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user: 2. 分布式TR组件电源系统 2.1. 系统整体架构 给固态有源相控阵雷达TR组件供电的分布式电源系统，其系统整体架构示意图如图1所示。电源系统的输入电压为交流220 V，用于给两个相同的AC/DC转换模块供电，输出12 V直流电压。这两个AC/DC转换模块的输出通过或门二极管并联在一起，用于给负载冗余供电。上位机通过I 2 C接口监视这两个AC/DC模块的工作状态以及输入、输出电流。每一个AC/DC的输出电流都能够满足负载的电流要求。因此，当其中一个AC/DC转换模块出现故障时，上位机将关闭这个故障模块。由于二极管的单向导通特性，某一个AC/DC电源转换模块出故障并不会影响12 V直流总线的输出，因此大大提高了从220 V交流电源到12 V直流这一电源转换的可靠性。使用或门二极管来并联两路12 V直流电源输出的方案非常简单，但存在功耗大、发热严重的缺点。可以采用大功率的MOSFET (金属–氧化物–半导体场效应晶体管)来代替二极管。MOSFET的导通内阻可以低至几毫欧姆，大大降低了压降损耗，可以实现更高的电源效率。而且由于无需散热器，可以节省大量的电路面积，也减少了供电系统的散热源，降低了整个电源系统对散热的要求。 图1. 分布式TR电源系统示意图 AC/DC转换模块的负载包括8个相同的TR电源模块，该电源模块从12 V直流输入取电，然后分别使用不同的DC-DC电压转换器将12 V输入电压转换成几路不同电压的直流输出。该分布式TR电源系统总共有8个TR电源模块，每一个TR电源模块给一组8个TR组件供电，8个TR电源模块分别给64个TR组件供电。每一个电源模块都提供了电压、电流、功率和温度监测功能。若有一个TR电源模块发生故障，可以通过上位机关闭该TR电源模块的输出。在这种情况下，只有一组8个TR组件受到影响，其他的TR组件仍然可以正常工作，大大提高了雷达系统的可靠性。同时，TR电源模块和TR组件支持热插拔功能，可以在雷达不停机的情况下更换故障模块，大大提高了雷达系统的可维修性。 2.2. TR电源模块 单个TR电源模块的示意图如图2所示。TR电源模块从12 V直流输入取电，经EMI滤波器滤除传导及辐射干扰以后，再分别通过不同的DC/DC电压转换模块，得到不同的直流电压(图示的12 V，5.5 V，−10 V和−15 V)，用于给TR组件供电。TR电源模块的辅助供电单元从EMI滤波器的输出端取电，用于给控制单元和监控单元供电。监控单元可以监控DC/DC变换模块的输出电压、电流，以及TR电源模块的温度。同时，监控单元还可以通过调整DC-DC电源转换模块中反馈电压引脚V FB 端的电压值来精确调整输出直流电压的电压值，具体的实施方法将在监控单元部分做详细说明。 控制单元与监控单元可以读取DC/DC电压变换器输出的电压、电流和温度信息，然后将这些监控信息传送给上位机。控制单元与上位机之间的通信接口做了隔离处理，以防止在热插拔过程中产生的静电对电源模块的控制单元以及上位机的控制器造成损伤。 图2. 单个TR电源模块示意图 2.2.1. DC/DC变换模块 根据某型号TR组件的用电需求，对单个TR组件，TR电源模块需要提供4种不同的输入电压，分别为12 V，5.5 V，−15 V和−10 V，对应的电流分别为1 A，1 A，0.1 A和0.1 A。由于一个TR电源模块需要给8个TR组件供电，因此单个TR电源模块提供的电流至少应为8个TR组件所需电流的总和。单个TR电源模块的输入/输出的电流、电压及功率参数如表1所示。 Table 1 Input and output parameters of a single TR power modul 规格 名称 电压(V) 电流(A) 功率(W) 输入参数 12 15 180 输出参数1 12 8 96 输出参数2 5.5 8 44 输出参数3 −15 0.8 12 输出参数4 −10 0.8 8 表1. 单个TR电源模块的输入输出参数 由于TR电源模块的输入电压为12 V，所以其输出的12 V电压不需要做DC/DC变换，直接从EMI滤波器的输出端取电即可。对于5.5 V、−15 V和−10 V输出电压，则需要分别通过DC/DC变换获得。 根据单个TR组件5.5 V/1 A的供电需求，每个电源模块要为8个TR组件提供约5.5 V/8 A。为了保证20%的供电余量，因此设计对5.5 V电压点输出电流为10 A，以满足8个TR组件对5.5 V电源的需求，该功能由一个DC/DC转换模块实现。 对于TR组件要求的−10 V与−15 V两个电压点，单个TR组件对电流的需求均为0.1 A，对应电源模块的要求为0.8 A电流输出。为了保证20%的设计余量，电源模块对−10 V和−15 V的设计输出电流均为1 A。从12 V到−10 V/1 A及−15 V/1 A的DC/DC转换分别由一个DC/DC负压转换模块实现。 2.2.2. 监控单元 监控单元一个电压监控及调整芯片实现，该芯片可以对TR电源模块的各路输出进行电压、电流与功率监控；同时，通过4个外置的温度传感器，可以对电源模块PCB板上关键部位的温度进行监控。此外，该芯片还有内置的DAC输出，可以通过调节DC-DC电压转换模块反馈电压引脚V FB 端的电压值来精确调节输出直流电压的幅度。该芯片对DC-DC电压转换器输出的电流、电压的监控以及对输出电压幅值调整的示意图如图3所示。DC-DC电压转换器的输出电压V OUT 通过一个串联的电流感应电阻R SENSE 给负载供电。芯片的电流感应引脚正负端I SENSEP 和I SENSEM 分别连接到电流感应电阻R SENSE 的两端，用于测量其两端的电压差。又因为电流感应电阻的阻值已知，因此可以通过欧姆定律计算出流经该电阻的电流值。芯片的电压感应引脚正负端V SENSEP 和V SENSEM 分别连接到负载的正负端，用于测量其两端的电压差。DC-DC转换器的电压反馈引脚V FB 通过由电阻R 2 和R 3 组成的分压网络来设定输出到负载端的电压。芯片内部的DAC可以生成高精度的电压，然后经过电阻R 1 输出到V FB 端，用于对V FB 端的电压作小幅度、高精度的调整，从而使DC-DC转换器的输出电压与设定值的误差保持在0.25%以内。 2.2.3. 控制单元 TR电源模块的控制单元，使用了一个单片机作为管理单元，通过I 2 C接口实现对TR电源模块内部各个模块的管理与监控，以及与上位机进行通信。单片机的GPIO引脚分别与DC/DC转换器芯片的使能(ENABLE)引脚相连，通过控制使能引脚输出电压的高低，可以实现对DC/DC转换器的开关功能，以便在TR组件发生故障时切断对TR组件的电源供应。 2.2.4. 其他模块 EMI滤波器针对12 V DC直流输入的共模传导干扰和辐射传导干扰进行抑制与衰减，以提高电源模块后续直流电源的可靠性。同时，针对TR单元脉冲式发射电磁波的特点，EMI滤波器后端增加大容量的BULK铝电解电容作为储能元件，以减小电源的纹波。BULK电容值的大小根据TR单元脉冲发射时可接受的电源电压变化、工作电流以及脉冲频率决定。 辅助供电单元为控制单元和监控单元提供3.3 V的电压和最高1 A的电流。辅助供电单元由一个DC/DC开关电源模块实现从输入12 V到输出3.3 V的电压变换，用于实现3.3 V/1 A输出。 为了防止热插拔TR电源模块产生的静电对控制单元的单片机芯片以及上位机的控制芯片造成损伤，控制单元与上位机之间的通信接口使用静电冲击防护芯片作了双向隔离处理。 图3. 对输出电压监控及调整的示意图