一种高功率密度DC/DC电源设计

曹晨　张建飞

关键词：相控阵雷达阵面电源；高功率密度电源；开关电源；高压输入电源；VICOR晶片

中图分类号：TN86 文献标识码：A

0引言

随着雷达系统的发展，相控阵技术以其独特的功能，已被广泛应用于各种雷达之中。相控阵雷达供电方式与传统雷达有很大的不同：相控阵雷达电源向相控阵阵列上的T/R（收／发）组件供电，由于T/R组件工作电压很低，数量众多，所以要求电源输出电压低、电流大、体积小，是一种高功率密度、高压输入低压输出的电源。

本文基于某项目相控阵雷达的要求，设计一款高压输入、高功率密度的阵面电源。目前电源设计有两种方法：一种是采用传统降压变压器；另一种是采用开关电源。近几年来，后一种方法几乎取代了降压变压器。开关电源的优点是高效率和高功率密度输出，故该电源采用开关电源技术。

整体电源系统原理框图如图1所示。其中一次电源为AC/DC（交流转直流），阵面电源为DC/DC（直流转直流）。本文设计为阵面电源模块。

1 VICOR晶片

美国VICOR公司是国际知名的电源模块生产厂家，也是目前世界最大的高密度电源模块生产商之一。目前市场上销售的主要有3代模块产品：一代模块产品最大功率为200 W;二代模块产品最大功率为700 W;三代模块产品是晶片产品，功率密度极高。本文DC/DC电源设计采用VICOR晶片，可以满足客户小体积、大功率的要求。

晶片和以往的砖型封装模块不同，其基本原理框图如图2所示。

其中，BCM为总线转换器，提供从一个隔离非稳压总线到负载点的转换。BCM可从高输入电压（230～410 V）或48V（38～55 V），以固定的转换比例，转换至大范围的输出总电压，峰值效率高达97.9%，全晶片封装大小只有32.5mm×2mm×6.73 mm，功率密度高達1880 Wrm³（1 in≈2.54 cm）。PRM为升／降压稳压器预稳压模块，是效率非常高的非隔离升降压模块，输入范围宽，可提供稳压及可调的输出电压。VTM为负载点电流倍增器，在26～55 Vdc范围工作，输出隔离电压为输入电压的固定比值。PRM和VTM连用，可组成高效率、高功率密度的隔离式DC/DC转换器。

由于本项目母线电压为490 V，超出BCM工作电压范围，所以采用BCM并联的方式，前级设计分压电路，将490 V分成两路245 V，即可满足BCM输入电压要求。

2电源设计原理

根据VICOR晶片以及本项目需求，阵面电源原理框图如图3所示。

均压电路的作用是将输入电压490 Vdc均压成两路245 Vdc，满足后级输入范围需要。

延时启动电路的作用是等均压完成后，触发BCM工作，进行DC/DC转换。

PI为高密度隔离式DC/DC转换器，提供第二路较小功率隔离输出。

检测电路是用来检测两路输出是否正常。如果均有电压输出，则检测电平为高；如果有任意一路无输出，则检测电平为低。

3 PCB设计原理

由于体积和散热条件有限，本电源设计元器件分别焊接在两块PCB（印制电路板）上。其中均压电路、触发电路、第一级DC/DC转换和稳压器焊在一块PCB上，发热元器件紧贴电源底板；第二级DC/DC转换、电流倍增器和检测电路焊在第二块PCB上，发热元器件紧贴顶板散热。这样可以将输入至中间转换部分放在底部，输出部分全放在顶部，两块PCB之间连线最少，且输入输出干扰小。

4测量结果

电源实物如图4所示。

将成品电源放在测试工装上，电源输入接高压直流稳压仪表电源，输出端接滑线变阻器，开机预热1 min后在常温下进行性能指标测试。空载时，缓慢加输入电压，测量结果如表1所示。

输入电压时要注意，若输入电压持续升压至490V，那么两个BCM会在临界电压（约为180V，分压前输入电压为360 V）附近出现间隔导通关断现象，不能同时工作。为避免此现象，可以直接将输入电压加到490V，越过临界电压点；或者调整延时启动电路中的分压电阻，使输入电压高于临界电压点之后再启动BCM。

满载测量结果如表2所示。

电源（在电网电压或负载突变时）的输出调整速率很重要，因为没有一个物理过程能“瞬时”完成。

对比以上电源空载和满载输出电压的测量结果可以看出，电源输出电压调整率高，效率高，性能指标良好。结构和性能指标均可以满足阵面电源的设计要求。

5结语

相控阵雷达阵面电源的特殊性，决定其高功率密度的特点。本设计采用美国VICOR公司第三代电源晶片，是一次新的尝试和挑战，设计主要难度为空间小、散热量大。为了满足小体积的要求，PCB设计采用两层印制板，让发热原件贴合顶板和底板，最大限度增加散热面积，保证电路正常工作。电源可提供两路输出，且具有体积小、功率大、效率高的特点，能够满足现代阵面电源的要求。