DC-DC电源模块在数字阵列雷达的应用方案

1 引言

数字阵列雷达是一种全新体制的雷达，它是由天线单元、数字阵列模块(DAM)、参考时钟、大容量数据传输系统、信号处理机和显示系统组成。其中DAM 是数字阵列雷达的核心，它包括分布式频率源、l6个T／R组件以及数字采集与数字信号产生等，将传统的接收与发射集成为一个整体，是一个完整的雷达传感器单元。

由于DAM 在数字阵列雷达中起到关键作用，因此其供电问题就显得尤为重要。目前常用的供电方式是集中式供电方式，如图l所示。即将输入的220V交流电直接变换成DAM 所需的各种规格的直流电压，再通过电缆将这些电压传输至DAM内的各个T／R组件和其相关电路。集中供电方式存在以下不足：

(1)发热集中，散热较难处理；

(2)线路压降大；

(3)动态响应差；

(4)系统可靠性低，一旦电源出现故障，整个DAM 都不能工作；

(5)可扩充性差。

针对以上不足，我们提出了DAM 的分布式供电方式，如图2所示。即先将220V交流电变换成36V直流电，然后通过电缆将36 V直流电传输至各DAM，最终在DAM 内部用DC—DC电源模块将输入的36 V直流电变换成T／R组件和其相关电路所需的各种电压。采用分布式供电有以下优点：

(1)单个电源模块发热量低且分散；

(2)36 V直流电电压传输，线路压降小；

(3)动态响应好；

(4)系统可靠性高，单个电源模块出现故障，对整个DAM 的影响很小；

(5)可扩充性好。

由于已有220V交流电变成36V 直流电的标准电源，因此DAM 分布式供电电源的设计难点集中在数字阵列模块(DAM)内部的DC—DC模块的设计。本文即针对该DAM 用DC—DC模块，分析其设计难点，给出技术方案，并重点讨论了如何提高电源模块的动态响应速度。

2 DC—DC电源模块技术方案

2．1 主要技术指标与难点分析

在本系统的DAM 中，对分布式DC-DC电源模块的基本要求如下：

输入电压：36V直流电(30~40V直流电)

输出：+10V，6A(脉冲输出，大占空比10 ，周期3 ms，即大脉冲时间300μs)

+5V，0．2 A(脉冲输出，大占空比90%，周期3ms，即大脉冲时间2700μs)

+5V，0．6A(连续输出)

+3．3V，0．4A(连续输出)

输出纹波和噪声10V：≤100mV

5V，3．3V：≤ 50mV

由技术指标可以看出，与常规电源相比，该DAM 用模块电源的设计难点表现在：

(1)具有脉冲输出功能；

(2)对输出脉冲的波形质量要求高，表现在输出脉冲与控制脉冲的延迟小(≤200ns)、输出脉冲的上升沿快(≤200ns)、脉冲展宽小(≤3μs)以及输出噪声小等；

(3)雷达脉冲电流的负载特性和低的输出纹波要求，需要模块电源有良好的动态性能；

(4)模块的电磁兼容性要求较高。由于电源模块工作于DAM 内部，必须防止模块的高频开关噪声干扰DAM 正常工作；

(5)模块的结构和热设计是模块设计的又一难点。由于DAM 内部空间有限，要求模块实现小体积和高功率密度，这对模块散热提出了更高的要求。

2．2 技术方案

由于电源模块为多路输出，输出电压低于输入，并要求有脉冲调制输出功能，输出脉冲电流较大；同时，考虑到DAM 内部电路还要使用输入电压36V，因此电源的主电路应采用可靠的非隔离式电路拓扑。为了满足DAM 内部较小的特殊结构尺寸，应通过高频化来有效地减小滤波元件，从而减小电源体积，国内这类电源中电华星做的比较好。基于上述考虑，本电源模块采用了LM5575为控制芯片的Buck电路的拓扑结构，开关频率选定在440 kHz。模块的原理框图如图3所示，功率处理分为两大部分：

(1)多个PWM 控制Buck变换器实现多路稳定的输出电压变换；

(2)脉冲调制电路实现脉冲输出。

3 DC—DC电源模块的关键技术

结合难点分析，针对电源模块以下关键技术进行论述：

(1)如何实现电源模块的快速动态性能；

(2)如何实现边沿陡、延迟小的脉冲调制输出；

(3)如何减小电磁干扰。

3．1 闭环设计

由图3可知，要保证输出直流电压稳定、输出脉冲顶降小，需要DC-DC变换器的输出特性好，稳态精度高；有很好的动态特性，及时响应平均负载变化；有良好的抗脉冲负载干扰能力。因此，恰当的变换器的反馈校正网络的选择和正确设计显得尤为重要。

前级DC-DC的反馈控制原理如图4所示。

图中，G(s)，H(s)分别为功率变换与反馈网络部分的传递函数，则G(s)H(s)被称为闭环系统的开环环益。

稳定工作是闭环设计的基本要求。根据频域的稳定判据 ]，为使电源稳定，应保证穿越频率处，即闭环增益201g l HG l=0点，变换器的补偿后环益传递函数的相位Iφl< 180。采用平均法，考虑输出电容ESR的影响建立Buck变换器的小信号模型，并考虑到PWM 调制比k1、输出电压的采样系数k2，得到功率电路的传递函数满足：

式中，L、C、R分别为Buck变换器的输出滤波电感、输出滤波电容和负载等效电阻；Resr为输出电容的ESR。

将实际电路参数Vin=36V、L=6μH、C=330μF、k1=0．25、k2=0．25、Resr=50mΩ、R=1．667Ω代人式(1)，可得到Buck变换器未补偿前的幅相曲线如图5所示。

显然，未补偿的Buck变换器低频增益较小，存在稳态误差；；在fp=1／(27πLC)(实际为3．577kHz）具有二阶极点，需要引入补偿环节。目前常用的反馈校正网络有3种：I型、Ⅱ型和III型。I型为常规的PI补偿；Ⅱ型在I型的基础上增加了高频极点，提高了高频抗扰能力；III型为PID补偿器，增加零点，提供相位补偿。根据开环Buck电路的特性和应用场合，我们要提高低频增益，同时提高高频段的抗干扰能力，因此选择Ⅱ型校正网络，其具体电路如图6(a)所示，波特图如图6(b)所示。

传递函数为

由图6可见，该网络具有两个极点fp1，fp2，一个零点 fz其中，

fp1有助于提高闭环电路的低频增益，保证稳态无差别。用fz来补偿主电路的二阶极点fp=1／(2nLC)，保证闭环系统稳定并有恰当的相角裕度来同时保证快的动态性能。fp2极点用于抑制高频噪声影响，其位置设定在远离整个环路的穿越频率，以避免影响环路的稳定性。实际上通常放在开关频率附近，保证补偿后高频段呈每十倍频40dB衰减，有良好的抗扰特性。

具体补偿参数的设计过程如下：①根据图5给出的开环特性曲线，取R1=1kΩ，令补偿后环益的穿越频率为15kHz，计算求得R2=4KΩ，实际选取3．9 kΩ；② 令fz=1 kHz(低于主电路的二阶极点)，计算得C1=0．04μF，实际选取C1=0．033μF；③ 令fp2=440kHz(即开关频率)，计算得C2=92pF，实际选取C2=88pF(用68pF和20pF并联)。则补偿后的系统环益的频率特性曲线如图7所示，图中实线为补偿后的频率特性曲线、虚线为未加补偿网络的频率特性曲线。显然，补偿后的低频增益明显增大，有利于提高稳态精度；穿越频率为15kHz，达到设计的预期要求；相角裕度为180°-139°=41°，具有较好的稳态精度和动态性能。实际带额定脉冲电流输出时，连续输出端纹波Vp-p≤30mV，远小于设计要求。

3．2 脉冲调制输出

脉冲调制输出电路由储能电容C、电子开关(调制管)V和脉冲驱动电路组成，如图8所示。由于脉冲输出电流大于功率电路设计的额定电流，为防止电感瞬间饱和，避免后级过大的脉冲电流引起电容电压顶降过大影响输出电压特性(5 V脉冲输出和5 V连续输出共用PWM 变换器)，并保证输出脉冲波形的保真度，需要在调制电路输入侧配置一定容量的电容，实现脉冲调制环节和前级PWM DC-DC变换电路的负载隔离，改善调制电路的响应速度，使得输出脉冲波形在顶降、脉冲展宽、上升时间、输出延迟时间等指标上能够满足设计要求。TTL调制信号通过驱动电路对电源输出进行开关控制，实现输出功率脉冲对TTL 信号的跟随，完成对直流功率的调制功能。下面结合本电源中10V脉冲输出电路，给出储能电容和驱动电路的设计依据。

本电源10 V 脉冲输出指标为占空比10%、脉冲周期3ms、脉冲电流6A、顶降≤0．5V，延迟时间≤200ns、上升时间≤200ns、脉冲展宽≤3μs。

3．2．1 储能电容容量计算

脉冲输出时间很短，因此可以近似认为储能电容放电电流恒定。由于后级输出脉冲电流远远大于前级滤波电感电流，所以储能电容放电电流近似等于输出脉冲电流。脉冲输出时，输出电压顶降满足：

式中，△u为输出电压顶降；△t为输出脉冲时间；i为输出脉冲电流。

将10 V 脉冲输出对应的指标△u≤ 0．5 V、△t=300 s、i=6A代人式(6)计算可得出储能电容值为C=3 600μF。

考虑到电容放电效率等影响因素，实际选用时，增加10%的裕量，则实际使用的电容容量为3 960μF。

如图9所示，10 V脉冲输出在额定脉冲电流情况下，实测顶降为0．48V，小于0．5V 的设计要求。容量选取恰当合理。

3．2．2 目制电路设计

如图8所示，电路中电子开关V 采用功率MOS管，由于MOS管存在寄生电容，将会导致脉冲输出电流较大时，延迟时间、上升时问、脉冲展宽等难以满足设计要求。因此我们在设计时，应特别注意驱动电路的设计，一方面提高驱动电路的驱动电流能力，保证V快速开通，减小驱动延迟；同时布板时尽量减小驱动引线电感，保证高速驱动效果。图10、图11和图12分别给出10 V脉冲的输出延迟时间(56ns)、脉冲上升时间(100ns)以及脉冲展宽(2μs)实验波形，输出波形满足了设计指标要求。

3．3 电磁兼容的设计

为了减小滤波元件的体积，本电源模块的开关频率较高，为440kHz。高频化同时也带来了高频电磁干扰问题，特别是开关频率的谐波部分以及开关管上的电压尖峰部分的频率很容易干扰到DAM 中的T／R电路。

为了抑制辐射噪声，实际采取了以下具体措施：① 电路上，在开关元件上加入尖峰能量吸收电路。② 布线时，采用6层PCB结构，将各功率信号层之间采用地层隔离，保证噪声电流有效地耦合到地线上。同时，尽量减小功率回路的面积，最大限度地减小辐射噪声。③ 在磁性元件上，采用铜皮屏蔽，有效抑制了电磁辐射。④ 电源模块采用全密封的外壳，也大大减小了辐射干扰。

针对传导噪声，在电源模块输入端增加大容量的储能电容、共模电感和差模电容，有效地抑制了输入端的传导干扰。在电源模块输出端，通过优化反馈电路和改善输出端的滤波器常数，提高电源的动态响应并降低输出电压的纹波和噪声；同时，还在输出端口串接高频磁珠，抑制输出端的传导噪声。

4 模块的结构和热设计

为满足DAM 内部有限的空间要求，本模块的管壳设计成85 mm×32 mmx 11．5 mm的尺寸；同时采用可伐4J29作为管壳材料，以保证与管壳陶瓷基板间良好的热匹配及平行缝焊的可行性；采用高温共烧陶瓷绝缘子的引出线方式，保证在机载环境下，与T／R组件电气连接的可靠性；壳体与引线镀金，保证了良好的接地及引线的可焊性。另外，为满足内部厚膜管芯电路对气密性的要求，整个管壳完全密封，其密封工艺能达到指标要求。

本模块热设计的宗旨即减小纵向热阻。由于陶瓷基板相比于环氧PCB优良的导热性，我们将开关管、续流管、脉冲调制管等半导体功率元件裸芯片直接压焊在基板上；将功率耦合路径中的磁性元件通过导热胶与基板可靠粘连。由于本模块的输出功率较小，且效率较高，耗散功率有限，在实验及实用过程中，热点分布均匀，并未出现过热

现象，能完全满足DAM 的使用环境要求。同时，为防止在使用过程中环控故障，导致电源过热甚至损坏T／R组件，我们在模块中设计了过热保护，当模块的本体温度上升至100℃ 时，PWM 控制器关闭，断开负载。

5 结束语

本文对数字阵列模块(DAM)用多路输出分布式DC—DC电源模块的设计有重点地进行了阐述，国内这类分布式电源中电华星据说做的比较好。从设计结果看，本文中所提及的几个关键问题均已得到解决，电源模块的各项设计指标都已实现并满足了使用要求。