一種TR 組件供電模塊的設計與工藝改進

陳誠

（揚州海通電子科技有限公司，江蘇 揚州225001）

1 引言

相控陣技術在各種雷達中發揮了重要作用，成為備受關注的雷達體制。區別于傳統的機械掃描天線，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計就顯得尤為重要。T/R 組件需要穩定的低壓直流供電，在發射時需要提供很大的電流用于發射功率輸出，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，雷達需要的發射功率越來越大，要求電源系統的功率容量也越來越大，體積和質量卻越來越小。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需要實現高功率密度、高可靠性及良好的動態特性[1,2]。

根據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

針對船用發電機的供電體系，TR 組件的供電系統由三個部分組成：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中無功功率，使得船用發電機基本是有功出力；一次電源部分將三相380V 交流電經過APFC 部分后輸出630V 直流電轉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線中分布電感對電源動態性的影響，以提高電源的供電質量和可靠性[4-6]。

3 二次電源設計

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，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百毫秒，通過機電控制難以及時響應脈沖負載功率的變化，從而容易對供電系統造成電能質量問題。其中最常見、最嚴重的電能質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，全橋整流的結構雖然稍微復雜，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系到電源的線性穩定度和負載穩定度[8]。線性穩定度是指電源輸入電壓突變時候輸出電壓的變化情況，負載穩定度是指電源負載突變時候輸出電壓的變化情況。開關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]。在脈動負載的環境下，電流控制模式占主導地位，有利于提高電源的動態響應，降低輸出電壓的脈動。

3.3 電源的生產

二次電源由于配套TR 組件使用，其尺寸受制于現場尺寸，最大厚度不可超過9mm。根據實際情況，電路板設計選擇使用平面變壓器技術，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。在生產調試過程中的關鍵過程就是磁芯的安裝和磁芯和功率管的散熱工藝。二次電源內部產生的熱量需要通過二次電源金屬外殼與水冷板接觸傳導散熱，所以在滿足絕緣的要求下做好二次電源內部的導熱處理是電源生產裝配的關鍵方面。在生產裝配過程中，使用絕緣墊和導熱硅脂做電源底部的導熱處理，在電源頂部利用導熱膠的全面灌封來解決導熱問題。在灌膠時還得控制每臺電源的重量。

4 針對出現問題的工藝改進措施

在電源模塊過程中，個別模塊出現了一些問題，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 驅動器。根據穩壓反饋環路原理，輸出電壓分壓后與D7 所設置的參考電壓比較，當過壓時，U6 運放輸出低，光耦導通，控制芯片調窄脈寬，輸出電壓降低，以此原理進行穩壓。根據SD320-2M 二次電源的輔助電源VCC 產生的原理，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 組成的穩壓電路，最后輸出穩定的VCC 輔助電壓，供給芯片使用。SD320-2M 二次電源的輔助電源SBIAS 產生的原理與VCC 產生的原理基本相同。

根據上述原理分析可知能夠導致輸出過壓故障的因素有：控制芯片損壞，控制芯片不正常工作時，可能會導致各類問題，其中輸出電壓升高也是其中一種。穩壓反饋環路的器件損壞，同樣會導致輸出電壓不正常。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，同樣會導致反饋環路的正常工作，致使輸出電壓過壓。

這樣的故障發生過兩次，一次是由于電容失效導致輔助電源SBIAS 不正常，另外一次是由于穩壓管失效輔助電源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避這一問題的有效手段。

4.2 輸出電壓過壓故障

將相應故障的電源拆卸，發現輸入電感的磁芯碎裂。碎裂的磁芯更換，加電檢測電源，電源恢復正常輸出。顯而易見，導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，根據該故障原因對現有裝配工藝進行改進：在單板測試完成后用耐高溫環氧樹脂膠（3MDP760）將磁芯和多層印制板粘結在一起，降低磁芯碎裂的幾率，提高產品的可靠性。

5 結論

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