高可靠固態(tài)射頻電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
作者簡(jiǎn)介:薛新(1974—),男,高級(jí)工程師,主要研究方向:射頻及微波電路。
本文引用地址:http://2s4d.com/article/202103/424067.htm董佳興(1979—),男,高級(jí)工程師,主要研究方向:射頻及微波放大器。
董亮(1987—),男,工程師,主要研究方向:射頻及微波電路。
0 引言
射頻電源是一種可以產(chǎn)生高頻正弦波電壓的特殊電源,在電子工業(yè)、光伏產(chǎn)業(yè)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、醫(yī)療美容等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。早期的射頻電源基本上采用電子管技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造,其產(chǎn)品占市場(chǎng)的主導(dǎo)地位,但是這類電源有體積大、使用壽命短、能耗大和工作電壓高不夠安全等諸多缺點(diǎn),嚴(yán)重影響射頻電源設(shè)備的應(yīng)用。目前基于大功率射頻微波半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)已經(jīng)占據(jù)了主流,晶體管的體積只及電子管的十分之一至百分之一,而且具有效率高、壽命長(zhǎng)、低工作電壓、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),因此采用晶體管為功率器件設(shè)計(jì)的固態(tài)射頻電源已經(jīng)被廣泛使用。
本文設(shè)計(jì)的固態(tài)射頻電源主要功能是將機(jī)內(nèi)石英晶振產(chǎn)生的13.56 MHz 正弦波信號(hào)放大至500 W 功率,用于將醫(yī)用消毒罐中處于接近真空狀態(tài)下的空氣分子激發(fā)到等離子態(tài),實(shí)現(xiàn)消毒殺菌的目的。作為等離子射頻激勵(lì)源,本機(jī)還具有遙控功能、過熱保護(hù)功能以及輸出功率分檔等功能。
1 設(shè)計(jì)方案
根據(jù)等離子消毒系統(tǒng)對(duì)射頻電源的指標(biāo)要求進(jìn)行整機(jī)方案考慮,本方案中射頻電源主要由兩部分組成:射頻功率源和阻抗匹配器。其中射頻功率源主要由晶振電路、三級(jí)級(jí)聯(lián)功放電路組成,文中詳細(xì)介紹了各級(jí)功率放大電路的設(shè)計(jì)以及功率器件的具體選擇,并對(duì)末級(jí)模塊進(jìn)行了重點(diǎn)論述。阻抗匹配器采用大功率電感和可調(diào)電容組成L 型的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò),根據(jù)調(diào)諧電路諧振電壓高和通過功率大的要求,可調(diào)電容選用了大型單聯(lián)空氣平板電容,調(diào)諧電感選用空心銅管進(jìn)行制作;針對(duì)射頻電源在工作時(shí)易熱和功率管易失配損壞的特性,本機(jī)還專門設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)和各種保護(hù)電路,提高射頻電源工作時(shí)的可靠性。
1.1射頻功率源
射頻通路組成框圖如圖2 所示。整個(gè)射頻電路全部采用了已經(jīng)應(yīng)用成熟的功率器件以及合成器、耦合檢波器等電路,晶振電路采用13.56 MHz 方波晶振進(jìn)行低通濾波得到正弦波。
前級(jí)模塊電路如圖3 所示,主要由一片MINI 公司的ERA-5SM 集成功放、一片ST 公司的LDMOS 功率管PD57018 組成,其中輸入端加入由PIN 管組成的電調(diào)衰減器,在環(huán)境溫度變化和整機(jī)負(fù)載變化的情況下起到穩(wěn)定整機(jī)輸出功率的作用。
圖3 前級(jí)功放電路圖
末級(jí)模塊采用Freescale 公司(編者注:2015 年被恩智浦收購(gòu))大功率LDMOS 功放管MRFE6VP5600HR6進(jìn)行設(shè)計(jì)[1],如圖4,其額定輸出連續(xù)波功率600 W,增益25 dB,效率大于75%,關(guān)鍵是其輸出抗負(fù)載失配能力達(dá)到65:1,非常適合各種工業(yè)用途中的惡劣使用環(huán)境。本模塊輸入輸出匹配電路均使用傳輸線變壓器制作的阻抗變換電路,輸入為9:1 阻抗變換,輸出為1:4 阻抗變換[2]。
圖4 末級(jí)功放電路圖
耦合檢波器電路如圖5 所示,主要由定向耦合器、檢波器兩部分構(gòu)成,定向耦合器是一種單向的分功率器件,具有方向性,可以從直通線的正向波中耦合設(shè)定比例功率到采樣端口,而從反向波中耦合出的功率非常小。利用這個(gè)單向耦合傳輸特性可以對(duì)主射頻通道中的入射波和反射波分別進(jìn)行取樣,這樣可以檢測(cè)主通道傳輸和反射功率的大小,并配合阻抗匹配器的調(diào)整實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整機(jī)負(fù)載的匹配情況。這里采用傳統(tǒng)的集中參數(shù)變壓器耦合形式,檢波器采用成熟的二極管檢波電路,為了保證檢測(cè)電壓不受諧波影響,在耦合檢波器前增加了一個(gè)三階低通濾波器,用于濾除各次諧波。
圖5 耦合檢波器電路圖
1.2 阻抗匹配器
射頻傳輸?shù)男赎P(guān)鍵在于阻抗匹配。隨著理論和工程應(yīng)用的進(jìn)步國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)發(fā)展了各種各樣的阻抗匹配技術(shù),但是在不同的系統(tǒng)中需要有針對(duì)性的分析應(yīng)用,權(quán)衡各方面的因素才能得到比較合理的方案。
為了實(shí)現(xiàn)功率源與負(fù)載之間的功率匹配,減少功率損耗,一般是在功率源和實(shí)際負(fù)載之間加入一個(gè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò),將固定阻抗變?yōu)槠渌枰淖杩怪怠?/p>
本文的設(shè)計(jì)是倒L 型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)作為匹配器的主體結(jié)構(gòu)[3],其中可調(diào)電容C1 用于調(diào)節(jié)匹配負(fù)載阻抗的實(shí)部,C2 用于調(diào)節(jié)匹配負(fù)載阻抗的虛部,阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)調(diào)節(jié)的最終目的就是使射頻源端口和負(fù)載端口的反射系數(shù)逼近為零。
本設(shè)計(jì)中的調(diào)諧電感L 選用φ5 的空心銅管進(jìn)行繞制,可調(diào)電容C1、C2 均為大型空氣平板電容,其電容值C 和極板間距d 成反比,與極板相對(duì)面積S、介電常數(shù)ε 成正比,各參數(shù)之間的關(guān)系如下式:
C = εS / 4πkd
從公式中可以看出,要改變電容值,只需要改變電容的極板間距d 和相對(duì)面積S 即可,在本設(shè)計(jì)中是通過旋轉(zhuǎn)一組相連的極板,改變兩組極片相對(duì)面積S,進(jìn)而改變電容器的電容值。當(dāng)電容的兩組極片完全相對(duì)時(shí),電容值最大,反之則最小。阻抗匹配范圍為:(2.5~45)±j(0~70)。
匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù): 電感L=47 μH,C1 的變化范圍為(2.0~100) pf,C2 的變化范圍為(50~1 000) pf。
2 關(guān)鍵技術(shù)
射頻功率放大器最大的弱點(diǎn)就是功率管易損壞,對(duì)于過氧化氫等離子消毒柜射頻電源來說,加電瞬間負(fù)載是接近開路狀態(tài),如果采用傳統(tǒng)的有過沖的控制模式會(huì)產(chǎn)生如圖7 所示波形,加電瞬間功放處于飽和功率輸出狀態(tài),由于此時(shí)負(fù)載全反射,功率幾乎全部疊加到功放管的輸出端,極端情況下會(huì)導(dǎo)致功率管的損傷。
圖7 過沖功率輸出波形
本設(shè)計(jì)變常規(guī)的控制電路為新型無過沖控制電路,以適應(yīng)用戶消毒罐(也就是射頻功率源的負(fù)載)的激發(fā)特性,無過沖控制的原理如圖8,其設(shè)計(jì)思想為:加電瞬間,功放輸出功率100 W 左右,即使消毒罐全反射,功率管也能容忍。由于100 W 的功率已經(jīng)可以使消毒罐啟輝,因此在啟輝前受到駐波保護(hù),功放始終處于100 W 的低功率輸出,使功放自身處于受保護(hù)狀態(tài);當(dāng)消毒罐啟輝后,功放負(fù)載特性改變,駐波保護(hù)逐漸撤銷,功率開始上升,直到達(dá)到最大輸出功率500 W。最終功放安全的工作在500 W 輸出狀態(tài),負(fù)載端口駐波保持在3 以下。
當(dāng)采用無過沖控制時(shí),功率輸出相應(yīng)特性如圖9 所示,在50 Ω 負(fù)載時(shí)性能非常理想。與用戶設(shè)備聯(lián)試長(zhǎng)期工作時(shí)無過沖的功放在相同的應(yīng)用條件下均無損壞,可靠性非常高。
圖9 500 W無過沖時(shí)的功率輸出(黃色為ALC電壓,綠色為RF信號(hào))
3 實(shí)測(cè)結(jié)果
本方案設(shè)計(jì)的射頻電源如圖11 所示,供電采用220 V AC,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2 所示,在13.65 MHz 工作頻點(diǎn)上,輸出功率大于500 W,AC-RF 轉(zhuǎn)換效率大于70%。
圖10 射頻電源輸出射頻波形
4 結(jié)束語
本文采用石英晶振電路和三級(jí)級(jí)聯(lián)功放來完成13.56 MHz 500 W 射頻電源設(shè)計(jì)。為提高射頻電源的信號(hào)頻率穩(wěn)定度,使用石英晶振電路作為信號(hào)產(chǎn)生電路;為減小射頻電源的體積和重量,用大功率LDMOS 管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子管。射頻電源的末級(jí)放大器采用AB 類推挽功率放大電路,提高了整機(jī)AC-RF 轉(zhuǎn)換效率,有效減少工作時(shí)產(chǎn)生的熱量,達(dá)到安全與節(jié)能的效果。關(guān)鍵技術(shù)采用無過沖控制模式消除射頻功率管的瞬態(tài)過載狀態(tài),極大地增加了設(shè)備的可靠性。
圖11 射頻電源實(shí)物圖
參考文獻(xiàn):
[1] MRFE6VP5600HR6 datasheet. Rev1.1.
[2] 張紀(jì)綱.射頻鐵氧體寬帶器件[M].北京:科學(xué)出版社,1986.
[3] GREBENNIKOV A.射頻與微波功率放大器設(shè)計(jì)[M].張玉興,趙宏飛,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2006.
(本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年2月期)
評(píng)論