一種TR組件供電模塊的設(shè)計(jì)與工藝改進(jìn)

陳誠(chéng)

【摘 要】現(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)多采用天線陣面后接TR組件的布局，TR組件具有脈沖負(fù)載的特性，其供電模塊的設(shè)計(jì)尤為重要。論文介紹了一種TR組件供電模塊的設(shè)計(jì)方案和生產(chǎn)使用過(guò)程中的注意事項(xiàng)，并根據(jù)相應(yīng)問(wèn)題提出可行的工藝改進(jìn)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(guān)鍵詞】雷達(dá)電源;生產(chǎn)工藝;改進(jìn)

【Keywords】power for radar; production process; improvement

【中圖分類號(hào)】TN957.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2019）10-0183-02

1 引言

相控陣技術(shù)在各種雷達(dá)中發(fā)揮了重要作用，成為備受關(guān)注的雷達(dá)體制。區(qū)別于傳統(tǒng)的機(jī)械掃描天線，相控陣?yán)走_(dá)的橫截面小、掃描靈活，可以有效提高目標(biāo)更新頻率。有源相控陣?yán)走_(dá)陣面上發(fā)射/接收（T/R）組件是雷達(dá)核心部件，因此，對(duì)于T/R組件的供電模塊的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。T/R組件需要穩(wěn)定的低壓直流供電，在發(fā)射時(shí)需要提供很大的電流用于發(fā)射功率輸出，在接收時(shí)則僅需要較小的電流維持接收功率。隨著雷達(dá)超遠(yuǎn)距離探測(cè)、高掃描精確度的要求，雷達(dá)需要的發(fā)射功率越來(lái)越大，要求電源系統(tǒng)的功率容量也越來(lái)越大，體積和質(zhì)量卻越來(lái)越小。因此，作為相控陣?yán)走_(dá)的重要組成部分，相控陣?yán)走_(dá)供電系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)高功率密度、高可靠性及良好的動(dòng)態(tài)特性[1，2]。

根據(jù)相控陣?yán)走_(dá)的探測(cè)目標(biāo)的不同，可以分為機(jī)動(dòng)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?yán)走_(dá)上的[3]。

2 一種TR組件的供電系統(tǒng)

針對(duì)船用發(fā)電機(jī)的供電體系，TR組件的供電系統(tǒng)由三個(gè)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(fù)載整體的無(wú)功分量，基本不消耗交流供電系統(tǒng)中無(wú)功功率，使得船用發(fā)電機(jī)基本是有功出力;一次電源部分將三相380V交流電經(jīng)過(guò)APFC部分后輸出630V直流電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(gè)二次電源供電輸出電流可達(dá)50A，可供8個(gè)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(guò)程中的電流值，以降低熱量損耗和降低傳輸導(dǎo)線中分布電感對(duì)電源動(dòng)態(tài)性的影響，以提高電源的供電質(zhì)量和可靠性[4-6]。

3 二次電源設(shè)計(jì)

二次電源的負(fù)載為砷化鎵TR組件，組件的負(fù)載特性為脈沖性負(fù)載。脈沖負(fù)載定義是用電特性周期性瞬間突變，并維持一段時(shí)間后，迅速回到初始狀態(tài)，峰值功率較高，但平均功率較小的負(fù)載。其脈沖周期通常為幾十或數(shù)百毫秒，通過(guò)機(jī)電控制難以及時(shí)響應(yīng)脈沖負(fù)載功率的變化，從而容易對(duì)供電系統(tǒng)造成電能質(zhì)量問(wèn)題。其中最常見(jiàn)、最嚴(yán)重的電能質(zhì)量問(wèn)題一是諧波電流的污染，二是由于無(wú)功供需不平衡造成的電壓波動(dòng)和閃變[7]。

3.1 電源的功率拓?fù)?/p>

二次電源部分常用拓?fù)溆袔秸饔性淬Q位正激拓?fù)?、帶同步整流半橋諧振拓?fù)洹秸魅珮蛲負(fù)?、帶同步整流BUCK降壓拓?fù)涞?。由于該二次電源在使用過(guò)程中需要能夠驅(qū)動(dòng)8個(gè)TR組件通道工作，工作功率需要達(dá)到400W，全橋整流的結(jié)構(gòu)雖然稍微復(fù)雜，但是其對(duì)能量的利用率更高，負(fù)載能力也比較強(qiáng)，所以選擇隔離帶同步整流全橋拓?fù)錇楣β释負(fù)洹?/p>

3.2 電源的控制模式

電源的控制模式直接關(guān)系到電源的線性穩(wěn)定度和負(fù)載穩(wěn)定度[8]。線性穩(wěn)定度是指電源輸入電壓突變時(shí)候輸出電壓的變化情況，負(fù)載穩(wěn)定度是指電源負(fù)載突變時(shí)候輸出電壓的變化情況。開(kāi)關(guān)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(dòng)負(fù)載的環(huán)境下，電流控制模式占主導(dǎo)地位，有利于提高電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，降低輸出電壓的脈動(dòng)。

3.3 電源的生產(chǎn)

二次電源由于配套TR組件使用，其尺寸受制于現(xiàn)場(chǎng)尺寸，最大厚度不可超過(guò)9mm。根據(jù)實(shí)際情況，電路板設(shè)計(jì)選擇使用平面變壓器技術(shù)，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(chǎn)調(diào)試過(guò)程中的關(guān)鍵過(guò)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(nèi)部產(chǎn)生的熱量需要通過(guò)二次電源金屬外殼與水冷板接觸傳導(dǎo)散熱，所以在滿足絕緣的要求下做好二次電源內(nèi)部的導(dǎo)熱處理是電源生產(chǎn)裝配的關(guān)鍵方面。在生產(chǎn)裝配過(guò)程中，使用絕緣墊和導(dǎo)熱硅脂做電源底部的導(dǎo)熱處理，在電源頂部利用導(dǎo)熱膠的全面灌封來(lái)解決導(dǎo)熱問(wèn)題。在灌膠時(shí)還得控制每臺(tái)電源的重量。

4 針對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題的工藝改進(jìn)措施

在電源模塊過(guò)程中，個(gè)別模塊出現(xiàn)了一些問(wèn)題，主要分為輸出電壓過(guò)壓故障和輸出電壓欠壓故障。

4.1 輸出電壓過(guò)壓故障

根據(jù)原理分析判斷故障原因，二次電源采用的控制芯片為L(zhǎng)M5045，該芯片為全橋PWM控制器集成MOSFET驅(qū)動(dòng)器。根據(jù)穩(wěn)壓反饋環(huán)路原理，輸出電壓分壓后與D7所設(shè)置的參考電壓比較，當(dāng)過(guò)壓時(shí)，U6運(yùn)放輸出低，光耦導(dǎo)通，控制芯片調(diào)窄脈寬，輸出電壓降低，以此原理進(jìn)行穩(wěn)壓。根據(jù)SD320-2M二次電源的輔助電源VCC產(chǎn)生的原理，U7的1和2腳，4和5腳分別接輔助繞組，通過(guò)整流管U7送給由Q9及D4組成的穩(wěn)壓電路，最后輸出穩(wěn)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(chǎn)生的原理與VCC產(chǎn)生的原理基本相同。

根據(jù)上述原理分析可知能夠?qū)е螺敵鲞^(guò)壓故障的因素有：控制芯片損壞，控制芯片不正常工作時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致各類問(wèn)題，其中輸出電壓升高也是其中一種。穩(wěn)壓反饋環(huán)路的器件損壞，同樣會(huì)導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致輸出電壓不正常，在芯片手冊(cè)上有明確說(shuō)明。輔助電源SBIAS不正常，同樣會(huì)導(dǎo)致反饋環(huán)路的正常工作，致使輸出電壓過(guò)壓。

這樣的故障發(fā)生過(guò)兩次，一次是由于電容失效導(dǎo)致輔助電源SBIAS不正常，另外一次是由于穩(wěn)壓管失效輔助電源VCC不正常。從概率上來(lái)說(shuō)是小概率事件，但是其造成的后果是不容小覷的，TR組件對(duì)于輸入電壓比較敏感，輸入超過(guò)一定范圍就會(huì)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(guī)避這一問(wèn)題的有效手段。

4.2 輸出電壓過(guò)壓故障

將相應(yīng)故障的電源拆卸，發(fā)現(xiàn)輸入電感的磁芯碎裂。碎裂的磁芯更換，加電檢測(cè)電源，電源恢復(fù)正常輸出。顯而易見(jiàn)，導(dǎo)致電源電壓輸出過(guò)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(shí)，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(jù)該故障原因?qū)ΜF(xiàn)有裝配工藝進(jìn)行改進(jìn)：在單板測(cè)試完成后用耐高溫環(huán)氧樹(shù)脂膠（3M-DP760）將磁芯和多層印制板粘結(jié)在一起，降低磁芯碎裂的幾率，提高產(chǎn)品的可靠性。

5 結(jié)論

本文介紹一種現(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)TR組件的供電模塊及其所處的供電體制，并且結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際和使用情況，分析電源模塊生產(chǎn)和使用過(guò)程中存在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和改進(jìn)相關(guān)工藝以提高產(chǎn)品的可靠性。在其他TR組件的供電方案的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中具有一定的參考價(jià)值。

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