熱插拔技術在雷達功放組件中的應用

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

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

隨著當代雷達系統對大功率及寬脈寬工作條件的需求,雷達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,由于功放組件內有大量的儲能電容,如果進行帶電插拔操作,功放組件會產生極大的浪涌電流,有可能會損壞功放組件內部保險絲,造成外部電源模塊誤保護,甚至損壞電源模塊。

本文介紹了兩種熱插拔電路,第一種電路是串聯功率電阻式,第二種電路是調節開關管的工作狀態,兩種電路均可實現熱插拔功能。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,實現功放組件的在線更換。電源的負載一般分為阻性、容性和感性。功放組件內部存在大量儲能電容,屬于容性負載,電源作為一個閉環系統,只有在符合其要求的輸入和負載條件下才能正常工作。如同微波50 Ω系統一樣,如果負載不匹配,會造成電源和負載工作不正常甚至燒毀[2-3]。進行功放組件熱插拔時,電源端的母線電壓已經建立,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,產生的沖擊電流遠大于正常工作時的工作電流。沖擊電流會燒毀功放組件內部保險絲,觸發電源模塊自身的過流保護,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閾值和功放組件內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 熱插拔電路設計

2.1 串聯功率電阻限流法

串聯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定后,再控制MOS管導通,從而達到軟啟動效果。

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態值受R1、R2分壓,MOS開關管S極和D極之間仍存在壓差,若壓差較大,MOS開關管導通會產生大電流,則熱插拔電路無實際效果。所以當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電流不大的情況,即R2較大的情況下,若靜態電流大于一定值或保護電流小于一定值,無法選擇出合適的R1[2]。

2.2 串聯開關管限流法

串聯開關管限流法電路原理如圖2所示。

圖2 串聯開關管限流法電路原理

模式一:電源Vs串接MOS開關管Q1,Q1工作在驅動電壓1的狀態(工作在飽和區),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,驅動電壓2給出,Vgs=-10 V,保證MOS管完全導通,電路熱插拔完成。

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

2.3 電路優缺點分析

串聯開關管限流法電路相較于串聯功率電阻式電路,適用范圍更加廣泛,熱插拔沖擊電流僅與Q1開關管有關,與等效電阻R2值的大小無關,控制信號可通過單片機或其他數字電路給出。使用此方法需著重根據MOS開關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

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

電路要求如下:輸出電壓5 V,負載靜態電流3 A,負載端工作平均電流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開關管輸出,中間曲線為流過MOS開關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,持續時間6 ms,由于電源模塊輸出電流最大能達到23 A,所以啟動時不會影響電源模塊正常工作。查詢MOS開關管手冊資料,充電電流和持續時間也都在MOS開關管SOA范圍內,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,按照現有電路原理和實際負載情況,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,采用串聯開關管限流法電路可以在功放組件中實現熱插拔功能。

4 結語

熱插拔功能在雷達功放組件中的作用越來越大,本文通過調節開關管工作狀態,改變飽和區的最大通流能力,并通過仿真實驗驗證,實現熱插拔功能,該電路不需要額外增加功率電阻,可根據儲能電容數量和電源供電能力選擇合適的開關管,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。