INDRA二次雷达收发机电源模块优化

都佰胜

摘要

INDRA二次雷达自安装运行以来，收发机电源模块频繁出现故障，严重影响设备正常保障。由于雷达厂家没有提供详细的电源模块资料及电路原理图，送修费用昂贵，周期长，给一线运行维护工作造成了不便。本文通过对英德拉二次雷达收发机电源模块结构进行研究分析，利用成熟的开关电源理论知识，对+/-15V电源模块进行了重新设计优化，有效提高了电源模块的稳定性和可靠性。

【关键词】INDRA雷达 开关电源 滤波整流光耦反馈

IRS-20MP/L二次雷达系统是由INDRA公司生产的常规A/C模式雷达，国内安装现场比较少，技术支持能力有限。咸阳机场的INDRA常规A/C模式二次雷达承担着陕西管制区内的雷达监视保障，随着近年来咸阳机场航班量的快速增长，雷达监视设备稳定可靠运行的安全保障压力显著增加。电源模块作为雷达设备的关键部件，为整个雷达系统中多个部件提供电源供应，一套成熟稳定可靠的电源模块对雷达设备的安全运行起着至关重要作用。

1 INDRA收发电源模块简介

INDRA常规A/C模式雷达收发机电源采用模块化开关电源，主要由+50V、+15V、-15V、+5V组成，为雷达发射机（MTX）、接收机（MRX）和收发转换模块（MCT）提供电源供应，如图1所示。

该套电源中+/-15V模块故障率最高，可靠性和稳定性比较差。利用仪器仪表绘制电路原理图，发现两个电源模块结构是完全相同的，只是在输出端进行反接形成+/-15V。经过一系列的分析测试，+/-15V电源模块的设计理念比较落后，集成芯片容易烧毁，元器件稳定性较差，负载能力较弱。

2 开关电源设计

针对INDRA收发机电源模块的故障发生情况，对其中+/-15V开关电源重新进行了优化设计，设计框图如图2所示，整个设计分为输入整流滤波、单片开关电源、漏极钳位保护、高压变频器、输出整流滤波器、光耦反馈电路和偏置电路若干模块，相对于INDRA收发机电源模块，在设计方案、性能指标和产品可靠性等方面有了较大提高。

2.1 设计优化方案

滤波的主要功能是对输入电源噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。图3为输入滤波电路，其中FS1、FS2保险丝，具有熔点低、电阻率高及熔断速度快的特点，一旦发生故障，通过保险丝的电流超过的熔断电流，保险丝就被熔断，将输入电路切断，从而起到过电流保护作用。RT1为热敏电阻，开关电源刚通电时滤波电容上的压降不能突变，容抗接近0，所以瞬间充电电流很大，很容易损坏电解电容。接入热敏电阻后，刚通电时限流效果好，伴随着电流通过发出的热量，电阻值迅速减小，功耗明显降低。C1、LF1、C5组成双π型滤波网络，是EMI滤波器的主体。LF1为共模电感，可以有效抑制来自电网的共模干扰。C1、C5为差模滤波电容，可滤除电网尖峰电压。C3、C4为安全电容，其另一端接地。C3、C4具有濾除电网共模和差模干扰双重作用。R1、R2为泄放电阻，电源断电后可将C1、C5上积累的电荷泄放掉，使电源进线端的L、N不带电，保证使用安全。

相对于INDRA收发电源，在火线和零线上均使用了保险丝，泄放电阻采用两个电阻串联方式的方式提高了产品的安全性和可靠性。

图4中电阻电容二极管模块（R4/R5/C7/C8/ZD1）为尖峰电压吸收电路。当开关电源的功率MOSFET由导通变为截止时，在高频变压器初级侧绕组上会产生尖峰电压和感应电压。尖峰电压与直流输入电压和感应电压叠加后施加到MOSFET漏极，很容易损坏开关电源功率MOSFET。本方案使用了TVS、组容吸收元件、阻尼电阻和阻塞二极管构成的钳位和缓冲吸收电路，充分发挥TVS响应速度快、可承受瞬态高能量脉冲的优点，并且还增加了RC吸收回路，可以显著地降低尖峰电压幅度和减小电压波形的变化率，更好保护功率开关管。

图5中的反馈电路使用TL431型可调式精密并联稳压器构成外部误差放大器，对输出电压U_o作精细调整。当输出电压U_o发生波动时，经电阻8123、8124和SVRI分压后得到的取样电压与TL431中的2.5V带隙基准电压进行比较，在管脚2上形成误差电压，使光耦合器中的LED工作电流产生变化，再通过光耦合器去调节PWM芯片输出脉冲波形的占空比，使U_o维持不变，达到稳压目的。R120是光耦LED限流电阻，R121是TL431的偏置电阻，使TL431流过合适的工作电流，改善其稳压性能。8122、C120为环路补偿网络，可防止稳压环路产生振荡。

图6中的输出电路使用了快速恢复二极管，它具有开关特性好、反向恢复时间短、正向电流大、体积小、安装简便等优点。在二极管两端并联电阻和电容可以防止二极管在开关状态下产生自激振荡，并抑制射频干扰。C105、C106、L100和C110组成二阶滤波器，对输出电压进行滤波。R109泄放电阻，当输出断电后电容中存储的电荷通过R109慢慢释放掉。

INDRA收发电源的输出整流管使用了单管，本方案采用了共阴对管，特点是共阴对管整流电流大，并且在一个整流管损坏的情况下，另外一个整流管仍可以正常工作。

2.2 性能指标提升

INDRA电源模块指标与新设计方案指标对比如表1所示。从表中可知，新方案在负载调整率、纹波系数与INDRA电源模块保持一致的基础上，提高了电压调整率和输出电流。电压调整率指标的提高有利于电源模块在电网电压波动时保持稳定的输出，不会对负载造成损伤。较大的输出电流提高了电源模块的输出功率和抗浪涌能力，在负载变化较大或者负载开关的瞬间不会因为较大浪涌电流出现对电源模块造成损伤。

2.3 产品可靠度提升

INDRA电源未使用表贴元器件，而新方案中共使用了26个贴片电阻和电容，整个开关电源的重量降低了40%，如表2所示。体积保持不变，降低重量，意味着新方案中各个元器件之间间隔变大，散热通风效果更好，有利于提高产品的可靠性，延长产品使用寿命。另外INDRA开关电源中使用了4个直插二极管组成了桥式整流器和保险丝管，本方案采用了集成芯片和集成保险丝，节省空间的同时提高了产品的可靠性。

3 开关电源测试

3.1 电源测试框图及设备

图7为开关电源测试框图，隔离变压器将被测开关电源与电网电气隔离，便于接入示波器探头;自耦调压器用于调节开关电源的输入电压;示波器用来观测开关电源的波形;万用表可以测量交流、直流电压和电流;电子负载可以方便的调节负载，读出开关电源的电流与电压。

3.2 开关电源性能指标

根据开关电源性能指标参数的测试方法，对新方案的开关电源进行了实际测试，数据结果如表3所示，结合电源性能指标计算公式，得到电源性能指标，如表4所示。实际使用中INDRA电源消耗的电流小于2.5A，因此部分指标数据是在输出电流为3A的条件下测试得到。

4 结束语

（1）该电源模块具有输出纹波低、输出电阻小、输出电压可调、输出功率大、散热良好等特点，在设计过程中在火线和零线上均安装了保险丝，较多地采用了成熟可靠稳定的集成芯片，降低英德拉二次雷达发射机电源模块的故障率，提高设备的安全运行;

（2）电源模块具有很好的维护性，板卡出現问题可以内部排查解决，提高产品修复时效性，节省了电源模块的维修费用，同时随着雷达设备使用时间的增加，降低维护成本，降低对国外设备厂商的依赖程度;

（3）全国同类雷达设备可以进行借鉴，对电源进行优化改造;

（4）该电源模块在技术和工程方面实现220V交流电转+/-15V直流电的功能，在适当修改变压器、滤波电容等元器件的基础上，可以扩展到220VAC转+12VDC、+5VDC、+24VDC等多种输出的开关电源板，具有很好的可扩展性。

参考文献

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