论文部分内容阅读
【摘 要】现代相控阵雷达多采用天线阵面后接TR组件的布局，TR组件具有脉冲负载的特性，其供电模块的设计尤为重要。论文介绍了一种TR组件供电模块的设计方案和生产使用过程中的注意事项，并根据相应问题提出可行的工艺改进方案。
【Abstract】Modern phased array radars use the structure of the antenna assembly followed by the TR component. The TR component has the characteristics of pulse load， so the design of the power supply module is especially important. This paper introduces the design scheme of a TR component power supply module and the precautions in the production and use process， and proposes a feasible process improvement scheme according to the corresponding problems.
【關键词】雷达电源;生产工艺;改进
【Keywords】power for radar; production process; improvement
【中图分类号】TN957.2 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2019）10-0183-02
1 引言
相控阵技术在各种雷达中发挥了重要作用，成为备受关注的雷达体制。区别于传统的机械扫描天线，相控阵雷达的横截面小、扫描灵活，可以有效提高目标更新频率。有源相控阵雷达阵面上发射/接收（T/R）组件是雷达核心部件，因此，对于T/R组件的供电模块的设计就显得尤为重要。T/R组件需要稳定的低压直流供电，在发射时需要提供很大的电流用于发射功率输出，在接收时则仅需要较小的电流维持接收功率。随着雷达超远距离探测、高扫描精确度的要求，雷达需要的发射功率越来越大，要求电源系统的功率容量也越来越大，体积和质量却越来越小。因此，作为相控阵雷达的重要组成部分，相控阵雷达供电系统需要实现高功率密度、高可靠性及良好的动态特性[1，2]。
根据相控阵雷达的探测目标的不同，可以分为机动式和固定式两种，本文主要介绍的TR组件供电模块是用在固定式相控阵雷达上的[3]。
2 一种TR组件的供电系统
针对船用发电机的供电体系，TR组件的供电系统由三个部分组成：三相有源功率因素校正（APFC）部分、一次电源部分和二次电源部分。TR组件的供电模块特指二次电源部分。三相有源功率因素校正（APFC）部分有利于降低负载整体的无功分量，基本不消耗交流供电系统中无功功率，使得船用发电机基本是有功出力;一次电源部分将三相380V交流电经过APFC部分后输出630V直流电转换为便于二次电源使用的48V低压直流电;二次电源部分将48V直流电转化为8V的直流电，供砷化镓TR组件使用。该二次电源采用隔离式模式，单个二次电源供电输出电流可达50A，可供8个TR组件通道工作。采用这种供电模式的原因在于降低电能传输过程中的电流值，以降低热量损耗和降低传输导线中分布电感对电源动态性的影响，以提高电源的供电质量和可靠性[4-6]。
3 二次电源设计
二次电源的负载为砷化镓TR组件，组件的负载特性为脉冲性负载。脉冲负载定义是用电特性周期性瞬间突变，并维持一段时间后，迅速回到初始状态，峰值功率较高，但平均功率较小的负载。其脉冲周期通常为几十或数百毫秒，通过机电控制难以及时响应脉冲负载功率的变化，从而容易对供电系统造成电能质量问题。其中最常见、最严重的电能质量问题一是谐波电流的污染，二是由于无功供需不平衡造成的电压波动和闪变[7]。
3.1 电源的功率拓扑
二次电源部分常用拓扑有带同步整流有源钳位正激拓扑、带同步整流半桥谐振拓扑、带同步整流全桥拓扑、带同步整流BUCK降压拓扑等。由于该二次电源在使用过程中需要能够驱动8个TR组件通道工作，工作功率需要达到400W，全桥整流的结构虽然稍微复杂，但是其对能量的利用率更高，负载能力也比较强，所以选择隔离带同步整流全桥拓扑为功率拓扑。
3.2 电源的控制模式
电源的控制模式直接关系到电源的线性稳定度和负载稳定度[8]。线性稳定度是指电源输入电压突变时候输出电压的变化情况，负载稳定度是指电源负载突变时候输出电压的变化情况。开关电源的控制模式主要分为电压控制模式和电流控制模式[9]。在脉动负载的环境下，电流控制模式占主导地位，有利于提高电源的动态响应，降低输出电压的脉动。
3.3 电源的生产
二次电源由于配套TR组件使用，其尺寸受制于现场尺寸，最大厚度不可超过9mm。根据实际情况，电路板设计选择使用平面变压器技术，将变压器线包做到多层印制板中，并采用贴装磁芯的方法把二次电源模块尺寸做到满足工况需求。在生产调试过程中的关键过程就是磁芯的安装和磁芯和功率管的散热工艺。二次电源内部产生的热量需要通过二次电源金属外壳与水冷板接触传导散热，所以在满足绝缘的要求下做好二次电源内部的导热处理是电源生产装配的关键方面。在生产装配过程中，使用绝缘垫和导热硅脂做电源底部的导热处理，在电源顶部利用导热胶的全面灌封来解决导热问题。在灌胶时还得控制每台电源的重量。 4 针对出现问题的工艺改进措施
在电源模块过程中，个别模块出现了一些问题，主要分为输出电压过压故障和输出电压欠压故障。
4.1 输出电压过压故障
根据原理分析判断故障原因，二次电源采用的控制芯片为LM5045，该芯片为全桥PWM控制器集成MOSFET驱动器。根据稳压反馈环路原理，输出电压分压后与D7所设置的参考电压比较，当过压时，U6运放输出低，光耦导通，控制芯片调窄脉宽，输出电压降低，以此原理进行稳压。根据SD320-2M二次电源的辅助电源VCC产生的原理，U7的1和2脚，4和5脚分别接辅助绕组，通过整流管U7送给由Q9及D4组成的稳压电路，最后输出稳定的VCC辅助电压，供给芯片使用。SD320-2M二次电源的辅助电源SBIAS产生的原理与VCC产生的原理基本相同。
根据上述原理分析可知能够导致输出过压故障的因素有：控制芯片損坏，控制芯片不正常工作时，可能会导致各类问题，其中输出电压升高也是其中一种。稳压反馈环路的器件损坏，同样会导致输出电压不正常。辅助电源VCC不正常，如辅助电压VCC超出了芯片的工作范围，会导致输出电压不正常，在芯片手册上有明确说明。辅助电源SBIAS不正常，同样会导致反馈环路的正常工作，致使输出电压过压。
这样的故障发生过两次，一次是由于电容失效导致辅助电源SBIAS不正常，另外一次是由于稳压管失效辅助电源VCC不正常。从概率上来说是小概率事件，但是其造成的后果是不容小觑的，TR组件对于输入电压比较敏感，输入超过一定范围就会造成TR组件的损坏。所以在二次电源元器件筛选和出厂前的老炼是规避这一问题的有效手段。
4.2 输出电压过压故障
将相应故障的电源拆卸，发现输入电感的磁芯碎裂。碎裂的磁芯更换，加电检测电源，电源恢复正常输出。显而易见，导致电源电压输出过低的直接原因就是输入电感磁芯碎裂。
将磁芯贴装在多层印制板上时，磁芯与印制板之间还有些许空隙，磁芯碎裂的概率增大，根据该故障原因对现有装配工艺进行改进：在单板测试完成后用耐高温环氧树脂胶（3M-DP760）将磁芯和多层印制板粘结在一起，降低磁芯碎裂的几率，提高产品的可靠性。
5 结论
本文介绍一种现代相控阵雷达TR组件的供电模块及其所处的供电体制，并且结合生产实际和使用情况，分析电源模块生产和使用过程中存在的风险点和改进相关工艺以提高产品的可靠性。在其他TR组件的供电方案的设计和生产过程中具有一定的参考价值。
【参考文献】
【1】张光义，赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京：电子工业出版社，2006.
【2】张光义.相控阵雷达原理[M].北京：国防工业出版社，2009.
【3】张光义，赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京：电子工业出版社，2006.
【4】唐登平，张毅，汪根华.相控阵雷达阵面电源保护电路的研制[J].现代雷达，2009，31（5）：84-87.
【5】钱倩云，孙超，张峻岭.相控阵雷达的分布式供电设计[J].舰船电子工程，2016，36（10）：64-67.
【6】蒋华，陈善华.一种雷达阵面T/R供电模块的研究与实践[J].现代雷达，2012，34（7）：64-67.
【7】吕闯，解璞.脉冲性负载研究现状与展望[J].情报交流，2017（9）：70-73.
【8】双木.DC-DC变换器适应定制电源和分布供电需要[J].电子产品世界，1997（10）：60-61.
【9】程红.开关变换器建模、控制及其控制器的数字实现[M].北京：清华大学出版社，2013.
【Abstract】Modern phased array radars use the structure of the antenna assembly followed by the TR component. The TR component has the characteristics of pulse load， so the design of the power supply module is especially important. This paper introduces the design scheme of a TR component power supply module and the precautions in the production and use process， and proposes a feasible process improvement scheme according to the corresponding problems.
【關键词】雷达电源;生产工艺;改进
【Keywords】power for radar; production process; improvement
【中图分类号】TN957.2 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2019）10-0183-02
1 引言
相控阵技术在各种雷达中发挥了重要作用，成为备受关注的雷达体制。区别于传统的机械扫描天线，相控阵雷达的横截面小、扫描灵活，可以有效提高目标更新频率。有源相控阵雷达阵面上发射/接收（T/R）组件是雷达核心部件，因此，对于T/R组件的供电模块的设计就显得尤为重要。T/R组件需要稳定的低压直流供电，在发射时需要提供很大的电流用于发射功率输出，在接收时则仅需要较小的电流维持接收功率。随着雷达超远距离探测、高扫描精确度的要求，雷达需要的发射功率越来越大，要求电源系统的功率容量也越来越大，体积和质量却越来越小。因此，作为相控阵雷达的重要组成部分，相控阵雷达供电系统需要实现高功率密度、高可靠性及良好的动态特性[1，2]。
根据相控阵雷达的探测目标的不同，可以分为机动式和固定式两种，本文主要介绍的TR组件供电模块是用在固定式相控阵雷达上的[3]。
2 一种TR组件的供电系统
针对船用发电机的供电体系，TR组件的供电系统由三个部分组成：三相有源功率因素校正（APFC）部分、一次电源部分和二次电源部分。TR组件的供电模块特指二次电源部分。三相有源功率因素校正（APFC）部分有利于降低负载整体的无功分量，基本不消耗交流供电系统中无功功率，使得船用发电机基本是有功出力;一次电源部分将三相380V交流电经过APFC部分后输出630V直流电转换为便于二次电源使用的48V低压直流电;二次电源部分将48V直流电转化为8V的直流电，供砷化镓TR组件使用。该二次电源采用隔离式模式，单个二次电源供电输出电流可达50A，可供8个TR组件通道工作。采用这种供电模式的原因在于降低电能传输过程中的电流值，以降低热量损耗和降低传输导线中分布电感对电源动态性的影响，以提高电源的供电质量和可靠性[4-6]。
3 二次电源设计
二次电源的负载为砷化镓TR组件，组件的负载特性为脉冲性负载。脉冲负载定义是用电特性周期性瞬间突变，并维持一段时间后，迅速回到初始状态，峰值功率较高，但平均功率较小的负载。其脉冲周期通常为几十或数百毫秒，通过机电控制难以及时响应脉冲负载功率的变化，从而容易对供电系统造成电能质量问题。其中最常见、最严重的电能质量问题一是谐波电流的污染，二是由于无功供需不平衡造成的电压波动和闪变[7]。
3.1 电源的功率拓扑
二次电源部分常用拓扑有带同步整流有源钳位正激拓扑、带同步整流半桥谐振拓扑、带同步整流全桥拓扑、带同步整流BUCK降压拓扑等。由于该二次电源在使用过程中需要能够驱动8个TR组件通道工作，工作功率需要达到400W，全桥整流的结构虽然稍微复杂，但是其对能量的利用率更高，负载能力也比较强，所以选择隔离带同步整流全桥拓扑为功率拓扑。
3.2 电源的控制模式
电源的控制模式直接关系到电源的线性稳定度和负载稳定度[8]。线性稳定度是指电源输入电压突变时候输出电压的变化情况，负载稳定度是指电源负载突变时候输出电压的变化情况。开关电源的控制模式主要分为电压控制模式和电流控制模式[9]。在脉动负载的环境下，电流控制模式占主导地位，有利于提高电源的动态响应，降低输出电压的脉动。
3.3 电源的生产
二次电源由于配套TR组件使用，其尺寸受制于现场尺寸，最大厚度不可超过9mm。根据实际情况，电路板设计选择使用平面变压器技术，将变压器线包做到多层印制板中，并采用贴装磁芯的方法把二次电源模块尺寸做到满足工况需求。在生产调试过程中的关键过程就是磁芯的安装和磁芯和功率管的散热工艺。二次电源内部产生的热量需要通过二次电源金属外壳与水冷板接触传导散热，所以在满足绝缘的要求下做好二次电源内部的导热处理是电源生产装配的关键方面。在生产装配过程中，使用绝缘垫和导热硅脂做电源底部的导热处理，在电源顶部利用导热胶的全面灌封来解决导热问题。在灌胶时还得控制每台电源的重量。 4 针对出现问题的工艺改进措施
在电源模块过程中，个别模块出现了一些问题，主要分为输出电压过压故障和输出电压欠压故障。
4.1 输出电压过压故障
根据原理分析判断故障原因，二次电源采用的控制芯片为LM5045，该芯片为全桥PWM控制器集成MOSFET驱动器。根据稳压反馈环路原理，输出电压分压后与D7所设置的参考电压比较，当过压时，U6运放输出低，光耦导通，控制芯片调窄脉宽，输出电压降低，以此原理进行稳压。根据SD320-2M二次电源的辅助电源VCC产生的原理，U7的1和2脚，4和5脚分别接辅助绕组，通过整流管U7送给由Q9及D4组成的稳压电路，最后输出稳定的VCC辅助电压，供给芯片使用。SD320-2M二次电源的辅助电源SBIAS产生的原理与VCC产生的原理基本相同。
根据上述原理分析可知能够导致输出过压故障的因素有：控制芯片損坏，控制芯片不正常工作时，可能会导致各类问题，其中输出电压升高也是其中一种。稳压反馈环路的器件损坏，同样会导致输出电压不正常。辅助电源VCC不正常，如辅助电压VCC超出了芯片的工作范围，会导致输出电压不正常，在芯片手册上有明确说明。辅助电源SBIAS不正常，同样会导致反馈环路的正常工作，致使输出电压过压。
这样的故障发生过两次，一次是由于电容失效导致辅助电源SBIAS不正常，另外一次是由于稳压管失效辅助电源VCC不正常。从概率上来说是小概率事件，但是其造成的后果是不容小觑的，TR组件对于输入电压比较敏感，输入超过一定范围就会造成TR组件的损坏。所以在二次电源元器件筛选和出厂前的老炼是规避这一问题的有效手段。
4.2 输出电压过压故障
将相应故障的电源拆卸，发现输入电感的磁芯碎裂。碎裂的磁芯更换，加电检测电源，电源恢复正常输出。显而易见，导致电源电压输出过低的直接原因就是输入电感磁芯碎裂。
将磁芯贴装在多层印制板上时，磁芯与印制板之间还有些许空隙，磁芯碎裂的概率增大，根据该故障原因对现有装配工艺进行改进：在单板测试完成后用耐高温环氧树脂胶（3M-DP760）将磁芯和多层印制板粘结在一起，降低磁芯碎裂的几率，提高产品的可靠性。
5 结论
本文介绍一种现代相控阵雷达TR组件的供电模块及其所处的供电体制，并且结合生产实际和使用情况，分析电源模块生产和使用过程中存在的风险点和改进相关工艺以提高产品的可靠性。在其他TR组件的供电方案的设计和生产过程中具有一定的参考价值。
【参考文献】
【1】张光义，赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京：电子工业出版社，2006.
【2】张光义.相控阵雷达原理[M].北京：国防工业出版社，2009.
【3】张光义，赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京：电子工业出版社，2006.
【4】唐登平，张毅，汪根华.相控阵雷达阵面电源保护电路的研制[J].现代雷达，2009，31（5）：84-87.
【5】钱倩云，孙超，张峻岭.相控阵雷达的分布式供电设计[J].舰船电子工程，2016，36（10）：64-67.
【6】蒋华，陈善华.一种雷达阵面T/R供电模块的研究与实践[J].现代雷达，2012，34（7）：64-67.
【7】吕闯，解璞.脉冲性负载研究现状与展望[J].情报交流，2017（9）：70-73.
【8】双木.DC-DC变换器适应定制电源和分布供电需要[J].电子产品世界，1997（10）：60-61.
【9】程红.开关变换器建模、控制及其控制器的数字实现[M].北京：清华大学出版社，2013.