都佰勝

摘要

INDRA二次雷達自安裝運行以來，收發機電源模塊頻繁出現故障，嚴重影響設備正常保障。由于雷達廠家沒有提供詳細的電源模塊資料及電路原理圖，送修費用昂貴，周期長，給一線運行維護工作造成了不便。本文通過對英德拉二次雷達收發機電源模塊結構進行研究分析，利用成熟的開關電源理論知識，對+/-15V電源模塊進行了重新設計優化，有效提高了電源模塊的穩定性和可靠性。

【關鍵詞】INDRA雷達 開關電源 濾波整流光耦反饋

IRS-20MP/L二次雷達系統是由INDRA公司生產的常規A/C模式雷達，國內安裝現場比較少，技術支持能力有限。咸陽機場的INDRA常規A/C模式二次雷達承擔著陜西管制區內的雷達監視保障，隨著近年來咸陽機場航班量的快速增長，雷達監視設備穩定可靠運行的安全保障壓力顯著增加。電源模塊作為雷達設備的關鍵部件，為整個雷達系統中多個部件提供電源供應，一套成熟穩定可靠的電源模塊對雷達設備的安全運行起著至關重要作用。

1 INDRA收發電源模塊簡介

INDRA常規A/C模式雷達收發機電源采用模塊化開關電源，主要由+50V、+15V、-15V、+5V組成，為雷達發射機（MTX）、接收機（MRX）和收發轉換模塊（MCT）提供電源供應，如圖1所示。

該套電源中+/-15V模塊故障率最高，可靠性和穩定性比較差。利用儀器儀表繪制電路原理圖，發現兩個電源模塊結構是完全相同的，只是在輸出端進行反接形成+/-15V。經過一系列的分析測試，+/-15V電源模塊的設計理念比較落后，集成芯片容易燒毀，元器件穩定性較差，負載能力較弱。

2 開關電源設計

針對INDRA收發機電源模塊的故障發生情況，對其中+/-15V開關電源重新進行了優化設計，設計框圖如圖2所示，整個設計分為輸入整流濾波、單片開關電源、漏極鉗位保護、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，相對于INDRA收發機電源模塊，在設計方案、性能指標和產品可靠性等方面有了較大提高。

2.1 設計優化方案

濾波的主要功能是對輸入電源噪聲及雜波信號進行抑制，防止對電源干擾，同時也防止電源本身產生的高頻雜波對電網干擾。圖3為輸入濾波電路，其中FS1、FS2保險絲，具有熔點低、電阻率高及熔斷速度快的特點，一旦發生故障，通過保險絲的電流超過的熔斷電流，保險絲就被熔斷，將輸入電路切斷，從而起到過電流保護作用。RT1為熱敏電阻，開關電源剛通電時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，剛通電時限流效果好，伴隨著電流通過發出的熱量，電阻值迅速減小，功耗明顯降低。C1、LF1、C5組成雙π型濾波網絡，是EMI濾波器的主體。LF1為共模電感，可以有效抑制來自電網的共模干擾。C1、C5為差模濾波電容，可濾除電網尖峰電壓。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，使電源進線端的L、N不帶電，保證使用安全。

相對于INDRA收發電源，在火線和零線上均使用了保險絲，泄放電阻采用兩個電阻串聯方式的方式提高了產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。當開關電源的功率MOSFET由導通變為截止時，在高頻變壓器初級側繞組上會產生尖峰電壓和感應電壓。尖峰電壓與直流輸入電壓和感應電壓疊加后施加到MOSFET漏極，很容易損壞開關電源功率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成的鉗位和緩沖吸收電路，充分發揮TVS響應速度快、可承受瞬態高能量脈沖的優點，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，更好保護功率開關管。

圖5中的反饋電路使用TL431型可調式精密并聯穩壓器構成外部誤差放大器，對輸出電壓U_o作精細調整。當輸出電壓U_o發生波動時，經電阻8123、8124和SVRI分壓后得到的取樣電壓與TL431中的2.5V帶隙基準電壓進行比較，在管腳2上形成誤差電壓，使光耦合器中的LED工作電流產生變化，再通過光耦合器去調節PWM芯片輸出脈沖波形的占空比，使U_o維持不變，達到穩壓目的。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，改善其穩壓性能。8122、C120為環路補償網絡，可防止穩壓環路產生振蕩。

圖6中的輸出電路使用了快速恢復二極管，它具有開關特性好、反向恢復時間短、正向電流大、體積小、安裝簡便等優點。在二極管兩端并聯電阻和電容可以防止二極管在開關狀態下產生自激振蕩，并抑制射頻干擾。C105、C106、L100和C110組成二階濾波器，對輸出電壓進行濾波。R109泄放電阻，當輸出斷電后電容中存儲的電荷通過R109慢慢釋放掉。

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

2.2 性能指標提升

INDRA電源模塊指標與新設計方案指標對比如表1所示。從表中可知，新方案在負載調整率、紋波系數與INDRA電源模塊保持一致的基礎上，提高了電壓調整率和輸出電流。電壓調整率指標的提高有利于電源模塊在電網電壓波動時保持穩定的輸出，不會對負載造成損傷。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，在負載變化較大或者負載開關的瞬間不會因為較大浪涌電流出現對電源模塊造成損傷。

2.3 產品可靠度提升

INDRA電源未使用表貼元器件，而新方案中共使用了26個貼片電阻和電容，整個開關電源的重量降低了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元器件之間間隔變大，散熱通風效果更好，有利于提高產品的可靠性，延長產品使用壽命。另外INDRA開關電源中使用了4個直插二極管組成了橋式整流器和保險絲管，本方案采用了集成芯片和集成保險絲，節省空間的同時提高了產品的可靠性。

3 開關電源測試

3.1 電源測試框圖及設備

圖7為開關電源測試框圖，隔離變壓器將被測開關電源與電網電氣隔離，便于接入示波器探頭;自耦調壓器用于調節開關電源的輸入電壓;示波器用來觀測開關電源的波形;萬用表可以測量交流、直流電壓和電流;電子負載可以方便的調節負載，讀出開關電源的電流與電壓。

3.2 開關電源性能指標

根據開關電源性能指標參數的測試方法，對新方案的開關電源進行了實際測試，數據結果如表3所示，結合電源性能指標計算公式，得到電源性能指標，如表4所示。實際使用中INDRA電源消耗的電流小于2.5A，因此部分指標數據是在輸出電流為3A的條件下測試得到。

4 結束語

（1）該電源模塊具有輸出紋波低、輸出電阻小、輸出電壓可調、輸出功率大、散熱良好等特點，在設計過程中在火線和零線上均安裝了保險絲，較多地采用了成熟可靠穩定的集成芯片，降低英德拉二次雷達發射機電源模塊的故障率，提高設備的安全運行;

（2）電源模塊具有很好的維護性，板卡出現問題可以內部排查解決，提高產品修復時效性，節省了電源模塊的維修費用，同時隨著雷達設備使用時間的增加，降低維護成本，降低對國外設備廠商的依賴程度;

（3）全國同類雷達設備可以進行借鑒，對電源進行優化改造;

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

參考文獻

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