基于磁隔离反馈的行波管栅极偏置电源设计

王一农

(中国电子科技集团华东电子工程研究所 合肥 230088)

基于磁隔离反馈的行波管栅极偏置电源设计

王一农

(中国电子科技集团华东电子工程研究所 合肥 230088)

栅极偏置电源是行波管发射机的重要部件,其性能直接决定发射机的稳定性、可靠性及射频输出质量。栅极偏置电源浮动在阴极高电位上。设计的关键在于如何解决高电位信号隔离反馈问题。论文介绍了一种高可靠、高隔离、低成本的磁反馈隔离技术和基于此技术的行波管栅极偏置电源设计。

行波管; 栅极偏置电源; 磁隔离反馈

Class Number TN86

1 引言

行波管发射机中栅极偏置电源浮动在阴极高电位上,电源需从高电位将电压或电流信号取样到低电位满足电源控制电路闭环的要求。模拟信号的隔离比较复杂,成本也比较高,主要使用的方法为采用线性光耦、电压/频率和电压/幅度转换器件进行传递等[1～2]。

目前,在单端型电路的隔离反馈方式上,常采用的是光电耦合器隔离的方法。采用光耦隔离的主要优点有[4,6]:

1) 信号单向传输,输入输出完全实现电气隔离;

2) 抗干扰能力强,在一定时间范围内工作稳定;

3) 灵敏度高,传输效率高;

4) 采样,比较,隔离反馈电路形式简单。

但采用光耦隔离也有它的缺点[4,6]:

1) 光耦在电路实际工作当中,存在耦合效果逐渐衰减的现象,随着工作时间的增加,会导致电路的反馈效果下降;

2) 在高电压隔离场合(2500V以上),无法应用。

行波管栅极偏置电源浮动在阴极电位上,阴极电位通常为数千伏到数十千伏,并且要求较高可靠性。传统的光耦隔离方式因其局限性并不能满足相应要求。而磁隔离反馈发生器具有可靠性高,高隔离等特点,因而适用于行波管栅极偏置电源这种特殊电源的设计中。

2 磁隔离反馈发生器UC2901

UC2901是TI公司生产的隔离反馈发生器。利用UC2901和隔离变压器以及整流滤波电路一起,可以很方便的实现DC/DC电源中控制电路的磁隔离反馈功能。

UC2901内部主要有电压基准、放大器电路、振荡电路、幅度调制电路、输出驱动电路。图1所示是UC2901的内部电路。UC2901的工作电压范围可以达到4.5V～40V,电压基准的精度可以达到1%,可以直接作为放大器的基准信号。调幅电路的输出端具有15mA的电流输出能力,吸电流能力为700μA,如果要扩展吸电流能力,还可以外接扩流电阻。

图1 UC2901内部电路

图2 基于UC2901的变压器耦合反馈电路

UC2901简化了隔离和原边控制型开关电源闭环反馈设计的任务,它集成了精密参考、误差放大器和完整的调制模块。使用它的调制输出模块可以将环路的误差信号利用变压器隔离技术,从而提供了稳定和重复的闭环特性。而且UC2901所产生的载波频率最高到5MHz,这样可以有效地减小隔离变压器的尺寸和成本。

在图2中,UC2901被应用于一个隔离开关电源的闭环反馈系统中。

电源输出电压通过分压后与UC2901的1.5V参考电压比较后经高增益误差放大器放大。被放大的误差信号补偿输出在UC2901内部被反向,然后送到调制器去。输入调制器的信号还有来自振荡器的载波信号。调制器把两种信号合成为一种幅值与误差放大信号幅值成比例的并与振荡器频率相等的方波信号。此反馈信号被缓冲后送到耦合变压器上。耦合变压器的副边绕组驱动二极管和电容组成的峰值检波器,利用一个简单的电阻负载去释放保持电容的电荷,一个有效幅值的解调器就形成了。来自误差放大器的输入小信号电压增益到检波器的输出组成了一个反馈网络的功能。

3 偏置电源电路拓扑选择

某行波管发射机栅极偏置的电源技术要求如下:

1) 负偏电源工作电压范围:-250±25V(相对阴极);

2) 负偏电源功率:5W;

3) 输出电压长期稳定度优于1%;

4) 输出电压负载调整率优于5%;

5) 正偏电源的工作电压范围:+250±25V(相对阴极);

6) 正偏电源功率:5W;

7) 输出电压长期稳定度优于0.5%;

8) 输出电压负载调整率优于1%;

9) 隔离电位:6kV。

电路拓扑选择前级BOOST电路,后级推挽变换电路。栅极偏置电源主电路如图3所示,其工作原理为:24V直流输入经BOOST变换为约30V直流输出,再经过推挽变换电路经高压变压器升压到250V。变压器次级采用两绕组分别产生正偏和负偏电压。因为电路中对正偏电压的稳定度要求最高,电源只对正偏电压取样反馈,采用UC2901磁隔离反馈发生器。

图3 偏置电源电路拓扑

电路采用两级变换,所有变换在低电位上,电路拓扑复杂,但相对复杂的电路在低电位端,高电位电路简单,无需电感仅有整流和电容滤波电路。高电位电路器件少、电路简单,可靠性相对较高[5,7～8]。

为使电路更简单,考虑采用变压器多路输出,减少变换器和高压变压器的数量。在多路输出应用中,该拓扑最明显的优势在于可以用一个输入电感代替多个输出电感。输出没有电感,就不会出现由于电感电流不连续而造成辅输出电压大范围变化的情况。辅输出电压会跟随输入电压,在负载大范围变化时,其电压变化只有±2%[3]。偏置电源实物图如图4所示。

图4 偏置电源实物图

4 基于UC2901隔离反馈的设计考虑

1) PWM控制器与反馈信号的接口

UC2901的输出驱动是由晶体管射极跟随电路构成,由于载波幅值为1.6V左右,如果要求检测器电压大于1V(考虑检波二极管正向压降0.6V),就要求隔离变压器变比大于1,这将带来一系列诸如阻抗匹配问题。因此,在设计中将误差信号叠加于PWM控制器基准之上,提高PWM控制器工作点,使PWM控制器能适应变比为1的隔离变压器。原理如图5所示。

2) 耦合变压器设计要求

UC2901所使用的耦合变压器有两个基本的要求。它能够传递隔离侧的反馈电压信息,能够承受6kV的隔离电压。

UC2901上的驱动输出的发射跟随极被偏置到700uA。因此,假如驱动在没有外部的偏置电流的情况下,其通过原边绕组的峰值励磁电流不能超过此值。

图5 PWM控制器与反馈信号接口

假如忽略负载的反射电流,那么调制器的方波要线性的传递所要求的最小励磁电感可以由下式得到:

其中:LM为励磁电感;VP为变压器输入的载波的峰峰值;fC为UC2901的工作频率;IP为UC2901驱动器的偏置电流。

3) 高频振荡器参数设计

振荡器的频率可以通过下式得到

对于小于500kHz时,可以使用公式。但大于500kHz时,合适电容值是图6实线所示。这里没有使用电容尺寸容量方面的上限,即允许振荡器产生任意想得到的频率。

图6 振荡器频率曲线

理论上UC2901的振荡器频率可以工作在兆赫兹级,随频率提高可减小隔离变压器尺寸和绕组匝数。但当频率提高到兆赫兹级时,就必须选择更好的RF磁芯和高频检波二极管。所以在设计中,设定振荡器工作频率为800kHz。

4) 闭环反馈回路设计

电压控制的BOOST变换器的控制对象是单极点的传递函数,其PWM控制器的补偿网络使用单极点补偿网络比较合适[9～10]。

补偿网络如图7所示。

图7 PWM控制器补偿网络

UC2901的误差放大器具有60dB典型的开环直流增益并且具有接近1MHz的内部补偿增益带宽,但随频率增加,其开环增益迅速降低到8dB。加上调制模块的差分输出信号的幅值与补偿信号的幅值有12dB的小信号增益,UC2901的带宽增益为20dB。设计中在UC2901误差放大器设计一个补偿网络。

图8 UC2901补偿网络

增加补偿网络的目的是增加一个20kHz的极点,降低UC2901误差放大器在100kHz电源开关频率处的增益,避免电源开关频率处增益过高而降低了UC2901调幅输出的动态特性。

5 结语

本文介绍了一种基于磁隔离反馈的行波管栅极偏置电源设计。磁反馈原理是将反馈控制信号叠加在交流脉冲信号上,然后通过隔离变压器将交流信号传递到原边,再利用幅度解调电路将信号幅度取出,以用来控制PWM输出的脉冲宽度,实现闭环稳压的功能。与传统光耦隔离相比,它具有独特的优势,例如:更高的隔离电位、较高的可靠性、低成本等。

目前,基于磁隔离反馈的偏置电源已经应用在多部行波管发射机中,采用以上电路设计的偏置电源在实际工作中具有良好的静态、动态性能和高可靠性。

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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

王一农,男,硕士,高级工程师,研究方向:雷达真空管发射机。

TN86

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.035