Выбор элементной базы для систем вторичного электропитания приемопередающих модулей АФАР

Введение

В настоящее время радиолокационные станции (РЛС) нового поколения, с активной фазированной антенной решеткой (АФАР), находят все большее применение в таких ответственных сферах, как комплексы воздушно-космической обороны, навигационные системы, беспилотные летательные аппараты и т. д. [3].

Основным отличием РЛС с АФАР от станций предыдущих поколений, где использовались зеркальные и щелевые антенные решетки, а также пассивная фазированная антенная решетка (ПФАР), является тот факт, что приемно-передающие модули (ППМ), каждый из которых работает совместно с индивидуальным излучателем радиосигнала, расположены на полотне решетки антенного устройства (рис. 1).

Рис. 1. АФАР самолетной РЛС

Данная особенность накладывает жесткие требования в части массо-габаритных показателей, значения КПД и надежности системы электропитания, при этом количество каналов электропитания определяется числом приемопередающих модулей и возрастает на несколько порядков по сравнению с РЛС, в которой применена ПФАР.

Для системы электропитания излучатель радиосигнала является активной линейной низковольтной нагрузкой с высокими требованиями к стабильности напряжения накопительного конденсатора [3]. Несоблюдение этих требований может отразиться на таком важном параметре, как амплитудно-фазовая стабильность выходных СВЧ-радио-импульсов канала передающего устройства, что в конечном счете повлияет на селекцию движущихся объектов РЛС [3].

Это накладывает определенные особенности на выбор схемы организации электро-питания ППМ модулей АФАР, а также на выбор соответствующей элементной базы.

Принципы построения системы электропитания для ППМ АФАР

Система электропитания ППМ устройств с АФАР является одной из самых энергопотребляющих во всей РЛС (в среднем до 35% всей мощности станции) [3]. При этом система электропитания антенного полотна вносит значительный вклад в массо-габаритные параметры станции, а также имеет более сложную структуру, чем система питания остальных блоков. Как итог, выбор варианта организации электропитания является одним из важных этапов построения всего комплекса.

В настоящее время перед разработчиками подобных систем обозначился ряд задач: обеспечение необходимого ряда выходных напряжений и минимальных электрических потерь, организация гальванической изоляции приемо-передающих модулей аппаратуры, а также, по возможности, минимизирование финансовых издержек.

В связи с этим необходимо уделить особое внимание вопросам организации системы электропитания путем правильного выбора ее архитектуры.

Среди основных требований, предъявляемых для системы электропитания, можно выделить следующие [4]:

• минимальные массо-габаритные параметры;
• максимальная надежность системы;
• максимальный КПД;
• удобство обслуживания.

Система электропитания может быть построена с применением различных схем, но, как правило, за основу берется централизованная или децентрализованная схема построения либо одна из их модификаций.

Централизованная схема

Электропитание всех модулей осуществляется от нескольких мощных преобразователей напряжения, которые обеспечивают систему всеми необходимыми номиналами напряжений и токов (рис. 2). КПД такой системы в среднем составляет 80–85%. Достоинством централизованной схемы построения электропитания является удобство ее обслуживания и эксплуатации, а недостатками — высокие потери при передаче больших токов, невысокая надежность [4], которая приводит к необходимости резервирования блоков.

Рис. 2. Централизованная схема построения электропитания

Децентрализованная схема

В данном случае электропитание каждого модуля осуществляется от своих источников питания малой или средней мощности (рис. 3). При этом для каждого типономинала напряжений может использоваться свой, гальванически развязанный источник питания.

Рис. 3. Децентрализованная схема построения электропитания

КПД такой системы в среднем составляет 85–92%. Достоинствами являются высокая надежность [4] и высокий КПД, а недостатками — высокие массо-габаритные параметры и сравнительное неудобство обслуживания.

Также при выборе схемы построения необходимо учитывать следующее обстоятельство. Как правило, корпуса ППМ бывают соединены с корпусом антенного полотна станции. Поэтому при любой организации системы электропитания необходимо обеспечить гальваническую развязку между выходными клеммами вторичных источников питания и бортсетью станции. В настоящее время для построения системы электропитания ППМ АФАР чаще применяется децентрализованная схема построения или ее модификации [5, 9]. Однако для построения эффективной и сбалансированной системы нужно учитывать такие факторы, как выбор оптимального места расположения вторичных источников питания и их типа.

Выбор типа источников питания

Выбор оптимальной элементной базы является одной из важных задач при разработке любой системы электропитания. Зачастую в ответственных приложениях для решения данных задач разработчики применяют модули, изготовленные по гибридной технологии. Примером может служить продукция таких известных производителей, как International Rectifier (IR), VPT, MDI и др.

В настоящее время компании — производители модулей электропитания предлагают решения, изготовленные с применением корпусированных радиоэлектронных компонентов (SMD) категорий Mil-Cots и Military, которые в ряде задач могут стать неплохой альтернативой гибридным источникам питания.

У элементной базы, изготовленной как по гибридной технологии, так и по технологии поверхностного монтажа, есть ряд достоинств и недостатков.

Гибридная технология

DC/DC-преобразователи, изготовленные по гибридной технологии, представляют собой герметичный газонаполненный металлический корпус, в котором размещены полупроводниковые кристаллы и пассивные электронные компоненты, установленные на керамическую подложку (рис. 4) [8]. За счет использования подложки из керамики с высокой теплопроводностью практически полностью удается решить проблему локального перегрева отдельных компонентов DC/DC-преобразователя. Как итог, данная технология изготовления позволяет преобразователю быть устойчивым к высоким температурам вплоть до +185 °C (но чаще до +125 °C).

Рис. 4. Модуль электропитания, изготовленный по гибридной технологии

Однако у данной технологии изготовления есть некоторый недостаток — возможное нарушение герметичности. Внутренняя полость преобразователя заполнена инертным газом, а герметичность и электрическая изоляция корпуса в области выводов осуществляется путем оплавления стеклянных изоляторов, которые расположены непосредственно на каждом выводном контакте (рис. 5). Поэтому в результате механических повреждений выводов при монтаже или вибрационной нагрузке возможно появление трещин в стеклянных изоляторах и, как следствие, нарушение герметичности всего модуля. Поэтому если массо-габаритные параметры существенны, то зачастую производитель отказывается от вертикально расположенных выводных контактов. Это означает необходимость введения дополнительных технологических операций и увеличения площади посадочного места [8].

Рис. 5. Контактный узел гибридного модуля электропитания

Схемотехника, применяемая в гибридных преобразователях, как правило, предусматривает минимум пассивных компонентов, размещенных внутри корпуса преобразователя, что влечет за собой необходимость установки внешних компонентов [8]. Данный факт сказывается на увеличении габаритов конечного изделия.

К достоинствам DC/DC-преобразователей, изготавливаемых по гибридной технологии, можно отнести широкий диапазон рабочих температур, малые массо-габаритные показатели, полную гальваническую изоляцию выходных цепей (как правило), потенциальную возможность обеспечения стойкости к воздействиям ионизирующего излучения. Последний аспект зачастую требует оформления дополнительных лицензий и сертификатов при закупке. К недостаткам же в ряде случаев можно отнести необходимость установки внешних пассивных компонентов, а также введение операций ручного монтажа (при горизонтальном расположении выводов). Также одним из основных минусов является высокая стоимость, обусловленная сложным технологическим процессом изготовления.

Технология поверхностного монтажа (SMT)

DC/DC-преобразователи, изготовленные по SMT-технологии, представляют собой модуль, в котором размещена печатная плата с установленными на ней электронными компонентами в герметичных SMD-корпусах (рис. 6). Установка SMD-компонентов осуществляется в едином технологическом цикле, это позволяет увеличить объем производства и снизить издержки по сравнению с гибридной технологией [8].

Рис. 6. Модули электропитания SynQor, изготовленные по SMT-технологии:
а) группа InQor (промышленные приложения);
б) группа PowerQor (телекоммуникационные приложения);
в) подгруппа Hi-Rel (высоконадежные приложения)

Помимо финансовой привлекательности, SMT-преобразователи устойчивы к вибрационным нагрузкам и механическим повреждениям выводных контактов. Так, например, если один из контактов будет погнут, это не повлечет за собой нарушения работоспособности источника в целом.

Однако у DC/DC-преобразователей, изготовленных по SMT-технологии, есть некоторый недостаток — это локальный перегрев, который связан с низкой теплопроводностью материала, из которого изготовлена печатная плата источника. Одним из решений данной проблемы является добавление дополнительных металлизированных слоев в печатную плату, которые обеспечивают перераспределение тепловой энергии, препятствуя деформации и локальному перегреву при температурах до +125 °C [8]. В свою очередь для отвода избыточного тепла SMT-преобразователи герметизируют, заполняя внутреннюю полость источника теплопроводным компаундом.

Как отмечалось ранее, одним из достоинств гибридных преобразователей являются малые массо-габаритные показатели, но следует учитывать, что при использовании SMT-технологии производители размещают внутри модуля DC/DC-преобразователя почти все необходимые пассивные компоненты, использующиеся во входных/выходных фильтрах, а также реализуют множественный дополнительный функционал.

Технологические решения, которые используются при изготовлении DC/DC-преобразователей по SMT-технологии, позволяют применить модули в ряде самых ответственных задач, в частности, при организации системы электропитания ППМ АФАР. При этом по таким параметрам, как стойкость к вибрационным нагрузкам, необходимость использования дополнительных пассивных компонентов и итоговая стоимость, SMT-преобразователи будут находиться в более выигрышном положении, чем гибридные источники.

Источники питания SynQor в качестве основы для построения системы электропитания для ППМ АФАР

В качестве основы для построения системы электропитания для ППМ АФАР могут выступать изделия компании SynQor подгруппы Hi-Rel (рис. 8). DC/DC-преобразователи данной подгруппы адаптированы под базовые уровни входного напряжения 28 В (серии MQFL/MQFL/MQBL) и 270 В (MQFL‑270) (табл. 1) и предназначены для применения в самых жестких условиях эксплуатации, в том числе и в военной технике.

Примечание. Для всех моделей одинаковы: ряд выходных напряжений (1,5/1,8/2,5/3,3/5/6/7,5/9/12/15/28/±5/±12/±15 В); частота преобразования (500–600 кГц); диапазон температур эксплуатации (–55…+125 °С).

Особенности преобразователей SynQor серии Hi-Rel

Отличительной особенностью DC/DC-преобразователей SynQor является двухступенчатая схема преобразования (рис. 7), которая построена по следующему принципу: на первой ступени производится понижение входного напряжения до некоторого базисного уровня, а на второй — базисное напряжение повышается или понижается до требуемого значения и обеспечивается гальваническая изоляция выходных силовых цепей. Данная схема преобразования позволяет достигнуть КПД до 91% [7].

Рис. 7. Структурная схема модуля питания SynQor подгруппы Hi-Rel

Также из особенностей преобразователей Hi-Rel можно выделить:

• наличие гальванической изоляции всех силовых и сигнальных цепей;
• защиту от короткого замыкания, перегрузок и перегрева с автовосстановлением работы;
• функцию параллельного включения с равномерным перераспределением токовой нагрузки между преобразователями;
• контроль напряжения на нагрузке с автокоррекцией потерь на проводниках цепи питания;
• фиксированную частоту преобразования 500–600 кГц;
• возможность регулировки выходного напряжения.

Стоит отметить широкий температурный диапазон эксплуатации Hi-Rel преобразователей SynQor: –55…+125 °C. Данных значений удалось достичь путем использования ряда схемотехнических решений, а также инновационной технологии корпусирования QorSeal.

Технология корпусирования QorSeal

Основу конструкции Hi-Rel преобразователя, выполненного по технологии QorSeal (рис. 8), составляет цельнометаллический корпус из алюминия с защитным никелевым покрытием, на которое гальванически наносится слой золота [8].

Рис. 8. Конструкция модуля электропитания SynQor подгруппы Hi-Rel c применением технологии корпусирования QorSeal

Особенность конструкции источника заключается в том, что печатная плата преобразователя Hi-Rel не имеет непосредственного контакта с корпусом, поскольку ее крепление осуществляется за счет боковых планок, выполненных из полимерного материала. Герметизация же производится путем заполнения внутренней полости теплопроводным компаундом. Компаунд подается под небольшим давлением через технологические отверстия в корпусе, обеспечивая герметизацию и отвод тепла от компонентов.

Также стоит упомянуть о печатной плате, которая используется в преобразователях Hi-Rel. Как отмечалось ранее, для решения проблемы локального перегрева и лучшего перераспределения тепла в конструкцию печатной платы были добавлены металлизированные слои. Это позволило использовать силовые полупроводниковые компоненты, которые выполнены исключительно в компактных корпусах. Также специалисты SynQor полностью отказались от электролитических конденсаторов, применив только керамические. Вместе это позволило снизить массо-габаритные характеристики преобразователей и обеспечить устойчивую работу в широком диапазоне температур.

Электромагнитные процессы в системе питания ППМ АФАР

Система электропитания АФАР должна обеспечить питание всех ППМ полотна антенной решетки, которые, как правило, имеют импульсный характер тока потребления, что требует включения в систему электропитания накопителей энергии. При этом размеры антенного полотна РЛС могут достигать нескольких десятков метров, а количество ППМ — нескольких десятков и даже сотен единиц [5, 9]. С целью повышения уровня электромагнитной совместимости системы электропитания АФАР с питающей сетью рекомендуется применять дополнительные EMI-фильтры (рис. 9).

Рис. 9. Типовая схема включения EMI-фильтра SynQor

Одним из вариантов подобной элементной базы могут служить EMI-фильтры питания SynQor подгруппы Hi-Rel [6] (табл. 2). Номенклатура EMI-фильтров SynQor включает три класса:

• пассивные фильтры (Passive Filter);
• фильтры защиты от обратной полярности (Reverse Polarity Protection Filter);
• фильтры защиты от переходных процессов (Transient Suppression Filter).

Примечание. Для всех моделей напряжение изоляции составляет 500 В.

Особый интерес представляют фильтры класса Transient Suppression Filter (рис. 10). Они обеспечивают дополнительную защиту от перегрузок, падения входного напряжения, короткого замыкания, переполюсовки, а также поддерживают функции soft-start (плавный пуск), standby (отключение активных компонентов EMI-фильтра для сокращения энергопотребления при отключенной нагрузке), Enable Load (функция ретрансляции сигнала управления включением/выключением нагрузки).

Рис. 10. Обобщенная структурная схема EMI-фильтра SynQor MQME 28E-T (Transient Suppression Filter)

EMI-фильтры Hi-Rel, так же, как и источники питания данной подгруппы, изготовлены с применением многослойной печатной платы с металлизированными слоями и корпусированы при помощи технологии QorSeal [6] (рис. 8).

Заключение

Организация системы вторичного электропитания ППМ АФАР является одним из важных этапов построения всего комплекса РЛС. Перед разработчиками встает вопрос выбора схемы построения системы электропитания, а также элементной базы, на которой эта схема будет реализована. Такой элементной базой может стать продукция компании SynQor подгруппы Hi-Rel. В эту подгруппу входят DC/DC-преобразователи и EMI-фильтры, которые адаптированы под базовые уровни входного напряжения 28 и 270 В. Технологические решения, используемые при изготовлении Hi-Rel модулей питания SynQor (технология корпусирования QorSeal), позволяют обеспечить стабильную работу в диапазоне рабочих температур –55…+125 °C, а также высокую стойкость к вибрационным нагрузкам. При этом стоимость модулей находится в более низкой ценовой категории (по сравнению с гибридными преобразователями). Для обеспечения электромагнитной совместимости системы электропитания совместно с модулями питания целесообразно применение EMI-фильтров (Passive Filter, Reverse Polarity Protection Filter, Transient Suppression Filter). Эти особенности позволяют использовать продукцию SynQor в жестких условиях эксплуатации, в том числе и в высоконадежной военной технике.