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一种用于TR组件功放的大功率脉冲电源设计

  【摘 要】本文介绍了有源相控阵雷达阵面TR组件功放电源供电的设计。通过DC-DC降压模式给TR组件供给电源,产生组件所需的多种直流电源与功放漏极选通脉冲,通过电容充放电方式以及MOSFET对电源进行调制来满足TR组件脉冲形式。低成本、多功能、高可靠性的设计在多个TR组件的设计中证明本设计是可实现的,具有一定的应用价值。
  【关键词】电源 脉冲 功率 MOSFET
  1 引言
  C波段TR组件由移相模块,低噪放模块,功放模块,电源模块组成。C波段TR组件电源模块是给TR组件提供电源,接收波控机发送的数据,经处理后再发送给TR组件,其中电源模块的功能主要是把来自天线电源的+48V电源高效率地转换成多路TR组件需要的电源。
  2 基本功能
  TR模块功放的工作方式以脉冲方式为主。所以需对+10V电源进行调制输出,脉冲特性:工作周期:1~25 kHz;
  最大占空比:20%;
  脉冲上升沿:≤100ns;
  脉冲下降沿:≤100ns;
  其输出峰值功率:≥80W,所需电源为脉冲形式,具有峰值电流大,脉宽较宽等特点。受体积限制,在电源模块的选择满足平均功率的DC-DC模块,通过电容工作来满足峰值电流的输出。以及通过MOSFET来满足TR组件脉冲形式的。
  3 设计原理
  3.1 电源转换方式
  根据TR组件个模块所需的电流计算,得出主要电流需求为+40A,计算出+10V所需的功率为:40A×10V=400W,按最大占空比 20%计算出平均功率为:400W×20%=80W。所选方案见图1。
  通过DC-DC降压模式,采用vicor芯片的Micro系列中的V48C12C150B模块,其转换效率为88%,体积大小为57.9*36.8* 12.7mm,输出功率为150W,输入范围为36~75V,通过电阻调节可实现输出电压范围为-0.5~16.1V。输出电压10V的实际工作电流为40A。以脉冲模式工作,占空比以最大20%考虑,进行计算,得出+10V所需的功率为:40A×10V=400W,平均功率为:400W×20%=80W。
  TR模块通电要求:先接通-5V,后接通正电压。外部信号可随时控制+10V的输出和关断,因此在DC-DC模块得控制端增加一个控制电路,电路框图见图2。
  3.2 脉冲产生方式
  TR模块功放的工作方式以脉冲方式为主。所以需对+10V电源进行调制输出 ,其方法见图3。选用MOSFET为IRF公司的irf4905,其部分主要指标见图4。
  影响脉冲输出沿的主要因素除MOSFET本身的性能指标外,还有驱动部分电路的设计,经过资料及器件查询研究,发现MOSFET驱动芯片,用集成芯片MCP1406可以实现。IRF4905的Qg=180nC,Ciss=3400pF,而MCP1406的驱动电路为6A,满足驱动要求。MCP1406部分指标见图5。
  3.3 输出电容及缓启动电路
  由于DC-DC模块V48C12C150B的响应速度较慢,无法满足1KHz的脉冲变换,故在DC-DC的输出端加大容量低ESR的电容来满足快速的电流输出。选用KEMET电容,型号为530X157M016A
  TE015,容值:150uF,ESR=15mΩ。经试验,多个电容并联可满足电流及压降要求。而DC-DC负载电容仅为2000uF,实际所加电容远远超过额定值,故在DC-DC后加入缓启动电路,并串入大电感抑制电流尖峰。
  3.4 散热方式
  由几次实验发现,电压经过MOSFET时有明显的压降,明显的压降来自于MOSFET散热不良引起。
  Irf4905的温度与内部电阻的关系如图6。可以看出,在一定通过电流与开启电压的条件下,其导通电阻随着器件结温的升高而增大,通过MOS管的电压U=IR也就越大,功率损耗也越大。不该简单的用标称0.02欧姆来计算。最后,采用TO-220封装形式固定盒体安装,把热传到冷板上来实现MOSFET的散热。
  改善器件的散热条件后,压降问题得到了明显的改进。
  4 软件设计
  软件处理选用的核心芯片为Altera公司的CPLD型号EPM1270_
  144,提供MOSFET驱动芯片的控制脉冲。
  5 结语
  本设计采用高集成度器件、减少系统硬件,高精度、高可靠性、低成本。可根据外部按钮控制满足不同的组件测试要求。也可根据不同要求改进设计、增加功能、完善本系统设计。
  参考文献:
  [1]任勇峰,庄新敏,编著.VHDL与硬件实现速成.北京:国防工业出版社,2005.
  [2][英]Mark Zwolinski著]李仁发,林纯清,徐成,等译.VHDL数字系统设计(第二版) Digital System Design with VHDL(Second Edition),北京:电子工业出版.
  [3]MCP1406 6A High-Speed Power MOSFET Drivers.



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