周一帆,周 云,張啟帆

(中國船舶集團有限公司第七二四研究所,江蘇 南京 211153)

0 引言

為了提高雷達(dá)長期工作的可靠性和可維修性,在系統(tǒng)不斷電的條件下,能夠在線更換功放組件且不影響系統(tǒng)的正常工作,功放組件就需要具備熱插拔功能[1]。

隨著當(dāng)代雷達(dá)系統(tǒng)對大功率及寬脈寬工作條件的需求,雷達(dá)功放組件中會存在大量的儲能電容以提供短時大電流。一般情況下不具有熱插拔功能的功放組件是不能夠帶電插拔的,由于功放組件內(nèi)有大量的儲能電容,如果進(jìn)行帶電插拔操作,功放組件會產(chǎn)生極大的浪涌電流,有可能會損壞功放組件內(nèi)部保險絲,造成外部電源模塊誤保護(hù),甚至損壞電源模塊。

本文介紹了兩種熱插拔電路,第一種電路是串聯(lián)功率電阻式,第二種電路是調(diào)節(jié)開關(guān)管的工作狀態(tài),兩種電路均可實現(xiàn)熱插拔功能。第二種電路與第一種相比具有功耗低、成本低、控制簡單等優(yōu)點。

1 熱插拔工作原理

功放組件熱插拔就是在電源不斷電的情況下,更換功放組件,實現(xiàn)功放組件的在線更換。電源的負(fù)載一般分為阻性、容性和感性。功放組件內(nèi)部存在大量儲能電容,屬于容性負(fù)載,電源作為一個閉環(huán)系統(tǒng),只有在符合其要求的輸入和負(fù)載條件下才能正常工作。如同微波50 Ω系統(tǒng)一樣,如果負(fù)載不匹配,會造成電源和負(fù)載工作不正常甚至燒毀[2-3]。進(jìn)行功放組件熱插拔時,電源端的母線電壓已經(jīng)建立,但儲能電容上的電壓為0,熱插拔動作時,母線電壓直接連接到儲能電容上,產(chǎn)生的沖擊電流遠(yuǎn)大于正常工作時的工作電流。沖擊電流會燒毀功放組件內(nèi)部保險絲,觸發(fā)電源模塊自身的過流保護(hù),電源模塊無法正常工作。

此時就需要在電源模塊和功放組件間增加一個功能電路,即熱插拔電路,該電路的目的是讓電源模塊和功放組件相匹配,本質(zhì)上是控制電源沖擊電流的大小,使沖擊電流不超出電源模塊電流保護(hù)閾值和功放組件內(nèi)部熔斷器最小動作電流,保證電源和功放組件在熱插拔條件下均能正常工作。

2 熱插拔電路設(shè)計

2.1 串聯(lián)功率電阻限流法

串聯(lián)功率電阻限流法電路原理如圖1所示,Vs為電源母線電壓,R2為功放等效電阻,Q1為P溝道增強型MOS管,R1為大功率限流電阻,R2為功放組件等效電阻。

圖1 串聯(lián)功率電阻法電路原理

模式一:電源Vs串接R1限流電阻,給儲能電容C1充電。

模式二:等到后端儲能電容C1充電完成后,控制信號給出,Vgs=-10 V,保證MOS管完全導(dǎo)通,電路熱插拔完成。

該方式通過增加R1功率電阻,限制電源模塊啟動時的電流,等待儲能電容電壓穩(wěn)定后,再控制MOS管導(dǎo)通,從而達(dá)到軟啟動效果。

使用此方法需著重計算出等效電阻R2的值。模式一給儲能電容充電,由于等效電阻R2的存在,儲能電容充電完成后的穩(wěn)態(tài)值受R1、R2分壓,MOS開關(guān)管S極和D極之間仍存在壓差,若壓差較大,MOS開關(guān)管導(dǎo)通會產(chǎn)生大電流,則熱插拔電路無實際效果。所以當(dāng)R2較小時,R1取值也需要減小以保證R1兩端較小。但R1減小,沖擊電流隨之增大,這樣熱插拔電路也將無效。所以此電路適用于靜態(tài)電流不大的情況,即R2較大的情況下,若靜態(tài)電流大于一定值或保護(hù)電流小于一定值,無法選擇出合適的R1[2]。

2.2 串聯(lián)開關(guān)管限流法

串聯(lián)開關(guān)管限流法電路原理如圖2所示。

圖2 串聯(lián)開關(guān)管限流法電路原理

模式一:電源Vs串接MOS開關(guān)管Q1,Q1工作在驅(qū)動電壓1的狀態(tài)(工作在飽和區(qū)),Vs輸出近似恒流源給儲能電容C1充電,充電時間為t。

模式二:等到后端儲能電容C1充電完成后,驅(qū)動電壓2給出,Vgs=-10 V,保證MOS管完全導(dǎo)通,電路熱插拔完成。

該方式通過增加配置Q1開關(guān)管兩種驅(qū)動電壓,首先使用驅(qū)動電壓1限制Q1開關(guān)管飽和區(qū)電流,減小電源對負(fù)載的沖擊電流,從而達(dá)到熱插拔的效果,等待儲能電容電壓穩(wěn)定后,使用驅(qū)動電壓2控制MOS開關(guān)管完全導(dǎo)通,保證在之后正常工作時MOS開關(guān)管上的壓降很小。

2.3 電路優(yōu)缺點分析

串聯(lián)開關(guān)管限流法電路相較于串聯(lián)功率電阻式電路,適用范圍更加廣泛,熱插拔沖擊電流僅與Q1開關(guān)管有關(guān),與等效電阻R2值的大小無關(guān),控制信號可通過單片機或其他數(shù)字電路給出。使用此方法需著重根據(jù)MOS開關(guān)管自身特性計算出模式一的充電時間t。若儲能電容容值極大就會造成充電時間t很大,需選擇合適的開關(guān)管,能夠在模式一工作方式下安全工作。

3 仿真與實驗

選用串聯(lián)開關(guān)管限流法進(jìn)行仿真與實驗,熱插拔動作過程中需保證CV模式時,電流不觸發(fā)電源模塊過流保護(hù)即可啟動。電壓上升率越低,電流越小,越不可能觸發(fā)保護(hù)[3]。

電路要求如下:輸出電壓5 V,負(fù)載靜態(tài)電流3 A,負(fù)載端工作平均電流7 A,峰值電流56 A,占空比12.5%,儲能電容12 000 μF,開關(guān)管引起的電壓降不大于0.25 V。

ADS軟件建模如圖3所示,選用階躍模型電壓源作為輸入源,功放等效電阻R1為1.7 Ω,儲能電容為12 000 μF。

圖3 熱插拔ADS軟件建模仿真

仿真電流電壓波形如圖4—5所示。圖4電壓上升選為2 ms波形,仿真可以看出沖擊電流很大,能達(dá)到30 A。圖5電壓上升選為10 ms波形,仿真可以看出沖擊電流大大減小,只有9 A。電壓上升越快,帶來的沖擊電流則越大,仿真說明,可以通過增加電源電壓的上升時間減小沖擊電流。

圖4 電壓上升時間為2 ms的電壓電流波形

圖5 電壓上升時間為10 ms的電壓電流波形

功放組件剛上電啟動時電壓電流情況如圖6所示,最上方曲線為電源模塊輸出,最下方曲線為MOS開關(guān)管輸出,中間曲線為流過MOS開關(guān)管電流也就是沖擊電流。通過測試曲線可以看出,啟動時電壓和電流都沒有過沖,充電過程電流12 A左右,持續(xù)時間6 ms,由于電源模塊輸出電流最大能達(dá)到23 A,所以啟動時不會影響電源模塊正常工作。查詢MOS開關(guān)管手冊資料,充電電流和持續(xù)時間也都在MOS開關(guān)管SOA范圍內(nèi),上電啟動過程與器件資料符合。

圖6 功放組件熱插拔測試電壓波形

因此,按照現(xiàn)有電路原理和實際負(fù)載情況,電源模塊可以正常啟動和使用。但需要注意的是MOS開關(guān)管啟動中熱耗偏高,約4 W,需要散熱處理。

通過仿真和試驗驗證可以得出,采用串聯(lián)開關(guān)管限流法電路可以在功放組件中實現(xiàn)熱插拔功能。

4 結(jié)語

熱插拔功能在雷達(dá)功放組件中的作用越來越大,本文通過調(diào)節(jié)開關(guān)管工作狀態(tài),改變飽和區(qū)的最大通流能力,并通過仿真實驗驗證,實現(xiàn)熱插拔功能,該電路不需要額外增加功率電阻,可根據(jù)儲能電容數(shù)量和電源供電能力選擇合適的開關(guān)管,具有控制簡單、可靠性高等特點,可廣泛使用在存在大量儲能電容的功放組件中。