減小高壓電源輸出紋波的研究

張峻嶺，孫 超

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225001)

減小高壓電源輸出紋波的研究

張峻嶺，孫 超

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225001)

隨著設(shè)備性能的提高，電源輸出紋波(PARD)對(duì)設(shè)備性能的影響也越來(lái)越顯著。抑制開(kāi)關(guān)電源紋波(PARD)的方法有很多，在開(kāi)關(guān)電源輸出后加低壓差線性穩(wěn)壓器是最有效的方法。介紹了將低壓差線性穩(wěn)壓器加入高壓電源的方法，理論分析和實(shí)際測(cè)試證明了該方法的有效性和良好的工程應(yīng)用前景。

紋波；行波管；高壓電源；相位

0 引 言

隨著新體制雷達(dá)、綜合型電子戰(zhàn)等設(shè)備不斷地更新和升級(jí)，對(duì)供電電源也相應(yīng)地提出了更高的要求。目前已對(duì)供電電源“綠色”(對(duì)電網(wǎng)干擾小)、寬動(dòng)態(tài)響應(yīng)、模塊化、小型化等技術(shù)開(kāi)展了廣泛研究，但由于高壓電源的應(yīng)用特殊性，雖然其性能對(duì)設(shè)備的影響同樣非常重要，但針對(duì)它的研究范圍仍較為狹窄[1]。

以使用行波管(TWT) 的設(shè)備為例，對(duì)于TWT級(jí)聯(lián)成的主振放大式發(fā)射機(jī)，由于電源紋波的實(shí)際存在，使得原本純凈的頻譜出現(xiàn)雜散譜。紋波是指附著于直流電平之上的，包含周期性和隨機(jī)性成分的一種雜波型號(hào)，簡(jiǎn)稱為PARD(Periodic And Random Deviation)。一般認(rèn)為會(huì)對(duì)設(shè)備性能產(chǎn)生主要影響的是含周期性成分的雜波。

1 高壓電源的PARD對(duì)性能的影響

行波管一般工作在稍微過(guò)飽和狀態(tài), 此時(shí)由同步電壓紋波所帶來(lái)的調(diào)相和調(diào)幅的失真程度相差很大。行波管放大器在同樣的電源波紋下，其調(diào)幅影響要比調(diào)相影響小30 dB甚至更多[2]。因此，在設(shè)計(jì)行波管主振放大式發(fā)射機(jī)時(shí)，只需考慮高壓電源紋波對(duì)調(diào)相的影響。不失一般性,可以假設(shè)同步電壓紋波的調(diào)制為簡(jiǎn)單諧振型,由此簡(jiǎn)單寫(xiě)真型調(diào)制所導(dǎo)致的輸出信號(hào)為：

(1)

s(t)=cos(ω0t+βksinωkt)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式(6)轉(zhuǎn)化為：

(7)

表1 TWT各極電壓的調(diào)制靈敏度

根據(jù)表1分析可知，陰極電壓和柵極電壓對(duì)于相位變化最為重要，其它可忽略。而一般柵極電壓在幾百伏左右，屬于中壓范疇，且電流很小，一般在不特別考慮體積的場(chǎng)合可直接采用線性電源的形式[3]。

2 減小紋波的試驗(yàn)

本文的主要研究?jī)?nèi)容為如何減小柵控行波管陰極同步高壓的輸出紋波。拋開(kāi)常規(guī)的減小紋波的方法(如合理選擇電感、電容、電磁干擾(EMI)濾波器，設(shè)計(jì)印制板(PCB))不談，本文著重介紹一種通過(guò)選擇合理的電源拓?fù)鋪?lái)減小高壓電壓紋波的方案。

首先從普通的低壓分布式電源獲得啟發(fā)。低壓分布式電源實(shí)質(zhì)上是一種開(kāi)關(guān)電源與線性電源相結(jié)合的組合式電源。開(kāi)關(guān)電源部分的效率高，但紋波較大，而在其線性部分，線性穩(wěn)壓器件的壓降很低，這樣既可以降低損耗，從而達(dá)到提高效率的目的，又能減小整個(gè)輸出電源的紋波[3]。電路原理如圖1所示。

圖1實(shí)際是一個(gè)雙環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)為電壓的控制環(huán)，通過(guò)電壓負(fù)反饋來(lái)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)電源高壓變換部分的輸出，而內(nèi)環(huán)是通過(guò)控制調(diào)整管兩端的電壓降使得調(diào)整管的電壓降維持在一個(gè)固定值。

圖1電路的工作原理：假設(shè)輸入電壓逐漸升高，初始狀態(tài)時(shí)調(diào)整管為關(guān)斷狀態(tài)，當(dāng)Vs1與設(shè)定的基準(zhǔn)Vr1相等時(shí)，內(nèi)環(huán)開(kāi)始調(diào)整，使調(diào)整管開(kāi)通并保證管壓降維持在一個(gè)固定值，輸出繼續(xù)升高。隨著輸入電壓的持續(xù)升高，當(dāng)Vs2與設(shè)定的基準(zhǔn)Vr2相等時(shí)，外環(huán)開(kāi)始調(diào)整開(kāi)關(guān)電源，使開(kāi)關(guān)電源的輸出穩(wěn)定，從而使輸出保持不變。

根據(jù)此原理，設(shè)計(jì)負(fù)高壓電源的雙環(huán)控制原理圖如圖2所示。

電路的工作原理：假設(shè)輸入電壓從零升高，初始狀態(tài)時(shí)調(diào)整管為關(guān)斷狀態(tài)，管壓降是并聯(lián)在調(diào)整管D、S端電阻與取樣電阻分壓所得，當(dāng)Vs1與設(shè)定的基準(zhǔn)Vr1相等時(shí)，內(nèi)環(huán)開(kāi)始調(diào)整，使調(diào)整管開(kāi)通以保證管壓降維持在一個(gè)固定值。此時(shí)輸入電壓繼續(xù)升高，當(dāng)Vs2與設(shè)定的基準(zhǔn)Vr2相等時(shí)，外環(huán)開(kāi)始調(diào)整開(kāi)關(guān)電源，使開(kāi)關(guān)電源的輸出穩(wěn)定。為方便比較減小紋波的效果，50 Hz整流輸出的電容較小。

分別測(cè)量進(jìn)入穩(wěn)壓前以及進(jìn)入穩(wěn)壓后的波形，如圖3、圖4所示。

假設(shè)在t時(shí)刻，Δu↑，則引起的連鎖反應(yīng)是S↑→VGS↑→VDS↓→Vo↑。由此可見(jiàn)，VDS中的紋波同樣傳輸?shù)搅穗娫摧敵龆恕Ｖ庇^地來(lái)看，通過(guò)線穩(wěn)來(lái)減小紋波沒(méi)能實(shí)現(xiàn)的原因是內(nèi)環(huán)取樣的紋波并不能作為輸出紋波的取樣，兩者之間的相位關(guān)系如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)，兩者之間有相位差，指望這樣的取樣去很好地壓制紋波是不太現(xiàn)實(shí)的。

通過(guò)以上的試驗(yàn)和分析，重新設(shè)計(jì)電路，原理圖如圖6所示。

電路的工作原理：假設(shè)輸入電壓從零升高，初始狀態(tài)時(shí)調(diào)整管為開(kāi)通狀態(tài)，管壓降是并聯(lián)在調(diào)整管D、S端電阻與取樣電阻分壓所得，當(dāng)Vs1與設(shè)定的基準(zhǔn)Vr1相等時(shí)，線性穩(wěn)壓開(kāi)始調(diào)整，使輸出電壓穩(wěn)定。此時(shí)輸入電壓繼續(xù)升高，當(dāng)Vs2與設(shè)定的基準(zhǔn)Vr2相等時(shí)，開(kāi)始調(diào)整開(kāi)關(guān)電源，使管壓降保持穩(wěn)定。

此種電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是，當(dāng)開(kāi)關(guān)電源未進(jìn)入穩(wěn)壓時(shí)，有減小紋波的效果，但是在開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入穩(wěn)壓后，環(huán)路很容易振蕩。經(jīng)分析后認(rèn)為，還是由于Vs2的相位與C1兩端電壓的相位不符，造成前級(jí)調(diào)整始終沒(méi)有穩(wěn)態(tài)而引起整個(gè)2級(jí)的系統(tǒng)振蕩。

綜合以上2種電路，重新設(shè)計(jì)電路如圖7所示。

電路的工作原理：2個(gè)電壓基準(zhǔn)Vr1和Vr2相等，假設(shè)輸入電壓從零升高，初始狀態(tài)時(shí)調(diào)整管為開(kāi)通狀態(tài)，隨著輸入電壓的升高，輸出電壓在升高，|s2|也在升高，線性穩(wěn)壓首先進(jìn)入穩(wěn)壓狀態(tài)，隨著輸入電壓的繼續(xù)升高，管壓降在升高，輸出電壓不變，但是V1(C1兩端的電壓)在升高，所以|s1|也在升高，當(dāng)管壓降達(dá)到設(shè)定值時(shí)，開(kāi)關(guān)電源也進(jìn)入穩(wěn)壓狀態(tài)，由于N2的作用使得V1穩(wěn)定不變，即保持管壓降不變，從而使得輸出電壓穩(wěn)定。

由以上原理分析可知，2個(gè)取樣比需要仔細(xì)計(jì)算，以保證在電壓調(diào)整時(shí)管壓降不能超過(guò)調(diào)整管的反向耐壓值。

設(shè)調(diào)整管前取樣比為k1，調(diào)整管后取樣比為k2，由于Vr1和Vr2相等，Vr1=Vr2，所以：

(8)

可得：

(9)

則壓差VDS為：

(10)

同步電壓V2為-10 kV，設(shè)k2=1∶2 000，壓差為600 V，將V2、k2、VDS代入上式，求得k1=1:2 120。

由于分壓比相差較小，為保證取樣比的精度以及穩(wěn)定性，采用高壓分壓器代替串接電阻取樣。

電路測(cè)試波形如圖8所示。

由圖8和圖3、圖4對(duì)比可見(jiàn)(CH1為輸出波形)，紋波得到了有效減小，試驗(yàn)結(jié)果較為滿意。

此紋波下測(cè)得某相位一致行波管的相位波動(dòng)如圖9所示。

由圖9可見(jiàn)，由電源紋波引起的相位波動(dòng)在全頻帶內(nèi)在±2°左右，滿足指標(biāo)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

由上述可知，此方案可很好地減小高壓電源的輸出紋波，滿足工程應(yīng)用要求。但是任何形式的電路都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，此電路的優(yōu)點(diǎn)是可有效減小紋波，但是帶來(lái)的代價(jià)是降低了電源的效率和為保證可靠性而使系統(tǒng)復(fù)雜化。效率的降低是顯而易見(jiàn)的，因?yàn)樵黾恿苏{(diào)整管，但是由于管體的電流很小，因此效率的降低是有限和可容忍的。這個(gè)電路真正的關(guān)注點(diǎn)是當(dāng)真空器件發(fā)生“跳火”現(xiàn)象時(shí)，調(diào)整管是否能可靠工作,整個(gè)系統(tǒng)的過(guò)流過(guò)壓的保護(hù)速度以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)均會(huì)對(duì)電源的工程化應(yīng)用產(chǎn)生影響。

在對(duì)相位有嚴(yán)格要求的高性能設(shè)備中，例如高分辨率雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)、超寬帶雷達(dá)、多波束干擾系統(tǒng)設(shè)備等，此方案有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 鄭新，李新輝，潘厚忠，等.雷達(dá)發(fā)射機(jī)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2] 孫合敏，譚賢四，武文.電源紋波對(duì)相參雷達(dá)改善因子的影響[J].火力與指揮控制,2000,25(3):35-37.

[3] 祁煒，朱忠尼.線性分布式電源減少輸出紋波的一種控制方法[J].國(guó)際電子變壓器,2008(12):105-107.

Research into Reducing Output PARD of High-voltage Power Source

ZHANG Jun-ling,SUN Chao

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Along with the improvement of equipment performance,the influence of power source output periodic and random deviation (PARD) on equipment performance becomes more and more evidently.There are many ways to restrain the PARD of switching power source,the best effective way is to add low dropout regulator (LDO) after switching power source output.This paper introduces the method to add LDO to high-voltage power source.Theoretical analysis and actual test prove the validity of this method and favorable prospect of engineering application.

periodic and random deviation;traveling wave tube;high voltage power source;phase

2016-07-29

TM919

A

CN32-1413(2017)01-0095-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.01.021