由共模電感失效導致的電源重啟問題及解決措施

廖彥杰

（中國電子科技集團公司第十研究所，四川成都，610036）

0 引言

運用于某型運載火箭的箭載相控陣天線是基于中繼衛星的天基測量設備，用于中繼衛星用戶終端的波束指向和輻射。自首飛以來，已參加了多次飛行試驗，歷次飛行均圓滿完成了任務。

在某次飛行任務前的出廠測試中，進行地面模擬系統轉電過程時，表征相控陣天線T/R組件加電指示的遙測參數位由正常值“1”變為異常值“0”，持續約80ms后再恢復正常。通過基于FTA（故障樹分析）的方法和試驗驗證，可以確定導致相控陣天線在系統轉電過程中出現T/R組件掉電重啟的原因是電源濾波電路的共模電感繞組不一致，使得共模電感變成差模電感[1]，不能對系統轉電過程中產生的共模干擾進行有效濾除或抑制，由電源的時序控制電路重啟所致。本文對共模電感失效引起的相控陣天線T/R組件掉電重啟原因進行了分析，給出設計加固措施，并進行了試驗驗證。

1 相控陣天線電源工作原理

1.1 相控陣天線電源組成及工作原理

相控陣天線電源由電源濾波電路、DC/DC轉換電路、時序控制電路等組成。原理框圖如圖1所示。電源工作原理是將輸入的28V（25V～31V）電壓經過電源濾波后分別供給DC/DC3、DC/DC4、DC/DC5，DC/DC3產 生-5V電 壓，DC/DC4產生9V電壓，DC/DC5產生5V電壓。其中DC/DC3和DC/DC5提供給時序控制電路使用。另一路經過DC/DC1預穩壓模塊，再由DC/DC1預穩壓模塊穩壓后供給DC/DC2隔離模塊后產生10.5V電壓。依據加電時序要求，電源模塊供電開啟時先關斷10.5V輸出，再讓DC/DC3、DC/DC4、DC/DC5上電，當DC/DC3、DC/DC4、DC/DC5轉換完成后延遲幾十毫秒，通過DC/DC1使能端開啟10.5V輸出，以保護后級負載的供電安全。

圖1 相控陣天線電源原理框圖

1.2 時序控制及電壓產生電路組成及原理

時序控制及電壓產生電路組成如圖2所示。圖中經電壓產生電路輸出的10.5V電壓即為T/R組件的輸入供電電壓。

電源時序控制電路的工作原理為：上電時，輸入28V電壓通過電阻R21限流，經二級管驅動三極管Q8，使其CE間導通，此時PC電壓被拉低，使能關斷DC/DC1預穩壓模塊的電壓輸出，以至供給相控陣天線T/R組件的10.5V電壓也隨之關斷。如1.1所述，隨著DC/DC3和DC/DC5電壓正常啟動，光電隔離器U15開始工作，將二極管D2輸入端（A點）拉低，整個過程延遲約80ms，此時三極管Q8被關斷，PC端被置為高電平，打開DC/DC1預穩壓模塊的輸出，此時供給相控陣天線T/R組件的10.5V電壓產生輸出。

圖2 電源濾波、時序控制及電壓產生電路原理圖

2 故障定位與分析

通過建立故障樹，對故障進行定位和分析，確定故障為圖1中電源濾波電路的共模電感出現異常所致。

2.1 共模電感組成及原理

共模電感由磁芯和漆包線組成，示意圖如圖3所示。

圖3 共模電感示意圖

共模電感工作原理為：當工作電流流過兩個繞向相反線圈時，產生兩個相互抵消的磁場，此時工作電流主要受線圈歐姆電阻以及可忽略不計的工作頻率下小漏電感的阻尼，所以差模信號可以無衰減地通過。如果有共模電流流過線圈時，磁環中的磁通相互疊加，從而具有相當大的電感量，線圈即呈現出高阻抗，產生很強的阻尼效果，達到衰減干擾信號的作用。共模電感對于高頻共模噪聲呈現很大的阻抗，可以用來抑制共模電流干擾。

2.2 電源濾波電路分析

某型相控陣天線電源濾波電路有X線間電容、Y機殼電容、共模電感L1、差模電感L2所組成，原理框圖如圖2左上部分所示。

電路中的共模電感L1對共模干擾呈現很大的感抗，使之不易通過。差模電感L2能有效濾除超模干擾。X線間電容采用瓷片電容，容量范圍大致是0.01μF~0.47μF，主要用來濾除差模干擾。Y機殼電容主要跨接在輸出端，能有效的抑制共模干擾。Y機殼電容亦可并聯在輸入端，仍選用陶瓷電容，容量范圍是2200nF~0.1μF。為減小漏電流，電容量不得超過0.1μF，并且電容器中點應與大地接通[2][3]。

為便于定量分析，將共模干擾和差模干擾分開分析，分別計算各自等效電路的A參數矩陣[4]并得出對應的插入損耗。圖4與圖5分別給出了電源濾波電路在理想狀態下的共模等效電路和差模等效電路。

圖4 理想共模等效電路

圖5 理想差模等效電路

其中，LCM是等效共模電感，LDM是等效差模電感。

Le是繞制共模扼流圈時產生的不平衡漏電感，在濾除差模干擾信號時相當于差模電感的作用。一般情況下，L2<

故共模等效電路的A參數矩陣為：

由二端口網絡[5]的相關知識得到濾波器插入損耗的計算公式為[6]

其中，a11、a12、a21、a22為濾波器二端口網絡的A參數，ZS，ZL分別表示源阻抗和負載阻抗。

2.3 共模電感失效分析

相控陣天線電源工作頻率為300kHz，按共模衰減優于60dB，差模衰減優于80dB的要求，根據式（2-4）進行理論計算，共模電感量L1約為2.5mH，差模電感量L2約為12μH。由于共模電感繞制時，兩個繞組不對稱，一組為18匝，一組為20匝（圖3電感所示），該磁芯的電感系數為8100nH/N2，通過計算18匝的電感量約為2.624mH，20匝的電感量約為3 24mH[7]，與在進行故障分析時用測試儀器測試出的共模電感的兩個繞組的電感量2.6mH與3.2mH保持一致。盡管共模電感兩繞組電感均≥2.5mH，但由于兩繞組電感的差值Le已高達0.62mH，已不滿足Le<2L2和Le≤L1/100的條件。致使工作時共模電感磁芯出現飽和，此時共模電感等效于兩個差摸電感，對共模干擾信號抑制作用就會大大降低。

2.4 相控陣天線掉電重啟機理分析

為了進一步說明問題，模擬系統轉電過程進行電源切換試驗。當進行電源供電切換試驗時，在供電切換時刻會產生共模和差摸干擾，由于共模干擾信號抑制能力降低，產生的共模干擾影響到時序控制電路的正常工作，未抑制的共模干擾信號在三極管（等效于一個非門）的輸入端（圖2中的A點）產生一個電壓突跳，正常工作時A點為低電平，產生的電壓突跳致使三極管CE導通，從而使PC端置低，導致DC/DC1預穩壓模塊的電壓輸出關斷。約80ms后，PC端恢復為高電平，DC/DC1預穩壓模塊產生電壓輸出。該10.5V輸出電壓出現瞬間中斷的現象，與系統轉電試驗時故障現象一致。

通過對比測試對以上機理分析進行了驗證，在供電切換過程中正常電源模塊與故障電源模塊時序控制電路A點的輸出分別如圖6和圖7所示。

圖6 正常模塊A點波形

圖7 故障模塊A點波形

對比可以看出：輸入供電切換過程中，正常電源模塊三極管驅動端口A點沒有出現電壓突變，輸出10.5V沒有出現中斷；而故障電源模塊在A點電壓突變，輸出10.5V出現中斷和重啟的過程，與現場故障現象描述一致，驗證了機理分析的正確性。

綜上所述，整個故障的產生機理為：系統轉電產生的共模干擾，干擾通過電纜間和板間的感應耦合，由28V供電正負母線引入相控陣天線電源模塊。由于共模電感L1故障，導致電源濾波電路失去對共模干擾的抑制作用，干擾信號直接進入電源板（電壓產生電路）。分析圖2電路，電源板上10.5V電壓產生模塊的使能端（PC端），不具備任務濾波環節，抗干擾能力不足，導致10.5V電壓產生模塊重啟，從而輸出10.5V電壓中斷。最終表現為，相控陣天線T/R組件供電電壓掉電后重啟。

3 解決方法與驗證措施

3.1 解決方法

（1）方法1 共模電感改進法

設計上明確共模電感兩繞組匝數相同，均為20圈。且給出共模電感量的適宜范圍，2.5mH≤電感值≤4 mH。由Le≤L1/100得出兩繞組電感量的絕對差值應小于0.025mH。

（2）方法2 電容濾波法

在10.5V電壓產生模塊的使能端（PC端）增加0.1uF濾波電容對該共模干擾進行有效的濾除或抑制。

3.2 驗證措施

追溯之前所有批次成功進行飛行試驗的相控陣天線測試記錄，記錄顯示共模電感的兩繞組電感量均在（2.5mH，4mH）之間，且絕對差值均在0.025 mH之內。符合解決方法1的要求，按照方法1要求制作一共模電感（3.53 mH / 3.52 mH），原位替換掉失效共模電感（2.62 mH / 3.24 mH），進行供電切換試驗模擬系統轉電過程。總共進行了5組，每組20次的供電切換試驗，全部試驗表明相控陣天線T/R組件未出現掉電現象，相控陣天線工作正常。但使用失效共模電感，卻每次供電切換均出現T/R組件供電電壓重啟現象。充分驗證了方法1的措施有效性。

在不更換失效共模電感的前提下，采用方法2在10.5V電壓產生模塊的使能端(PC端)增加0.1uF濾波電容。同樣，進行5組，每組20次的供電切換試驗，測試結果為：相控陣天線T/R組件亦未出現掉電現象，相控陣天線工作正常。也充分驗證了方法2的措施有效性。

4 結束語

本文針對工程應用中某型箭載相控陣天線在電源轉電過程中出現的掉電重啟問題，對電源濾波電路的共模電感繞組差異造成的共模干擾，并隨之影響電壓產生電路進行了定量分析與詳細討論，給出了行之有效的解決方法和驗證措施。驗證結果表明，共模電感的繞組匝數和漏感量會對電源濾波電路帶來不可忽略的影響，抑制共模和差模干擾不是紙上談兵，在設計之初理應給予充分而高度的重視。本文結合工程實際案例所提出的關于共模電感抑制共模干擾的設計邊界加固思路，從實際工程應用中有較強的可借鑒性。