李 可

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥 230088；2.安徽省天線與微波工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230088）

隨著航天業(yè)務(wù)的高速發(fā)展，功放作為衛(wèi)星載荷發(fā)射鏈路的核心部件，已廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、遙感等衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域[1-2]。功放電源將衛(wèi)星平臺(tái)一次母線所提供的直流電壓變換成功放工作所需的電壓，其穩(wěn)定性、可靠性直接影響功放設(shè)備乃至發(fā)射鏈路工作的可靠性和性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，由于工作于衛(wèi)星平臺(tái)，必須考慮星載環(huán)境的特殊性，既保證功放電源自身可靠工作，同時(shí)不會(huì)對(duì)其他星載設(shè)備造成干擾或者危害。

該文給出了某星載功放調(diào)制電源的詳細(xì)設(shè)計(jì)，在滿足性能指標(biāo)要求的同時(shí)，保證了較高的可靠性和抗干擾能力。

1 設(shè)計(jì)要求

輸入直流電壓Vin=(30±2) V，輸出電壓VO=10 V，最大輸出電流IO=3 A，滿載效率η≥80%，輸出紋波VPP≤50 mV，二次電源輸出脈寬可調(diào)，分別為3.5 s、10 s，也可為連續(xù)模式。

2 方案設(shè)計(jì)

功放調(diào)制電源由浪涌抑制電路、EMI 濾波電路、遙控電路、輸出調(diào)制電路等組成[3]，其組成框圖如圖1所示。

圖1 功放調(diào)制電源組成框圖

其中，浪涌抑制電路用于防止功放調(diào)制電源啟動(dòng)時(shí)，輸入浪涌電流過(guò)大對(duì)平臺(tái)一次母線造成危害；EMI 濾波電路一方面用于衰減由輸入母線傳入到電源的EMI 信號(hào)，保證電源不受干擾正常工作；另一方面，抑制電源本身產(chǎn)生的EMI 信號(hào)，防止它進(jìn)入輸入母線中，污染電磁環(huán)境，危害母線上的其他設(shè)備；遙控電路實(shí)現(xiàn)功放調(diào)制電源根據(jù)平臺(tái)離散脈沖指令工作；輸出調(diào)制電路實(shí)現(xiàn)功放電源按照輸入的調(diào)制脈沖信號(hào)時(shí)序、脈寬而輸出至功放[3-6]。

3 電路詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 浪涌抑制電路

輸入浪涌電流抑制電路原理圖如圖2 所示，使用功率PMOS 管實(shí)現(xiàn)。其工作原理：A、B 兩點(diǎn)連接遙控電路，當(dāng)接收到電源加電指令時(shí)，A、B 兩點(diǎn)斷開(kāi)，輸入電壓通過(guò)電阻R4給電容C1充電，電容C1上的電壓從0 V 逐漸上升，同時(shí)MOS 管M1 柵極電壓隨阻容設(shè)定的時(shí)間常數(shù)按指數(shù)曲線上升，當(dāng)達(dá)到開(kāi)啟電壓時(shí)，MOS 管M1 開(kāi)啟并工作在線性區(qū)，避免開(kāi)機(jī)瞬間電源輸入電容充電的浪涌電流對(duì)一次母線上其他設(shè)備造成干擾。啟動(dòng)完成以后，MOS 管M1工作于開(kāi)關(guān)區(qū)，通過(guò)的電流為功放電源的額定輸入電流[7-8]。

圖2 浪涌抑制電路原理圖

R4、C1組成浪涌電流延遲電路，可以通過(guò)式（1）選擇R4、C1的參數(shù)，從而得到合適的浪涌電流。

其中，UGS(th)為MOS 管M1 柵極電壓；t為MOS 管M1 開(kāi)啟時(shí)間。

實(shí)物測(cè)試波形如圖3所示，浪涌電流為1.1 A/4.2 ms，滿足峰值電流不大于3 A，斜率不大于105A/s 的航天規(guī)范要求。

3.2 遙控電路

功放調(diào)制電源開(kāi)關(guān)機(jī)受衛(wèi)星平臺(tái)的2 路遙控離散指令控制，分別為電源加電、電源斷電。遙控指令信號(hào)為(28±1) V 的指令脈沖，脈沖持續(xù)時(shí)間為（80±10）ms。電源加電遙控電路如圖4 所示。

圖4 電源加電遙控電路圖

其中，K1 為磁保持繼電器，可以將接收到的脈沖指令變換為固定的觸點(diǎn)狀態(tài)；R1、R2為限流電阻，通常阻值為K1 線包阻抗的十分之一，從而防止指令負(fù)載端短路故障對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的指令源端造成危害；V1、V2 為二極管，吸收K1 線包由于電感特性,在斷電時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)[9]。電源斷電遙控工作原理與加電相同，由斷電指令控制磁保持繼電器K1 的復(fù)位線包。

3.3 EMI濾波電路

EMI 濾波電路由共模濾波電路和差模濾波電路組成，原理圖如圖5 所示。差模噪聲主要存在于1 MHz 以下的頻段，共模噪聲主要存在于1 MHz 以上的頻段。為了能夠更好地對(duì)兩種模式的噪聲進(jìn)行有效抑制，應(yīng)努力做到阻抗的最大不匹配。輸入濾波器采用一級(jí)共模和一級(jí)差模的組合設(shè)計(jì)，分別抑制共模干擾電流和差模干擾電流[10-11]。

當(dāng)DC/DC 變換器中的MOSFET 管和整流二極管不停開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很寬的頻譜分量，通過(guò)傅里葉計(jì)算可以得知每一次諧波的幅值。隨著頻率的增加，諧波的幅值隨著諧波的級(jí)數(shù)在下降。因此干擾電流頻譜中的一次諧波分量為確定差模插入損耗的關(guān)鍵參數(shù)，這里一次諧波的頻率即為DC/DC 的開(kāi)關(guān)頻率500 kHz。隨著頻率的增加，干擾電流的諧波分量在降低，濾波器的干擾衰減量增加，因此濾波器可以輕易抑制干擾電流的其他次諧波。通過(guò)計(jì)算，濾波電路差模濾波部分采用了π型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，截止頻率為7～500 kHz 時(shí)，會(huì)有102 dB 的衰減量。共模濾波設(shè)計(jì)只要保證共模截止頻率設(shè)計(jì)為比開(kāi)關(guān)頻率低十倍就足夠。通過(guò)計(jì)算，共模濾波的截止頻率為16.2 kHz，遠(yuǎn)低于開(kāi)關(guān)頻率的十分之一——50 kHz。因此，EMI 濾波電路設(shè)計(jì)滿足電磁兼容規(guī)范要求。

3.4 DC/DC電路

目前，成熟的DC/DC 模塊產(chǎn)品具有高集成、小體積、高可靠性等特點(diǎn)，而且宇航級(jí)產(chǎn)品還具有抗電離總劑量不小于40 krad(Si)的能力[12]。DC/DC 模塊輸出電壓受輸入電壓和負(fù)載變化的影響較小，同時(shí)，自身具有故障隔離和保護(hù)功能。因此，DC/DC 電路采用具有抗輻照指標(biāo)的DC/DC 模塊為核心器件，外圍增加軟啟動(dòng)電路、輸入/輸出濾波等電路組成[13]。電路原理圖如圖6 所示。

圖6 DC/DC電路圖

3.5 輸出調(diào)制電路

由于功放可工作于連續(xù)波和脈沖兩種模式，因此，功放供電需根據(jù)工作模式可調(diào)，從而降低功耗，提高單機(jī)的可靠性和壽命。

輸出調(diào)制電路如圖7 所示。調(diào)制脈沖輸入信號(hào)為TTL 高電平時(shí)，三極管V2 導(dǎo)通，MOS 管V3 柵極電壓建立，從而V3 導(dǎo)通，+10 V 電源輸出至功放，反之則V3 截止，功放無(wú)供電電壓，從而實(shí)現(xiàn)功放的脈沖調(diào)制供電。同時(shí)，該電路具有負(fù)壓保護(hù)功能，當(dāng)功放-5 V 柵壓供電出現(xiàn)故障時(shí)，三極管V1 導(dǎo)通，從而將調(diào)制脈沖輸入+5 V 嵌位至V1CE，MOS 管V3 無(wú)法導(dǎo)通，從而保護(hù)功放不會(huì)損壞[14-16]。

圖7 輸出調(diào)制電路圖

電阻R1、R2組成分壓電路，公共點(diǎn)電壓Uqy可由式（2）求得：

其中，Udd為功放調(diào)制電源電壓，為+10 V；Ugg為負(fù)壓電源電壓。

由于三極管V1 的基極導(dǎo)通電壓通常為0.7 V（硅管），式（2）可變形為式（3）。

根據(jù)式（3），通過(guò)選取合適電阻R1、R2，即可獲得預(yù)設(shè)的負(fù)壓保護(hù)電壓閾值Uggmax。

采用SABER 軟件進(jìn)行仿真分析，仿真模型如圖8 所示。

圖8 仿真模型

仿真參數(shù)設(shè)置如下：調(diào)制脈沖寬度為3.5 s，周期為10 s；-5 V 供電在12 s 時(shí)故障無(wú)輸出。

仿真波形如圖9 所示，從上到下B1-B3 波形分別對(duì)應(yīng)-5 V 供電電壓、調(diào)制脈沖輸入信號(hào)、功放供電電壓。

由仿真結(jié)果可見(jiàn)，-5 V 供電正常時(shí)，輸出功放供電電壓按調(diào)制脈沖輸入時(shí)序正常脈沖輸出；當(dāng)-5 V 供電異常時(shí)，無(wú)功放供電輸出，從而保護(hù)后級(jí)功放負(fù)載。

4 實(shí)測(cè)結(jié)果

根據(jù)以上電路設(shè)計(jì)，完成正樣功放調(diào)制電源研制，主要技術(shù)指標(biāo)實(shí)測(cè)值如下：輸出電流≤3 A；滿載效率≥82.5%；負(fù)載調(diào)整率≤1%；輸入調(diào)整率≤0.5%；紋波≤27 mV。

脈沖輸出測(cè)試波形如圖10 所示，脈沖寬度為3.5 s。圖中，從上到下三路波形分別對(duì)應(yīng)的為10 V功放供電、TTL 調(diào)制脈沖輸入、DAC 中頻輸出。

圖10 測(cè)試波形

5 結(jié)束語(yǔ)

該文介紹了一種星載功放調(diào)制電源，其具有多脈寬輸出、負(fù)壓保護(hù)功能，該電源設(shè)計(jì)中充分考慮航天產(chǎn)品的體積小、質(zhì)量輕、可靠性高等特點(diǎn)，目前已在軌運(yùn)行，滿足指標(biāo)要求。