黃 煉，朱永亮，蔣 華，花 韜

(南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京 210039)

在航天領域中，星載雷達系統(tǒng)是衛(wèi)星重要載荷，其天線陣面供配電系統(tǒng)主要特點為：脈沖功率工作；峰值功率大；平均功率大；工作模式復雜[1-2]。天線陣面供配電分系統(tǒng)為各用電設備提供所需的電能，其質(zhì)量直接影響整個系統(tǒng)的功能、性能，乃至任務的成敗。同時，高空間分辨率的星載雷達的發(fā)展趨勢意味著整星供電功率需求持續(xù)提升，但是由于發(fā)射平臺推力受限，對載荷設備單位面積質(zhì)量要求越來越嚴苛，高集成度、高效率和輕量化的供配電系統(tǒng)的需求已經(jīng)迫在眉睫[3-7]。

星載雷達系統(tǒng)中，大多采用DC/DC 模塊將一次電源轉(zhuǎn)換為所需的二次電源，實現(xiàn)供配電系統(tǒng)的一次地和二次地之間隔離和電壓變換[8]。常見的電源電路一般由保險絲、電磁干擾(EMI)電路、功率變換電路、使能控制電路組成。其中保險絲用于故障隔離，功率變換電路和EMI 電路一般選取DC/DC變換器和與之配套的濾波器，控制電路用于控制DC/DC 變換器的開關(guān)使能。DC/DC 變換器根據(jù)降額設計原則和可靠性設計原則，模塊內(nèi)部元器件的選用需要滿足國軍標要求的I級降額。同時在系統(tǒng)應用上，DC/DC 模塊的使用需要再次滿足國軍標要求的I 級降額，使得DC/DC 模塊長期處于半載或者輕載工作狀態(tài)，從而導致系統(tǒng)效率低，存在一定的資源浪費，不能滿足系統(tǒng)高集成度、高效率和輕量化的應用需求。

本文以某星載雷達天線陣面供配電系統(tǒng)的陣面二次電源為研究對象，提出一種系統(tǒng)級可重構(gòu)厚膜混合集成電源模塊設計方法，利用厚膜混合集成工藝，靈活地將多個功能單元集成到一個微組裝模塊中，構(gòu)建功能完善且體積小、質(zhì)量輕、效率高、可靠性高的可重構(gòu)分布式供電模塊，滿足天線陣面供配電系統(tǒng)的高集成度、高效率和輕量化的應用需求。

1 原理和設計

1.1 星載雷達供配電系統(tǒng)

某星載雷達系統(tǒng)的天線陣面供配電系統(tǒng)包括：電池，配電器，陣面二次電源。其中電池是雷達發(fā)射功率的能量來源，提供一條不調(diào)節(jié)母線；配電器主要完成衛(wèi)星對載荷母線電源的分配與控制，根據(jù)控制指令為陣面二次電源提供電源開關(guān)機使能信號；陣面二次電源的主要功能是將不調(diào)節(jié)母線所配直流電變換為收發(fā)(T/R)組件所需的低壓直流電，接收開關(guān)機信號，實現(xiàn)開關(guān)機功能。T/R 組件是主要用電單機，在發(fā)射期間完成發(fā)射信號的高功率放大，接收期間完成接收信號的低噪聲放大[9]。某星載雷達系統(tǒng)天線陣面供配電鏈路如圖1 所示。

圖1 某星載雷達系統(tǒng)的供配電鏈路

1.1.1 基于傳統(tǒng)PCB 工藝的陣面二次電源

基于傳統(tǒng)印制板電路板(PCB)工藝的陣面二次電源整體電路設計框圖如圖2 所示。功率變換電路和EMI 電路選取某公司的AFL50XXSXRH 系列DC/DC 變換器和與之配套的AME50461W 濾波器。根據(jù)元器件降額要求和系統(tǒng)可靠性設計要求，共需要AFL5028SXRH 系列DC/DC 變換器4 個、AFL5005SXRH 系列DC/DC 變換器4 個和與之配套的AME50461W 濾波器2 個。

圖2 二次電源整體電路設計框圖

基于傳統(tǒng)PCB 工藝的陣面二次電源在結(jié)構(gòu)上需要充分考慮安裝、固定、散熱和絕緣問題，采用圖3 自上而下的安裝方式，依次為印制板、DC/DC 變換器、導熱襯墊和機殼；DC/DC 變換器通過緊固件固定在機殼上，模塊與機殼之間加入導熱襯墊；濾波器兩側(cè)引腳彎曲朝上，與上方印制板直接焊接。設計完成的單機本體尺寸450 mm×100 mm×24 mm，單機滿載效率≥75%，單機質(zhì)量1.8 kg，在高度、質(zhì)量和集成度方面不能適應未來系統(tǒng)應用需求。

圖3 DC/DC 變換器結(jié)構(gòu)安裝設計示意圖

1.1.2 基于厚膜混合集成工藝的電源模塊

高集成度、高效率和輕量化的電源模塊是滿足系統(tǒng)高效率、輕量化的有效實現(xiàn)方式[10-11]。在傳統(tǒng)陣面二次電源設計基礎上，利用厚膜混合集成工藝進行系統(tǒng)集成，將多個功能單元集成到一個微組裝模塊中，構(gòu)建功能完善且體積小、質(zhì)量輕、效率高、高可靠性的系統(tǒng)級分布式供電模塊，能夠滿足系統(tǒng)應用需求。

厚膜混合集成工藝基于多層氧化鋁陶瓷基板和局部雙層的氧化鋁AL2O3基板實現(xiàn)，如圖4 所示。電路進行分片設計，控制部分采用多層布線以提高組裝密度，功率部分采用高導熱基板以適應大功率器件的散熱需求，兼具高密度和大功率的特征，同時分片提高了電路抗機械應力的能力，以保證電路滿足可靠性試驗的要求。基板上控制部分主要采用金導帶布線；表貼元件采用粘接、燒焊工藝安裝在基板上，控制芯片以金絲和金帶鍵合工藝，功率芯片以鋁絲鍵合和燒焊工藝實現(xiàn)與基板的電氣連接。功率變壓器、功率電感銅帶手工焊接至特制的過渡片上實現(xiàn)互聯(lián)，并采用高導熱材料進行非導電粘接到殼體上，以降低熱阻并保證良好的機械性能。大電流磁性器件采用耐高溫漆包銅帶繞制，提高繞組過流能力。

圖4 厚膜混合集成工藝

1.2 系統(tǒng)級可重構(gòu)電源模塊設計

以上述雷達系統(tǒng)中分布式供電最小供電單元為研究對象，從系統(tǒng)角度和可實現(xiàn)性角度出發(fā)，厚膜混合集成電源模塊集成EMI、控制使能電路和電源變換電路，單個電源模塊輸出電流5 V/4.8 A、-5 V/0.8 A 和28 V/6.4 A，合計輸出功率約207 W。

1.2.1 電路設計

電源模塊接收開關(guān)機使能信號，實現(xiàn)開關(guān)機動作，實現(xiàn)三路電壓輸出。根據(jù)電路單機內(nèi)部含有輸入浪涌抑制電路、EMI 濾波電路、輔助源電路、28 V 變換電路、5 V 變換電路和-5 V 變換電路等部分，原理框圖如圖5 所示。

圖5 電路原理框圖

電源模塊中28 V 電路功率變換電路采用獨立的功率變換電路，通過自身輸出反饋來實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。5 V 電路功率較小，共用一套功率變換電路，5 V 電路通過自身輸出反饋來實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，-5 V 電路通過后級二次穩(wěn)壓變換來實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出?？刂齐娐凡捎梅逯惦娏餍兔}寬調(diào)制(PWM)控制方式，其開關(guān)頻率固定，利用電流互感器采樣原邊電流信號，通過誤差電壓采樣控制環(huán)、峰值電流采樣控制環(huán)實現(xiàn)雙環(huán)控制。模塊具備過壓/過流保護能力，通過對輸出電流進行采樣，在輸出過流時采用恒流輸出方式，實現(xiàn)過流保護功能和短路保護功能，限流點設為120%滿載，可保證電路長期工作在輸出短路狀態(tài)下而不發(fā)生燒毀，短路故障移除時電路可自動恢復正常工作。

1.2.2 布局設計

在內(nèi)部版圖設計上，控制部分的走線盡量遠離輸出，將控制電路與功率電路在布局時分開放置，以降低功率部分對控制部分的干擾；控制部分采用多層厚膜銀鈀布線技術(shù)制作多層基板，特點是器件多、走線關(guān)系復雜、器件發(fā)熱量?。还β孰娐凡捎蒙嵝阅茌^好的氧化鋁厚銅覆銅陶瓷板(DBC)設計，特點是電流較大，發(fā)熱量較大。

模塊內(nèi)部共有7 塊陶瓷基板，如圖6 所示，其中包含：C1多層氧化鋁厚膜基板，其功能是實現(xiàn)EMI 濾波和開關(guān)機使能；C2 多層氧化鋁厚膜基板，其功能是實現(xiàn)5 V 功率變換；C3氧化鋁厚銅DBC 基板，其功能是實現(xiàn)5 V 整流濾波；C4 多層氧化鋁厚膜基板，其功能是實現(xiàn)-5 V 變換；C5 多層氧化鋁厚膜基板，其功能是實現(xiàn)28 V 功率變換；C6 氧化鋁厚銅DBC 基板，其功能是實現(xiàn)28 V 整流濾波；C7 多層氧化鋁厚膜基板，其功能是實現(xiàn)電源輸出。模塊中除陶瓷基板外，還有兩只變壓器和兩只電感器，均采用RM 系列磁芯結(jié)合扁銅線繞制導體設計，磁性元件采用粘接工藝直接與電源殼體粘接，具有較好抗力學振動和導熱特性。

整個機殼采用的是鋁硅合金材料，整體為金屬氣密性封裝結(jié)構(gòu)，輸入端和輸出端均采用氣密性電連接器，結(jié)構(gòu)設計綜合考慮了強度、抗輻照和散熱要求，設計完成的電源模塊本體尺寸為120 mm×70 mm×13 mm，單機質(zhì)量0.27 kg，相較于傳統(tǒng)的陣面二次電源，質(zhì)量比功率從115 W/kg 提升到767 W/kg，體積比功率從0.19 W/cm3提升到1.89 W/cm3。

1.2.3 可重構(gòu)實現(xiàn)方式

在復雜大型供配電系統(tǒng)的應用場合中，由于供電電壓品種以及功能配置復雜，為實現(xiàn)系統(tǒng)功能，需要將多個DC/DC進行組合使用并且配置一定的EMI 濾波單元，但是受限于元器件選型范圍和建筑規(guī)范要求，導致DC/DC 模塊應用上不能實現(xiàn)最優(yōu)的組合，存在一定的資源浪費和供配電安全隱患?？芍貥?gòu)電源模塊是一種基于最小供電單元的高可靠性供配電解決途徑。以傳統(tǒng)的DC/DC 變換器設計為基礎，從系統(tǒng)角度需求出發(fā)，構(gòu)建多路輸出的可重構(gòu)電源模塊是一種靈活、快速的實現(xiàn)方式，其主要表現(xiàn)形式為輸出電壓可重構(gòu)?？芍貥?gòu)電源模塊通過對內(nèi)部單元進行搭配組合，以內(nèi)部電路板結(jié)構(gòu)為基礎，直接進行替換，實現(xiàn)多種輸出電壓設置，在工藝條件不變下，以最快速度實現(xiàn)系統(tǒng)配置可變，保證系統(tǒng)可靠性。

以本文中可重構(gòu)電源模塊為例，布局設計中C2、C3 和C4構(gòu)成的面積約為34 mm×80 mm，與標準的DC/D 模塊100 W的封裝尺寸基本一致，在尺寸上能夠兼容同等功率等級的各種電壓需求。在已有的設計基礎上，本電壓模塊還可以構(gòu)建兩種電源模塊方案：一種是雙路28 V 輸出的電源方案，將圖6中C2、C3 和C4 單元直接替換成C5 和C6 單元，合理設計輸出C7 單元，實現(xiàn)內(nèi)部兩路輸出28 V 電源，該設計方案可以在大功率輸出場景應用，利于系統(tǒng)的分布式設計；另一種是四路輸出5 V 和-5 V 輸出的電源方案，將圖6 中C5 和C6 單元直接替換成C2、C3 和C4 單元，內(nèi)部為四路輸出電壓，通過合理設計輸出C7 單元，既可以實現(xiàn)輸出四路電壓，也可以進行主備一體化配置，有效提升系統(tǒng)可靠性。同時在其他系統(tǒng)中應用時，可以根據(jù)系統(tǒng)配置要求，進行多電壓供電，這樣能夠減少模塊間互聯(lián)，同時直接匹配供電需求，實現(xiàn)資源最大化利用。

2 仿真和測試結(jié)果

2.1 力學仿真結(jié)果

陣面電源集成EMI 模塊和多路DC/DC 模塊電路，在結(jié)構(gòu)上根據(jù)工作狀態(tài)和受力情況，進行力學仿真分析。首先對電源模塊殼體進行模態(tài)分析，保證電源模塊在滿足尺寸、質(zhì)量要求的前提下盡可能提高組件的固有頻率。根據(jù)振動理論，結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)對振動響應比較大，高階模態(tài)可以忽略不計。前6 階的固有頻率如表1 所示。

表1 模態(tài)分析結(jié)果 Hz

然后在模態(tài)分析的基礎上進行了隨機振動和正弦振動下的響應仿真分析，結(jié)果如圖7 所示。隨機振動載荷在垂直方向時，在固定處最大應力值為26.99 MPa，安全裕度=200 MPa÷26.99 MPa-1=6.4。正弦振動載荷在垂直方向時，在固定處最大應力值為15.88 MPa，安全裕度=200 MPa÷15.88 MPa-1=11.5。仿真結(jié)果表明，隨機振動和正弦振動所引起的模塊內(nèi)部應力變形較小，自身抗振動性能很好，安全裕度滿足使用環(huán)境要求。

圖7 振動應力云圖

2.2 電路仿真設計

為驗證有源箝位電路設計的符合性，基于MATLAB/Simulink 建立仿真模型，如圖8 所示，仿真參數(shù)如表2 所示。

表2 仿真參數(shù)

圖8 仿真模型

得到的電路關(guān)鍵波形如圖9 所示。

圖9 仿真波形

仿真主功率MOS 管的最高電壓為115 V，電流峰值為9.5 A，從輸出啟動波形可以看出28 V 上升時間約17 ms，無超調(diào)，滿足系統(tǒng)應用需求。

2.3 單機測試結(jié)果

對電源模塊進行功能測試，包括輸出電壓及輸出電流、輸入電壓調(diào)整率、輸出電壓穩(wěn)定度、效率、輸入反射紋波、輸出電壓紋波、輸出啟動時間、過流保護和過壓保護。電源模塊的常溫電性能指標均滿足系統(tǒng)需求，效率達到88.53%，較傳統(tǒng)方式效率指標得到大幅度提升，電性能測試結(jié)果如表3所示。為驗證該模塊環(huán)境力學適應性，進行正弦振動、隨機振動和沖擊試驗，試驗前后數(shù)據(jù)一致，試驗過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)正常，能夠滿足宇航力學環(huán)境使用要求。

表3 電性能測試結(jié)果

對單機進行電磁兼容測試，依據(jù)國軍標GJB151B-2013 進行CE102、CE107、CS101、CS114 和RS103 等測試項目，測試結(jié)果如表4 所示。

表4 電磁兼容測試結(jié)果

電源模塊滿載工作，輸入電壓60 V，工作電流3.93 A，合格判據(jù)為3 路輸出電壓為28、5、-5 V 范圍內(nèi)為正常。電源模塊合格通過5 項測試，具備良好的電磁兼容特性，其中典型CE102 正線測試曲線如圖10 所示。

3 結(jié)論

本文利用厚膜混合集成工藝，從系統(tǒng)配置的最小供電單元角度出發(fā)，靈活地將多個功能單元集成到一個微組裝模塊中，構(gòu)建功能完善且體積小、質(zhì)量輕、效率高、可靠性高的可重構(gòu)分布式供電模塊。系統(tǒng)級厚膜混合集成陣面電源的效率從78%提升到88%，質(zhì)量比功率從115 W/kg 提升到767 W/kg，體積比功率從0.19 W/cm3提升到1.89 W/cm3。

電源模塊內(nèi)部功能單元可以組合變化，形成可重構(gòu)的電源模塊，適應系統(tǒng)復雜度需求。電源模塊內(nèi)部集成設計EMI、多個DC/DC 變換器和各種功能單元，有效提升了系統(tǒng)的集成度和適應性，具備良好的電磁兼容性能，能夠滿足天線陣面供配電系統(tǒng)的高集成度和輕量化的應用需求。