金 星，戚鵬程

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074)

ICP儀器中大功率射頻固態(tài)功率放大板的設(shè)計(jì)

金 星，戚鵬程

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074)

本研究提出了一種在電感耦合等離子體(ICP)質(zhì)譜/光譜儀中，安裝在離子源光炬前端，單板最高功率可達(dá)2 000 W的射頻功率放大板的設(shè)計(jì)制作方法。該放大板采用最新射頻橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)管Freescale MRFE6VP61K25H為末級(jí)放大器。MRFE6VP61K25H單管放大能力可達(dá)1 250 W，改進(jìn)后單板通過(guò)2個(gè)LDMOS管組成推挽并行式的E類(lèi)放大器，可輕松達(dá)到ICP光源要求的1 600 W設(shè)計(jì)功率。該放大器的成品體積為所用裝備的25%，制造成本也僅為目前同類(lèi)產(chǎn)品的50%，達(dá)到了體積小、造價(jià)低、功率大的設(shè)計(jì)效果。此設(shè)計(jì)可為進(jìn)一步研制便攜式ICP質(zhì)譜/光譜儀等提供良好的硬件基礎(chǔ)。

ICP；大功率；單板；放大器

固態(tài)射頻電源[1]是ICP質(zhì)譜/光譜儀中等離子體產(chǎn)生裝置的能量提供部分，功率放大板又是固態(tài)射頻電源的核心部件[2-3]，一般功率在千瓦以上的固態(tài)射頻電源均可通過(guò)若干塊功率放大板經(jīng)功率合成技術(shù)得到[4-5]。

近年來(lái)，隨著我國(guó)資源[6]、環(huán)境[7]、醫(yī)藥[8]、食品等行業(yè)的快速發(fā)展，ICP分析檢測(cè)儀器的需求量呈現(xiàn)大幅增長(zhǎng)，同時(shí)也對(duì)其核心器件固態(tài)脈沖功率放大板的小型化、模塊化、國(guó)產(chǎn)化提出了更高的要求[9]。使用功率放大板后，2 000 W以下的固態(tài)功率輸出模塊無(wú)需再通過(guò)功率合成即可輸出，可大幅減小儀器的體積，并省去功率合成模塊，降低了制造成本和加工難度，提高了能量轉(zhuǎn)化率，節(jié)省了電力資源。

本工作選用半導(dǎo)體功率LDMOS管作為功率放大的核心，設(shè)計(jì)并制作適合ICP儀器的射頻功率放大板，并進(jìn)行功率輸出實(shí)驗(yàn)，以期達(dá)到增大功率輸出，減小設(shè)備體積的目的。

1 功率放大板的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

輸入/輸出頻率27.12 MHz，輸出功率600～1 600 W，功率穩(wěn)定度≤1‰。

1.2 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)前端給出27.12 MHz方波小信號(hào)，通過(guò)功率板放大，再通過(guò)阻抗匹配到同軸電纜，傳輸匹配后加載到負(fù)載線(xiàn)圈上[9]。

1.3 功率放大部分

放大板是射頻電源的一部分，前級(jí)提供兩路相位差為180°的PWM TTL方波信號(hào)作為放大板的輸入信號(hào)，通過(guò)中間兩級(jí)緩沖放大來(lái)驅(qū)動(dòng)末級(jí)的MRFE6VP61K25H功放管。本設(shè)計(jì)采用的一級(jí)驅(qū)動(dòng)MOS管為東芝公司制造；二級(jí)驅(qū)動(dòng)三極管為三洋公司的某NPN和PNP型功率三極管配合使用。通過(guò)調(diào)節(jié)輸入TTL信號(hào)的占空比和第二級(jí)放大三極管的集電極電壓來(lái)調(diào)節(jié)功率的輸出大小[9]。

本研究所設(shè)計(jì)的電路原理概視圖示于圖1。

輸入信號(hào)由前級(jí)信號(hào)發(fā)生及控制電路產(chǎn)生，為了仿真的順利進(jìn)行，用端口term1代替，現(xiàn)不詳述其產(chǎn)生過(guò)程，只對(duì)輸入信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)做以下描述：1)兩路TTL信號(hào)均為方波信號(hào)，頻率為27.12 MHz，轉(zhuǎn)換時(shí)間小于1.2 ns；2)相位差保持180°；3)占空比通過(guò)門(mén)電路控制，鎖定在0～50%的可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，并絕對(duì)禁止超過(guò)50%。

圖1 大功率放大板一側(cè)原理概圖Fig.1 The principle schematic of the high power amplifier board

高頻NPN型三極管與分壓電阻組成的射極跟隨器負(fù)責(zé)對(duì)MRFE6VP61K25H的柵極進(jìn)行充電；而PNP型三極管負(fù)責(zé)對(duì)大功率MOS管的柵極進(jìn)行放電。PWM射頻TTL信號(hào)接到一級(jí)驅(qū)動(dòng)MOS管的門(mén)極，當(dāng)其柵極電壓為低電平時(shí)，一級(jí)驅(qū)動(dòng)MOS管截止，二級(jí)NPN型三極管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，二級(jí)PNP管截止，此時(shí)電路對(duì)MRFE6VP61K25H的柵極進(jìn)行充電；當(dāng)一級(jí)MOS管的柵極電壓為高電平時(shí)，MOS管導(dǎo)通，此時(shí)NPN三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，PNP管導(dǎo)通，此時(shí)電路對(duì)MRFE6VP61K25H的柵極進(jìn)行放電。若二級(jí)驅(qū)動(dòng)三極管的驅(qū)動(dòng)能力不夠，可以將多個(gè)高頻NPN或PNP三極管并聯(lián)使用，以增大驅(qū)動(dòng)電流。

系統(tǒng)使用48 V、3 000 W直流電源供電，左右兩路信號(hào)分別交替導(dǎo)通[15-17]，產(chǎn)生的射頻能量經(jīng)阻抗匹配后由同軸電纜引出。

1.4 功率輸出部分

MRFE6VP61K25H技術(shù)手冊(cè)上給出的功率管在正常工作條件下的輸出阻抗是7 Ω，列于表1，這與ICP系統(tǒng)阻抗是50 Ω有較大差距，因此不能直接輸出，需要設(shè)計(jì)一個(gè)裝置將輸出阻抗變換成50 Ω的特性阻抗[18]。

此處的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)ADS軟件設(shè)計(jì)的，所用的元件參數(shù)示于圖2?？梢钥闯觯赏ㄟ^(guò)自動(dòng)二元網(wǎng)絡(luò)匹配選項(xiàng)把輸出阻抗7 Ω匹配到50 Ω。由圖2可以明顯看到參數(shù)S11匹配后的頻率特性，在27.12 MHz處有明顯降低的效果。

表1 功率管的輸入輸出阻抗

2 放大部分系統(tǒng)仿真

在確定最佳輸入輸出阻抗后和進(jìn)行系統(tǒng)阻抗匹配前，要對(duì)功率放大板進(jìn)行穩(wěn)定性分析和設(shè)計(jì)[3-4]。在S參數(shù)仿真中，單管絕對(duì)穩(wěn)定的條件示于式(1)。必須使穩(wěn)定性判別系數(shù)K大于1，才能保證放大器是穩(wěn)定的[19]。

圖2 大功率放大板輸出阻抗匹配設(shè)計(jì)與結(jié)果Fig.2 The output impedance matching design and results of the high power amplifier board

|S11|<1-|S12S21|

(1)

|S22|2<1-|S12S21|

在S參數(shù)仿真下，27.12MHz處功放管的穩(wěn)定系數(shù)明顯大于1，達(dá)到了穩(wěn)定要求，示于圖3。然后再通過(guò)ADS協(xié)調(diào)功能來(lái)調(diào)節(jié)電路元器件的具體參數(shù)，最終使S11與S21達(dá)到較好的參數(shù)[20]。S11值在27.12MHz處急劇下降，反射系數(shù)較小，因?yàn)楣β使芄β史糯蟮年P(guān)系，S21大于0db很多，傳輸效率高，示于圖4。加上阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的放大電路最終的設(shè)計(jì)圖示于圖5。

3 研制結(jié)果

在完成了射頻功率放大板設(shè)計(jì)、制作后，對(duì)其進(jìn)行功率輸出實(shí)驗(yàn)，其結(jié)構(gòu)框圖示于圖6。其中，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載是相對(duì)ICP光源的真實(shí)負(fù)載等離子體而言的一種實(shí)驗(yàn)裝置，由4支阻抗為50Ω的射頻電阻組成，每支射頻電阻的額定功率為800W，所以標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載的最大額定功率是3 200W。內(nèi)部散熱片采用北京海光儀器公司的CS-1B型水冷循環(huán)儀進(jìn)行冷卻，可以滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)的散熱需要。在本實(shí)驗(yàn)中，功率從初始的50W升到最大值2 000W，一般在15min內(nèi)完成，在1 600W左右做了持續(xù)1 h的連續(xù)功率輸出實(shí)驗(yàn)，在室溫25 ℃條件下同軸電纜會(huì)持續(xù)發(fā)熱。

圖3 穩(wěn)定性系數(shù)KFig.3 Stability factor K

圖4 S11,S22參數(shù)值Fig.4 Parameters of S11,S22 value

圖5 放大器電路圖Fig.5 Amplifier board circuit

圖6 功率輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 The structure of output power experiment

實(shí)驗(yàn)中，占空比尚未達(dá)到50%時(shí)，輸出功率就超過(guò)了1 600 W，但由于標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載和功率LDMOS管的溫度過(guò)高，故沒(méi)有對(duì)射頻電源進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性測(cè)試。輸出功率值與射頻電源工作效率的關(guān)系曲線(xiàn)示于圖7，其輸出功率的效率是通過(guò)計(jì)算輸出射頻功率的大小與輸入直流電源功率大小的比值而得出的，這是一種估算輸出功率效率的簡(jiǎn)易方法[5,9]。

圖7 放大器輸出功率-效率曲線(xiàn)Fig.7 The function diagram of amplifier’s output power vs efficiency

射頻電源的工作效率最大值是76%，在900～1 500 W的區(qū)間，工作效率可達(dá)到70%以上，而在ICP光源正常工作的功率區(qū)間(1 100～1 400 W)，其工作效率在74%以上，說(shuō)明此射頻電源的設(shè)計(jì)方案符合ICP光源的使用條件。輸出功率與其反射功率的關(guān)系曲線(xiàn)示于圖8，由圖8可見(jiàn)，反射功率與入射功率成正比關(guān)系。

圖8 放大器輸出功率-反射功率曲線(xiàn)Fig.8 The function diagram of amplifier’s output power vs reflection power

最大的反射功率為17 W，僅占入射功率的1.10%，即功率傳輸效率為98.9%，在射頻電源可以承受的范圍內(nèi)。功率放大板輸入信號(hào)的功率與輸出射頻功率的理想關(guān)系示于圖9。其功率輸出實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)表明，設(shè)計(jì)制作的頻率為27.12 MHz的功率放大板可以滿(mǎn)足ICP光源設(shè)備的需要。

圖9 輸入/輸出功率理論關(guān)系圖Fig.9 The theoretical function diagram of amplifier’s output power vs reflection power

4 結(jié)論

本研究通過(guò)使用MRFE6VP61K25H對(duì)已有的設(shè)計(jì)做了一定的改進(jìn)，可達(dá)到增大功率輸出、減小設(shè)備體積的目的。綜合情況下，最大功率輸出可達(dá)2 000 W，能滿(mǎn)足ICP光源提出的1 600 W要求，并降低了造價(jià)，減小了安裝體積。

本設(shè)計(jì)仍有一定的不足，如輸入輸出功率的線(xiàn)性度不夠一致等[21]，但這并不影響最終射頻功率輸出的穩(wěn)定性[22]，射頻放大器的線(xiàn)性化方法大致可以分為電路設(shè)計(jì)方法和信號(hào)處理方法兩類(lèi)，數(shù)字預(yù)失真方法的思想也被應(yīng)用于線(xiàn)性度調(diào)整領(lǐng)域，可繼續(xù)做深入探究。本研究的部分設(shè)計(jì)目前尚處于測(cè)試階段，研制成果也僅停留在實(shí)驗(yàn)室制造階段，功率放大板若從實(shí)驗(yàn)室的單個(gè)制造到市場(chǎng)商業(yè)化的批量生產(chǎn)，仍需長(zhǎng)時(shí)間的可靠性實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)其耐久性和產(chǎn)品的一致性。

[1] 秦 紅．?dāng)?shù)字功率放大板與傳統(tǒng)射頻功率放大板的對(duì)比[J]．信息與電腦：理論版，2013，4(1)：122-123． QIN Hong．The comparation between digital power amplifier and the traditional rf power amplifier[J]． China Computer & Communication，2013，4(1)：122-123(in Chinese)．

[2] van der WEL P J，ROEDLE T，LAMBERT B，et al． Qualification of 50 V GaN on SiC technology for RF power amplifiers[J]．Microelectronics Reliability，2013，53(9/10/11)：1 439-1 443．

[3] LI W Y，ZHANG Q．A novel broadband power amplifier in SiGe HBT technology[J]．Chinese Journal of Semiconductors，2013，34(1)：1-4．

[4] 秦 威．全固態(tài)射頻電源系統(tǒng)的分析與研究[D]．昆明：昆明理工大學(xué)， 2010．

[5] 秦 威，李勇濤，李超波，等．全固態(tài)高效率射頻電源[J]．半導(dǎo)體技術(shù)，2011，4(8)：85-91． QIN Wei，LI Yongtao，LI Chaobo，et al．High efficiency of solid state RF generator[J]．Semiconductor Technology，2011，4(8)：85-91(in Chinese)．

[6] 牛 佳．LA-ICP-MS及其在黃鐵礦原位微區(qū)分析方面的應(yīng)用[J]．中山大學(xué)研究生學(xué)刊:自然科學(xué)·醫(yī)學(xué)版，2013，34(1)：46-53． NIU Jia. LA-ICP-MS and its application in situ microanalysis of pyrite[J]．Journal of the Graduates Sun Yat-Sen University (Natural Sciences, Medicine) 2013，34(1)：46-53(in Chinese)．

[7] 魏鐘波，陶玉炎，耿金菊，等．基于ICP-AES法測(cè)定太湖溶解態(tài)有機(jī)磷的初步研究[J]．環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2013，36(6)：115-118． WEI Zhongbo，TAO Yuyan， GENG Jinju，et al．Preliminary study on dissolved organic phosphorus determination by ICP-AES method in lake Taihu[J]．Environmental Science & Technology，2013，36(6)：115-118(in Chinese)．

[8] 吳 莉． 電感耦合等離子體質(zhì)譜/發(fā)射光譜法測(cè)定生物樣品、中藥及水樣中的微痕量元素[D]．成都：四川大學(xué)，2007．

[9] 王 超，金 星，石寶松，等．ICP光源中射頻功率測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)[J]．化工自動(dòng)化及儀表，2010，37(5)：54-56． WANG Chao，JIN Xin，SHI Baosong，et al．The design of Rf power measurement device in the ICP source[J]．Control and Instruments in Chemical Industry，2010，37(5)：54-56(in Chinese)．

[10] 王佃利，劉洪軍，呂 勇, 等．硅LDMOS射頻功率器件的發(fā)展歷程與趨勢(shì)[J]．固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2011，31(2)：141-146． WANG Dianli， LIU Hongjun， LV Yong， et al． The development course and trend of silicon LDMOS R-F power device[J]．Research & Progress of SSE，2011，31(2)：141-146(in Chinese)．

[11] THEEUWEN S J C H，QURESHI J H．LDMOS technology for RF power amplifiers[J]．Microwave Theory and Techniques，2012，60(6)：1 755-1 763．

[12] RAMARAO B V, MISHRA J K, PANDE M，et al． Comparison study of LDMOS and VDMOS technologies for RF power amplifiers[J]．AIP Conference Proceedings，2013，1 512(1)：492-493．

[13] CHEVAUX N. de SOUZA M M. Comparative analysis of VDMOS/LDMOS power transistors for RF amplifiers[J]．Transactions on Microwave Theory and Techniques，2009，59(11)：2 643-2 265．

[14] 冷 怡．基于LDMOS結(jié)構(gòu)的MOSFET研究[D]．成都：電子科技大學(xué)，2011．

[15] 鮑旭恒．E類(lèi)MOSFET射頻功率振蕩器設(shè)計(jì)[D]．鄭州：鄭州大學(xué)，2013.

[16] 陳毓輝．功率MOS管并聯(lián)方法的研究[J]．自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用, 2012，31(5)：72-76． CHEN Yuhui．The study of power MOSFETS’ parallel method[J]．Techniques of Automation & Applications, 2012，31(5)：72-76(in Chinese)．

[17] 蘇 娟．高頻功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路及并聯(lián)特性研究[D]．西安：西安理工大學(xué)，2003．

[18] 陳小剛，朱昌平，徐 霞，等．傳輸線(xiàn)變壓器的機(jī)理及寬帶阻抗匹配的設(shè)計(jì)[J]．聲學(xué)技術(shù)，2003，32(3)：87-89． CHEN Xiaogang，ZHU Changping，XU Xia，et al．Mechanism of broadband transmission line and design of-impedance match transformer[J]．Acoustic technology，2003，32(3)：87-89(in Chinese)．

[19] 馬 修．M拉德馬內(nèi)斯．射頻與微波電子學(xué)[M]．北京：科學(xué)出版社，2006：383-393,461-485．

[20] 付 微，查 明，劉 慶．一種新型固態(tài)大功率發(fā)射機(jī)的功放電路設(shè)計(jì)[J]．軟件導(dǎo)刊，2011，10(8)：113-115． FU Wei，ZHA Ming，LIU Qing．A new circuit design of high power solid state transmitter power amplifier[J]．Software Guide，2011，10(8)：113-115(in Chinese)．

[21] 尤 覽．射頻放大器的效率增強(qiáng)與線(xiàn)性化技術(shù)研究[D]．合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011．

[22] 沈 旭．ICP中RF電源的功率控制研究[D]．杭州：杭州電子科技大學(xué)，2012．

A High Power RF Solid-State Power Amplifier for ICP

JIN Xing，QI Peng-cheng

(ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan),Wuhan430074，China)

A design and manufacturing method of power amplifier which installed in front of ICP-MS/ICP-AES's ICP light torch was presented．The amplifier board was used the latest RF LDMOS transistor MRFE6VP61K25H as the final step amplifier．A single MRFE6VP61K25H LDMOS transistor supply maximum 1 250 W RF power, so this amplifier moudle which peak power can reach 2 000 W， can meet the ICP light torch's power requirement(1 600 W)easily through two LDMOS constitute a parallel push-pull class E amplifier．The volume of power amplifier module is reduced to 25% of the design before, and the module cost is only 50% of current similar products. This design provides a good hardware basis for the further development of portable ICP-MS and ICP-AES, etc.

ICP；high-power；single plate；RF amplifier

2013-10-25；

2014-01-08

科技部重大儀器專(zhuān)項(xiàng)(2011YQ14015006)；國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)(2012YQ09016701)資助

金 星(1961～)，男(漢族)，湖北人，教授，從事光譜與成像儀器工程技術(shù)研究。E-mail: jdxyjx@126.com

戚鵬程(1987～)，男(漢族)，安徽人，碩士研究生，控制理論與控制工程專(zhuān)業(yè)。E-mail:308867322@qq.com

O 657.63;TN 722

A

1004-2997(2014)03-0250-06

10.7538/zpxb.2014.35.03.0250