張鋒1，梁步閣1，楊德貴1，趙黨軍1，容睿智1，張巖松1，趙旸1，陳佳澍1，張亞東2

　?。?.中南大學(xué) 航空航天學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.蘭州理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，甘肅 蘭州 430050）

        摘要：主要設(shè)計(jì)一種UWB雷達(dá)專用微功率直流高壓發(fā)生器。利用功率三極管和PWM控制器組成的升壓電路，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比，調(diào)節(jié)輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值。升壓電路利用三極管組成串聯(lián)穩(wěn)壓電路，穩(wěn)定輸出高壓，實(shí)現(xiàn)直流低電壓輸入穩(wěn)定高電壓輸出。

　　關(guān)鍵詞：UWB雷達(dá)；升壓電路；穩(wěn)壓電路；高壓發(fā)生器

　　中圖分類號(hào)：TN952文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.06.013

　　引用格式：張鋒，梁步閣，楊德貴，等. UWB雷達(dá)專用微功率直流高壓電源的設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（6）：40-42.

0引言

　　近年來(lái)，“超寬帶（UltraWideBand，UWB）”雷達(dá)由于其具有距離分辨率高、近距離盲區(qū)小、穿透性強(qiáng)等特性成為電子學(xué)領(lǐng)域前沿性研究熱點(diǎn)［1］。由于超寬帶雷達(dá)的特殊性，其系統(tǒng)的重要組成部分之一的高壓源的設(shè)計(jì)也就不同于一般電源設(shè)計(jì)。高壓源的設(shè)計(jì)核心為升壓電路的設(shè)計(jì)［23］，對(duì)于較大的功率輸出，由于專用升壓芯片內(nèi)部開關(guān)管的限制，難以實(shí)現(xiàn)大功率升壓變換，而且芯片價(jià)格昂貴，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)受到很大限制。Boost升壓結(jié)構(gòu)用于升壓設(shè)計(jì)時(shí)外接開關(guān)選擇余地很大，選擇合適的控制芯片，便可以設(shè)計(jì)出功率大、電壓穩(wěn)定的DC/DC升壓電路。結(jié)合超寬帶雷達(dá)的實(shí)際需求，本文升壓電路的設(shè)計(jì)采用功率MOSFET及PWM控制器組成Boost電路［4］，配合三極管串聯(lián)穩(wěn)壓電路，成功設(shè)計(jì)出一種輸入電壓為8 V~12 V、輸出電壓為120 V~180 V、工作功率為10 W以內(nèi)的微功率直流低壓輸入的直流高壓發(fā)生電路。

1系統(tǒng)組成

　　該UWB雷達(dá)專用微功率直流高壓電源主要組成如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)包括升壓電路和穩(wěn)壓電路兩部分。升壓電路是由功率三極管和PWM控制器組成的，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比可以使輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定的輸出。穩(wěn)壓電路包括三極管和基準(zhǔn)電壓源，通過(guò)三極管串聯(lián)穩(wěn)壓電路增加高壓的穩(wěn)定性。

2電路原理

　　2.1升壓電路

　　（1）基本Boost升壓電路

　　UWB雷達(dá)專用微功率直流高壓電源的升壓電路是基于Boost升壓電路的改進(jìn)型Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［5］。首先分析Boost升壓電路的工作原理，Boost升壓電路的基本電路如圖2所示。

　　Boost升壓電路是一種開關(guān)直流升壓電路，電路工作過(guò)程主要分為兩個(gè)過(guò)程：充電過(guò)程和放電過(guò)程，兩個(gè)過(guò)程相互配合完成升壓功能［6］。第一階段為充電過(guò)程，這個(gè)過(guò)程中開關(guān)閉合（即三極管導(dǎo)通），電感右端相當(dāng)于直接對(duì)地，肖特基二極管防止電容對(duì)地放電。輸入電源、電感形成閉合回路，輸入電源給電感充電，電感上的電流以一定的比率線性增加。此時(shí)控制開關(guān)斷開（三極管截止），進(jìn)入第二個(gè)階段即放電過(guò)程，由于電感的電流保持特性，電感上的電流不會(huì)立即變成0，而是緩慢地由充電結(jié)束時(shí)的值變成0，充電電路斷開，電感通過(guò)新建立的放電電路放電，電感給電容充電，電容兩端電壓升高直至高于輸入電壓，升壓完成。升壓過(guò)程其實(shí)就是電感的能量傳遞的過(guò)程［7］，如圖3所示。

　　Boost升壓電路中的電感和電容的選取對(duì)升壓過(guò)程起著決定性作用，影響升壓電路的性能。因此電路設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是選擇合適的電感、電容。升壓電路穩(wěn)定工作時(shí)，在每個(gè)開關(guān)周期，導(dǎo)通期間電感電流的增加量等于關(guān)斷期間電感電流的減少量［8］，即：

　　其中L為電感，don為占空比，Vd為整流管壓降。每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感初始電流等于輸出電流時(shí)的對(duì)應(yīng)電感的電感量：

　　當(dāng)電感的電感量小于此Lx時(shí)，輸出紋波隨著電感量的增加變化較明顯；當(dāng)電感的電感量大于此Lx時(shí)，輸出紋波隨電感量的增加幾乎不再變小。

　　輸出電容的值為：

　　其中Vpp為輸出紋波電壓。

　?。?）基于基本Boost升壓電路的Boost拓展電路

　　基于基本Boost升壓電路，UWB專用微功率直流高壓源的升壓電路如圖4所示。

　　升壓電路主要包括Boost升壓電路和PWM控制器電路兩部分，核心電路為Boost升壓電路。基于Boost升壓電路工作原理，電路工作時(shí)PWM控制器電路設(shè)定脈沖頻率調(diào)，產(chǎn)生開關(guān)三極管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制次級(jí)MOSFET通斷，Boost升壓電路進(jìn)行升壓的充電過(guò)程、放電過(guò)程，串聯(lián)電感吸收能量、釋放能量。通過(guò)PWM控制調(diào)節(jié)占空比，不斷進(jìn)行電感充電、放電過(guò)程，在肖特基管和高壓電容的共同作用下產(chǎn)生高壓［9］。升壓電路中采用典型的推挽型PWM控制電路為Boost升壓電路提供穩(wěn)定、占空比可調(diào)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，增加電路的穩(wěn)定性和靈活性。Boost升壓關(guān)鍵在于開關(guān)三極管的導(dǎo)通壓降一定要小，減少充電過(guò)程中在開關(guān)三極管上的消耗，因此Boost升壓電路中的開關(guān)三極管采用高速三極管級(jí)聯(lián)功率MOSFET的方式，保證升壓電路產(chǎn)生足夠高的電壓，同時(shí)從輸出濾波電路采樣電壓，保障高壓輸出滿足設(shè)計(jì)需求。

　　2.2三極管串聯(lián)穩(wěn)壓電路

　　經(jīng)過(guò)升壓電路后，為了保證輸出穩(wěn)定高壓，設(shè)計(jì)一種三極管串聯(lián)穩(wěn)壓電路［10］，如圖5所示。Q9為核心調(diào)整管，Q9、Q7構(gòu)成復(fù)合調(diào)整管， U7、Q6、D10組成瞬態(tài)反饋回路，在瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程中，能及時(shí)調(diào)整輸出，避免瞬態(tài)電壓失調(diào)， Q8、D10同時(shí)構(gòu)成主要保護(hù)電路核心。Q8與R50、R49構(gòu)成限流電路，常態(tài)工作時(shí)，Q8、D10截止，當(dāng)負(fù)載短路時(shí)，Q8會(huì)迅速導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合管基極分流，從而限制輸出電流；同時(shí)，D10導(dǎo)通，迅速使調(diào)整管截止，從而起到降低調(diào)整管功耗、保護(hù)調(diào)整管的作用。從圖中可看到R81、R48為常用的電壓反饋回路，R80、R82為備用回路，R50、R49與C147、C48、C49構(gòu)成濾波電路，最大限度改善電源品質(zhì)。其中，R35連接圖4中U1的REFOUT，引入外部參考。圖5中大部分電容要求為高壓陶瓷電容，Q9為功率高壓三極管，應(yīng)根據(jù)輸出電壓合理選型。

3性能測(cè)試及分析

　?。?）電路板

　　通過(guò)不斷地進(jìn)行電路板調(diào)試，獲得能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求的性能穩(wěn)定的UWB專用微功率直流高壓電源。

　　（2）輸出電壓測(cè)試圖

　　調(diào)試測(cè)試階段，不斷地改善電路的參數(shù)使高壓源工作在最穩(wěn)定的狀態(tài)，利用示波器觀察微功率高壓源的輸出信號(hào)，在不同的情況對(duì)高壓電源電路板進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下。

　?。?）在空載條件下對(duì)電源進(jìn)行測(cè)試，示波器觀察波形如圖6所示。

　　圖6空載條件下高壓電源的輸出以及紋波電壓

　　(2)在帶瞬態(tài)負(fù)載條件下對(duì)電壓源進(jìn)行測(cè)試，所使用的瞬態(tài)負(fù)載為瞬間產(chǎn)生的功率為4.5 W的UWB微功率窄脈沖發(fā)射源，示波器觀察測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

　　（3）實(shí)驗(yàn)分析

　　通過(guò)在不同條件下對(duì)高壓電源進(jìn)行測(cè)試，從測(cè)試結(jié)果圖中可以看出，所設(shè)計(jì)的UWB專用微功率直流高壓電源穩(wěn)定輸出設(shè)計(jì)高壓150 V。空載條件下觀察電壓波形，如圖6所示，電壓紋波小于120 mV，這在DC高壓源中是較為優(yōu)秀的；帶瞬態(tài)負(fù)載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)失調(diào)，用示波器觀察如圖7所示，脈沖發(fā)射瞬間產(chǎn)生了小于2.8 V的電源噪聲，電壓失調(diào)率為1.86%。電壓調(diào)整時(shí)間約50 ns，迅速可靠，瞬態(tài)性能滿足應(yīng)用要求。

　　圖8為所設(shè)計(jì)的高壓電源放在雷達(dá)系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果，根據(jù)示波器所示的雷達(dá)通過(guò)天線輻射的脈沖波形，計(jì)算高壓電源的瞬態(tài)輸出功率，通過(guò)比對(duì)輸出功率與輸入功率，可得出電源轉(zhuǎn)換效率約為75%，長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試沒有明顯的發(fā)熱及磁損噪聲，性能穩(wěn)定。

　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析，所設(shè)計(jì)的高壓電源性能穩(wěn)定，能產(chǎn)生所需高電壓，能夠很好地滿足UWB雷達(dá)電源設(shè)計(jì)要求，如圖8所示，UWB雷達(dá)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作。

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)了一種UWB雷達(dá)專用微功率直流高壓源，由PWM控制器、功率三極管為核心的BOOST升壓電路和三極管串聯(lián)穩(wěn)壓電路相互配合，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比，整個(gè)電路可穩(wěn)定地輸出設(shè)計(jì)高壓；電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單靈活，輸出功率低，紋波電壓小，電壓失調(diào)率低，滿足UWB雷達(dá)工作需求。

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