一種星載固態功放驅動電源的設計

董 碩，陳 贊，王正之，陳 輝，許 娟

(上海航天電子技術研究所，上海 201109)

0 引言

固態功率放大器是微波有源技術產品中最具代表性的一類產品，它將完成微波信號的功率放大、增益控制、相位控制等功能，廣泛地使用于通信衛星轉發器、導航衛星轉發器、中繼衛星轉發器、遙感衛星高速數傳系統、微波遙感器等，是星載數傳通信等系統的關鍵設備之一。驅動電源是固態功放的關鍵部分之一，驅動電源的電壓上電時序、工作穩定度、工作紋波及效率對固態功放最終性能有著重大影響。星載設備與地面設備相比，在可靠性方面有極高的要求。目前星載二次電源普遍采用VPT、INTERPOINT等公司生產的宇航級DC-DC電源模塊進行二次設計，雖然可靠性高，但工作效率較低，整機效率普遍低于75%，不能滿足星載固態功放對效率的要求。本文針對星載固態功放設計了一種驅動電源，具有雙路輸出、穩定度好、效率高[1-3]等特點，并通過模擬環境試驗驗證了其可靠性。

1 驅動電源總體設計

根據星載固態功放的要求，固態功放的驅動電源需要一組負壓與一組正壓供電，負電壓為固態功放中的功率管提供柵極供電電壓，功率約為1 W，正電壓提供工作電壓，功率約為50 W。為保護功率管不受損壞，還應保證驅動電源的負壓優先與正電壓建立。固態功放的柵電壓決定了固態功放的靜態工作點。為保證固態功放的工作穩定，其柵壓驅動電壓應保證較高的穩定度。在星載電源產品中，對產品熱真空環境下的工作可靠性及穩定度有較高的要求，在電路選擇上應采用成熟、穩定、可靠的電路，同時還必須滿足一定的效率要求，以提高固態功放的整機效率性能。選擇該驅動電源的組成架構如圖1所示。

圖1 固態功放驅動電源架構

由于固態功放中對負電壓的輸出電流要求小，對穩定度要求高，因此采用反激電路產生，并通過線性電壓調整器進行二次穩壓以減小輸出紋波。正電壓輸出電流大，因此采用推挽電路產生。

輸入母線電壓通過浪涌抑制電路和輸入濾波電路后，反激電路部分開始工作。反激電路部分產生負電壓輸出，同時自持供電電路開始工作，為反激電路中的PWM控制電路提供工作電壓。反激電路部分通過輔助供電電路為推挽電路部分的PWM控制電路供電，推挽電路中的PWM控制電路通過隔離驅動電路驅動功率MOS管進行電壓轉換，實現輸入與輸出端隔離。

2 電路設計

2.1 浪涌抑制電路

由于在驅動電源中，通常輸入端會存在濾波電容，在電源開機加電瞬間，會存在很大的瞬時浪涌電流為濾波電容充電，輸入電容引起的浪涌電流會超過40 A，時間小于2 ms。如果直接啟動，浪涌電流沖擊會對一次母線造成影響。通過浪涌抑制電路，可以抑制巨大的沖擊電流。電路設計[4-6]如圖2所示。

圖2 浪涌抑制電路

電源啟動時，母線電壓通過電阻R4、R5分壓后，對電容C3進行充電，使MOS管緩慢導通，母線電流緩慢地為濾波電容充電，從而達到抑制浪涌電流的目的。

2.2 濾波電路

濾波電路是由差、共模電感和電容器組成的低通濾波電路，允許低頻的脈沖電流流過，對于頻率較高的噪聲干擾進行抑制。其作用是防止電源本身產生的電磁干擾進入一次母線，同時防止一次電源母線上的干擾進入電源內部，影響電源的正常工作。電路圖如圖3所示。

圖3 濾波電路

2.3 反激電路

反激電路[7]為固態功放提供負電壓驅動，反激電路的電路圖如圖4所示。該反激電路采用初級反饋控制模式，通過變壓器輔助繞組N4進行反饋控制，同時該繞組也為PWM控制芯片N2提供供電電壓。初級反饋控制模式電路結構簡單，減少了復雜的隔離反饋電路，提高了電路的可靠性，但輸出電壓精度低，穩定性差。負電壓通過繞組N2產生，該電壓通過線性穩壓器N1進行二次穩壓，保證輸出電壓的穩定度和精度，解決了初級反饋控制模式輸出電壓精度低的問題。繞組N3產生12 V電壓，為推挽電路中PWM控制芯片提供隔離供電。

2.4 推挽電路

固態功放的正壓部分采用推挽電路產生，推挽電路輸出功率大，穩定性好，推挽電路電路圖如圖5所示。其中PWM控制芯片采用TI公司的控制芯片UC1825,該芯片輸出兩路PWM方波，通過驅動變壓器T6進行轉換后[8]，驅動MOS管V16、V17輪流進行導通，設置各管工作最大占空比不超過0.4，防止出現兩管同時導通的情況。由于PWM控制芯片供電采用圖4中反激電路的隔離繞組進行供電，已與電源輸入端UIN隔離，因此可直接將推挽電路輸出電壓通過電阻分壓后反饋至PWM控制芯片，無需采用光耦等進行隔離反饋，減少電路復雜度，提高可靠性。

3 實驗結果與驗證

根據以上設計方案，設計原理樣機一臺，樣機額定工作輸入電壓29 V，拉偏電壓25 V～33 V，輸出電壓-5 V/0.2 A及+9 V/5 A，為10 W固態功放供電。

3.1 輸出紋波

固態功放對輸出紋波要求在50 mV以下，圖6、圖7分別為-5 V輸出電壓與+9 V輸出電壓紋波，從圖中可看出，-5 V端與+9 V端輸出紋波分別為20 mV與29.6 mV，能夠滿足固態功放的工作要求。

圖4 反激電路電路圖

圖5 推挽電路電路圖

圖6 -5 V輸出電壓紋波

圖7 +9 V輸出電壓紋波

3.2 正負壓啟動波形

為保證固態功放正常工作，驅動電源正電壓必須先于負電壓啟動。圖8為驅動電源正負壓啟動波形，從圖中可看出，-5 V輸出電壓先于+9 V電壓建立，啟動時間差大于30 ms，具備足夠的啟動延遲時間。

圖8 正負壓啟動波形

3.3 工作穩定度

星載一次電源母線電壓會產生一定波動，波動范圍通常小于10%，必須保證驅動電源在輸入電壓波動范圍內保持正常工作，性能不會下降。在常溫下對驅動電源進行拉偏電壓測試，測試結果如表1所示。在常溫下拉偏輸入電壓25 V～33 V，驅動電源工作正常，電壓穩定度優于1%，工作效率大于83%。

3.4 模擬環境試驗

星載環境處于真空狀態，并且會出現冷熱交替現象，因此在熱真空環境下模擬星載環境進行試驗。在-35 ℃～+70 ℃熱真空試驗條件下測試數據如表2所示。試驗中驅動電源工作穩定，輸出電壓穩定度優于1%，工作效率優于82%。

表1 驅動電源常溫拉偏測試結果

表2 熱真空試驗數據

4 結論

本文針對星載固態功放設計了一種固態功放驅動電源，該驅動電源結構簡單，減少了隔離反饋電路，輸出電壓精度和穩定度高，能夠提供正負電壓兩種電壓輸出，并且在時序上保證負壓先于正壓產生；在電壓拉偏、熱真空環境下具有良好的電壓穩定度與可靠性，同時有較高的工作效率，能夠滿足星載固態功放的要求。

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