一种有源相控阵雷达TR组件电源系统
A Power Supply System for TR Modules of Ac-tive Phased Array Radar
DOI: 10.12677/OJCS.2020.92004, PDF, HTML, XML, 下载: 513  浏览: 1,775  科研立项经费支持
作者: 王育才, 包晓军, 刘远曦, 李 琳, 刘会涛*:珠海纳睿达科技有限公司,广东 珠海
关键词: 电源系统TR模块相控阵雷达Power Supply TR Module Phased Array Radar
摘要: TR组件是固态有源相控阵雷达的核心模块之一。由于受到体积、重量和工作环境的限制,TR组件的电源模块必须具备高功率密度、高效率、高可靠性和高可维修性。目前对TR组件供电的方式多为集中供电的方式,其可靠性较差,效率较低。本文提出了一种采用分布式方式供电的TR电源系统实现方案。该电源系统使用两个相同的AC/DC转换模块提供直流12 V冗余输入电源,给8个相同的TR电源模块供电。其中每个TR电源模块给8个TR模块供电,8个TR电源模块总共用于给64个TR模块供电。每个TR电源模块的电压输出可以精确的调整,电压、电流、功耗和温度可以被实时监控。测试结果显示该电源系统可靠性高,可维修性好,能够有效改善电源的输出质量与效率。此外,还有连接可靠,架构简单,易于扩展等优点。
Abstract: TR module is one of the core modules of solid-state active phased array radars. Due to the limitation of volume, weight and working environment, the power supply system of TR modules must have high power density, high efficiency, high reliability and high maintainability. At present, centralized power supply systems are widely used for TR modules, which have poor reliability and low efficien-cy. This paper presents a distributed power supply system for TR modules of active phased array radars. The power supply system uses two identical AC/DC converter modules to provide redundant DC 12 V input to power eight identical TR power modules. Each TR power module supplies power to 8 TR modules, and 8 TR power modules are used to provide power to 64 TR modules in total. The output voltages of each TR power module can be precisely adjusted, and the voltage, current, power consumption, and temperature of the TR power module can be monitored in real time. Testing re-sults show that the power supply system has high reliability and good maintainability, and can ef-fectively improve the output quality and efficiency. In addition, it has advantages of reliable con-nection, simple architecture and easy expansion.
文章引用:王育才, 包晓军, 刘远曦, 李琳, 刘会涛. 一种有源相控阵雷达TR组件电源系统[J]. 电路与系统, 2020, 9(2): 28-34. https://doi.org/10.12677/OJCS.2020.92004

1. 引言

TR (Transmitter and Receiver)组件是固态有源相控阵雷达的核心模块之一。固态有源相控阵雷达中通常包含几十甚至成百上千个TR组件组成的阵列,每个TR组件对电源的功率、纹波、体积、重量都有严格的要求。由于TR组件发射的是脉冲电磁波,其峰值功率较大,故TR组件的电源模块必须能够提供相应的峰值功率,并且具有较高的动态响应速度 [1]。其次,由于相控阵雷达一般需要7 × 24小时工作,而TR组件电源模块的工作温度可达60摄氏度甚至更高,因此要求电源模块具有非常高的可靠性。此外,雷达操作人员必须能够实时监控电源模块的工作状态,以便在其发生故障时能够及时更换。而且,电源模块应具备热插拔更换的能力,在单个模块维修更换时,不能停机影响雷达的工作,并且更换完毕以后能够立即恢复TR组件的工作状态。综上所述,由于受到体积、重量和工作环境的限制,TR组件的电源模块必须具备高功率密度、高效率、高可靠性和高可维修性 [2] [3]。

传统的相控阵雷达对TR组件多采用两级供电方式,第一级由一个AC/DC转换模块将输入的交流电转换为一个较高的直流电压并进行功率因数校正,第二级由多个DC/DC转换模块分别将该直流高电压转换成TR组件所需的各种直流低电压,然后通过直流输电线路将多种直流低电压提供给所有的TR组件 [1] [4] [5] [6]。这种集中供电的方式主要存在以下几种问题:1) 如果第一级AC/DC转换模块发生故障,则第二级所有的DC/DC模块都没有高直流电压输入,因此对第一级AC/DC转换模块的可靠性要求极高 [2]。2) 第二级多个DC/DC模块中任意一个发生故障,则所有的TR组件将因缺少对应的直流低电压输入而不能工作,因此对所有的DC/DC模块的可靠性要求也极高。3) 第一级AC/DC模块和第二级DC/DC模块之间的连接比较复杂,不支持热插拔,维修时往往需要系统长时间停机,严重影响相控阵雷达系统的可用性。4) 集中供电方案对电源散热装置的要求较为苛刻。此外,在低电压大电流的工作条件下,输电线路的损耗较大,整个电源系统的效率较低 [2] [3]。

为了克服集中式供电方式的缺陷,本文提出了一种采用分布式方式供电的TR组件电源系统实现方案。该电源系统使用两个相同的AC/DC转换模块构成冗余输入电源,将220 V交流输入转换为12 V直流输出,给8个相同的TR电源模块供电。单个TR电源模块使用多个DC-DC电压转换器以生成不同的电压,用于给8个TR模块提供所需的电能。在该电源系统中,总共有8个TR电源模块用于给64个TR模块供电。与集中式供电方式相比,单个AC/DC模块发生故障不会影响雷达系统的正常运行,单个DC/DC模块发生故障仅仅会影响8个TR组件,其他TR组件仍可以正常运行。此外,每个TR电源模块的电压输出可以精确的调整,电压、电流、功耗和温度可以被实时监控。因此,该TR组件电源系统具有较高的可靠性和可维修性,能够有效改善电源的输出质量与效率,对散热装置的要求不高。同时,该电源系统的AC/DC模块以及TR电源模块均支持热插拔,其架构简单、连接可靠,可以极大地节省装配及维修时间,提高相控阵雷达系统的可用性。以下是对该分布式TR组件电源系统的详细介绍。

2. 分布式TR组件电源系统

2.1. 系统整体架构

给固态有源相控阵雷达TR组件供电的分布式电源系统,其系统整体架构示意图如图1所示。电源系统的输入电压为交流220 V,用于给两个相同的AC/DC转换模块供电,输出12 V直流电压。这两个AC/DC转换模块的输出通过或门二极管并联在一起,用于给负载冗余供电。上位机通过I2C接口监视这两个AC/DC模块的工作状态以及输入、输出电流。每一个AC/DC的输出电流都能够满足负载的电流要求。因此,当其中一个AC/DC转换模块出现故障时,上位机将关闭这个故障模块。由于二极管的单向导通特性,某一个AC/DC电源转换模块出故障并不会影响12 V直流总线的输出,因此大大提高了从220 V交流电源到12 V直流这一电源转换的可靠性。使用或门二极管来并联两路12 V直流电源输出的方案非常简单,但存在功耗大、发热严重的缺点。可以采用大功率的MOSFET (金属–氧化物–半导体场效应晶体管)来代替二极管。MOSFET的导通内阻可以低至几毫欧姆,大大降低了压降损耗,可以实现更高的电源效率。而且由于无需散热器,可以节省大量的电路面积,也减少了供电系统的散热源,降低了整个电源系统对散热的要求。

Figure 1. Schematic of the distributed TR power system

图1. 分布式TR电源系统示意图

AC/DC转换模块的负载包括8个相同的TR电源模块,该电源模块从12 V直流输入取电,然后分别使用不同的DC-DC电压转换器将12 V输入电压转换成几路不同电压的直流输出。该分布式TR电源系统总共有8个TR电源模块,每一个TR电源模块给一组8个TR组件供电,8个TR电源模块分别给64个TR组件供电。每一个电源模块都提供了电压、电流、功率和温度监测功能。若有一个TR电源模块发生故障,可以通过上位机关闭该TR电源模块的输出。在这种情况下,只有一组8个TR组件受到影响,其他的TR组件仍然可以正常工作,大大提高了雷达系统的可靠性。同时,TR电源模块和TR组件支持热插拔功能,可以在雷达不停机的情况下更换故障模块,大大提高了雷达系统的可维修性。

2.2. TR电源模块

单个TR电源模块的示意图如图2所示。TR电源模块从12 V直流输入取电,经EMI滤波器滤除传导及辐射干扰以后,再分别通过不同的DC/DC电压转换模块,得到不同的直流电压(图示的12 V,5.5 V,−10 V和−15 V),用于给TR组件供电。TR电源模块的辅助供电单元从EMI滤波器的输出端取电,用于给控制单元和监控单元供电。监控单元可以监控DC/DC变换模块的输出电压、电流,以及TR电源模块的温度。同时,监控单元还可以通过调整DC-DC电源转换模块中反馈电压引脚VFB端的电压值来精确调整输出直流电压的电压值,具体的实施方法将在监控单元部分做详细说明。

控制单元与监控单元可以读取DC/DC电压变换器输出的电压、电流和温度信息,然后将这些监控信息传送给上位机。控制单元与上位机之间的通信接口做了隔离处理,以防止在热插拔过程中产生的静电对电源模块的控制单元以及上位机的控制器造成损伤。

Figure 2. Schematic of single TR power module

图2. 单个TR电源模块示意图

2.2.1. DC/DC变换模块

根据某型号TR组件的用电需求,对单个TR组件,TR电源模块需要提供4种不同的输入电压,分别为12 V,5.5 V,−15 V和−10 V,对应的电流分别为1 A,1 A,0.1 A和0.1 A。由于一个TR电源模块需要给8个TR组件供电,因此单个TR电源模块提供的电流至少应为8个TR组件所需电流的总和。单个TR电源模块的输入/输出的电流、电压及功率参数如表1所示。

Table 1. Input and output parameters of a single TR power module

表1. 单个TR电源模块的输入输出参数

由于TR电源模块的输入电压为12 V,所以其输出的12 V电压不需要做DC/DC变换,直接从EMI滤波器的输出端取电即可。对于5.5 V、−15 V和−10 V输出电压,则需要分别通过DC/DC变换获得。

根据单个TR组件5.5 V/1 A的供电需求,每个电源模块要为8个TR组件提供约5.5 V/8 A。为了保证20%的供电余量,因此设计对5.5 V电压点输出电流为10 A,以满足8个TR组件对5.5 V电源的需求,该功能由一个DC/DC转换模块实现。

对于TR组件要求的−10 V与−15 V两个电压点,单个TR组件对电流的需求均为0.1 A,对应电源模块的要求为0.8 A电流输出。为了保证20%的设计余量,电源模块对−10 V和−15 V的设计输出电流均为1 A。从12 V到−10 V/1 A及−15 V/1 A的DC/DC转换分别由一个DC/DC负压转换模块实现。

2.2.2. 监控单元

监控单元一个电压监控及调整芯片实现,该芯片可以对TR电源模块的各路输出进行电压、电流与功率监控;同时,通过4个外置的温度传感器,可以对电源模块PCB板上关键部位的温度进行监控。此外,该芯片还有内置的DAC输出,可以通过调节DC-DC电压转换模块反馈电压引脚VFB端的电压值来精确调节输出直流电压的幅度。该芯片对DC-DC电压转换器输出的电流、电压的监控以及对输出电压幅值调整的示意图如图3所示。DC-DC电压转换器的输出电压VOUT通过一个串联的电流感应电阻RSENSE给负载供电。芯片的电流感应引脚正负端ISENSEP和ISENSEM分别连接到电流感应电阻RSENSE的两端,用于测量其两端的电压差。又因为电流感应电阻的阻值已知,因此可以通过欧姆定律计算出流经该电阻的电流值。芯片的电压感应引脚正负端VSENSEP和VSENSEM分别连接到负载的正负端,用于测量其两端的电压差。DC-DC转换器的电压反馈引脚VFB通过由电阻R2和R3组成的分压网络来设定输出到负载端的电压。芯片内部的DAC可以生成高精度的电压,然后经过电阻R1输出到VFB端,用于对VFB端的电压作小幅度、高精度的调整,从而使DC-DC转换器的输出电压与设定值的误差保持在0.25%以内。

2.2.3. 控制单元

TR电源模块的控制单元,使用了一个单片机作为管理单元,通过I2C接口实现对TR电源模块内部各个模块的管理与监控,以及与上位机进行通信。单片机的GPIO引脚分别与DC/DC转换器芯片的使能(ENABLE)引脚相连,通过控制使能引脚输出电压的高低,可以实现对DC/DC转换器的开关功能,以便在TR组件发生故障时切断对TR组件的电源供应。

2.2.4. 其他模块

EMI滤波器针对12 V DC直流输入的共模传导干扰和辐射传导干扰进行抑制与衰减,以提高电源模块后续直流电源的可靠性。同时,针对TR单元脉冲式发射电磁波的特点,EMI滤波器后端增加大容量的BULK铝电解电容作为储能元件,以减小电源的纹波。BULK电容值的大小根据TR单元脉冲发射时可接受的电源电压变化、工作电流以及脉冲频率决定。

辅助供电单元为控制单元和监控单元提供3.3 V的电压和最高1 A的电流。辅助供电单元由一个DC/DC开关电源模块实现从输入12 V到输出3.3 V的电压变换,用于实现3.3 V/1 A输出。

为了防止热插拔TR电源模块产生的静电对控制单元的单片机芯片以及上位机的控制芯片造成损伤,控制单元与上位机之间的通信接口使用静电冲击防护芯片作了双向隔离处理。

Figure 3. Schematic of monitoring and adjusting the output voltage

图3. 对输出电压监控及调整的示意图

3. 结果

图4展示了单个TR电源模块成品的照片,该电源模块已经安装好机械工装用于散热。图4右上角可见两个大容量的铝电解电容,其作为储能元件,用于减小电源的纹波。

Figure 4. Photo of a single TR power module

图4. 单个TR电源模块的照片

由2个AC/DC转换模块,8个TR电源模块以及1台上位机组成的如图1所示的分布式TR电源系统已经制成实际产品,并集成在由珠海纳睿达科技有限公司研制的某型X波段双偏振固态有源相控阵天气雷达中,用于给该雷达的64个TR单元供电。

该型雷达长期的稳定运行表明,分布式TR电源系统具有很高的可靠性和可维修性,能够有效改善电源的输出质量、输出效率以及动态响应特性。该TR电源系统对散热装置的要求不高,标准的散热设计即可以使电源模块保持较低的温度。由于TR电源模块和TR组件之间的电源连接线都通过PCB板上的走线实现,做到了无电缆设计,大大提高了连接的可靠性,节省了装配和维修的时间。DC-DC电压转换器的输出直流电压值与设定值的误差保持在0.25%以内,提高了给TR组件供电的电压稳定度和精度。

该分布式TR电源系统的架构非常简单,每一个TR电源模块都完全相同,通过使用模块化的实现方式,简化了电源系统的设计。本文展示了给一种具有64个TR组件的固态有源相控阵雷达供电的方案。对于具有更多TR组件的固态有源相控阵雷达,可以通过简单地扩充AC/DC模块和TR电源模块的数量来满足其供电需求。TR电源模块作为一种通用的组件,可以直接应用到不同的雷达系统中,大大减小了硬件开发的成本和时间,简化了雷达产品升级换代的流程。

4. 总结

本文提出了一种用于给固态有源相控阵雷达的TR组件供电的分布式电源系统的实现方案,并详细介绍了各个子模块的工作原理。与集中式供电方式相比,该TR电源系统可靠性高,可维修性好,能够有效改善电源的输出质量、输出效率以及动态响应特性。此外,该TR电源系统还有对散热装置要求不高,连接可靠,架构简单,易于扩展等优点。该TR电源系统已经被应用于某型号的X波段双偏振相控阵天气雷达上并长期稳定运行,在满足负载电性能的同时,显著提高了相控阵雷达的供电质量、可靠性及可维护性。该TR电源系统具有较高的应用价值,其可以作为通用模块,经过简单的扩充以后应用于其他型号的雷达,通过硬件复用来简化新一代雷达产品的开发流程,缩短研发时间,降低研发成本。

基金项目

本项目由广东省引进创新创业团队项目资助。

NOTES

*通讯作者。

参考文献

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