由共模电感失效导致的电源重启问题及解决措施

廖彦杰

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川成都，610036）

0 引言

运用于某型运载火箭的箭载相控阵天线是基于中继卫星的天基测量设备，用于中继卫星用户终端的波束指向和辐射。自首飞以来，已参加了多次飞行试验，历次飞行均圆满完成了任务。

在某次飞行任务前的出厂测试中，进行地面模拟系统转电过程时，表征相控阵天线T/R组件加电指示的遥测参数位由正常值“1”变为异常值“0”，持续约80ms后再恢复正常。通过基于FTA（故障树分析）的方法和试验验证，可以确定导致相控阵天线在系统转电过程中出现T/R组件掉电重启的原因是电源滤波电路的共模电感绕组不一致，使得共模电感变成差模电感[1]，不能对系统转电过程中产生的共模干扰进行有效滤除或抑制，由电源的时序控制电路重启所致。本文对共模电感失效引起的相控阵天线T/R组件掉电重启原因进行了分析，给出设计加固措施，并进行了试验验证。

1 相控阵天线电源工作原理

1.1 相控阵天线电源组成及工作原理

相控阵天线电源由电源滤波电路、DC/DC转换电路、时序控制电路等组成。原理框图如图1所示。电源工作原理是将输入的28V（25V～31V）电压经过电源滤波后分别供给DC/DC3、DC/DC4、DC/DC5，DC/DC3产 生-5V电 压，DC/DC4产生9V电压，DC/DC5产生5V电压。其中DC/DC3和DC/DC5提供给时序控制电路使用。另一路经过DC/DC1预稳压模块，再由DC/DC1预稳压模块稳压后供给DC/DC2隔离模块后产生10.5V电压。依据加电时序要求，电源模块供电开启时先关断10.5V输出，再让DC/DC3、DC/DC4、DC/DC5上电，当DC/DC3、DC/DC4、DC/DC5转换完成后延迟几十毫秒，通过DC/DC1使能端开启10.5V输出，以保护后级负载的供电安全。

图1 相控阵天线电源原理框图

1.2 时序控制及电压产生电路组成及原理

时序控制及电压产生电路组成如图2所示。图中经电压产生电路输出的10.5V电压即为T/R组件的输入供电电压。

电源时序控制电路的工作原理为：上电时，输入28V电压通过电阻R21限流，经二级管驱动三极管Q8，使其CE间导通，此时PC电压被拉低，使能关断DC/DC1预稳压模块的电压输出，以至供给相控阵天线T/R组件的10.5V电压也随之关断。如1.1所述，随着DC/DC3和DC/DC5电压正常启动，光电隔离器U15开始工作，将二极管D2输入端（A点）拉低，整个过程延迟约80ms，此时三极管Q8被关断，PC端被置为高电平，打开DC/DC1预稳压模块的输出，此时供给相控阵天线T/R组件的10.5V电压产生输出。

图2 电源滤波、时序控制及电压产生电路原理图

2 故障定位与分析

通过建立故障树，对故障进行定位和分析，确定故障为图1中电源滤波电路的共模电感出现异常所致。

2.1 共模电感组成及原理

共模电感由磁芯和漆包线组成，示意图如图3所示。

图3 共模电感示意图

共模电感工作原理为：当工作电流流过两个绕向相反线圈时，产生两个相互抵消的磁场，此时工作电流主要受线圈欧姆电阻以及可忽略不计的工作频率下小漏电感的阻尼，所以差模信号可以无衰减地通过。如果有共模电流流过线圈时，磁环中的磁通相互叠加，从而具有相当大的电感量，线圈即呈现出高阻抗，产生很强的阻尼效果，达到衰减干扰信号的作用。共模电感对于高频共模噪声呈现很大的阻抗，可以用来抑制共模电流干扰。

2.2 电源滤波电路分析

某型相控阵天线电源滤波电路有X线间电容、Y机壳电容、共模电感L1、差模电感L2所组成，原理框图如图2左上部分所示。

电路中的共模电感L1对共模干扰呈现很大的感抗，使之不易通过。差模电感L2能有效滤除超模干扰。X线间电容采用瓷片电容，容量范围大致是0.01μF~0.47μF，主要用来滤除差模干扰。Y机壳电容主要跨接在输出端，能有效的抑制共模干扰。Y机壳电容亦可并联在输入端，仍选用陶瓷电容，容量范围是2200nF~0.1μF。为减小漏电流，电容量不得超过0.1μF，并且电容器中点应与大地接通[2][3]。

为便于定量分析，将共模干扰和差模干扰分开分析，分别计算各自等效电路的A参数矩阵[4]并得出对应的插入损耗。图4与图5分别给出了电源滤波电路在理想状态下的共模等效电路和差模等效电路。

图4 理想共模等效电路

图5 理想差模等效电路

其中，LCM是等效共模电感，LDM是等效差模电感。

Le是绕制共模扼流圈时产生的不平衡漏电感，在滤除差模干扰信号时相当于差模电感的作用。一般情况下，L2<

故共模等效电路的A参数矩阵为：

由二端口网络[5]的相关知识得到滤波器插入损耗的计算公式为[6]

其中，a11、a12、a21、a22为滤波器二端口网络的A参数，ZS，ZL分别表示源阻抗和负载阻抗。

2.3 共模电感失效分析

相控阵天线电源工作频率为300kHz，按共模衰减优于60dB，差模衰减优于80dB的要求，根据式（2-4）进行理论计算，共模电感量L1约为2.5mH，差模电感量L2约为12μH。由于共模电感绕制时，两个绕组不对称，一组为18匝，一组为20匝（图3电感所示），该磁芯的电感系数为8100nH/N2，通过计算18匝的电感量约为2.624mH，20匝的电感量约为3 24mH[7]，与在进行故障分析时用测试仪器测试出的共模电感的两个绕组的电感量2.6mH与3.2mH保持一致。尽管共模电感两绕组电感均≥2.5mH，但由于两绕组电感的差值Le已高达0.62mH，已不满足Le<2L2和Le≤L1/100的条件。致使工作时共模电感磁芯出现饱和，此时共模电感等效于两个差摸电感，对共模干扰信号抑制作用就会大大降低。

2.4 相控阵天线掉电重启机理分析

为了进一步说明问题，模拟系统转电过程进行电源切换试验。当进行电源供电切换试验时，在供电切换时刻会产生共模和差摸干扰，由于共模干扰信号抑制能力降低，产生的共模干扰影响到时序控制电路的正常工作，未抑制的共模干扰信号在三极管（等效于一个非门）的输入端（图2中的A点）产生一个电压突跳，正常工作时A点为低电平，产生的电压突跳致使三极管CE导通，从而使PC端置低，导致DC/DC1预稳压模块的电压输出关断。约80ms后，PC端恢复为高电平，DC/DC1预稳压模块产生电压输出。该10.5V输出电压出现瞬间中断的现象，与系统转电试验时故障现象一致。

通过对比测试对以上机理分析进行了验证，在供电切换过程中正常电源模块与故障电源模块时序控制电路A点的输出分别如图6和图7所示。

图6 正常模块A点波形

图7 故障模块A点波形

对比可以看出：输入供电切换过程中，正常电源模块三极管驱动端口A点没有出现电压突变，输出10.5V没有出现中断；而故障电源模块在A点电压突变，输出10.5V出现中断和重启的过程，与现场故障现象描述一致，验证了机理分析的正确性。

综上所述，整个故障的产生机理为：系统转电产生的共模干扰，干扰通过电缆间和板间的感应耦合，由28V供电正负母线引入相控阵天线电源模块。由于共模电感L1故障，导致电源滤波电路失去对共模干扰的抑制作用，干扰信号直接进入电源板（电压产生电路）。分析图2电路，电源板上10.5V电压产生模块的使能端（PC端），不具备任务滤波环节，抗干扰能力不足，导致10.5V电压产生模块重启，从而输出10.5V电压中断。最终表现为，相控阵天线T/R组件供电电压掉电后重启。

3 解决方法与验证措施

3.1 解决方法

（1）方法1 共模电感改进法

设计上明确共模电感两绕组匝数相同，均为20圈。且给出共模电感量的适宜范围，2.5mH≤电感值≤4 mH。由Le≤L1/100得出两绕组电感量的绝对差值应小于0.025mH。

（2）方法2 电容滤波法

在10.5V电压产生模块的使能端（PC端）增加0.1uF滤波电容对该共模干扰进行有效的滤除或抑制。

3.2 验证措施

追溯之前所有批次成功进行飞行试验的相控阵天线测试记录，记录显示共模电感的两绕组电感量均在（2.5mH，4mH）之间，且绝对差值均在0.025 mH之内。符合解决方法1的要求，按照方法1要求制作一共模电感（3.53 mH / 3.52 mH），原位替换掉失效共模电感（2.62 mH / 3.24 mH），进行供电切换试验模拟系统转电过程。总共进行了5组，每组20次的供电切换试验，全部试验表明相控阵天线T/R组件未出现掉电现象，相控阵天线工作正常。但使用失效共模电感，却每次供电切换均出现T/R组件供电电压重启现象。充分验证了方法1的措施有效性。

在不更换失效共模电感的前提下，采用方法2在10.5V电压产生模块的使能端(PC端)增加0.1uF滤波电容。同样，进行5组，每组20次的供电切换试验，测试结果为：相控阵天线T/R组件亦未出现掉电现象，相控阵天线工作正常。也充分验证了方法2的措施有效性。

4 结束语

本文针对工程应用中某型箭载相控阵天线在电源转电过程中出现的掉电重启问题，对电源滤波电路的共模电感绕组差异造成的共模干扰，并随之影响电压产生电路进行了定量分析与详细讨论，给出了行之有效的解决方法和验证措施。验证结果表明，共模电感的绕组匝数和漏感量会对电源滤波电路带来不可忽略的影响，抑制共模和差模干扰不是纸上谈兵，在设计之初理应给予充分而高度的重视。本文结合工程实际案例所提出的关于共模电感抑制共模干扰的设计边界加固思路，从实际工程应用中有较强的可借鉴性。