|
Proč výkonové 23cm mikropáskové PA radioamatérům obvykle vyhoří?
Úvodem bych chtěl říci, že to platí nejenom pro 23cm PA, ale pro
všechny polovodičové výkonové zesilovačů třídy 200W a více. Ovšem na 13cm jich
mezi radioamatéry není zase tolik a na 70cm se mikropáskové obvody tolik
nepoužívají. Nu a protože jsme již
podruhé byli obětí tohoto vzplanutí i my (klub OK2KKW) zkoušel jsem se tomu trochu
„dostat na kloub“. Chtěl bych zdůraznit, že tento druh poruchy nesouvisí s chlazením
výkonových prvků zesilovače!
Na internetu najdete téměř všechny moudrosti (i nemoudrosti) světa a tak jsem pochopitelně začal tam. Během své
krátké dovolené jsem toho přečetl dost a je škoda, že některé publikace si je
nutno koupit, aby je člověk mohl přečíst. Jenomže takový už je svět.
Vzal jsem tedy celou věc méně
vědecky a podíval jsem se na vyhořelé PA zcela pragmaticky:
Na základě rozboru fotek
vyhořelých PA bylo v podezření již od počátku několik faktorů:
-
mikropásky jsou příliš úzké a ohřejí se ztrátami
natolik, že prasknou (nebo povolí cín a součástka se odpájí), což má za následek
rozpojení obvodu, a to způsobí VF oblouk a ten spálí všechno v okolí.
-
SMD keramické kondenzátory jsou příliš malé a
pokud mají navíc malou kapacitu a rozměry, může dojít k zapálení VF
oblouku přes SMD kondenzátor (hlavně u přizpůsobovacích kondenzátorů v kolektorech výkonových
tranzistorů), kde je na jedné straně kondenzátoru tvrdé napájecí napětí a na
druhé straně galvanická zem. Pokud právě tam dojde k zapálení VF oblouku,
jde to již rychle a destrukce je výrazná.
-
nedostatečné chlazení mikropáskových obvodů a
jejich součástek. Nějaké ztráty má použitý laminát (siločáry elektrického pole
se z mikropásku uzavírají skrz laminát plošného spoje k zemi), ztráty
mají i kondenzátory zařazené v přizpůsobovacím obvodu. Mikropáskový plošný
spoj tedy musí ležet (být přilepen elektricky i teplotně vodivým lepidlem) na
chladicí podložce, aby se vznikající teplo mohlo odvádět (anebo na něm umístěné
součástky musí být ofukovány)
-
design mikropáskového plošného spoje je
nepovedený a vznikají na něm riziková místa – vodivá cestička k zemi může
být moc dlouhá, v místech, kde je výstup tranzistoru připájen do desky plošného spoje (a kde je impedance
jednotek ohmů) není zemní vrstva mikropáskového spoje dostatečně připojena
k zemi na úrovni velmi nízké impedance a vznikají tam ztráty. Dochází
k tomu i na výstupu PA a konstruktéři jistě vědí, že uzemňovací šroubek
mikropáskové desky musí být co nejblíže u výstupního konektoru.
Hlubším rozborem se však ukázalo,
že tyto indicie ve všech případech neobstojí a realita je (jako obvykle) trochu
jiná…
·
Všechno to, co je uvedeno výše, sice platí, ale
přistupuje k tomu navíc jedna podstatná věc:
o
rozkmit VF napětí na struktuře mikropáskových
obvodů není malý! Tak například při výkonu 500W na impedanci 50Ω je
proud, tekoucí páskem cca 3A a napětí asi 160V ef. Jenže pozor – pokud chceme
počítat elektrickou pevnost konstrukce, je nutné vzít špičkovou hodnotu napětí
a to v obou půlvlnách – tedy napětí špička – špička je cca 450V (!). Ejhle!
Pokud se podíváme na elektrickou pevnost kondenzátorů, laminátu a přeskokové
vzdálenosti, zjistíme, že takový mikropáskový obvod toho může mít „plné
kecky“…
o
moudré publikace uvádí, že elektrická pevnost
suchého vzduchu je cca 3kV/mm. Jenže vzduch nemusí být vždy suchý. Obecně se
z bezpečnostních důvodů uvádí, že k přeskoku dochází už při napětí
1kV na vzdálenost 1mm. A teď si vezměte do úvahy, že tlouštka laminátu plošného
spoje mikropáskového obvodu bývá okolo 0,7mm a VF napětí, se kterým pracujeme,
je 450Vpp. Na okraji plošného spoje je zemní plocha na spodní straně plošného
spoje dotažena až na okraj a pokud tomu tak je i u výstupního mikropásku (navíc
hrany Cu fólie jsou ostré) a na místo se vloudí nějaká nečistota, zahoří tam VF
výboj, dojde k zuhelnatění nečistoty – a „už to jede“… Není proto divu, že
tyto PA vyhoří obvykle na výstupu z mikropáskového obvodu (u výstupního
konektoru).
o
Proto není překvapením, že PA pro provoz
telekomunikačních zařízení se s využitím mikropáskových struktur dělají
jen do výkonu cca 100W a jen zcela výjimečně do 150W. Ovšem pozor (!) Tato zkušenost reálného světa neplatí tehdy,
pokud součástí mikropáskových obvodů jsou nějaké rezonanční obvody, kde se
výkonové zatížení mikropásku vyskytuje na vyšší impedanci – může jít o
odlaďovače harmonických kmitočtů, dolní propusti na výstupu zesilovače a
podobně. U normálního polovodičového zesilovače se výstupní výkon
z polovodičového prvku impedančně transformuje z úrovně jednotek ohmů
na impedanci (obvykle) 50Ω a ne výše. To je podstatné, protože
v obvodu nevzniká vyšší rozkmit napětí, který by mohl prorazit laminát
plošného spoje, či způsobit přeskok k nejbližší uzemněné části. To ovšem
neplatí u rezonančních obvodů! Proto se
takové mikropáskové obvody používají jen do výkonu jednotek W.
o
Budete-li tedy chtít na jedné desce plošného
spoje vytvořit mikropáskovou strukturu pro větší výkony, doporučuji použít
silnější laminát s vyšší elektrickou pevností (a příslušnou dielektrickou
konstantou a zanedbatelnými ztrátami), nebo využít složenou (sandwich)
konstrukci, kdy pod (jednostranný) laminát vsunete například teflonovou desku.
Viz větší sdružovač na obrázku tady:
http://www.ok2kkw.com/00000104/hybrid_combiner/p1151344a.jpg
http://www.ok2kkw.com/00000104/hybrid_combiner/p1141340.jpg
Nicméně v předchozím odstavci uvedené
povídání o elektrické pevnosti konstrukce
nezmiňuje možnost vlivu vzniku koronového výboje. Ten má schopnost hořet
i při podstatně menším proudu a vytvářet prostředí pro vznik napěťového
průrazu. Viz
https://www.aldebaran.cz/studium/vyboje.pdf.
Dá se předpokládat, že takový koronový výboj často tiše hoří na ostrých hranách konce
mikropásku a i když jeho ztrátový výkon je malý, může způsobit postupnou
degradaci izolační pevnosti použitých materiálů a připravit tak situaci pro vznik
masivního výboje typu plazmatického proudového kanálu. Proto, pokud budete
chtít používat mikropáskovou strukturu pro opravdu spolehlivé polovodičové PA většího výkonu, máte
na výběr buď postupné slučování výkonů několika jednotek s výkonem do cca
150W s využitím sdružovačů bez použití mikropáskových obvodů, nebo bedlivě
dodržovat parametry použitých izolantů, omezit vlhkost chladicího vzduchu a
zvětšit vzdálenost mikropásku pod výkonem od nejbliších uzemněných struktur na
povrchu plošného spoje. Pokud si
napčíklad dosadíte čísla do kalkulátoru, uvedeného zde:
https://www.qorvo.com/design-hub/design-tools/interactive/pcb-trace-power-handling-calculator,
vyjde vám, že vzdálenost 50Ω mikropásku pod výkonem 500W od okolních
prvků by měla být cca 3mm, a to u radioamatérských
konstrukcí
nebývá splněno ani náhodou… A platí to pochopitelně i pro přechod
z mikropásku do výstupního konektoru!
A aby toho všeho nebylo dost, vrátíme se ještě
trochu k teorii oteplení mikropásku a na něm umístěných součástek. Základní
orientaci vám dá kalkulátor v předchozím odstavci. Je však třeba podotknout, že
podstatným parametrem je v tomto případě tlouštka měděné fólie plošného
spoje. Ta se
běžně vyrábí s hodnotami 17
a 30 mikronů. A ačkoli hloubka vniku vysokofrekvenční
energie, tekoucí mikropáskem je jen okolo 2 mikronů, konečná vodivost vrstvy
mikropásku, kterou se tato VF energie (v tomto případě je důležitý proud)
přenáší, vede k oteplení mikropásku. A pokud přenos energie trvá, pásek se
ohřívá stále více… Ochlazování mikropásku se děje za prvé vyzařováním (sáláním
tepla) a za druhé vedením tepla v celém objemu mikropásku, kdy teplo
z horkých částí proudí pryč do chladnějších částí mikropáskové struktury.
Hezky je tato situace vidět třeba na tomto obrázku:
poznámka:
všimněte si, že okraje mikropásků mají vždy vyšší teplotu, než střed pásku!
-
Přitom všem ovšem platí stará konstruktérská
zkušenost, že šířka pásku na plošném spoji v milimetrech by měla odpovídat
jeho zatížení v ampérech. Pokud připustíme
určitou míru chladicího efektu přes laminát plošného spoje do
podkladového chladiče, lze připustit zhruba 1,5A na milimetr šířky pásku. Pokud
se vrátíme k mikropásku 50Ω na laminátu s dielektrickou
konstantou cca 3,4 (Rogers 4003, nebo
4350) o tlouštce cca 0,75mm, vyjde nám šířka okolo 1,8mm, tedy lze tolerovat
průchod VF proudu okolo 2,7A. To představuje výkon necelých 400W a pokud si
uvědomíme, že „výkonové plnění“ radioamatérského provozu není nikdy 100%, tak
takový pásek vydrží i těch 500W (nejlépe, pokud je alespoň trochu ofukován).
-
Horší je to u součástek. Ty jsou pájeny cínovou
pájkou – obvykle s bodem tání cca 230°C – a pokud je budeme namáhat větším
proudem (jejich ztráty je ohřejí asi o 20°C/W), může dojít k povolení
cínové pájky a vzniku eletrického oblouku, který povede k destrukci
zesilovače. Proto v těchto výkonových obvodech používáme jen porcelánové „multilayer, ultra low ESR“
kondenzátory (například řadu ATC 180, či 700 apod.) a v mikropáskových
obvodech je pájíme „na stojáka“, aby jejich plocha, vystavená vzduchu byla co největší.
-
Nu a nakonec: polovodičový výkonový zesilovač je
třeba chladit, chladit, chladit! Proto jistě nebude na škodu, pokud svoji
konstrukci navrhneme tak, aby byl (alespoň trochu) nuceně chlazen i prostor
mikropáskových obvodů se součástkami, nikoli pouze VF výkonové tranzistory.
Výsledkem jistě bude větší spolehlivost konstrukce. A pochopitelně – pokud máme na
výběr, volíme tlouštku Cu fólie plošného spoje raději větší – 30 mikronů, ne
obvyklých 15 - 17.
· Závěrem: radioamatér je člověk „šťouravý“ a tam
některé z vás možná napadne, že pokud existuje nenulová pravděpodobnost, že Vám 50Ω
mikropásková konstrukce SSPA vyhoří, že by možná bylo vhodnější takový PA zkonstruovat tak,
aby všechny obvody (včetně sdružovačů výkonu) byly (například) na 25Ω a teprve na
výstupu z desky mikropáskového plošného spoje použít 35Ω teflonový
semirigid, zapájený přímo do konektoru typu N, který by výstupní impedanci PA
přizpůsobil zpět na požadovaných 50Ω. Takový výkonový zesilovač by byl
nepochybně spolehlivější… Jistě je taková konstrukce možná, jen ji zatím nikdo
nepředstavil..
73 OK1VPZ 7.8.2020
Literatura:
https://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/92935/1/2019_Sanchez-Soriano_etal_IEEE-TMTT_accepted.pdf
https://oatao.univ-toulouse.fr/20597/1/Simon_20597.pdf
https://rflambda.eu/search_medpowercombinersplitter.jsp
https://www.microwaves101.com/encyclopedias/power-handling
https://www.microwaves101.com/encyclopedias/paschen-s-law
https://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/107314/version_publicada.pdf?sequence=1&isAllowed=y
https://www.pasternack.com/t-calculator-microstrip.aspx
https://www.pasternack.com/t-rf-microwave-calculators-and-conversions.aspx
https://ieeexplore.ieee.org/document/8741078
https://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-094.pdf
https://www.qsl.net/va3iul/Microstrip_Stripline_CPW_Design/Microstrip_Stripline_and_CPW_Design.pdf
https://www.aldebaran.cz/studium/vyboje.pdf
https://www.qsl.net/va3iul/
https://www.pasternack.com/t-calculator-microstrip.aspx
https://www.allaboutcircuits.com/tools/microstrip-max-current-calculator/
https://ieeexplore.ieee.org/document/4808677
https://www.microwavejournal.com/keywords/calculator
https://www.microwavejournal.com/topics/3361-white-papers
https://www.qorvo.com/design-hub/design-tools/interactive
https://www.qorvo.com/design-hub/design-tools/interactive/pcb-trace-power-handling-calculator
https://www.edaboard.com/threads/how-to-determine-the-power-capacity-of-a-microstrip-transmission-line.365721/
https://www.rogerscorp.com/documents/1526/acs/Temperature-Rise-Estimations-in-Rogers-High-Frequency-Circuit-Boards-Carrying-Direct-or-RF-Current.pdf
https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&ved=2ahUKEwj_qpL-_obrAhXypHEKHU4jDu0QFjAAegQIBBAB&url=https%3A%2F%2Fwww.rogerscorp.cn%2Fdocuments%2F1526%2Facs%2FTemperature-Rise-Estimations-in-Rogers-High-Frequency-Circuit-Boards-Carrying-Direct-or-RF-Current.pdf&usg=AOvVaw3bAWnnACyxkHcHF6vpPyHe
https://rogerscorp.com/advanced-connectivity-solutions/ro4000-series-laminates/ro4500-laminates
https://dspace5.zcu.cz/bitstream/11025/3917/1/Teoreticky%20rozbor%20elektrickeho%20prurazu%20Radek%20Palko.pdf
|
