一種星載功放調制電源設計

2023-09-19 13:34:06李可

電子設計工程 2023年18期

李可

（1.中國電子科技集團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驗室，安徽合肥 230088）

隨著航天業務的高速發展，功放作為衛星載荷發射鏈路的核心部件，已廣泛應用于雷達、通信、遙感等衛星應用領域[1-2]。功放電源將衛星平臺一次母線所提供的直流電壓變換成功放工作所需的電壓，其穩定性、可靠性直接影響功放設備乃至發射鏈路工作的可靠性和性能指標的實現。同時，由于工作于衛星平臺，必須考慮星載環境的特殊性，既保證功放電源自身可靠工作，同時不會對其他星載設備造成干擾或者危害。

該文給出了某星載功放調制電源的詳細設計，在滿足性能指標要求的同時，保證了較高的可靠性和抗干擾能力。

1 設計要求

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，分別為3.5 s、10 s，也可為連續模式。

2 方案設計

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

圖1 功放調制電源組成框圖

其中，浪涌抑制電路用于防止功放調制電源啟動時，輸入浪涌電流過大對平臺一次母線造成危害；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，保證電源不受干擾正常工作；另一方面，抑制電源本身產生的EMI 信號，防止它進入輸入母線中，污染電磁環境，危害母線上的其他設備；遙控電路實現功放調制電源根據平臺離散脈沖指令工作；輸出調制電路實現功放電源按照輸入的調制脈沖信號時序、脈寬而輸出至功放[3-6]。

3 電路詳細設計

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 管實現。其工作原理：A、B 兩點連接遙控電路，當接收到電源加電指令時，A、B 兩點斷開，輸入電壓通過電阻R4給電容C1充電，電容C1上的電壓從0 V 逐漸上升，同時MOS 管M1 柵極電壓隨阻容設定的時間常數按指數曲線上升，當達到開啟電壓時，MOS 管M1 開啟并工作在線性區，避免開機瞬間電源輸入電容充電的浪涌電流對一次母線上其他設備造成干擾。啟動完成以后，MOS 管M1工作于開關區，通過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，可以通過式（1）選擇R4、C1的參數，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 開啟時間。

實物測試波形如圖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 的航天規范要求。

3.2 遙控電路

功放調制電源開關機受衛星平臺的2 路遙控離散指令控制，分別為電源加電、電源斷電。遙控指令信號為(28±1) V 的指令脈沖，脈沖持續時間為（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狀態；R1、R2為限流電阻，通常阻值為K1 線包阻抗的十分之一，從而防止指令負載端短路故障對衛星平臺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,在斷電時產生的反向電動勢[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。為了能夠更好地對兩種模式的噪聲進行有效抑制，應努力做到阻抗的最大不匹配。輸入濾波器采用一級共模和一級差模的組合設計，分別抑制共模干擾電流和差模干擾電流[10-11]。

當DC/DC 變換器中的MOSFET 管和整流二極管不停開通和關斷時，會產生很寬的頻譜分量，通過傅里葉計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數在下降。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鍵參數，這里一次諧波的頻率即為DC/DC 的開關頻率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。通過計算，濾波電路差模濾波部分采用了π型拓撲結構，截止頻率為7～500 kHz 時，會有102 dB 的衰減量。共模濾波設計只要保證共模截止頻率設計為比開關頻率低十倍就足夠。通過計算，共模濾波的截止頻率為16.2 kHz，遠低于開關頻率的十分之一——50 kHz。因此，EMI 濾波電路設計滿足電磁兼容規范要求。

3.4 DC/DC電路

目前，成熟的DC/DC 模塊產品具有高集成、小體積、高可靠性等特點，而且宇航級產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載變化的影響較小，同時，自身具有故障隔離和保護功能。因此，DC/DC 電路采用具有抗輻照指標的DC/DC 模塊為核心器件，外圍增加軟啟動電路、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 輸出調制電路

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

輸出調制電路如圖7 所示。調制脈沖輸入信號為TTL 高電平時，三極管V2 導通，MOS 管V3 柵極電壓建立，從而V3 導通，+10 V 電源輸出至功放，反之則V3 截止，功放無供電電壓，從而實現功放的脈沖調制供電。同時，該電路具有負壓保護功能，當功放-5 V 柵壓供電出現故障時，三極管V1 導通，從而將調制脈沖輸入+5 V 嵌位至V1CE，MOS 管V3 無法導通，從而保護功放不會損壞[14-16]。