《电子技术应用》

UWB雷达专用微功率直流高压电源的设计

2017年微型机与应用第6期 作者:张锋1,梁步阁1,杨德贵1,赵党军1,容睿智1,张岩松1,赵旸1,陈佳澍1,张亚东2
2017/4/9 19:31:00

  张锋1,梁步阁1,杨德贵1,赵党军1,容睿智1,张岩松1,赵旸1,陈佳澍1,张亚东2

  (1.中南大学 航空航天学院,湖南 长沙 410083;2.兰州理工大学 计算机与通信学院,甘肃 兰州 430050)

        摘要:主要设计一种UWB雷达专用微功率直流高压发生器。利用功率三极管和PWM控制器组成的升压电路,通过调节占空比,调节输出电压稳定在设定值。升压电路利用三极管组成串联稳压电路,稳定输出高压,实现直流低电压输入稳定高电压输出。

  关键词:UWB雷达;升压电路;稳压电路;高压发生器

  中图分类号:TN952文献标识码:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.06.013

  引用格式:张锋,梁步阁,杨德贵,等. UWB雷达专用微功率直流高压电源的设计[J].微型机与应用,2017,36(6):40-42.

0引言

  近年来,“超宽带(UltraWideBand,UWB)”雷达由于其具有距离分辨率高、近距离盲区小、穿透性强等特性成为电子学领域前沿性研究热点[1]。由于超宽带雷达的特殊性,其系统的重要组成部分之一的高压源的设计也就不同于一般电源设计。高压源的设计核心为升压电路的设计[23],对于较大的功率输出,由于专用升压芯片内部开关管的限制,难以实现大功率升压变换,而且芯片价格昂贵,在实际应用时受到很大限制。Boost升压结构用于升压设计时外接开关选择余地很大,选择合适的控制芯片,便可以设计出功率大、电压稳定的DC/DC升压电路。结合超宽带雷达的实际需求,本文升压电路的设计采用功率MOSFET及PWM控制器组成Boost电路[4],配合三极管串联稳压电路,成功设计出一种输入电压为8 V~12 V、输出电压为120 V~180 V、工作功率为10 W以内的微功率直流低压输入的直流高压发生电路。

1系统组成

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  该UWB雷达专用微功率直流高压电源主要组成如图1所示,整个系统包括升压电路和稳压电路两部分。升压电路是由功率三极管和PWM控制器组成的,通过调节占空比可以使输出电压稳定在设定的输出。稳压电路包括三极管和基准电压源,通过三极管串联稳压电路增加高压的稳定性。

2电路原理

  2.1升压电路

  (1)基本Boost升压电路

  UWB雷达专用微功率直流高压电源的升压电路是基于Boost升压电路的改进型Boost拓扑结构[5]。首先分析Boost升压电路的工作原理,Boost升压电路的基本电路如图2所示。

003.jpg

  Boost升压电路是一种开关直流升压电路,电路工作过程主要分为两个过程:充电过程和放电过程,两个过程相互配合完成升压功能[6]。第一阶段为充电过程,这个过程中开关闭合(即三极管导通),电感右端相当于直接对地,肖特基二极管防止电容对地放电。输入电源、电感形成闭合回路,输入电源给电感充电,电感上的电流以一定的比率线性增加。此时控制开关断开(三极管截止),进入第二个阶段即放电过程,由于电感的电流保持特性,电感上的电流不会立即变成0,而是缓慢地由充电结束时的值变成0,充电电路断开,电感通过新建立的放电电路放电,电感给电容充电,电容两端电压升高直至高于输入电压,升压完成。升压过程其实就是电感的能量传递的过程[7],如图3所示。

  

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  Boost升压电路中的电感和电容的选取对升压过程起着决定性作用,影响升压电路的性能。因此电路设计的一个重要环节是选择合适的电感、电容。升压电路稳定工作时,在每个开关周期,导通期间电感电流的增加量等于关断期间电感电流的减少量[8],即:

  }P{BP]2PIHN$J%URWZAU5[O.png

  其中L为电感,don为占空比,Vd为整流管压降。每个开关周期内电感初始电流等于输出电流时的对应电感的电感量:

  WXVC5A3DB@WQCMR8ALEL~CB.png

  当电感的电感量小于此Lx时,输出纹波随着电感量的增加变化较明显;当电感的电感量大于此Lx时,输出纹波随电感量的增加几乎不再变小。

  输出电容的值为:

  MSFGF_{43I81A1OS1PW$171.png

  其中Vpp为输出纹波电压。

  (2)基于基本Boost升压电路的Boost拓展电路

  基于基本Boost升压电路,UWB专用微功率直流高压源的升压电路如图4所示。

 

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  升压电路主要包括Boost升压电路和PWM控制器电路两部分,核心电路为Boost升压电路。基于Boost升压电路工作原理,电路工作时PWM控制器电路设定脉冲频率调,产生开关三极管的驱动信号,控制次级MOSFET通断,Boost升压电路进行升压的充电过程、放电过程,串联电感吸收能量、释放能量。通过PWM控制调节占空比,不断进行电感充电、放电过程,在肖特基管和高压电容的共同作用下产生高压[9]。升压电路中采用典型的推挽型PWM控制电路为Boost升压电路提供稳定、占空比可调的驱动信号,增加电路的稳定性和灵活性。Boost升压关键在于开关三极管的导通压降一定要小,减少充电过程中在开关三极管上的消耗,因此Boost升压电路中的开关三极管采用高速三极管级联功率MOSFET的方式,保证升压电路产生足够高的电压,同时从输出滤波电路采样电压,保障高压输出满足设计需求。

  2.2三极管串联稳压电路

  经过升压电路后,为了保证输出稳定高压,设计一种三极管串联稳压电路[10],如图5所示。Q9为核心调整管,Q9、Q7构成复合调整管, U7、Q6、D10组成瞬态反馈回路,在瞬态响应过程中,能及时调整输出,避免瞬态电压失调, Q8、D10同时构成主要保护电路核心。Q8与R50、R49构成限流电路,常态工作时,Q8、D10截止,当负载短路时,Q8会迅速导通,实现对复合管基极分流,从而限制输出电流;同时,D10导通,迅速使调整管截止,从而起到降低调整管功耗、保护调整管的作用。从图中可看到R81、R48为常用的电压反馈回路,R80、R82为备用回路,R50、R49与C147、C48、C49构成滤波电路,最大限度改善电源品质。其中,R35连接图4中U1的REFOUT,引入外部参考。图5中大部分电容要求为高压陶瓷电容,Q9为功率高压三极管,应根据输出电压合理选型。

 

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3性能测试及分析

  (1)电路板

  通过不断地进行电路板调试,获得能够达到设计要求的性能稳定的UWB专用微功率直流高压电源。

  (2)输出电压测试图

  调试测试阶段,不断地改善电路的参数使高压源工作在最稳定的状态,利用示波器观察微功率高压源的输出信号,在不同的情况对高压电源电路板进行测试,测试结果如下。

  (1)在空载条件下对电源进行测试,示波器观察波形如图6所示。

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  图6空载条件下高压电源的输出以及纹波电压

  (2)在带瞬态负载条件下对电压源进行测试,所使用的瞬态负载为瞬间产生的功率为4.5 W的UWB微功率窄脉冲发射源,示波器观察测试结果如图7所示。

 

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  (3)实验分析

  通过在不同条件下对高压电源进行测试,从测试结果图中可以看出,所设计的UWB专用微功率直流高压电源稳定输出设计高压150 V。空载条件下观察电压波形,如图6所示,电压纹波小于120 mV,这在DC高压源中是较为优秀的;带瞬态负载时,会产生瞬态失调,用示波器观察如图7所示,脉冲发射瞬间产生了小于2.8 V的电源噪声,电压失调率为1.86%。电压调整时间约50 ns,迅速可靠,瞬态性能满足应用要求。

009.jpg

  图8为所设计的高压电源放在雷达系统中进行测试的结果,根据示波器所示的雷达通过天线辐射的脉冲波形,计算高压电源的瞬态输出功率,通过比对输出功率与输入功率,可得出电源转换效率约为75%,长时间测试没有明显的发热及磁损噪声,性能稳定。

  通过实验测试结果分析,所设计的高压电源性能稳定,能产生所需高电压,能够很好地满足UWB雷达电源设计要求,如图8所示,UWB雷达系统能够稳定工作。

  4结束语

  本文设计了一种UWB雷达专用微功率直流高压源,由PWM控制器、功率三极管为核心的BOOST升压电路和三极管串联稳压电路相互配合,通过调节占空比,整个电路可稳定地输出设计高压;电路设计简单灵活,输出功率低,纹波电压小,电压失调率低,满足UWB雷达工作需求。

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