大功率穩(wěn)定微波電源設(shè)計

尹釔涵，汪建華，秦道東

（武漢工程大學(xué)湖北省等離子體化學(xué)與新材料重點實驗室，湖北 武漢 430074）

0 引 言

微波技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著工藝生產(chǎn)要求的日益提升，微波電源作為激發(fā)或獲取微波的重要部件，其設(shè)計研究工作意義重大。目前，微波技術(shù)廣泛應(yīng)用于社會各領(lǐng)域，尤其是工業(yè)生產(chǎn)、科研工作及日常生活。深入研究大功率、高穩(wěn)定的微波電源，是發(fā)展科技、提高科研水平及推動工業(yè)化進(jìn)程的基礎(chǔ)，也是穩(wěn)定電源研究的必然趨勢。

1 電源系統(tǒng)設(shè)計

1.1 微波電源原理

無論是何種電子產(chǎn)品，電路設(shè)計決定了整個產(chǎn)品是否能夠?qū)崿F(xiàn)功能，也決定了產(chǎn)品設(shè)計是否能夠成功。本設(shè)計中，微波電源控制系統(tǒng)總方案，如圖1所示。

1.2 采樣電路

當(dāng)開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器處于工作狀態(tài)時，電流反饋和電壓反饋是常見的兩種控制環(huán)路方式。其中，電流反饋是檢測開關(guān)管電流后，有效控制開關(guān)管導(dǎo)通時間的占空比，從而確保整個電路工作過程中輸出穩(wěn)定電壓。

1.2.1 常見的采樣原理

（1）電阻采樣

將電阻和負(fù)載電阻串聯(lián)，通過采樣電阻降低對應(yīng)電壓，以達(dá)到檢測電流的目的。

（2）Rdsj檢測

對于線性區(qū)，MOS管可作為電阻使用，同時檢測功率管對應(yīng)的電壓，以獲得功率管的具體電流。

（3）電感電流檢測技術(shù)

對電感電壓采取低通濾波的電路模式進(jìn)行過濾處理，并進(jìn)行電流檢測。

圖1 微波電源控制系統(tǒng)總方案框圖

（4）SENSEFET電流檢測

將功率管和采樣管并聯(lián)，確保兩者源漏極相連。借助采樣管和功率管呈現(xiàn)鏡像。

1.2.2 采樣電路設(shè)計

整個設(shè)計中，采樣數(shù)據(jù)直接影響微波電源的輸出功率精準(zhǔn)度，需選擇陽極電流[1]。將7個功率均為2 W的電阻并聯(lián)，再接入分流電阻陽極電流，進(jìn)而獲得相應(yīng)的電壓信號，如圖2所示。

1.3 磁控管系統(tǒng)設(shè)計

圖2 陽極電流采樣電路

磁控管工作時，可被視作二極管應(yīng)用于相互正交的電磁場。因此，影響磁控管輸出功率的最大因素是陽極電流的波動情況。為得到穩(wěn)定的陽極輸出電流，有效控制陽極電流，需合理調(diào)節(jié)磁場電流[2]。由于陰極電壓波動小，可將其看作是不變常量。整個電路系統(tǒng)設(shè)計中，需滿足磁場線圈同時流過陽極電流和磁場電流。磁控管工作時，隨著磁場強度的不斷變化，陽極電流隨之變化。因此，通過磁場調(diào)度，有效控制陽極電流。磁場電流調(diào)節(jié)簡化圖，如圖3所示。

圖3 磁場電流調(diào)節(jié)簡化圖

1.4 過零檢測電路

同一狀態(tài)下，電壓設(shè)置不低于4 V，脈沖寬度保持20 μs以上，并以每半個周期為時限觸發(fā)脈沖輸出，實現(xiàn)觸發(fā)脈沖與交流電壓效率的同步提升。如圖4所示，整個電路中，TPL521-2發(fā)揮隔離作用，B1表示變壓器。若正弦交流存在趨近于0的對應(yīng)電壓，將觸發(fā)三極管T1的導(dǎo)通，并產(chǎn)生負(fù)脈沖信號。當(dāng)T1電壓輸出端與對應(yīng)于單片機的引腳INTO相接，會產(chǎn)生中斷效用。通過定時器累計時間，會同步觸發(fā)該信號。

1.5 過零觸發(fā)電路

過零觸發(fā)電路如圖5所示。MOC3061是光電耦合器，具有雙向可控的特點和隔離阻斷的作用，且能驅(qū)動BCR。由圖5可知，整個過零觸發(fā)電路中，R6為限流電阻，R7為BCR的門極電阻。R6和R7主要承擔(dān)抗干擾作用，避免出現(xiàn)錯誤觸發(fā)。若單片機的P1.0引腳為負(fù)脈沖信號，觸發(fā)BCR能導(dǎo)通交流負(fù)載[3]。如果接通感性交流的負(fù)載和雙向可控硅，那么會導(dǎo)致電源電壓明顯高出負(fù)載電流一相位角。因此，當(dāng)負(fù)載電流為0時，電源電壓處于反向狀態(tài)。同時，在感性負(fù)載對應(yīng)的自感電動勢的影響下，雙向可控硅能承受的電壓值遠(yuǎn)高于電源電壓承受的電壓值。此外，雙向可控硅具備反向?qū)üπВ哺菀妆粨舸榇_保雙向可控硅能承受較大反向電壓，可在其兩級并聯(lián)一個RC阻容。圖5中，C2、R8是RC阻容吸收型電路。

圖4 過零檢測電路

圖5 過零觸發(fā)電路

1.6 保護(hù)電路

微波電源中，磁控管是整個系統(tǒng)裝置的核心器件。為延長微波電源裝置的使用壽命，必須采取必要的保護(hù)措施。本設(shè)計中，選用的磁控管型號為CK-611。工作狀態(tài)下，磁控管陰極與陽極處于兩種不同狀態(tài)，陰極持續(xù)加熱，而陽極持續(xù)受到電子流的沖擊。為避免磁控管因溫度變化而損壞，必須采取相應(yīng)的冷卻措施。設(shè)計中，為獲得最佳實驗效果，用水管連接進(jìn)水口和水龍頭，并選用自來水為冷水。此外，為避免磁控管工作中因冷水而導(dǎo)致工作中斷，將在水管中段接一個壓力開關(guān)。一旦因冷卻而導(dǎo)致中斷，可借助壓力開關(guān)切斷設(shè)備的運行。

2 軟件程序設(shè)計

研發(fā)電子產(chǎn)品時，硬件電路設(shè)計是核心工作。為確保電子產(chǎn)品能實現(xiàn)設(shè)定功能，需用軟件程序予以輔助。軟件工程師編寫程序，可將原本獨立存在的電路硬件連接，從而形成一個運行整體，以實現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)的目的。設(shè)計中，選用的單片機型號為ATmega32，需對代碼程序進(jìn)行模塊化處理，并對局部重點程序進(jìn)行逐一編寫。該編程思路明顯提升了軟件設(shè)計編程效率，具體設(shè)計如圖6所示[4]。

圖6 軟件總體框架圖

根據(jù)微波磁控管設(shè)計的相關(guān)要求，對單片機程序運行的具體流程作如下設(shè)計。

（1）開機接通單片機控制系統(tǒng)電源。單片機系統(tǒng)在接收到微波電源啟動信號前處于待機狀態(tài)，一旦接收到微波電源啟動信號，單片機系統(tǒng)將啟動，并進(jìn)行水流檢測工作，確保對磁控管的冷卻工作能正常開展。若水流流速處于不正常狀態(tài)，系統(tǒng)將發(fā)出報警，并提示報警原因。

（2）通過水流檢測后，將預(yù)熱燈絲。系統(tǒng)剛啟動時，冷卻燈絲電阻相對較小，但是隨著系統(tǒng)預(yù)熱的持續(xù)，電阻逐漸增大，電流持續(xù)降低，最終逐漸趨于36 A。

（3）燈絲預(yù)熱結(jié)束后，系統(tǒng)啟動勵磁電源。當(dāng)磁控管中的磁場強度達(dá)到截止點時，將啟動微波電源系統(tǒng)的電場電源部門。此時，微波電源輸出1kW的穩(wěn)定微波。

（4）采樣電路下，借助不同功率電路采樣微波，并與手動設(shè)置的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。根據(jù)數(shù)據(jù)依次判斷是否有輸入調(diào)節(jié)磁控管，并通過人機界面糾正磁控管的輸出功率，使其達(dá)到預(yù)先設(shè)定功率。微波電源系統(tǒng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定值后，需不斷對設(shè)備進(jìn)行水流檢測和水溫檢測，以確保設(shè)備水冷卻系統(tǒng)正常運行。一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)電壓不足或斷水現(xiàn)象，系統(tǒng)將發(fā)出指令使設(shè)備自動中斷并停止運作，從而保護(hù)設(shè)備。

3 結(jié) 論

隨著科技的不斷發(fā)展，微波技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛。尤其是在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，微波技術(shù)具有極其重要的地位。隨著精尖細(xì)生產(chǎn)工藝要求的出現(xiàn)，微波電源作為獲取微波的核心器件，其研究意義深遠(yuǎn)。本設(shè)計采用單片機反饋和調(diào)節(jié)微波電源的輸出功率，提高了輸出功率的穩(wěn)定性。今后還需不斷深入研究，以完善大功率微波電源的穩(wěn)定性。