李卓成

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

通常行波管電源是針對(duì)給定的行波管設(shè)計(jì)的，當(dāng)行波管的應(yīng)用頻段、輸出功率確定后，行波管的各極電壓也就確定，也就是說行波管及其電源一旦設(shè)計(jì)、調(diào)試完成，它將工作在固定的頻段和功率上。為了在衛(wèi)星制造、調(diào)試、運(yùn)營和任務(wù)重建等方面具有較大的靈活性，需要對(duì)行波管的各極電壓作在軌調(diào)整，這種調(diào)整是通過地面指令，經(jīng)行波管電源處理，最后產(chǎn)生所需要的高壓。

為了保證行波管電源的電磁兼容性能和懸浮地供電以及控制的需要，要求低壓(母線回線)和高壓之間必須電隔離[1]。實(shí)現(xiàn)電隔離的方法有多種：如光電隔離、電聲隔離[2]和電磁隔離，常見的電壓傳輸方法是模擬方法，如：脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)、脈沖頻率調(diào)制(pulse frequency modulation，PFM)和脈沖幅度調(diào)制(pulse amplitude modulation，PAM)，這些方法的溫度穩(wěn)定性和抗干擾性較差，元件參數(shù)的一致性對(duì)傳輸?shù)碾妷壕_性有較大的影響，同時(shí)也增加了調(diào)試難度。為了提高控制精度，減小傳輸誤差，降低溫度效應(yīng)，增強(qiáng)抗干擾能力，串行數(shù)字化隔離傳輸是一個(gè)行之有效的方法。

1 高壓可調(diào)行波管電源組成及原理

可調(diào)行波管電源組成如圖1所示，主要由高壓變換器(高壓模塊)，陰極電流調(diào)節(jié)器(通過控制陽極電壓實(shí)現(xiàn))，螺旋極和收集極電壓調(diào)節(jié)器，命令接收與處理(控制器)和預(yù)穩(wěn)壓器(BUCK/BOOST)等組成。BUCK/BOOST預(yù)穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)收集極電壓的調(diào)節(jié)，螺旋極穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)螺旋極電壓調(diào)節(jié)，陰極電流調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)功率可調(diào)。系統(tǒng)有3種接地：輸入地(母線地)、輸出地(機(jī)殼地、螺旋極)和懸浮地(陰極電流調(diào)節(jié)器參考地)，所以2個(gè)調(diào)節(jié)器的控制參數(shù)需要隔離傳輸。控制器接收串行總線(OBDH-衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理系統(tǒng))送來的控制命令，分析控制要求(功率調(diào)節(jié)或頻率調(diào)節(jié))，對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換并分析，最后得到與需要的功率和頻率對(duì)應(yīng)的控制數(shù)據(jù)。3個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器分別把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制陰極電流、螺旋極電壓和收集極電壓所需的參考基準(zhǔn)。

圖1 可調(diào)行波管放大器原理組成方框圖Fig.1 The block diagram of dual flexible TWTA

2 高壓隔離控制方案選擇

2.1 隔離器件選擇

實(shí)現(xiàn)電隔離有以下幾種器件：光電耦合器；電聲耦合器(壓電陶瓷)；電磁耦合器。這些器件的性能特點(diǎn)如表1所列。光電耦合器隔離電壓較低，不適合陰極電流調(diào)節(jié)器的隔離，雖然有高壓光電隔離產(chǎn)品，但體積不適合空間應(yīng)用；光纖隔離電壓很高，但彎曲能力差，易發(fā)生脆性斷裂；電聲隔離驅(qū)動(dòng)復(fù)雜，工作頻帶窄；變壓器隔離電壓高，工作頻帶寬，設(shè)計(jì)靈活，至于因高壓耦合造成的漏感增加使波形不理想，對(duì)數(shù)字電路影響不大。故可選用變壓器作為隔離器件，不過對(duì)于螺旋極隔離，由于隔離電壓較低且傳輸速率要求不高的情況下，也可選用光耦器件。

表1 幾種電隔離方法的特性比較Tab.1 The comparison of methods for insulating transfer

2.2 參數(shù)傳遞方法選擇

目前常見的參數(shù)隔離傳輸方法是模擬方法，如：PAM、PWM和PFM。這幾種方法的普遍缺點(diǎn)是無法達(dá)到很高的精度和電壓分辨率，而且解調(diào)時(shí)由于低通濾波器通帶不能隨著調(diào)制脈寬和頻率變化，當(dāng)調(diào)制電壓大范圍變化時(shí)，為了保證足夠快的響應(yīng)速度，濾波時(shí)常數(shù)不能過大，所以解調(diào)后的輸出電壓紋波會(huì)隨調(diào)制電壓變化，作為控制參考電壓，這種隨機(jī)變化的紋波電壓會(huì)影響所控的輸出高壓的性能(尤其是行波管螺旋極電壓的精度和紋波對(duì)TWTA指標(biāo)有較大的影響)。另外模擬調(diào)制方法不能達(dá)到幾到十幾毫伏的分辨率。

數(shù)字化電壓隔離傳輸方法是提高傳輸精度、穩(wěn)定性、重復(fù)性的有效方法，同時(shí)用這種方法得到的控制參考電壓幾乎不受環(huán)境溫度的影響，且抗干擾能力強(qiáng)，當(dāng)采用變壓器作為隔離元件時(shí)漏感對(duì)傳輸電壓沒有影響，這樣可以更進(jìn)一步提高隔離電壓。不同參數(shù)傳遞方案的優(yōu)缺點(diǎn)及核心電路原理分別如表2所列，圖2所示。

表2 變壓器隔離的數(shù)據(jù)傳輸方法性能比較Tab.2 The comparison of digitalized transfer with transformer

圖2 不同調(diào)制方式控制電壓產(chǎn)生原理Fig.2 The principle circuits for generating reference voltage

用數(shù)字方法傳遞高壓隔離的控制參考電壓尚未看到有關(guān)報(bào)道。通過對(duì)圖2中4個(gè)方案的比較，可以看出數(shù)字控制方法的優(yōu)越性主要表現(xiàn)在：

1)數(shù)字控制精度和分辨率高。它的精度僅由基準(zhǔn)電壓確定，誤差由數(shù)字位數(shù)確定，可通過增加數(shù)據(jù)位使控制電壓精準(zhǔn)度成倍提高；

2)數(shù)字控制一致性和重復(fù)性好，調(diào)試簡(jiǎn)單。PAM、PWM和PFM(圖2(a)～圖2(c))的輸出電壓均受二級(jí)管壓降的影響，而二極管的正向壓降的離散性較大，不同批次和不同型號(hào)的差別較大，這將很難保證不同批次輸出電壓的一致性，增加調(diào)試難度。數(shù)字控制(圖2(d))的二極管壓降對(duì)輸出電壓無影響；

3)數(shù)字控制輸出電壓范圍寬。數(shù)字控制電壓可在0～基準(zhǔn)電壓之間變化，因?yàn)樗怯蒁/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的。模擬控制是通過脈寬或頻率變化實(shí)現(xiàn)的，脈寬或頻率的大范圍變化均對(duì)變壓器設(shè)計(jì)增加難度，所以它的控制電壓僅在有限范圍內(nèi)；

4)數(shù)字控制響應(yīng)快。數(shù)字控制一旦輸出控制脈沖前沿到來，立刻會(huì)得到輸出電壓，而其他方法因RC時(shí)間常數(shù)(圖2中的R1C1、R2C2、R3C3)使其不能實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，一旦確定就不能調(diào)節(jié)，數(shù)字電路無電容(僅有電阻R4)；

5)數(shù)字控制抗干擾能力強(qiáng)且輸出雜波可忽略。數(shù)字電路只識(shí)別高低電平，所以足夠高的干擾電平不會(huì)影響對(duì)邏輯電平的準(zhǔn)確判斷。而模擬電路的干擾電平直接引起輸出電壓的變化，脈沖變壓器產(chǎn)生的雜波無法消除，PFM還會(huì)使雜波頻率大范圍變化，最終造成微波輸出雜波增大，另外LC電路還可能產(chǎn)生寄生振蕩；

6)數(shù)字控制溫度穩(wěn)定性優(yōu)良。溫度穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在整流二極管正向結(jié)電壓隨溫度的變化(D1～D5)，它將直接引起輸出電壓的變化。數(shù)字控制的溫度穩(wěn)定性主要受基準(zhǔn)電壓的影響，而基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于二級(jí)管。

3 變壓器隔離串行數(shù)字化控制方案與電路

3.1 方案與電路原理

電路組成框圖如圖3(a)所示，主要通過傳輸兩路脈沖信號(hào)(開始和時(shí)鐘脈沖、串行數(shù)據(jù)脈沖)來實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的傳輸，分別由變壓器T1和T2完成隔離，T1傳輸開始與時(shí)鐘脈沖，T2傳輸數(shù)據(jù)脈沖。脈沖整形電路將變壓器傳輸?shù)拿}沖整形，使脈沖波形的上升與下降時(shí)間滿足要求。開始與時(shí)鐘分離電路通過積分電路(見圖3(b))把時(shí)鐘脈沖分離出來，然后得到串行數(shù)據(jù)寄存脈沖和并行數(shù)據(jù)鎖存脈沖，并行數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器得到對(duì)應(yīng)的參考電壓。

開始和時(shí)鐘脈沖由8個(gè)開槽脈沖和8個(gè)時(shí)鐘脈沖組成(圖3(c))，8個(gè)開槽脈沖用作識(shí)別傳輸數(shù)據(jù)的開始，8個(gè)時(shí)鐘脈沖用于寄存串行數(shù)據(jù)(上升沿有效)，串行數(shù)據(jù)由8位組成，數(shù)據(jù)脈沖的前沿超前時(shí)鐘脈沖約半個(gè)時(shí)鐘周期以確保在數(shù)據(jù)穩(wěn)定期寄存數(shù)據(jù)，也有利于抗干擾。這個(gè)數(shù)據(jù)傳輸格式(時(shí)序)是電源內(nèi)部控制器產(chǎn)生的，不受其他通信協(xié)議的限制，可以靈活應(yīng)用。關(guān)于電源與衛(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸可采用OBDH數(shù)據(jù)總線[6]。

圖3 串行數(shù)據(jù)隔離傳輸電路原理與波形Fig.3 Circuits and waveforms for digitalized data transfer with transformer

3.2 仿真驗(yàn)證

圖4是圖3電路的仿真模型，U9(1)是開始和時(shí)鐘復(fù)合脈沖信號(hào)，U10(1)是串行數(shù)據(jù)信號(hào)，V4是模擬上電復(fù)位信號(hào)。設(shè)串行數(shù)據(jù)位D7D6D5D4D3D2D1D0為10011110(十進(jìn)制158)，D/A參考電壓為5.1V，則D/A(8bit)輸出電壓為158×5.1/255=3.16V，改變輸入數(shù)據(jù)從00000000～11111111變換，D/A輸出電壓在0～5.1V范圍變化，如果初始數(shù)據(jù)位(對(duì)應(yīng)默認(rèn)輸出功率)為10000000(128)，則D/A輸出可在基準(zhǔn)電壓(2.56V)有±2.56V的變化，這樣可以實(shí)現(xiàn)TWTA輸出在某一參考功率基礎(chǔ)上大小可調(diào)。仿真結(jié)果為：當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為1001110時(shí)，D/A輸出電壓為3.16V，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖4 仿真電路與波形Fig.4 The simulating circuits and waveforms

圖5給出了一個(gè)Ku波段TWT功率可調(diào)特性[7]，當(dāng)功率在80～160W可調(diào)時(shí)，陽極電壓需要在大約在3600～4900V變化，陽壓變化值為1300V，有些行波管可達(dá)1770V[8]。若采用8bit D/A變換器，陽壓分辨率為：

圖5 一種Ku頻段行波管輸出功率(陽極電壓)與陰極電流的變化特性Fig.5 The variable properties of output power (anode voltage) vs cathode current

3.3 實(shí)施過程注意事項(xiàng)

由于隔離電壓很高，變壓器的初次級(jí)不能做到緊耦合，所以漏感較大，結(jié)果使波形頂降大或上升沿振鈴(下降沿不影響數(shù)據(jù)采集)。為了使采樣的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，可根據(jù)測(cè)量的波形特性，把數(shù)據(jù)取樣脈沖(MP4)的前沿相對(duì)數(shù)據(jù)脈沖(MP5)前沿進(jìn)行適當(dāng)?shù)难舆t。另外，可通過RC積分電路(R2C1，R5C3)的調(diào)試改善波形振鈴，積分電容不能過大，要保證一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)電荷泄放完成。如要進(jìn)一步提高控制精度，可適當(dāng)增加D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，用同樣的方法可實(shí)現(xiàn)螺旋極電壓的數(shù)字化控制。

4 結(jié)論

變壓器隔離串行數(shù)字化方法可以實(shí)現(xiàn)高壓控制數(shù)據(jù)的可靠傳輸。這種方法傳輸精度高；得到的控制參考電壓無紋波；抗干擾能力強(qiáng)；電壓的軟件設(shè)計(jì)值與實(shí)際輸出保持良好的線性特性且不受溫度變化的影響；電路元件的更換對(duì)結(jié)果無影響，易于調(diào)試；另外通過改變D/A變換器的位數(shù)使控制精度(分辨率)成倍地提高。用適當(dāng)?shù)碾娐窂?fù)雜性獲得高性能空間行波管電源的控制性是值得的。