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UWB雷達專用微功率直流高壓電源的設計

2017年微型機與應用第6期

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

1.中南大學航空航天學院，湖南長沙 410083；2.蘭州理工大學計算機與通信學院，甘肅蘭州 430050

摘要： 主要設計一種UWB雷達專用微功率直流高壓發生器。利用功率三極管和PWM控制器組成的升壓電路，通過調節占空比，調節輸出電壓穩定在設定值。升壓電路利用三極管組成串聯穩壓電路，穩定輸出高壓，實現直流低電壓輸入穩定高電壓輸出。

關鍵詞： UWB雷達升壓電路穩壓電路高壓發生器

Abstract：

Key words :

　　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

　　（1.中南大學航空航天學院，湖南長沙 410083；2.蘭州理工大學計算機與通信學院，甘肅蘭州 430050）

摘要：主要設計一種UWB雷達專用微功率直流高壓發生器。利用功率三極管和PWM控制器組成的升壓電路，通過調節占空比，調節輸出電壓穩定在設定值。升壓電路利用三極管組成串聯穩壓電路，穩定輸出高壓，實現直流低電壓輸入穩定高電壓輸出。

　　關鍵詞：UWB雷達；升壓電路；穩壓電路；高壓發生器

　　中圖分類號：TN952文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.06.013

　　引用格式：張鋒，梁步閣，楊德貴，等. UWB雷達專用微功率直流高壓電源的設計［J］.微型機與應用，2017,36（6）：40-42.

0引言

　　近年來，“超寬帶（UltraWideBand，UWB）”雷達由于其具有距離分辨率高、近距離盲區小、穿透性強等特性成為電子學領域前沿性研究熱點［1］。由于超寬帶雷達的特殊性，其系統的重要組成部分之一的高壓源的設計也就不同于一般電源設計。高壓源的設計核心為升壓電路的設計［23］，對于較大的功率輸出，由于專用升壓芯片內部開關管的限制，難以實現大功率升壓變換，而且芯片價格昂貴，在實際應用時受到很大限制。Boost升壓結構用于升壓設計時外接開關選擇余地很大，選擇合適的控制芯片，便可以設計出功率大、電壓穩定的DC/DC升壓電路。結合超寬帶雷達的實際需求，本文升壓電路的設計采用功率MOSFET及PWM控制器組成Boost電路［4］，配合三極管串聯穩壓電路，成功設計出一種輸入電壓為8 V~12 V、輸出電壓為120 V~180 V、工作功率為10 W以內的微功率直流低壓輸入的直流高壓發生電路。

1系統組成

　　該UWB雷達專用微功率直流高壓電源主要組成如圖1所示，整個系統包括升壓電路和穩壓電路兩部分。升壓電路是由功率三極管和PWM控制器組成的，通過調節占空比可以使輸出電壓穩定在設定的輸出。穩壓電路包括三極管和基準電壓源，通過三極管串聯穩壓電路增加高壓的穩定性。

2電路原理

　　2.1升壓電路

　　（1）基本Boost升壓電路

　　UWB雷達專用微功率直流高壓電源的升壓電路是基于Boost升壓電路的改進型Boost拓撲結構［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直流升壓電路，電路工作過程主要分為兩個過程：充電過程和放電過程，兩個過程相互配合完成升壓功能［6］。第一階段為充電過程，這個過程中開關閉合（即三極管導通），電感右端相當于直接對地，肖特基二極管防止電容對地放電。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。此時控制開關斷開（三極管截止），進入第二個階段即放電過程，由于電感的電流保持特性，電感上的電流不會立即變成0，而是緩慢地由充電結束時的值變成0，充電電路斷開，電感通過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。升壓過程其實就是電感的能量傳遞的過程［7］，如圖3所示。

　　Boost升壓電路中的電感和電容的選取對升壓過程起著決定性作用，影響升壓電路的性能。因此電路設計的一個重要環節是選擇合適的電感、電容。升壓電路穩定工作時，在每個開關周期，導通期間電感電流的增加量等于關斷期間電感電流的減少量［8］，即：

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　　其中L為電感，don為占空比，Vd為整流管壓降。每個開關周期內電感初始電流等于輸出電流時的對應電感的電感量：

　　 WXVC5A3DB@WQCMR8ALEL~CB.png

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

　　輸出電容的值為：

　　 $MSFGF_{43I81A1OS1PW$171.png$

　　其中Vpp為輸出紋波電壓。

　　（2）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PWM控制器電路設定脈沖頻率調，產生開關三極管的驅動信號，控制次級MOSFET通斷，Boost升壓電路進行升壓的充電過程、放電過程，串聯電感吸收能量、釋放能量。通過PWM控制調節占空比，不斷進行電感充電、放電過程，在肖特基管和高壓電容的共同作用下產生高壓［9］。升壓電路中采用典型的推挽型PWM控制電路為Boost升壓電路提供穩定、占空比可調的驅動信號，增加電路的穩定性和靈活性。Boost升壓關鍵在于開關三極管的導通壓降一定要小，減少充電過程中在開關三極管上的消耗，因此Boost升壓電路中的開關三極管采用高速三極管級聯功率MOSFET的方式，保證升壓電路產生足夠高的電壓，同時從輸出濾波電路采樣電壓，保障高壓輸出滿足設計需求。

　　2.2三極管串聯穩壓電路

　　經過升壓電路后，為了保證輸出穩定高壓，設計一種三極管串聯穩壓電路［10］，如圖5所示。Q9為核心調整管，Q9、Q7構成復合調整管， U7、Q6、D10組成瞬態反饋回路，在瞬態響應過程中，能及時調整輸出，避免瞬態電壓失調， Q8、D10同時構成主要保護電路核心。Q8與R50、R49構成限流電路，常態工作時，Q8、D10截止，當負載短路時，Q8會迅速導通，實現對復合管基極分流，從而限制輸出電流；同時，D10導通，迅速使調整管截止，從而起到降低調整管功耗、保護調整管的作用。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構成濾波電路，最大限度改善電源品質。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，應根據輸出電壓合理選型。

3性能測試及分析

　　（1）電路板

　　通過不斷地進行電路板調試，獲得能夠達到設計要求的性能穩定的UWB專用微功率直流高壓電源。

　　（2）輸出電壓測試圖

　　調試測試階段，不斷地改善電路的參數使高壓源工作在最穩定的狀態，利用示波器觀察微功率高壓源的輸出信號，在不同的情況對高壓電源電路板進行測試，測試結果如下。

　　（1）在空載條件下對電源進行測試，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)在帶瞬態負載條件下對電壓源進行測試，所使用的瞬態負載為瞬間產生的功率為4.5 W的UWB微功率窄脈沖發射源，示波器觀察測試結果如圖7所示。

　　（3）實驗分析

　　通過在不同條件下對高壓電源進行測試，從測試結果圖中可以看出，所設計的UWB專用微功率直流高壓電源穩定輸出設計高壓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高壓源中是較為優秀的；帶瞬態負載時，會產生瞬態失調，用示波器觀察如圖7所示，脈沖發射瞬間產生了小于2.8 V的電源噪聲，電壓失調率為1.86%。電壓調整時間約50 ns，迅速可靠，瞬態性能滿足應用要求。