陳誠

【摘 要】現(xiàn)代相控陣雷達多采用天線陣面后接TR組件的布局，TR組件具有脈沖負載的特性，其供電模塊的設(shè)計尤為重要。論文介紹了一種TR組件供電模塊的設(shè)計方案和生產(chǎn)使用過程中的注意事項，并根據(jù)相應(yīng)問題提出可行的工藝改進方案。

【Abstract】Modern phased array radars use the structure of the antenna assembly followed by the TR component. The TR component has the characteristics of pulse load， so the design of the power supply module is especially important. This paper introduces the design scheme of a TR component power supply module and the precautions in the production and use process， and proposes a feasible process improvement scheme according to the corresponding problems.

【關(guān)鍵詞】雷達電源;生產(chǎn)工藝;改進

【Keywords】power for radar; production process; improvement

【中圖分類號】TN957.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）10-0183-02

1 引言

相控陣技術(shù)在各種雷達中發(fā)揮了重要作用，成為備受關(guān)注的雷達體制。區(qū)別于傳統(tǒng)的機械掃描天線，相控陣雷達的橫截面小、掃描靈活，可以有效提高目標更新頻率。有源相控陣雷達陣面上發(fā)射/接收（T/R）組件是雷達核心部件，因此，對于T/R組件的供電模塊的設(shè)計就顯得尤為重要。T/R組件需要穩(wěn)定的低壓直流供電，在發(fā)射時需要提供很大的電流用于發(fā)射功率輸出，在接收時則僅需要較小的電流維持接收功率。隨著雷達超遠距離探測、高掃描精確度的要求，雷達需要的發(fā)射功率越來越大，要求電源系統(tǒng)的功率容量也越來越大，體積和質(zhì)量卻越來越小。因此，作為相控陣雷達的重要組成部分，相控陣雷達供電系統(tǒng)需要實現(xiàn)高功率密度、高可靠性及良好的動態(tài)特性[1，2]。

根據(jù)相控陣雷達的探測目標的不同，可以分為機動式和固定式兩種，本文主要介紹的TR組件供電模塊是用在固定式相控陣雷達上的[3]。

2 一種TR組件的供電系統(tǒng)

針對船用發(fā)電機的供電體系，TR組件的供電系統(tǒng)由三個部分組成：三相有源功率因素校正（APFC）部分、一次電源部分和二次電源部分。TR組件的供電模塊特指二次電源部分。三相有源功率因素校正（APFC）部分有利于降低負載整體的無功分量，基本不消耗交流供電系統(tǒng)中無功功率，使得船用發(fā)電機基本是有功出力;一次電源部分將三相380V交流電經(jīng)過APFC部分后輸出630V直流電轉(zhuǎn)換為便于二次電源使用的48V低壓直流電;二次電源部分將48V直流電轉(zhuǎn)化為8V的直流電，供砷化鎵TR組件使用。該二次電源采用隔離式模式，單個二次電源供電輸出電流可達50A，可供8個TR組件通道工作。采用這種供電模式的原因在于降低電能傳輸過程中的電流值，以降低熱量損耗和降低傳輸導(dǎo)線中分布電感對電源動態(tài)性的影響，以提高電源的供電質(zhì)量和可靠性[4-6]。

3 二次電源設(shè)計

二次電源的負載為砷化鎵TR組件，組件的負載特性為脈沖性負載。脈沖負載定義是用電特性周期性瞬間突變，并維持一段時間后，迅速回到初始狀態(tài)，峰值功率較高，但平均功率較小的負載。其脈沖周期通常為幾十或數(shù)百毫秒，通過機電控制難以及時響應(yīng)脈沖負載功率的變化，從而容易對供電系統(tǒng)造成電能質(zhì)量問題。其中最常見、最嚴重的電能質(zhì)量問題一是諧波電流的污染，二是由于無功供需不平衡造成的電壓波動和閃變[7]。

3.1 電源的功率拓撲

二次電源部分常用拓撲有帶同步整流有源鉗位正激拓撲、帶同步整流半橋諧振拓撲、帶同步整流全橋拓撲、帶同步整流BUCK降壓拓撲等。由于該二次電源在使用過程中需要能夠驅(qū)動8個TR組件通道工作，工作功率需要達到400W，全橋整流的結(jié)構(gòu)雖然稍微復(fù)雜，但是其對能量的利用率更高，負載能力也比較強，所以選擇隔離帶同步整流全橋拓撲為功率拓撲。

3.2 電源的控制模式

電源的控制模式直接關(guān)系到電源的線性穩(wěn)定度和負載穩(wěn)定度[8]。線性穩(wěn)定度是指電源輸入電壓突變時候輸出電壓的變化情況，負載穩(wěn)定度是指電源負載突變時候輸出電壓的變化情況。開關(guān)電源的控制模式主要分為電壓控制模式和電流控制模式[9]。在脈動負載的環(huán)境下，電流控制模式占主導(dǎo)地位，有利于提高電源的動態(tài)響應(yīng)，降低輸出電壓的脈動。

3.3 電源的生產(chǎn)

二次電源由于配套TR組件使用，其尺寸受制于現(xiàn)場尺寸，最大厚度不可超過9mm。根據(jù)實際情況，電路板設(shè)計選擇使用平面變壓器技術(shù)，將變壓器線包做到多層印制板中，并采用貼裝磁芯的方法把二次電源模塊尺寸做到滿足工況需求。在生產(chǎn)調(diào)試過程中的關(guān)鍵過程就是磁芯的安裝和磁芯和功率管的散熱工藝。二次電源內(nèi)部產(chǎn)生的熱量需要通過二次電源金屬外殼與水冷板接觸傳導(dǎo)散熱，所以在滿足絕緣的要求下做好二次電源內(nèi)部的導(dǎo)熱處理是電源生產(chǎn)裝配的關(guān)鍵方面。在生產(chǎn)裝配過程中，使用絕緣墊和導(dǎo)熱硅脂做電源底部的導(dǎo)熱處理，在電源頂部利用導(dǎo)熱膠的全面灌封來解決導(dǎo)熱問題。在灌膠時還得控制每臺電源的重量。

4 針對出現(xiàn)問題的工藝改進措施

在電源模塊過程中，個別模塊出現(xiàn)了一些問題，主要分為輸出電壓過壓故障和輸出電壓欠壓故障。

4.1 輸出電壓過壓故障

根據(jù)原理分析判斷故障原因，二次電源采用的控制芯片為LM5045，該芯片為全橋PWM控制器集成MOSFET驅(qū)動器。根據(jù)穩(wěn)壓反饋環(huán)路原理，輸出電壓分壓后與D7所設(shè)置的參考電壓比較，當(dāng)過壓時，U6運放輸出低，光耦導(dǎo)通，控制芯片調(diào)窄脈寬，輸出電壓降低，以此原理進行穩(wěn)壓。根據(jù)SD320-2M二次電源的輔助電源VCC產(chǎn)生的原理，U7的1和2腳，4和5腳分別接輔助繞組，通過整流管U7送給由Q9及D4組成的穩(wěn)壓電路，最后輸出穩(wěn)定的VCC輔助電壓，供給芯片使用。SD320-2M二次電源的輔助電源SBIAS產(chǎn)生的原理與VCC產(chǎn)生的原理基本相同。

根據(jù)上述原理分析可知能夠?qū)е螺敵鲞^壓故障的因素有：控制芯片損壞，控制芯片不正常工作時，可能會導(dǎo)致各類問題，其中輸出電壓升高也是其中一種。穩(wěn)壓反饋環(huán)路的器件損壞，同樣會導(dǎo)致輸出電壓不正常。輔助電源VCC不正常，如輔助電壓VCC超出了芯片的工作范圍，會導(dǎo)致輸出電壓不正常，在芯片手冊上有明確說明。輔助電源SBIAS不正常，同樣會導(dǎo)致反饋環(huán)路的正常工作，致使輸出電壓過壓。

這樣的故障發(fā)生過兩次，一次是由于電容失效導(dǎo)致輔助電源SBIAS不正常，另外一次是由于穩(wěn)壓管失效輔助電源VCC不正常。從概率上來說是小概率事件，但是其造成的后果是不容小覷的，TR組件對于輸入電壓比較敏感，輸入超過一定范圍就會造成TR組件的損壞。所以在二次電源元器件篩選和出廠前的老煉是規(guī)避這一問題的有效手段。

4.2 輸出電壓過壓故障

將相應(yīng)故障的電源拆卸，發(fā)現(xiàn)輸入電感的磁芯碎裂。碎裂的磁芯更換，加電檢測電源，電源恢復(fù)正常輸出。顯而易見，導(dǎo)致電源電壓輸出過低的直接原因就是輸入電感磁芯碎裂。

將磁芯貼裝在多層印制板上時，磁芯與印制板之間還有些許空隙，磁芯碎裂的概率增大，根據(jù)該故障原因?qū)ΜF(xiàn)有裝配工藝進行改進：在單板測試完成后用耐高溫環(huán)氧樹脂膠（3M-DP760）將磁芯和多層印制板粘結(jié)在一起，降低磁芯碎裂的幾率，提高產(chǎn)品的可靠性。

5 結(jié)論

本文介紹一種現(xiàn)代相控陣雷達TR組件的供電模塊及其所處的供電體制，并且結(jié)合生產(chǎn)實際和使用情況，分析電源模塊生產(chǎn)和使用過程中存在的風(fēng)險點和改進相關(guān)工藝以提高產(chǎn)品的可靠性。在其他TR組件的供電方案的設(shè)計和生產(chǎn)過程中具有一定的參考價值。

【參考文獻】

【1】張光義，趙玉潔.相控陣雷達技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

【2】張光義.相控陣雷達原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

【3】張光義，趙玉潔.相控陣雷達技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

【4】唐登平，張毅，汪根華.相控陣雷達陣面電源保護電路的研制[J].現(xiàn)代雷達，2009，31（5）：84-87.

【5】錢倩云，孫超，張峻嶺.相控陣雷達的分布式供電設(shè)計[J].艦船電子工程，2016，36（10）：64-67.

【6】蔣華，陳善華.一種雷達陣面T/R供電模塊的研究與實踐[J].現(xiàn)代雷達，2012，34（7）：64-67.

【7】呂闖，解璞.脈沖性負載研究現(xiàn)狀與展望[J].情報交流，2017（9）：70-73.

【8】雙木.DC-DC變換器適應(yīng)定制電源和分布供電需要[J].電子產(chǎn)品世界，1997（10）：60-61.

【9】程紅.開關(guān)變換器建模、控制及其控制器的數(shù)字實現(xiàn)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.