热区三层的组成模式，通过图中设计可以看出，在功放主功能区中各部分组成尺寸设计比较小，并且和其他两层相比较而言线缆连接关系最多，中间层的主要作用是考虑到通风散热作用，通过风机和散热器的引入来实现。下层供电区的选择和设计中主要考虑了供电安全性和可靠性，所以在设计中设计了2个电源模块。

1.2 散热优化

本设计中针对设计实际情况采用强风冷却的方案进行散热设计优化：（1）为减小末级放大模块和功率管之间的热阻，在设计中采用了铟箔；（2）为保证末级放大模块工作中产生的热量快速的扩散，在其底部焊接了4根压扁的热管，这样的设计还能够很好的减小热阻；（3）在机箱风机风量的设计中，也和以往的设计略有差别，在设计中根据热平衡方程进行优化设计；（4）对于整个大功率功放的散热器选择和设计中，还注意尺寸参数的设计，注意尺寸设计和散热要求相适应，另外还应该注重散热器设计尽可能的轻量化；（5）在设计中，不仅仅单独的按照理论展开分析与研究，还借助仿真的手段进行，通过仿真模拟对于设计展开进一步的优化，最终保证各项设计参数合理、科学，并且能够正常工作。

2.大功率功放功率提升与优化设计

2.1 大功率功放效率提升设计

本方案设计了一个通用的硬件平台，可以搭载不同的波形即支持多模，宽带，并在此基础上满足长的续航时间、小型化。那么就会带来几个问题，多模高峰均比信号对功率容量的需求以及恒包络信号对效率的需求的矛盾。以及超宽带下功率容量不平坦以及效率不平坦的矛盾。上述的这些问题都对功放的通用性与小型化带来挑战。为了解决这些问题，同时考虑手持机体积的限制，综合上述的功放相关技术，在此次方案中拟采用GaN功放管结合工作点自适应与回退法结合的方式来满足小型化、低功耗的需求。功放的核心部分有三块：功放链路、多段谐波滤波器、工作点自适应模块。

根据功放模块以及功放管的特征对这三个模块进行指标分解。其中设计优化指标情况如表1、表2、表3所示。

2.2 大功率功放容量与效率仿真

整体方案而言需要着重关注末级功放管在整个频段范围内结合工作点自适应技术后其是否能够满足线性与效率的要求。以下将着重对该部分关键内容进行论证。效率仿真如图1所示。

表1 功放链路指标

表2 谐波滤波器

图1 仿真结果图

表3 工作点自适应模块

30MHz仿真结果如图（a）所示，从图上可知在16V供电时，其功率容量大于40dBm，功放管效率为60.8%。100MHz在漏压15V时，仿真结果如图（b）所示，从图中可以知道其功率容量接近40dBm，效率为61.7%。200MHz在漏压15V时，仿真结果如图（c）所示，从图中可以知道其功率容量接近40dBm，效率为60%。300MHz在漏压15V时，仿真结果如图（d）所示，从图中可以知道其功率容量接近40dBm，效率为57.3%。400MHz在漏压15V时，仿真结果如图（e）所示，从图中可以知道其功率容量接近40dBm，效率为58.3%。512MHz在漏压15V时，仿真结果如图所示，从图中可以知道其功率容量大于39dBm，效率为55%。发射时信道控制与信道功耗为6W，推动级功耗为2W，则最差点512MHz的效率为55%@39dBm。则此时末级功放管的功耗为8W/0.55=14.55W,整体发射功耗则为14.55W+6W+2W=22.55W，小于整机要求的30W，此时整机效率为22.2%。

2W时则着重论证其在最薄弱的点512MHz时的效率，由于输出功率变小，此时工作点自适应需要调整漏压到9V，其仿真结果如图2所示：

图2 5 1 2 MH z 2 W效率与功率仿真

表4 整机功率与功耗

从图2上可以看出此时效率有58.4%。此时功放管输出有3W，则对应末级功放管功耗为5.13W，此时推动级功耗2W，整机其他6W，则整体功耗为13.13W，满足整机20W的要求。针对功放末级的仿真结果以及结合相关模块的指标对整机的输出功率、效率、功耗总结如表4所示。

从表4数据可以说明使用GaN功放管结合工作点自适应技术，可以有效解决宽带功率容量平坦度的问题，同时可以在不同功率容量时均能获得高的功放效率。如果硬件平台需要支持高峰均比，如QPSK其峰均比为3dB，如果整机还是需要5W的平均功率，则此时峰值功率需要提高3dB到42dBm，则此时在512MHz时，通过工作点自适应技术将其漏压调整到20V，其功率容量则高于42dBm。并且考虑未来的扩展，可以通过工作点自适应技术调节更高的漏压以获得更高的功率容量或者支持更多的模式。

综上所述，采用本方案的GaN结合工作点自适应技术，可以有效的减小体积、降低功耗，并同时支持不同的模式，不同的功率等级，以及超宽带。

3.结论

对于大功率功放而言，不仅仅各个放大器对于其功能实现具有重要影响，对于其热设计和散热等方面的设计也具有重要的意义。本文主要结合自己的经验进行某大功率功放的研究与分析，提出热设计的必要性，并且进行了详细设计分析，在设计的基础上进行简要的仿真分析，在散热器方面进行一定的优化，希望散热效果更好，热设计更加科学。

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