一種用于TR組件功放的大功率脈沖電源設(shè)計(jì)

黃曉燕++白璐++陳輝

【摘 要】本文介紹了有源相控陣?yán)走_(dá)陣面TR組件功放電源供電的設(shè)計(jì)。通過DC-DC降壓模式給TR組件供給電源，產(chǎn)生組件所需的多種直流電源與功放漏極選通脈沖，通過電容充放電方式以及MOSFET對(duì)電源進(jìn)行調(diào)制來滿足TR組件脈沖形式。低成本、多功能、高可靠性的設(shè)計(jì)在多個(gè)TR組件的設(shè)計(jì)中證明本設(shè)計(jì)是可實(shí)現(xiàn)的，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】電源 脈沖 功率 MOSFET

1 引言

C波段TR組件由移相模塊，低噪放模塊，功放模塊，電源模塊組成。C波段TR組件電源模塊是給TR組件提供電源，接收波控機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后再發(fā)送給TR組件，其中電源模塊的功能主要是把來自天線電源的+48V電源高效率地轉(zhuǎn)換成多路TR組件需要的電源。

2 基本功能

TR模塊功放的工作方式以脈沖方式為主。所以需對(duì)+10V電源進(jìn)行調(diào)制輸出，脈沖特性：工作周期：1～25 kHz；

最大占空比：20%；

脈沖上升沿：≤100ns；

脈沖下降沿：≤100ns；

其輸出峰值功率：≥80W，所需電源為脈沖形式，具有峰值電流大，脈寬較寬等特點(diǎn)。受體積限制，在電源模塊的選擇滿足平均功率的DC-DC模塊，通過電容工作來滿足峰值電流的輸出。以及通過MOSFET來滿足TR組件脈沖形式的。

3 設(shè)計(jì)原理

3.1 電源轉(zhuǎn)換方式

根據(jù)TR組件個(gè)模塊所需的電流計(jì)算，得出主要電流需求為+40A，計(jì)算出+10V所需的功率為：40A×10V=400W，按最大占空比 20%計(jì)算出平均功率為：400W×20%=80W。所選方案見圖1。

通過DC-DC降壓模式，采用vicor芯片的Micro系列中的V48C12C150B模塊，其轉(zhuǎn)換效率為88%，體積大小為57.9*36.8* 12.7mm，輸出功率為150W，輸入范圍為36～75V，通過電阻調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)輸出電壓范圍為-0.5～16.1V。輸出電壓10V的實(shí)際工作電流為40A。以脈沖模式工作，占空比以最大20%考慮，進(jìn)行計(jì)算，得出+10V所需的功率為：40A×10V=400W，平均功率為：400W×20%=80W。

TR模塊通電要求：先接通-5V，后接通正電壓。外部信號(hào)可隨時(shí)控制+10V的輸出和關(guān)斷，因此在DC-DC模塊得控制端增加一個(gè)控制電路，電路框圖見圖2。

3.2 脈沖產(chǎn)生方式

TR模塊功放的工作方式以脈沖方式為主。所以需對(duì)+10V電源進(jìn)行調(diào)制輸出 ，其方法見圖3。選用MOSFET為IRF公司的irf4905，其部分主要指標(biāo)見圖4。

影響脈沖輸出沿的主要因素除MOSFET本身的性能指標(biāo)外，還有驅(qū)動(dòng)部分電路的設(shè)計(jì)，經(jīng)過資料及器件查詢研究，發(fā)現(xiàn)MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片，用集成芯片MCP1406可以實(shí)現(xiàn)。IRF4905的Qg=180nC，Ciss=3400pF，而MCP1406的驅(qū)動(dòng)電路為6A，滿足驅(qū)動(dòng)要求。MCP1406部分指標(biāo)見圖5。

3.3 輸出電容及緩啟動(dòng)電路

由于DC-DC模塊V48C12C150B的響應(yīng)速度較慢，無法滿足1KHz的脈沖變換，故在DC-DC的輸出端加大容量低ESR的電容來滿足快速的電流輸出。選用KEMET電容，型號(hào)為530X157M016A

TE015，容值：150uF，ESR=15mΩ。經(jīng)試驗(yàn)，多個(gè)電容并聯(lián)可滿足電流及壓降要求。而DC-DC負(fù)載電容僅為2000uF，實(shí)際所加電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過額定值，故在DC-DC后加入緩啟動(dòng)電路，并串入大電感抑制電流尖峰。

3.4 散熱方式

由幾次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電壓經(jīng)過MOSFET時(shí)有明顯的壓降，明顯的壓降來自于MOSFET散熱不良引起。

Irf4905的溫度與內(nèi)部電阻的關(guān)系如圖6。可以看出，在一定通過電流與開啟電壓的條件下，其導(dǎo)通電阻隨著器件結(jié)溫的升高而增大，通過MOS管的電壓U=IR也就越大，功率損耗也越大。不該簡(jiǎn)單的用標(biāo)稱0.02歐姆來計(jì)算。最后，采用TO-220封裝形式固定盒體安裝，把熱傳到冷板上來實(shí)現(xiàn)MOSFET的散熱。

改善器件的散熱條件后，壓降問題得到了明顯的改進(jìn)。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件處理選用的核心芯片為Altera公司的CPLD型號(hào)EPM1270_

144，提供MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片的控制脈沖。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)采用高集成度器件、減少系統(tǒng)硬件，高精度、高可靠性、低成本。可根據(jù)外部按鈕控制滿足不同的組件測(cè)試要求。也可根據(jù)不同要求改進(jìn)設(shè)計(jì)、增加功能、完善本系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]任勇峰，莊新敏，編著.VHDL與硬件實(shí)現(xiàn)速成.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

[2][英]Mark Zwolinski著]李仁發(fā)，林純清，徐成，等譯.VHDL數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)（第二版） Digital System Design with VHDL（Second Edition），北京：電子工業(yè)出版.

[3]MCP1406 6A High-Speed Power MOSFET Drivers.