减小高压电源输出纹波的研究

张峻岭，孙 超

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225001)

减小高压电源输出纹波的研究

张峻岭，孙 超

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225001)

随着设备性能的提高，电源输出纹波(PARD)对设备性能的影响也越来越显著。抑制开关电源纹波(PARD)的方法有很多，在开关电源输出后加低压差线性稳压器是最有效的方法。介绍了将低压差线性稳压器加入高压电源的方法，理论分析和实际测试证明了该方法的有效性和良好的工程应用前景。

纹波；行波管；高压电源；相位

0 引 言

随着新体制雷达、综合型电子战等设备不断地更新和升级，对供电电源也相应地提出了更高的要求。目前已对供电电源“绿色”(对电网干扰小)、宽动态响应、模块化、小型化等技术开展了广泛研究，但由于高压电源的应用特殊性，虽然其性能对设备的影响同样非常重要，但针对它的研究范围仍较为狭窄[1]。

以使用行波管(TWT) 的设备为例，对于TWT级联成的主振放大式发射机，由于电源纹波的实际存在，使得原本纯净的频谱出现杂散谱。纹波是指附着于直流电平之上的，包含周期性和随机性成分的一种杂波型号，简称为PARD(Periodic And Random Deviation)。一般认为会对设备性能产生主要影响的是含周期性成分的杂波。

1 高压电源的PARD对性能的影响

行波管一般工作在稍微过饱和状态, 此时由同步电压纹波所带来的调相和调幅的失真程度相差很大。行波管放大器在同样的电源波纹下，其调幅影响要比调相影响小30 dB甚至更多[2]。因此，在设计行波管主振放大式发射机时，只需考虑高压电源纹波对调相的影响。不失一般性,可以假设同步电压纹波的调制为简单谐振型,由此简单写真型调制所导致的输出信号为：

(1)

s(t)=cos(ω0t+βksinωkt)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式(6)转化为：

(7)

表1 TWT各极电压的调制灵敏度

根据表1分析可知，阴极电压和栅极电压对于相位变化最为重要，其它可忽略。而一般栅极电压在几百伏左右，属于中压范畴，且电流很小，一般在不特别考虑体积的场合可直接采用线性电源的形式[3]。

2 减小纹波的试验

本文的主要研究内容为如何减小栅控行波管阴极同步高压的输出纹波。抛开常规的减小纹波的方法(如合理选择电感、电容、电磁干扰(EMI)滤波器，设计印制板(PCB))不谈，本文着重介绍一种通过选择合理的电源拓扑来减小高压电压纹波的方案。

首先从普通的低压分布式电源获得启发。低压分布式电源实质上是一种开关电源与线性电源相结合的组合式电源。开关电源部分的效率高，但纹波较大，而在其线性部分，线性稳压器件的压降很低，这样既可以降低损耗，从而达到提高效率的目的，又能减小整个输出电源的纹波[3]。电路原理如图1所示。

图1实际是一个双环控制系统，外环为电压的控制环，通过电压负反馈来调节开关电源高压变换部分的输出，而内环是通过控制调整管两端的电压降使得调整管的电压降维持在一个固定值。

图1电路的工作原理：假设输入电压逐渐升高，初始状态时调整管为关断状态，当Vs1与设定的基准Vr1相等时，内环开始调整，使调整管开通并保证管压降维持在一个固定值，输出继续升高。随着输入电压的持续升高，当Vs2与设定的基准Vr2相等时，外环开始调整开关电源，使开关电源的输出稳定，从而使输出保持不变。

根据此原理，设计负高压电源的双环控制原理图如图2所示。

电路的工作原理：假设输入电压从零升高，初始状态时调整管为关断状态，管压降是并联在调整管D、S端电阻与取样电阻分压所得，当Vs1与设定的基准Vr1相等时，内环开始调整，使调整管开通以保证管压降维持在一个固定值。此时输入电压继续升高，当Vs2与设定的基准Vr2相等时，外环开始调整开关电源，使开关电源的输出稳定。为方便比较减小纹波的效果，50 Hz整流输出的电容较小。

分别测量进入稳压前以及进入稳压后的波形，如图3、图4所示。

假设在t时刻，Δu↑，则引起的连锁反应是S↑→VGS↑→VDS↓→Vo↑。由此可见，VDS中的纹波同样传输到了电源输出端。直观地来看，通过线稳来减小纹波没能实现的原因是内环取样的纹波并不能作为输出纹波的取样，两者之间的相位关系如图5所示。

由图5可见，两者之间有相位差，指望这样的取样去很好地压制纹波是不太现实的。

通过以上的试验和分析，重新设计电路，原理图如图6所示。

电路的工作原理：假设输入电压从零升高，初始状态时调整管为开通状态，管压降是并联在调整管D、S端电阻与取样电阻分压所得，当Vs1与设定的基准Vr1相等时，线性稳压开始调整，使输出电压稳定。此时输入电压继续升高，当Vs2与设定的基准Vr2相等时，开始调整开关电源，使管压降保持稳定。

此种电路的实验结果是，当开关电源未进入稳压时，有减小纹波的效果，但是在开关电源进入稳压后，环路很容易振荡。经分析后认为，还是由于Vs2的相位与C1两端电压的相位不符，造成前级调整始终没有稳态而引起整个2级的系统振荡。

综合以上2种电路，重新设计电路如图7所示。

电路的工作原理：2个电压基准Vr1和Vr2相等，假设输入电压从零升高，初始状态时调整管为开通状态，随着输入电压的升高，输出电压在升高，|s2|也在升高，线性稳压首先进入稳压状态，随着输入电压的继续升高，管压降在升高，输出电压不变，但是V1(C1两端的电压)在升高，所以|s1|也在升高，当管压降达到设定值时，开关电源也进入稳压状态，由于N2的作用使得V1稳定不变，即保持管压降不变，从而使得输出电压稳定。

由以上原理分析可知，2个取样比需要仔细计算，以保证在电压调整时管压降不能超过调整管的反向耐压值。

设调整管前取样比为k1，调整管后取样比为k2，由于Vr1和Vr2相等，Vr1=Vr2，所以：

(8)

可得：

(9)

则压差VDS为：

(10)

同步电压V2为-10 kV，设k2=1∶2 000，压差为600 V，将V2、k2、VDS代入上式，求得k1=1:2 120。

由于分压比相差较小，为保证取样比的精度以及稳定性，采用高压分压器代替串接电阻取样。

电路测试波形如图8所示。

由图8和图3、图4对比可见(CH1为输出波形)，纹波得到了有效减小，试验结果较为满意。

此纹波下测得某相位一致行波管的相位波动如图9所示。

由图9可见，由电源纹波引起的相位波动在全频带内在±2°左右，满足指标要求。

3 结束语

由上述可知，此方案可很好地减小高压电源的输出纹波，满足工程应用要求。但是任何形式的电路都有其优点和缺点，此电路的优点是可有效减小纹波，但是带来的代价是降低了电源的效率和为保证可靠性而使系统复杂化。效率的降低是显而易见的，因为增加了调整管，但是由于管体的电流很小，因此效率的降低是有限和可容忍的。这个电路真正的关注点是当真空器件发生“跳火”现象时，调整管是否能可靠工作,整个系统的过流过压的保护速度以及动态响应均会对电源的工程化应用产生影响。

在对相位有严格要求的高性能设备中，例如高分辨率雷达、合成孔径雷达、超宽带雷达、多波束干扰系统设备等，此方案有广阔的应用前景。

[1] 郑新，李新辉，潘厚忠，等.雷达发射机技术[M].北京：电子工业出版社，2006.

[2] 孙合敏，谭贤四，武文.电源纹波对相参雷达改善因子的影响[J].火力与指挥控制,2000,25(3):35-37.

[3] 祁炜，朱忠尼.线性分布式电源减少输出纹波的一种控制方法[J].国际电子变压器,2008(12):105-107.

Research into Reducing Output PARD of High-voltage Power Source

ZHANG Jun-ling,SUN Chao

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Along with the improvement of equipment performance,the influence of power source output periodic and random deviation (PARD) on equipment performance becomes more and more evidently.There are many ways to restrain the PARD of switching power source,the best effective way is to add low dropout regulator (LDO) after switching power source output.This paper introduces the method to add LDO to high-voltage power source.Theoretical analysis and actual test prove the validity of this method and favorable prospect of engineering application.

periodic and random deviation;traveling wave tube;high voltage power source;phase

2016-07-29

TM919

A

CN32-1413(2017)01-0095-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.01.021