王一農(nóng)

(中國電子科技集團(tuán)華東電子工程研究所 合肥 230088)

基于磁隔離反饋的行波管柵極偏置電源設(shè)計(jì)

王一農(nóng)

(中國電子科技集團(tuán)華東電子工程研究所 合肥 230088)

柵極偏置電源是行波管發(fā)射機(jī)的重要部件,其性能直接決定發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定性、可靠性及射頻輸出質(zhì)量。柵極偏置電源浮動在陰極高電位上。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于如何解決高電位信號隔離反饋問題。論文介紹了一種高可靠、高隔離、低成本的磁反饋隔離技術(shù)和基于此技術(shù)的行波管柵極偏置電源設(shè)計(jì)。

行波管; 柵極偏置電源; 磁隔離反饋

Class Number TN86

1 引言

行波管發(fā)射機(jī)中柵極偏置電源浮動在陰極高電位上,電源需從高電位將電壓或電流信號取樣到低電位滿足電源控制電路閉環(huán)的要求。模擬信號的隔離比較復(fù)雜,成本也比較高,主要使用的方法為采用線性光耦、電壓/頻率和電壓/幅度轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行傳遞等[1～2]。

目前,在單端型電路的隔離反饋方式上,常采用的是光電耦合器隔離的方法。采用光耦隔離的主要優(yōu)點(diǎn)有[4,6]:

1) 信號單向傳輸,輸入輸出完全實(shí)現(xiàn)電氣隔離;

2) 抗干擾能力強(qiáng),在一定時間范圍內(nèi)工作穩(wěn)定;

3) 靈敏度高,傳輸效率高;

4) 采樣,比較,隔離反饋電路形式簡單。

但采用光耦隔離也有它的缺點(diǎn)[4,6]:

1) 光耦在電路實(shí)際工作當(dāng)中,存在耦合效果逐漸衰減的現(xiàn)象,隨著工作時間的增加,會導(dǎo)致電路的反饋效果下降;

2) 在高電壓隔離場合(2500V以上),無法應(yīng)用。

行波管柵極偏置電源浮動在陰極電位上,陰極電位通常為數(shù)千伏到數(shù)十千伏,并且要求較高可靠性。傳統(tǒng)的光耦隔離方式因其局限性并不能滿足相應(yīng)要求。而磁隔離反饋發(fā)生器具有可靠性高,高隔離等特點(diǎn),因而適用于行波管柵極偏置電源這種特殊電源的設(shè)計(jì)中。

2 磁隔離反饋發(fā)生器UC2901

UC2901是TI公司生產(chǎn)的隔離反饋發(fā)生器。利用UC2901和隔離變壓器以及整流濾波電路一起,可以很方便的實(shí)現(xiàn)DC/DC電源中控制電路的磁隔離反饋功能。

UC2901內(nèi)部主要有電壓基準(zhǔn)、放大器電路、振蕩電路、幅度調(diào)制電路、輸出驅(qū)動電路。圖1所示是UC2901的內(nèi)部電路。UC2901的工作電壓范圍可以達(dá)到4.5V～40V,電壓基準(zhǔn)的精度可以達(dá)到1%,可以直接作為放大器的基準(zhǔn)信號。調(diào)幅電路的輸出端具有15mA的電流輸出能力,吸電流能力為700μA,如果要擴(kuò)展吸電流能力,還可以外接擴(kuò)流電阻。

圖1 UC2901內(nèi)部電路

圖2 基于UC2901的變壓器耦合反饋電路

UC2901簡化了隔離和原邊控制型開關(guān)電源閉環(huán)反饋設(shè)計(jì)的任務(wù),它集成了精密參考、誤差放大器和完整的調(diào)制模塊。使用它的調(diào)制輸出模塊可以將環(huán)路的誤差信號利用變壓器隔離技術(shù),從而提供了穩(wěn)定和重復(fù)的閉環(huán)特性。而且UC2901所產(chǎn)生的載波頻率最高到5MHz,這樣可以有效地減小隔離變壓器的尺寸和成本。

在圖2中,UC2901被應(yīng)用于一個隔離開關(guān)電源的閉環(huán)反饋系統(tǒng)中。

電源輸出電壓通過分壓后與UC2901的1.5V參考電壓比較后經(jīng)高增益誤差放大器放大。被放大的誤差信號補(bǔ)償輸出在UC2901內(nèi)部被反向,然后送到調(diào)制器去。輸入調(diào)制器的信號還有來自振蕩器的載波信號。調(diào)制器把兩種信號合成為一種幅值與誤差放大信號幅值成比例的并與振蕩器頻率相等的方波信號。此反饋信號被緩沖后送到耦合變壓器上。耦合變壓器的副邊繞組驅(qū)動二極管和電容組成的峰值檢波器,利用一個簡單的電阻負(fù)載去釋放保持電容的電荷,一個有效幅值的解調(diào)器就形成了。來自誤差放大器的輸入小信號電壓增益到檢波器的輸出組成了一個反饋網(wǎng)絡(luò)的功能。

3 偏置電源電路拓?fù)溥x擇

某行波管發(fā)射機(jī)柵極偏置的電源技術(shù)要求如下:

1) 負(fù)偏電源工作電壓范圍:-250±25V(相對陰極);

2) 負(fù)偏電源功率:5W;

3) 輸出電壓長期穩(wěn)定度優(yōu)于1%;

4) 輸出電壓負(fù)載調(diào)整率優(yōu)于5%;

5) 正偏電源的工作電壓范圍:+250±25V(相對陰極);

6) 正偏電源功率:5W;

7) 輸出電壓長期穩(wěn)定度優(yōu)于0.5%;

8) 輸出電壓負(fù)載調(diào)整率優(yōu)于1%;

9) 隔離電位:6kV。

電路拓?fù)溥x擇前級BOOST電路,后級推挽變換電路。柵極偏置電源主電路如圖3所示,其工作原理為:24V直流輸入經(jīng)BOOST變換為約30V直流輸出,再經(jīng)過推挽變換電路經(jīng)高壓變壓器升壓到250V。變壓器次級采用兩繞組分別產(chǎn)生正偏和負(fù)偏電壓。因?yàn)殡娐分袑φ妷旱姆€(wěn)定度要求最高,電源只對正偏電壓取樣反饋,采用UC2901磁隔離反饋發(fā)生器。

圖3 偏置電源電路拓?fù)?/p>

電路采用兩級變換,所有變換在低電位上,電路拓?fù)鋸?fù)雜,但相對復(fù)雜的電路在低電位端,高電位電路簡單,無需電感僅有整流和電容濾波電路。高電位電路器件少、電路簡單,可靠性相對較高[5,7～8]。

為使電路更簡單,考慮采用變壓器多路輸出,減少變換器和高壓變壓器的數(shù)量。在多路輸出應(yīng)用中,該拓?fù)渥蠲黠@的優(yōu)勢在于可以用一個輸入電感代替多個輸出電感。輸出沒有電感,就不會出現(xiàn)由于電感電流不連續(xù)而造成輔輸出電壓大范圍變化的情況。輔輸出電壓會跟隨輸入電壓,在負(fù)載大范圍變化時,其電壓變化只有±2%[3]。偏置電源實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 偏置電源實(shí)物圖

4 基于UC2901隔離反饋的設(shè)計(jì)考慮

1) PWM控制器與反饋信號的接口

UC2901的輸出驅(qū)動是由晶體管射極跟隨電路構(gòu)成,由于載波幅值為1.6V左右,如果要求檢測器電壓大于1V(考慮檢波二極管正向壓降0.6V),就要求隔離變壓器變比大于1,這將帶來一系列諸如阻抗匹配問題。因此,在設(shè)計(jì)中將誤差信號疊加于PWM控制器基準(zhǔn)之上,提高PWM控制器工作點(diǎn),使PWM控制器能適應(yīng)變比為1的隔離變壓器。原理如圖5所示。

2) 耦合變壓器設(shè)計(jì)要求

UC2901所使用的耦合變壓器有兩個基本的要求。它能夠傳遞隔離側(cè)的反饋電壓信息,能夠承受6kV的隔離電壓。

UC2901上的驅(qū)動輸出的發(fā)射跟隨極被偏置到700uA。因此,假如驅(qū)動在沒有外部的偏置電流的情況下,其通過原邊繞組的峰值勵磁電流不能超過此值。

圖5 PWM控制器與反饋信號接口

假如忽略負(fù)載的反射電流,那么調(diào)制器的方波要線性的傳遞所要求的最小勵磁電感可以由下式得到:

其中:LM為勵磁電感;VP為變壓器輸入的載波的峰峰值;fC為UC2901的工作頻率;IP為UC2901驅(qū)動器的偏置電流。

3) 高頻振蕩器參數(shù)設(shè)計(jì)

振蕩器的頻率可以通過下式得到

對于小于500kHz時,可以使用公式。但大于500kHz時,合適電容值是圖6實(shí)線所示。這里沒有使用電容尺寸容量方面的上限,即允許振蕩器產(chǎn)生任意想得到的頻率。

圖6 振蕩器頻率曲線

理論上UC2901的振蕩器頻率可以工作在兆赫茲級,隨頻率提高可減小隔離變壓器尺寸和繞組匝數(shù)。但當(dāng)頻率提高到兆赫茲級時,就必須選擇更好的RF磁芯和高頻檢波二極管。所以在設(shè)計(jì)中,設(shè)定振蕩器工作頻率為800kHz。

4) 閉環(huán)反饋回路設(shè)計(jì)

電壓控制的BOOST變換器的控制對象是單極點(diǎn)的傳遞函數(shù),其PWM控制器的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)使用單極點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)比較合適[9～10]。

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)如圖7所示。

圖7 PWM控制器補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

UC2901的誤差放大器具有60dB典型的開環(huán)直流增益并且具有接近1MHz的內(nèi)部補(bǔ)償增益帶寬,但隨頻率增加,其開環(huán)增益迅速降低到8dB。加上調(diào)制模塊的差分輸出信號的幅值與補(bǔ)償信號的幅值有12dB的小信號增益,UC2901的帶寬增益為20dB。設(shè)計(jì)中在UC2901誤差放大器設(shè)計(jì)一個補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

圖8 UC2901補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

增加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的目的是增加一個20kHz的極點(diǎn),降低UC2901誤差放大器在100kHz電源開關(guān)頻率處的增益,避免電源開關(guān)頻率處增益過高而降低了UC2901調(diào)幅輸出的動態(tài)特性。

5 結(jié)語

本文介紹了一種基于磁隔離反饋的行波管柵極偏置電源設(shè)計(jì)。磁反饋原理是將反饋控制信號疊加在交流脈沖信號上,然后通過隔離變壓器將交流信號傳遞到原邊,再利用幅度解調(diào)電路將信號幅度取出,以用來控制PWM輸出的脈沖寬度,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)穩(wěn)壓的功能。與傳統(tǒng)光耦隔離相比,它具有獨(dú)特的優(yōu)勢,例如:更高的隔離電位、較高的可靠性、低成本等。

目前,基于磁隔離反饋的偏置電源已經(jīng)應(yīng)用在多部行波管發(fā)射機(jī)中,采用以上電路設(shè)計(jì)的偏置電源在實(shí)際工作中具有良好的靜態(tài)、動態(tài)性能和高可靠性。

[1] 王毅,金陽.基于UC3901的磁隔離高壓電源設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù),2010,12(5):33-35.

[2] 王斌.基于UC2901的行波管燈絲電源的設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2008,11(1):10-13.

[3] Abraham I. Pressman.開關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].第三版.北京:電子工業(yè)出版社,2010:114-120.

[4] 榮炎,王其崗.基于隔離反饋發(fā)生器的單端正激DC/DC變換器設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2006,9(2):39-41.

[5] 葉慧貞,楊興洲.新穎開關(guān)穩(wěn)壓電源[M].北京:北京國防工業(yè)出版社,1999:25-28.

[6] Mahmoud P. Sayani, Robrert V. White, Daniel G. Nason, et al. Isolated Feedback for Off-line Switching Power Supplies With Primary-side Control[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,1988:203-211.

[7] 吳冬梅,蔡麗娟.開關(guān)電源的多路輸出技術(shù)發(fā)展綜述[J].電氣傳動,2006,36(4):8-12.

[8] 袁柱六,郭靖.一種小功率高壓開關(guān)電源的設(shè)計(jì)[J].電子器件應(yīng)用,2008,10(7):38-39.

[9] Chen Qing, Fred C, Lee Milan M. Jovanovic Analysisand Design of Weighted Voltage-mode Control for a Multiple-output Converter[J]. IEEE,1993:449-455.

[10] Ma Dongsheng, Ki Wing-Hung, Tsui Chi2Ying. Single-inductor Multiple-output Switching Converter with Time-multiplexing Control in Discontinous Conduction Mode[J]. IEEE Journal of Solid2state Citcuit,2003,38(1):89-100.

Design of TWT Grid-Bias Power Supply Based on Isolated Feedback of Magnetism

WANG Yinong

(East China Research Institute of Electronic Engineering, China Electronics Technology Group Corporation, Hefei 230088)

TWT grid-bias power supply is the important part of TWT transmitter. The stabilitys reliability and performance of RF are directly decided by grid-bias power supply. The power supply is isolated at cathode potential. Isolated feedback of high potential is key point of design of grid-bias power supply. The magnetic isolated feedback technology which is high reliable, high isolated and low cost and design of TWT grid-bias power supply based the technology are introduced in the paper.

TWT, grid-bias power supply, isolated feedback of magnetism

2016年8月15日,

2016年9月28日

王一農(nóng),男,碩士,高級工程師,研究方向:雷達(dá)真空管發(fā)射機(jī)。

TN86

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.035