DX中波发射机中的可编程逻辑器件热稳定性探讨

摘要：我们台的中波发射机是美国Harris公司的DX型中波广播发射机，在发射机的运行中，需要许多采样数据送到PLC中处理，通过采样数据对发射机的运行状态进行判断，这样才能在发射机异态运行时，保证能对发射机作出及时保护。DX发射机里面的控制和采样很多，这些控制和采样信号的采集和处理都用到了大量的可编程逻辑器件XC7372，但是正是因为可编程逻辑器件的高度集成性使它在运行中容易发热，使可编程逻辑器件本身产生故障，导致发射机不能正常运行。在日常维护中，我们要重视可编程逻辑器件的检修和维护。

关键词：DX中波发射机；可编程逻辑器件；工作原理；发热

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）05-1180-03

1 可编程逻辑器件发热问题的出现

我台的DX型中波广播发射机由两个功率放大单元组成，称为PB1和PB2。在试机时开发射机，PB2未上，查面板无任何故障指示。在故障原因查找过程中，发现在PB2的发射机接口板上RF封锁DS8忽明忽暗，查不到故障点，于是更换PB2的发射机接口板，发射机正常开启运行，判断为发射机接口板故障，后用手对模块摸温，发现U37（EPLD可编程逻辑器件模块）温度高，用红外测温仪测量U37发现温度过高大约是54度。判定是EPLD热稳定性逐步变差而不能稳定工作。所以我们分析一下可编程逻辑器件的工作原理和发热问题，掌握它的特性，以便在以后的维护中及时发现和处理此类故障。

2 可编程逻辑器件的工作原理

下面我们分析一下可编程逻辑器件的分类、内部结构和工作原理。

2.1 PLD的分类

我们从市场买回来的可编程逻辑集成电路芯片没有任何的逻辑功能，称为“白片”或“空片”，待用户开发编程后才有逻辑功能，我们根据不同的分类标准对这些“白片”进行分类。

根据芯片的集成度和结构的复杂度可分为：

1）简单可编程逻辑器件SPLD（Simple Programmable Logic Device）

2）复杂可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）：它属于中规模可编程集成电路，特点是具有更大的“与”阵列和“或”阵列，增加了大量的宏单元和布线资源，触发器的数量明显增加。我们现在用的XC7372就属于CPLD，它有72个宏单元。

3）现场可编程门阵列FPGA（Field Programmable Gate Array）

根据制造技术的不同可分为：

1） 双极熔丝制造技术的PLD

2） 反熔丝制造技术PLD

上述两种制造技术的PLD采用摧毁熔丝的办法来实现编程，所以只能一次性编程，不可重复编程，而且开发麻烦，成本高。但具有永久保存数据，抗辐射能力强，耐高低温，保密性好，系统速度快等优点。

3） EECMOS制造技术的PLD

CMOS技术已经成为PLD制造的主导技术，它利用CMOS管的导通和截止编程，可重复编程，实现电擦写，而且也可永久保存数据，上电就可以工作。我们用的Xilinx公司生产的XC7372就是这种技术制造的。

4）SRAM制造技术的PLD

它是利用RAM记住可能出现的结果，输出时从RAM中调用来实现编程。可重复编程，但掉电后数据会丢失，因此编程调试完的数据要存储到一个与它相连的EPROM或EEPROM存储器中，上电后，PLD先从存储器中下载编程数据，十几毫秒后就可以正常工作。

2.2 PLD的组成

各个公司生产的PLD都有自己的特点，概括起来，一般都有三大部分组成：

1）一个二维的逻辑块阵列，就是宏单元：它构成了PLD的逻辑组成核心，来实现基本的逻辑功能。

2）输入/输出块：负责输入输出的电气特性控制，数据的输入和已处理数据的输出。

3）连线资源：负责信号的传递，连接所有的宏单元和输入输出块，其中也有一些可编程的开关。

下面图1是我们台DX型发射机所用的XC7372的总体结构：

DX型发射机常用的XC7372型可编程逻辑器件芯片为方形，共84个引脚，芯片表面贴有白纸，上面有芯片的工厂编号、名称和版本号，将工厂编号、名称和版本号正向面对着自己，XC7372正上方中间有一个小黑点标记来指示第一根引脚的标记，然后从第一脚开始逆时针方向沿CPLD芯片转一圈，各引脚依次排列。XC7372有三个时钟输入端CLK0、CLK1和CLK2，有两个使能端OE0和OE1，一个清零端MR，剩下的是一般的输入输出端，输入端一般要加上拉电阻，输出端一般要加限流电阻，防止输出短路，XC7372芯片用的输入或输出电阻通常有10kΩ的和1MΩ的，再加上去耦电容，提高抗干扰能力。XC7372将发射机各个部分采集的数据经过汇总处理，再输出各种控制信号到机器的各个控制部件上，实现控制的目的。

如图1所示，其中，UIM是它的连线资源（也就是总线），MC是它的宏单元（72个），I/O是它的输入输出块。

2.3 PLD的工作原理

PLD的基本原理是：所有的数字电路都可以用“与”和“或”的形式表示出来，所以，它的基本逻辑单元是“与或”形式的。任何复杂的逻辑都可以用它们组成。

我们通常所见到的编码器、译码器、计数器和加法器等，它们的表达式都可以用最基本的“与”“或”形式表示出来，而PLD正是利用这个性质进行制造、工作和编程开发的。

3 可编程逻辑器件在发射机中的作用

在TCU的许多电路板上，有合成器控制板、数字I/O板、伺服控制板、模拟I/O板、射频源板、音频控制板、用户接口板都运用了可编程逻辑器件，它是较大规模的集成电路，用户对它进行写入不同的指令后，能完成各种特定的逻辑功能，运用可编程逻辑器件后，可大大节省I/O模块和逻辑处理单元。各功能板上运用了可编程逻辑器件EPLD，可实现组合逻辑和时序逻辑的控制。

若指令中寻址的地址信号（CA0、CA1、CA2）和音频控制板预置的地址相符合，则其它线路板（如：射源板、用户板、数字I/O板等）通讯被禁止，数据只有音频板能够和PLC通讯，这些数据经板上的EPLD处理后，主要用来操作音频矩阵的6个电子开关，并把其它的一些状态信息返回送到PLC，并在MMI显示，这样就完成了一次通讯。音频输入、输出的检测电路，其检测结果送入EPLD，经数据总线送至PLC，用于控制和状态指示。

射频源板上本身有两个振荡器A和B，还有一个外部射频源输入，如果在MMI上将射频开关设置为“自动”时，EPLD将对射频源进行优先选择，优先顺序为外部射频、射频源板射频源A、射频源板射频源B。射频存在检测器能检测射频信号是否正常，检测结果由EPLD处理后，经TCU控制板送入PLC，用于控制和状态指示。PLC处理后的控制信号并行控制经控制板送入数字I/O板，并经EPLD处理后送至TCU接口板并送到各功放单元，联锁状态线也送到各PB用于指示，低压电源的检测信号也送到I/O板再送到控制板至TCU的PLC。

弧光检测取样信号接入至模拟I/O板，这些信号和门限电平进行比较，然后送到EPLD，进行设备保护和故障显示。弧光检测采样信号是模拟量，和门限比较后转换为数字信号，送入EPLD，在该板被PLC输出模块选址选中时，这些数据经控制板送入PLC，使发射机作出响应，并由MMI显示。

平衡电阻电流检测，每组平衡电阻的平衡电流采样经采样电路变换为一直流电平送至模拟I/O板，经处理后和门限值进行比较，比较的结果送到EPLD处理后送到PLC，使发射机作出响应，并由MMI显示。

两个功放单元的可编程逻辑器件位于功放接口板上，也是我们发射机出现过热的芯片，它的作用主要是接受来自功放单元的连锁输入信号，接受来自各自功放单元的电源故障和冷却故障等，负责功放单元的信号采集，由于采集的信号较多，所以通路利用也比较高。

4 为什么可编程逻辑器件容易发热

热主要是由可编程逻辑器件中晶体管等有源器件运算时所产生的，随着芯片中晶体管的数目越来越多，发热量也越来越大，在芯片面积不随之大幅增加的情况下，器件发热密度越来越高，过热问题已成为目前电子器件的一个重要问题，其发热量随着逻辑处理速度和逻辑处理规模的提高而逐渐增加，相对的发热密度也大幅度增加。据统计，由热所引起的失效约占电子器件失效的一半以上。温度过高除了会造成半导体器件的损毁，也会造成电子器件可靠性降低及性能下降。

可编程逻辑器件的发热问题大致有以下几点，如图2所示：

1）芯片堆叠后发热量将增加，但散热面积并未相对增加，因此发热密度大副提高；

2）芯片虽然仍保有原散热面积，但由于热源的相互连接，热耦合增强，从而造成更为严重的热问题；

3）内埋置基板中的无源器件也有一定的发热问题，由于有机基板或陶瓷基板散热不良，也会产生严重的热问题；

4）封装体积缩小，组装密度增加，使得散热不易解决，因此需要更高效率的散热设计。

5 可编程逻辑器件容易发热监测和预防方法

针对可编程逻辑器件的发热问题，我们制定了如下监测和预防的方法：

1）在播音的过程中，周期性的对发射机中的可编程逻辑器件进行测温，观察各个芯片的温度变化，掌握规律。特别是夏季，室外温度比较高，发射机本身内部温度也很高，更应该注意芯片的温度情况， 为此，我机房专门制定出芯片温度记录表，让检修班人员定期对可编程逻辑芯片进行测温。

2）定期利用毛刷和吸尘器对可编程逻辑芯片的引脚进行清洁，以免灰尘覆盖芯片，影响散热和短路芯片引脚。

3）起拔芯片时用专用的芯片起拔器，以免对芯片造成损坏引起不应该的热损耗。

4）对容易出现过温故障的芯片要深入分析原因，看看是否是外围硬件故障，也要对使用该芯片的板卡做到有备份，安装到机器上能使用。特别的芯片一定要有多个备份。

下面是我台PLD的测温登记表，如表1所示：

6 总结

现代社会，发射机已经实现固态化，小型化，由于可编程逻辑器件的集成度，所以应用非常广泛，他的重要性也越来越大。但因为可编程逻辑器件本身存在的问题，对我们的维护也提出新的挑战。这就是我对发射机中可编程逻辑器件发热问题的一点粗浅的学习，希望各位同行给予指正，谢谢。

参考文献：

[1] 李景华，杜玉远.可编程逻辑器件与EDA技术[M].东北大学出版社，2000.

[2] 阳昌汉. 高频电子线路[M].哈尔滨工业大学出版社，2001.

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[4] Peter Van Zant. 半导体工艺制程实用教程[M].韩郑生，赵树武 译. 2008.