行波管在轨可调高压数字化隔离控制电路设计方案

李卓成

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

通常行波管电源是针对给定的行波管设计的，当行波管的应用频段、输出功率确定后，行波管的各极电压也就确定，也就是说行波管及其电源一旦设计、调试完成，它将工作在固定的频段和功率上。为了在卫星制造、调试、运营和任务重建等方面具有较大的灵活性，需要对行波管的各极电压作在轨调整，这种调整是通过地面指令，经行波管电源处理，最后产生所需要的高压。

为了保证行波管电源的电磁兼容性能和悬浮地供电以及控制的需要，要求低压(母线回线)和高压之间必须电隔离[1]。实现电隔离的方法有多种：如光电隔离、电声隔离[2]和电磁隔离，常见的电压传输方法是模拟方法，如：脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)、脉冲频率调制(pulse frequency modulation，PFM)和脉冲幅度调制(pulse amplitude modulation，PAM)，这些方法的温度稳定性和抗干扰性较差，元件参数的一致性对传输的电压精确性有较大的影响，同时也增加了调试难度。为了提高控制精度，减小传输误差，降低温度效应，增强抗干扰能力，串行数字化隔离传输是一个行之有效的方法。

1 高压可调行波管电源组成及原理

可调行波管电源组成如图1所示，主要由高压变换器(高压模块)，阴极电流调节器(通过控制阳极电压实现)，螺旋极和收集极电压调节器，命令接收与处理(控制器)和预稳压器(BUCK/BOOST)等组成。BUCK/BOOST预稳压器实现收集极电压的调节，螺旋极稳压器实现螺旋极电压调节，阴极电流调节器实现功率可调。系统有3种接地：输入地(母线地)、输出地(机壳地、螺旋极)和悬浮地(阴极电流调节器参考地)，所以2个调节器的控制参数需要隔离传输。控制器接收串行总线(OBDH-卫星数据处理系统)送来的控制命令，分析控制要求(功率调节或频率调节)，对控制参数进行串并转换并分析，最后得到与需要的功率和频率对应的控制数据。3个D/A转换器分别把数字信号转换为控制阴极电流、螺旋极电压和收集极电压所需的参考基准。

图1 可调行波管放大器原理组成方框图Fig.1 The block diagram of dual flexible TWTA

2 高压隔离控制方案选择

2.1 隔离器件选择

实现电隔离有以下几种器件：光电耦合器；电声耦合器(压电陶瓷)；电磁耦合器。这些器件的性能特点如表1所列。光电耦合器隔离电压较低，不适合阴极电流调节器的隔离，虽然有高压光电隔离产品，但体积不适合空间应用；光纤隔离电压很高，但弯曲能力差，易发生脆性断裂；电声隔离驱动复杂，工作频带窄；变压器隔离电压高，工作频带宽，设计灵活，至于因高压耦合造成的漏感增加使波形不理想，对数字电路影响不大。故可选用变压器作为隔离器件，不过对于螺旋极隔离，由于隔离电压较低且传输速率要求不高的情况下，也可选用光耦器件。

表1 几种电隔离方法的特性比较Tab.1 The comparison of methods for insulating transfer

2.2 参数传递方法选择

目前常见的参数隔离传输方法是模拟方法，如：PAM、PWM和PFM。这几种方法的普遍缺点是无法达到很高的精度和电压分辨率，而且解调时由于低通滤波器通带不能随着调制脉宽和频率变化，当调制电压大范围变化时，为了保证足够快的响应速度，滤波时常数不能过大，所以解调后的输出电压纹波会随调制电压变化，作为控制参考电压，这种随机变化的纹波电压会影响所控的输出高压的性能(尤其是行波管螺旋极电压的精度和纹波对TWTA指标有较大的影响)。另外模拟调制方法不能达到几到十几毫伏的分辨率。

数字化电压隔离传输方法是提高传输精度、稳定性、重复性的有效方法，同时用这种方法得到的控制参考电压几乎不受环境温度的影响，且抗干扰能力强，当采用变压器作为隔离元件时漏感对传输电压没有影响，这样可以更进一步提高隔离电压。不同参数传递方案的优缺点及核心电路原理分别如表2所列，图2所示。

表2 变压器隔离的数据传输方法性能比较Tab.2 The comparison of digitalized transfer with transformer

图2 不同调制方式控制电压产生原理Fig.2 The principle circuits for generating reference voltage

用数字方法传递高压隔离的控制参考电压尚未看到有关报道。通过对图2中4个方案的比较，可以看出数字控制方法的优越性主要表现在：

1)数字控制精度和分辨率高。它的精度仅由基准电压确定，误差由数字位数确定，可通过增加数据位使控制电压精准度成倍提高；

2)数字控制一致性和重复性好，调试简单。PAM、PWM和PFM(图2(a)～图2(c))的输出电压均受二级管压降的影响，而二极管的正向压降的离散性较大，不同批次和不同型号的差别较大，这将很难保证不同批次输出电压的一致性，增加调试难度。数字控制(图2(d))的二极管压降对输出电压无影响；

3)数字控制输出电压范围宽。数字控制电压可在0～基准电压之间变化，因为它是由D/A转换器实现的。模拟控制是通过脉宽或频率变化实现的，脉宽或频率的大范围变化均对变压器设计增加难度，所以它的控制电压仅在有限范围内；

4)数字控制响应快。数字控制一旦输出控制脉冲前沿到来，立刻会得到输出电压，而其他方法因RC时间常数(图2中的R1C1、R2C2、R3C3)使其不能实现快速响应，一旦确定就不能调节，数字电路无电容(仅有电阻R4)；

5)数字控制抗干扰能力强且输出杂波可忽略。数字电路只识别高低电平，所以足够高的干扰电平不会影响对逻辑电平的准确判断。而模拟电路的干扰电平直接引起输出电压的变化，脉冲变压器产生的杂波无法消除，PFM还会使杂波频率大范围变化，最终造成微波输出杂波增大，另外LC电路还可能产生寄生振荡；

6)数字控制温度稳定性优良。温度稳定性主要体现在整流二极管正向结电压随温度的变化(D1～D5)，它将直接引起输出电压的变化。数字控制的温度稳定性主要受基准电压的影响，而基准电压的温度系数远远小于二级管。

3 变压器隔离串行数字化控制方案与电路

3.1 方案与电路原理

电路组成框图如图3(a)所示，主要通过传输两路脉冲信号(开始和时钟脉冲、串行数据脉冲)来实现控制数据的传输，分别由变压器T1和T2完成隔离，T1传输开始与时钟脉冲，T2传输数据脉冲。脉冲整形电路将变压器传输的脉冲整形，使脉冲波形的上升与下降时间满足要求。开始与时钟分离电路通过积分电路(见图3(b))把时钟脉冲分离出来，然后得到串行数据寄存脉冲和并行数据锁存脉冲，并行数据经D/A转换器得到对应的参考电压。

开始和时钟脉冲由8个开槽脉冲和8个时钟脉冲组成(图3(c))，8个开槽脉冲用作识别传输数据的开始，8个时钟脉冲用于寄存串行数据(上升沿有效)，串行数据由8位组成，数据脉冲的前沿超前时钟脉冲约半个时钟周期以确保在数据稳定期寄存数据，也有利于抗干扰。这个数据传输格式(时序)是电源内部控制器产生的，不受其他通信协议的限制，可以灵活应用。关于电源与卫星系统的数据传输可采用OBDH数据总线[6]。

图3 串行数据隔离传输电路原理与波形Fig.3 Circuits and waveforms for digitalized data transfer with transformer

3.2 仿真验证

图4是图3电路的仿真模型，U9(1)是开始和时钟复合脉冲信号，U10(1)是串行数据信号，V4是模拟上电复位信号。设串行数据位D7D6D5D4D3D2D1D0为10011110(十进制158)，D/A参考电压为5.1V，则D/A(8bit)输出电压为158×5.1/255=3.16V，改变输入数据从00000000～11111111变换，D/A输出电压在0～5.1V范围变化，如果初始数据位(对应默认输出功率)为10000000(128)，则D/A输出可在基准电压(2.56V)有±2.56V的变化，这样可以实现TWTA输出在某一参考功率基础上大小可调。仿真结果为：当输入数据为1001110时，D/A输出电压为3.16V，达到设计要求。

图4 仿真电路与波形Fig.4 The simulating circuits and waveforms

图5给出了一个Ku波段TWT功率可调特性[7]，当功率在80～160W可调时，阳极电压需要在大约在3600～4900V变化，阳压变化值为1300V，有些行波管可达1770V[8]。若采用8bit D/A变换器，阳压分辨率为：

图5 一种Ku频段行波管输出功率(阳极电压)与阴极电流的变化特性Fig.5 The variable properties of output power (anode voltage) vs cathode current

3.3 实施过程注意事项

由于隔离电压很高，变压器的初次级不能做到紧耦合，所以漏感较大，结果使波形顶降大或上升沿振铃(下降沿不影响数据采集)。为了使采样的数据准确可靠，可根据测量的波形特性，把数据取样脉冲(MP4)的前沿相对数据脉冲(MP5)前沿进行适当的延迟。另外，可通过RC积分电路(R2C1，R5C3)的调试改善波形振铃，积分电容不能过大，要保证一个时钟周期内电荷泄放完成。如要进一步提高控制精度，可适当增加D/A转换器的位数，用同样的方法可实现螺旋极电压的数字化控制。

4 结论

变压器隔离串行数字化方法可以实现高压控制数据的可靠传输。这种方法传输精度高；得到的控制参考电压无纹波；抗干扰能力强；电压的软件设计值与实际输出保持良好的线性特性且不受温度变化的影响；电路元件的更换对结果无影响，易于调试；另外通过改变D/A变换器的位数使控制精度(分辨率)成倍地提高。用适当的电路复杂性获得高性能空间行波管电源的控制性是值得的。