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解决问题是一种重要的能力—功放烧毁分析

3月前浏览247

拿到一个问题该从何处着手?

功放击穿问题怎么定位?EMC过不了怎么搞?

功放烧毁怎么解决?很多人都能分析出一些原因

1.负载失配(高VSWR):

最常见的原因之一。天线开路、短路、严重失配(如VSWR > 3:1)。

当负载阻抗严重偏离功放设计的最佳负载阻抗时,输出功率无法有效辐射出去。

大量能量被反射回功放的输出端。

2.过驱动(输入过大):

输入信号功率超过功放设计允许的最大输入功率。

3.供电异常:

过压:电源电压瞬间飙升超过器件的最大额定电压(Vds_max, Vceo)。

过流:电源突发提供远超设计值的电流(可能由短路等故障引起)。

4.散热不足:

散热器设计不良(热阻过大)。

导热硅脂失效或涂抹不均匀。

风扇停转或风道堵塞。

5.自激振荡: 

功放电路设计或布局不当产生负阻,在某些频率点满足振荡条件。

6.器件制造缺陷或老化失效:

内部存在薄弱点(如微裂纹、键合不良、掺杂不均匀)。

长期使用导致的金属迁移、热疲劳等。

上面这些都是常见的原因和现象,但是有没有人去关注根本的原因是什么?在《模拟电路》的章节中有一节提到了放大器烧毁的根本原因。

功放(功率放大器)烧毁的根本原因可以归结为能量转换失衡与热失控导致的半导体结温超过物理极限。

    

功放的本质是将直流电源提供的能量转换成特定频率的射频信号能量。

这个转换过程永远不是100%高效的。耗散功率是必然存在的副产品:

P_diss = P_dc - P_rf_out

其中 P_dc 是电源输入的直流功率,P_rf_out 是输出的有用射频功率。

这些耗散掉的功率(P_diss)最终主要以热能 的形式在功放的半导体器件(晶体管)内部产生。

半导体材料的一个重要特性是其电导率(或载流子迁移率)通常随温度升高而降低 

当局部温度升高导致该区域导电性变差(电阻增大)时,根据 P = I^2 * R,在相同电流下,该区域的功耗会进一步增大 。

功耗增大又导致该区域温度继续升高 。

这就形成了一个正反馈循环 :温度↑ → 电阻↑ → 功耗↑ → 温度↑↑ → 电阻↑↑ → 功耗↑↑ → …

所以从根本上来讲,是热量超过了功放能承受的热量。所以解决这个问题也都是围绕这个去展开,比如说一个LNA各个环节(匹配、输入信号大小、供电)都没有问题,可还是烧毁了,就可以去从散热的角度出发考虑。

又比如说功放和天线的匹配,功放单测没有问题,天线单测也没有问题,但是还是出现了功放烧毁的问题。原因可能是瞬间的失配造成了热量的积累导致超过了功放能承受的耗散功率。

前期的评估极限温度就显出了重要性。

总结,射频从当下来说,集成度越来越高,可做的工作可能也越来越少,但是透过现象去解决问题并不是每个人都具备。


来源:射频通信链
疲劳电源电路半导体通信裂纹材料
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2025-08-15
最近编辑:3月前
匹诺曹
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功放与系统——解读功放手册

功放(Power Amplifier, PA)是无线通信系统中的核心组件之一,它的性能直接影响整个系统的效率、线性度和可靠性。在设计无线通信系统时,功放不仅仅是独立的器件,而是与系统的其他部分(如天线、滤波器、调制解调器等)紧密相关。1. 功放在系统中的作用功放的主要作用是将低功率信号放大到足够的功率水平,以驱动天线并实现远距离通信。LOSS=31.4+20logf(MHz)+20logd(km)在无线通信系统中,功放的作用可以概括为以下几点:信号放大:将调制器输出的低功率信号放大到所需的发射功率。阻抗匹配:确保功放与天线之间的阻抗匹配,以最大化功率传输效率。线性度保障:在放大信号的同时,尽量减少失真,确保信号的完整性。 效率优化:在满足性能要求的前提下,尽可能提高功放的效率,降低系统功耗。 2. 功放与系统的交互功放并不是独立工作的,它与系统的其他部分存在复杂的交互关系。(1)功放与天线 阻抗匹配:天线与功放之间的阻抗匹配是系统设计的关键。如果匹配不良,会导致反射功率增加,降低功放效率,甚至损坏功放。 负载失配:在实际应用中,天线可能会因为环境变化(如靠近金属物体)导致阻抗失配。功放的负载失配能力(如驻波比容忍度)直接影响系统的可靠性。 辐射效率:功放的输出功率和线性度直接影响天线的辐射效率。如果功放的非线性失真较大,可能会导致信号频谱扩展,干扰其他频段。 (2)功放与滤波器 谐波抑制:功放输出的信号通常包含谐波成分,这些谐波可能会干扰其他频段。滤波器的作用是抑制谐波,确保输出信号符合频谱规范。 带外噪声:功放的噪声性能会影响系统的接收灵敏度。滤波器可以抑制功放产生的带外噪声,提高系统的信噪比。 (3)功放与调制解调器 线性度要求:现代通信系统(如5G)使用复杂的调制方式(如QAM、OFDM),这些调制方式对功放的线性度要求极高。如果功放的线性度不足,会导致信号失真,降低系统的误码率性能。 动态范围:调制解调器输出的信号功率可能会动态变化,功放需要具备足够的动态范围来处理这些变化,同时保持高效率。 (4)功放与电源 电源效率:功放的效率直接影响系统的整体功耗。高效率功放可以降低电源的负担,延长电池寿命(在移动设备中)。 电源噪声:电源的噪声可能会通过功放耦合到射频信号中,影响系统的信噪比。因此,电源设计需要考虑噪声抑制。 功放手册是做功放设计的必备工具,那手册里面到底说了哪些东西呢?有哪些信息是没有解读到的呢?这是一个NXP的功放管 1.从首页大家都可以得到以下常规信息:输出功率7w,工作电压为7.5V,频率为:136-941MHz,大信号增益为:15dB,饱和效率为60%左右。除了这些还有什么?有个信息很容易被忽略,:负载失配我们可以看到表格里单列了这一项:在驻波比:65:1的时候,器件性能没有下降。这个信息很关键,这个关系到我们功放的可靠性,在功放开短路的时候器件会不会有损伤,功放是否要做开短路保护。 2.上图是功放的极限条件,结温计算公式:TJ=TA+RθJC*PD其中 TJ 为结温,TA 为环境温度,RθJC 为热阻(取自数据表),PD 为功耗 ,从上述表格中的数据我们可以得出以100MHz频段为例PD=7/0.69=10假如我们在高温条件下工作,75°C TJ = 75°C + (1.1C/W x 10W) = 86°C 《150°C,符合高低温条件。同时可以根据TJ计算散热器面积以及对热仿真计算。3.电容上表是功放的输入、输出和反向电容输入输出电容大家都知道,功放的输入输出电容大小与功放的工作频率反相关。我们重点讲一下CRSS-米勒电容 米勒电容会产生米勒效应,它就是一个电容的负反馈。在驱动前,Crss上是高电压,当驱动波形上升到阈值电压时,MOS管导通,d极电压急剧下降,通过Crss拉低g脚驱动电压,如果驱动功率不足,将在驱动波形的上升沿阈值电压附近留下一个阶梯;就是我们常说的功放爬坡过程中的平台效应,在设计收发切换时要考虑规避平台。可以通过调整馈电电阻改善问题。除了米勒效应,CRSS还决定了功放的VBW。VBW在线性系统里面是比较重要是一个指标,具体就是VBW起到了限制带宽的作用。VBW:用双音信号测试得到的交调开始急剧恶化时的双音间隔。在双音测试系统里面,定义当在工作频率点,输入双音信号,随着双音间隔的变大,当出现左右两边的IM3的幅度相差3dB的时候,此时,双音间隔就叫做VBW 解释:功放管在输出端有个CRSS的电容(内部匹配),在靠近输出的地方,由于要馈电,要等效引入一个扼交的电感,具体可以由微带或者是直接绕线电感等效,此时,对于整个系统,由于LC谐振,会在比较低的频率下产生一个谐振点,整个谐振点的频率就是VBW。 由功放的VBW产生的原因可以采取2个措施来改变VBW,具体就是Cds和L的值,但是Cds是功放内部的匹配改不了,我们只能改变L的值,例如,我们把L的值变小,就可以变大VBW,在实际中,比如我们本来是单电源馈电,我们改成双电源平衡馈电,可以减小L的值,因为2个电感并联就等效于L变小了,VBW就变大了。 4.功放匹配设计上图就是功放的匹配设计了,根据表格可以得到功放的输入输出阻抗,通过共轭匹配,对照手册的测试数据调整匹配设计。 来源:射频通信链

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