一种星载固态功放驱动电源的设计

董 硕，陈 赞，王正之，陈 辉，许 娟

(上海航天电子技术研究所，上海 201109)

0 引言

固态功率放大器是微波有源技术产品中最具代表性的一类产品，它将完成微波信号的功率放大、增益控制、相位控制等功能，广泛地使用于通信卫星转发器、导航卫星转发器、中继卫星转发器、遥感卫星高速数传系统、微波遥感器等，是星载数传通信等系统的关键设备之一。驱动电源是固态功放的关键部分之一，驱动电源的电压上电时序、工作稳定度、工作纹波及效率对固态功放最终性能有着重大影响。星载设备与地面设备相比，在可靠性方面有极高的要求。目前星载二次电源普遍采用VPT、INTERPOINT等公司生产的宇航级DC-DC电源模块进行二次设计，虽然可靠性高，但工作效率较低，整机效率普遍低于75%，不能满足星载固态功放对效率的要求。本文针对星载固态功放设计了一种驱动电源，具有双路输出、稳定度好、效率高[1-3]等特点，并通过模拟环境试验验证了其可靠性。

1 驱动电源总体设计

根据星载固态功放的要求，固态功放的驱动电源需要一组负压与一组正压供电，负电压为固态功放中的功率管提供栅极供电电压，功率约为1 W，正电压提供工作电压，功率约为50 W。为保护功率管不受损坏，还应保证驱动电源的负压优先与正电压建立。固态功放的栅电压决定了固态功放的静态工作点。为保证固态功放的工作稳定，其栅压驱动电压应保证较高的稳定度。在星载电源产品中，对产品热真空环境下的工作可靠性及稳定度有较高的要求，在电路选择上应采用成熟、稳定、可靠的电路，同时还必须满足一定的效率要求，以提高固态功放的整机效率性能。选择该驱动电源的组成架构如图1所示。

图1 固态功放驱动电源架构

由于固态功放中对负电压的输出电流要求小，对稳定度要求高，因此采用反激电路产生，并通过线性电压调整器进行二次稳压以减小输出纹波。正电压输出电流大，因此采用推挽电路产生。

输入母线电压通过浪涌抑制电路和输入滤波电路后，反激电路部分开始工作。反激电路部分产生负电压输出，同时自持供电电路开始工作，为反激电路中的PWM控制电路提供工作电压。反激电路部分通过辅助供电电路为推挽电路部分的PWM控制电路供电，推挽电路中的PWM控制电路通过隔离驱动电路驱动功率MOS管进行电压转换，实现输入与输出端隔离。

2 电路设计

2.1 浪涌抑制电路

由于在驱动电源中，通常输入端会存在滤波电容，在电源开机加电瞬间，会存在很大的瞬时浪涌电流为滤波电容充电，输入电容引起的浪涌电流会超过40 A，时间小于2 ms。如果直接启动，浪涌电流冲击会对一次母线造成影响。通过浪涌抑制电路，可以抑制巨大的冲击电流。电路设计[4-6]如图2所示。

图2 浪涌抑制电路

电源启动时，母线电压通过电阻R4、R5分压后，对电容C3进行充电，使MOS管缓慢导通，母线电流缓慢地为滤波电容充电，从而达到抑制浪涌电流的目的。

2.2 滤波电路

滤波电路是由差、共模电感和电容器组成的低通滤波电路，允许低频的脉冲电流流过，对于频率较高的噪声干扰进行抑制。其作用是防止电源本身产生的电磁干扰进入一次母线，同时防止一次电源母线上的干扰进入电源内部，影响电源的正常工作。电路图如图3所示。

图3 滤波电路

2.3 反激电路

反激电路[7]为固态功放提供负电压驱动，反激电路的电路图如图4所示。该反激电路采用初级反馈控制模式，通过变压器辅助绕组N4进行反馈控制，同时该绕组也为PWM控制芯片N2提供供电电压。初级反馈控制模式电路结构简单，减少了复杂的隔离反馈电路，提高了电路的可靠性，但输出电压精度低，稳定性差。负电压通过绕组N2产生，该电压通过线性稳压器N1进行二次稳压，保证输出电压的稳定度和精度，解决了初级反馈控制模式输出电压精度低的问题。绕组N3产生12 V电压，为推挽电路中PWM控制芯片提供隔离供电。

2.4 推挽电路

固态功放的正压部分采用推挽电路产生，推挽电路输出功率大，稳定性好，推挽电路电路图如图5所示。其中PWM控制芯片采用TI公司的控制芯片UC1825,该芯片输出两路PWM方波，通过驱动变压器T6进行转换后[8]，驱动MOS管V16、V17轮流进行导通，设置各管工作最大占空比不超过0.4，防止出现两管同时导通的情况。由于PWM控制芯片供电采用图4中反激电路的隔离绕组进行供电，已与电源输入端UIN隔离，因此可直接将推挽电路输出电压通过电阻分压后反馈至PWM控制芯片，无需采用光耦等进行隔离反馈，减少电路复杂度，提高可靠性。

3 实验结果与验证

根据以上设计方案，设计原理样机一台，样机额定工作输入电压29 V，拉偏电压25 V～33 V，输出电压-5 V/0.2 A及+9 V/5 A，为10 W固态功放供电。

3.1 输出纹波

固态功放对输出纹波要求在50 mV以下，图6、图7分别为-5 V输出电压与+9 V输出电压纹波，从图中可看出，-5 V端与+9 V端输出纹波分别为20 mV与29.6 mV，能够满足固态功放的工作要求。

图4 反激电路电路图

图5 推挽电路电路图

图6 -5 V输出电压纹波

图7 +9 V输出电压纹波

3.2 正负压启动波形

为保证固态功放正常工作，驱动电源正电压必须先于负电压启动。图8为驱动电源正负压启动波形，从图中可看出，-5 V输出电压先于+9 V电压建立，启动时间差大于30 ms，具备足够的启动延迟时间。

图8 正负压启动波形

3.3 工作稳定度

星载一次电源母线电压会产生一定波动，波动范围通常小于10%，必须保证驱动电源在输入电压波动范围内保持正常工作，性能不会下降。在常温下对驱动电源进行拉偏电压测试，测试结果如表1所示。在常温下拉偏输入电压25 V～33 V，驱动电源工作正常，电压稳定度优于1%，工作效率大于83%。

3.4 模拟环境试验

星载环境处于真空状态，并且会出现冷热交替现象，因此在热真空环境下模拟星载环境进行试验。在-35 ℃～+70 ℃热真空试验条件下测试数据如表2所示。试验中驱动电源工作稳定，输出电压稳定度优于1%，工作效率优于82%。

表1 驱动电源常温拉偏测试结果

表2 热真空试验数据

4 结论

本文针对星载固态功放设计了一种固态功放驱动电源，该驱动电源结构简单，减少了隔离反馈电路，输出电压精度和稳定度高，能够提供正负电压两种电压输出，并且在时序上保证负压先于正压产生；在电压拉偏、热真空环境下具有良好的电压稳定度与可靠性，同时有较高的工作效率，能够满足星载固态功放的要求。

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