基于磁隔離反饋的行波管柵極偏置電源設計

王一農

(中國電子科技集團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計

王一農

(中國電子科技集團華東電子工程研究所 合肥 230088)

柵極偏置電源是行波管發射機的重要部件,其性能直接決定發射機的穩定性、可靠性及射頻輸出質量。柵極偏置電源浮動在陰極高電位上。設計的關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和基于此技術的行波管柵極偏置電源設計。

行波管; 柵極偏置電源; 磁隔離反饋

Class Number TN86

1 引言

行波管發射機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的要求。模擬信號的隔離比較復雜,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/幅度轉換器件進行傳遞等[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點有[4,6]:

1) 信號單向傳輸,輸入輸出完全實現電氣隔離;

2) 抗干擾能力強,在一定時間范圍內工作穩定;

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[4,6]:

1) 光耦在電路實際工作當中,存在耦合效果逐漸衰減的現象,隨著工作時間的增加,會導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,陰極電位通常為數千伏到數十千伏,并且要求較高可靠性。傳統的光耦隔離方式因其局限性并不能滿足相應要求。而磁隔離反饋發生器具有可靠性高,高隔離等特點,因而適用于行波管柵極偏置電源這種特殊電源的設計中。

2 磁隔離反饋發生器UC2901

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

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

圖1 UC2901內部電路

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電源閉環反饋設計的任務,它集成了精密參考、誤差放大器和完整的調制模塊。使用它的調制輸出模塊可以將環路的誤差信號利用變壓器隔離技術,從而提供了穩定和重復的閉環特性。而且UC2901所產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被應用于一個隔離開關電源的閉環反饋系統中。

電源輸出電壓通過分壓后與UC2901的1.5V參考電壓比較后經高增益誤差放大器放大。被放大的誤差信號補償輸出在UC2901內部被反向,然后送到調制器去。輸入調制器的信號還有來自振蕩器的載波信號。調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載去釋放保持電容的電荷,一個有效幅值的解調器就形成了。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絡的功能。

3 偏置電源電路拓撲選擇

某行波管發射機柵極偏置的電源技術要求如下:

1) 負偏電源工作電壓范圍:-250±25V(相對陰極);

2) 負偏電源功率:5W;

3) 輸出電壓長期穩定度優于1%;

4) 輸出電壓負載調整率優于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) 輸出電壓長期穩定度優于0.5%;

8) 輸出電壓負載調整率優于1%;

9) 隔離電位:6kV。

電路拓撲選擇前級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BOOST變換為約30V直流輸出,再經過推挽變換電路經高壓變壓器升壓到250V。變壓器次級采用兩繞組分別產生正偏和負偏電壓。因為電路中對正偏電壓的穩定度要求最高,電源只對正偏電壓取樣反饋,采用UC2901磁隔離反饋發生器。

圖3 偏置電源電路拓撲

電路采用兩級變換,所有變換在低電位上,電路拓撲復雜,但相對復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量。在多路輸出應用中,該拓撲最明顯的優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,就不會出現由于電感電流不連續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,在負載大范圍變化時,其電壓變化只有±2%[3]。偏置電源實物圖如圖4所示。

圖4 偏置電源實物圖

4 基于UC2901隔離反饋的設計考慮

1) PWM控制器與反饋信號的接口

UC2901的輸出驅動是由晶體管射極跟隨電路構成,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,在設計中將誤差信號疊加于PWM控制器基準之上,提高PWM控制器工作點,使PWM控制器能適應變比為1的隔離變壓器。原理如圖5所示。

2) 耦合變壓器設計要求

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

UC2901上的驅動輸出的發射跟隨極被偏置到700uA。因此,假如驅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

假如忽略負載的反射電流,那么調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驅動器的偏置電流。

3) 高頻振蕩器參數設計

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。但當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。所以在設計中,設定振蕩器工作頻率為800kHz。

4) 閉環反饋回路設計

電壓控制的BOOST變換器的控制對象是單極點的傳遞函數,其PWM控制器的補償網絡使用單極點補償網絡比較合適[9～10]。

補償網絡如圖7所示。

圖7 PWM控制器補償網絡

UC2901的誤差放大器具有60dB典型的開環直流增益并且具有接近1MHz的內部補償增益帶寬,但隨頻率增加,其開環增益迅速降低到8dB。加上調制模塊的差分輸出信號的幅值與補償信號的幅值有12dB的小信號增益,UC2901的帶寬增益為20dB。設計中在UC2901誤差放大器設計一個補償網絡。

圖8 UC2901補償網絡

增加補償網絡的目的是增加一個20kHz的極點,降低UC2901誤差放大器在100kHz電源開關頻率處的增益,避免電源開關頻率處增益過高而降低了UC2901調幅輸出的動態特性。

5 結語

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計。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,再利用幅度解調電路將信號幅度取出,以用來控制PWM輸出的脈沖寬度,實現閉環穩壓的功能。與傳統光耦隔離相比,它具有獨特的優勢,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應用在多部行波管發射機中,采用以上電路設計的偏置電源在實際工作中具有良好的靜態、動態性能和高可靠性。

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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,男,碩士,高級工程師,研究方向:雷達真空管發射機。

TN86

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.035