INDRA二次雷達(dá)收發(fā)機(jī)電源模塊優(yōu)化

都佰勝

摘要

INDRA二次雷達(dá)自安裝運(yùn)行以來，收發(fā)機(jī)電源模塊頻繁出現(xiàn)故障，嚴(yán)重影響設(shè)備正常保障。由于雷達(dá)廠家沒有提供詳細(xì)的電源模塊資料及電路原理圖，送修費(fèi)用昂貴，周期長，給一線運(yùn)行維護(hù)工作造成了不便。本文通過對(duì)英德拉二次雷達(dá)收發(fā)機(jī)電源模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，利用成熟的開關(guān)電源理論知識(shí)，對(duì)+/-15V電源模塊進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)優(yōu)化，有效提高了電源模塊的穩(wěn)定性和可靠性。

【關(guān)鍵詞】INDRA雷達(dá) 開關(guān)電源 濾波整流光耦反饋

IRS-20MP/L二次雷達(dá)系統(tǒng)是由INDRA公司生產(chǎn)的常規(guī)A/C模式雷達(dá)，國內(nèi)安裝現(xiàn)場(chǎng)比較少，技術(shù)支持能力有限。咸陽機(jī)場(chǎng)的INDRA常規(guī)A/C模式二次雷達(dá)承擔(dān)著陜西管制區(qū)內(nèi)的雷達(dá)監(jiān)視保障，隨著近年來咸陽機(jī)場(chǎng)航班量的快速增長，雷達(dá)監(jiān)視設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行的安全保障壓力顯著增加。電源模塊作為雷達(dá)設(shè)備的關(guān)鍵部件，為整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)中多個(gè)部件提供電源供應(yīng)，一套成熟穩(wěn)定可靠的電源模塊對(duì)雷達(dá)設(shè)備的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要作用。

1 INDRA收發(fā)電源模塊簡(jiǎn)介

INDRA常規(guī)A/C模式雷達(dá)收發(fā)機(jī)電源采用模塊化開關(guān)電源，主要由+50V、+15V、-15V、+5V組成，為雷達(dá)發(fā)射機(jī)（MTX）、接收機(jī)（MRX）和收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊（MCT）提供電源供應(yīng)，如圖1所示。

該套電源中+/-15V模塊故障率最高，可靠性和穩(wěn)定性比較差。利用儀器儀表繪制電路原理圖，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)電源模塊結(jié)構(gòu)是完全相同的，只是在輸出端進(jìn)行反接形成+/-15V。經(jīng)過一系列的分析測(cè)試，+/-15V電源模塊的設(shè)計(jì)理念比較落后，集成芯片容易燒毀，元器件穩(wěn)定性較差，負(fù)載能力較弱。

2 開關(guān)電源設(shè)計(jì)

針對(duì)INDRA收發(fā)機(jī)電源模塊的故障發(fā)生情況，對(duì)其中+/-15V開關(guān)電源重新進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，整個(gè)設(shè)計(jì)分為輸入整流濾波、單片開關(guān)電源、漏極鉗位保護(hù)、高壓變頻器、輸出整流濾波器、光耦反饋電路和偏置電路若干模塊，相對(duì)于INDRA收發(fā)機(jī)電源模塊，在設(shè)計(jì)方案、性能指標(biāo)和產(chǎn)品可靠性等方面有了較大提高。

2.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

濾波的主要功能是對(duì)輸入電源噪聲及雜波信號(hào)進(jìn)行抑制，防止對(duì)電源干擾，同時(shí)也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對(duì)電網(wǎng)干擾。圖3為輸入濾波電路，其中FS1、FS2保險(xiǎn)絲，具有熔點(diǎn)低、電阻率高及熔斷速度快的特點(diǎn)，一旦發(fā)生故障，通過保險(xiǎn)絲的電流超過的熔斷電流，保險(xiǎn)絲就被熔斷，將輸入電路切斷，從而起到過電流保護(hù)作用。RT1為熱敏電阻，開關(guān)電源剛通電時(shí)濾波電容上的壓降不能突變，容抗接近0，所以瞬間充電電流很大，很容易損壞電解電容。接入熱敏電阻后，剛通電時(shí)限流效果好，伴隨著電流通過發(fā)出的熱量，電阻值迅速減小，功耗明顯降低。C1、LF1、C5組成雙π型濾波網(wǎng)絡(luò)，是EMI濾波器的主體。LF1為共模電感，可以有效抑制來自電網(wǎng)的共模干擾。C1、C5為差模濾波電容，可濾除電網(wǎng)尖峰電壓。C3、C4為安全電容，其另一端接地。C3、C4具有濾除電網(wǎng)共模和差模干擾雙重作用。R1、R2為泄放電阻，電源斷電后可將C1、C5上積累的電荷泄放掉，使電源進(jìn)線端的L、N不帶電，保證使用安全。

相對(duì)于INDRA收發(fā)電源，在火線和零線上均使用了保險(xiǎn)絲，泄放電阻采用兩個(gè)電阻串聯(lián)方式的方式提高了產(chǎn)品的安全性和可靠性。

圖4中電阻電容二極管模塊（R4/R5/C7/C8/ZD1）為尖峰電壓吸收電路。當(dāng)開關(guān)電源的功率MOSFET由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，在高頻變壓器初級(jí)側(cè)繞組上會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓和感應(yīng)電壓。尖峰電壓與直流輸入電壓和感應(yīng)電壓疊加后施加到MOSFET漏極，很容易損壞開關(guān)電源功率MOSFET。本方案使用了TVS、組容吸收元件、阻尼電阻和阻塞二極管構(gòu)成的鉗位和緩沖吸收電路，充分發(fā)揮TVS響應(yīng)速度快、可承受瞬態(tài)高能量脈沖的優(yōu)點(diǎn)，并且還增加了RC吸收回路，可以顯著地降低尖峰電壓幅度和減小電壓波形的變化率，更好保護(hù)功率開關(guān)管。

圖5中的反饋電路使用TL431型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器構(gòu)成外部誤差放大器，對(duì)輸出電壓U_o作精細(xì)調(diào)整。當(dāng)輸出電壓U_o發(fā)生波動(dòng)時(shí)，經(jīng)電阻8123、8124和SVRI分壓后得到的取樣電壓與TL431中的2.5V帶隙基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，在管腳2上形成誤差電壓，使光耦合器中的LED工作電流產(chǎn)生變化，再通過光耦合器去調(diào)節(jié)PWM芯片輸出脈沖波形的占空比，使U_o維持不變，達(dá)到穩(wěn)壓目的。R120是光耦LED限流電阻，R121是TL431的偏置電阻，使TL431流過合適的工作電流，改善其穩(wěn)壓性能。8122、C120為環(huán)路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，可防止穩(wěn)壓環(huán)路產(chǎn)生振蕩。

圖6中的輸出電路使用了快速恢復(fù)二極管，它具有開關(guān)特性好、反向恢復(fù)時(shí)間短、正向電流大、體積小、安裝簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。在二極管兩端并聯(lián)電阻和電容可以防止二極管在開關(guān)狀態(tài)下產(chǎn)生自激振蕩，并抑制射頻干擾。C105、C106、L100和C110組成二階濾波器，對(duì)輸出電壓進(jìn)行濾波。R109泄放電阻，當(dāng)輸出斷電后電容中存儲(chǔ)的電荷通過R109慢慢釋放掉。

INDRA收發(fā)電源的輸出整流管使用了單管，本方案采用了共陰對(duì)管，特點(diǎn)是共陰對(duì)管整流電流大，并且在一個(gè)整流管損壞的情況下，另外一個(gè)整流管仍可以正常工作。

2.2 性能指標(biāo)提升

INDRA電源模塊指標(biāo)與新設(shè)計(jì)方案指標(biāo)對(duì)比如表1所示。從表中可知，新方案在負(fù)載調(diào)整率、紋波系數(shù)與INDRA電源模塊保持一致的基礎(chǔ)上，提高了電壓調(diào)整率和輸出電流。電壓調(diào)整率指標(biāo)的提高有利于電源模塊在電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)保持穩(wěn)定的輸出，不會(huì)對(duì)負(fù)載造成損傷。較大的輸出電流提高了電源模塊的輸出功率和抗浪涌能力，在負(fù)載變化較大或者負(fù)載開關(guān)的瞬間不會(huì)因?yàn)檩^大浪涌電流出現(xiàn)對(duì)電源模塊造成損傷。

2.3 產(chǎn)品可靠度提升

INDRA電源未使用表貼元器件，而新方案中共使用了26個(gè)貼片電阻和電容，整個(gè)開關(guān)電源的重量降低了40%，如表2所示。體積保持不變，降低重量，意味著新方案中各個(gè)元器件之間間隔變大，散熱通風(fēng)效果更好，有利于提高產(chǎn)品的可靠性，延長產(chǎn)品使用壽命。另外INDRA開關(guān)電源中使用了4個(gè)直插二極管組成了橋式整流器和保險(xiǎn)絲管，本方案采用了集成芯片和集成保險(xiǎn)絲，節(jié)省空間的同時(shí)提高了產(chǎn)品的可靠性。

3 開關(guān)電源測(cè)試

3.1 電源測(cè)試框圖及設(shè)備

圖7為開關(guān)電源測(cè)試框圖，隔離變壓器將被測(cè)開關(guān)電源與電網(wǎng)電氣隔離，便于接入示波器探頭;自耦調(diào)壓器用于調(diào)節(jié)開關(guān)電源的輸入電壓;示波器用來觀測(cè)開關(guān)電源的波形;萬用表可以測(cè)量交流、直流電壓和電流;電子負(fù)載可以方便的調(diào)節(jié)負(fù)載，讀出開關(guān)電源的電流與電壓。

3.2 開關(guān)電源性能指標(biāo)

根據(jù)開關(guān)電源性能指標(biāo)參數(shù)的測(cè)試方法，對(duì)新方案的開關(guān)電源進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示，結(jié)合電源性能指標(biāo)計(jì)算公式，得到電源性能指標(biāo)，如表4所示。實(shí)際使用中INDRA電源消耗的電流小于2.5A，因此部分指標(biāo)數(shù)據(jù)是在輸出電流為3A的條件下測(cè)試得到。

4 結(jié)束語

（1）該電源模塊具有輸出紋波低、輸出電阻小、輸出電壓可調(diào)、輸出功率大、散熱良好等特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過程中在火線和零線上均安裝了保險(xiǎn)絲，較多地采用了成熟可靠穩(wěn)定的集成芯片，降低英德拉二次雷達(dá)發(fā)射機(jī)電源模塊的故障率，提高設(shè)備的安全運(yùn)行;

（2）電源模塊具有很好的維護(hù)性，板卡出現(xiàn)問題可以內(nèi)部排查解決，提高產(chǎn)品修復(fù)時(shí)效性，節(jié)省了電源模塊的維修費(fèi)用，同時(shí)隨著雷達(dá)設(shè)備使用時(shí)間的增加，降低維護(hù)成本，降低對(duì)國外設(shè)備廠商的依賴程度;

（3）全國同類雷達(dá)設(shè)備可以進(jìn)行借鑒，對(duì)電源進(jìn)行優(yōu)化改造;

（4）該電源模塊在技術(shù)和工程方面實(shí)現(xiàn)220V交流電轉(zhuǎn)+/-15V直流電的功能，在適當(dāng)修改變壓器、濾波電容等元器件的基礎(chǔ)上，可以擴(kuò)展到220VAC轉(zhuǎn)+12VDC、+5VDC、+24VDC等多種輸出的開關(guān)電源板，具有很好的可擴(kuò)展性。

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