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 長沙 410083,；2.蘭州理工大學(xué) 計算機與通信學(xué)院,，甘肅 蘭州 430050）

        摘要：主要設(shè)計一種UWB雷達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,，實現(xiàn)直流低電壓輸入穩(wěn)定高電壓輸出。

　　關(guān)鍵詞：UWB雷達,；升壓電路,；穩(wěn)壓電路；高壓發(fā)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(shè)計［J］.微型機與應(yīng)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(qū)小,、穿透性強等特性成為電子學(xué)領(lǐng)域前沿性研究熱點［1］,。由于超寬帶雷達的特殊性，其系統(tǒng)的重要組成部分之一的高壓源的設(shè)計也就不同于一般電源設(shè)計,。高壓源的設(shè)計核心為升壓電路的設(shè)計［23］,，對于較大的功率輸出,，由于專用升壓芯片內(nèi)部開關(guān)管的限制,，難以實現(xiàn)大功率升壓變換，而且芯片價格昂貴,，在實際應(yīng)用時受到很大限制,。Boost升壓結(jié)構(gòu)用于升壓設(shè)計時外接開關(guān)選擇余地很大，選擇合適的控制芯片,，便可以設(shè)計出功率大,、電壓穩(wěn)定的DC/DC升壓電路。結(jié)合超寬帶雷達的實際需求,，本文升壓電路的設(shè)計采用功率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雷達專用微功率直流高壓電源主要組成如圖1所示,，整個系統(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電壓源,，通過三極管串聯(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

　?。?）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(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(guān)閉合（即三極管導(dǎo)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(guān)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(jié)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(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)是選擇合適的電感,、電容。升壓電路穩(wěn)定工作時,，在每個開關(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。每個開關(guān)周期內(nèi)電感初始電流等于輸出電流時的對應(yīng)電感的電感量：

　　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：

　　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,?；贐oost升壓電路工作原理,，電路工作時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(lián)電感吸收能量,、釋放能量。通過PWM控制調(diào)節(jié)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(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)動信號，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，同時從輸出濾波電路采樣電壓,，保障高壓輸出滿足設(shè)計需求,。

　　2.2三極管串聯(lián)穩(wěn)壓電路

　　經(jīng)過升壓電路后，為了保證輸出穩(wěn)定高壓,，設(shè)計一種三極管串聯(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)過程中,，能及時調(diào)整輸出,，避免瞬態(tài)電壓失調(diào)， Q8,、D10同時構(gòu)成主要保護電路核心,。Q8與R50、R49構(gòu)成限流電路,，常態(tài)工作時,，Q8,、D10截止，當負載短路時,，Q8會迅速導(dǎo)通,，實現(xiàn)對復(fù)合管基極分流，從而限制輸出電流,；同時,，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性能測試及分析

　?。?）電路板

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

　?。?）輸出電壓測試圖

　　調(diào)試測試階段,，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,，在不同的情況對高壓電源電路板進行測試,，測試結(jié)果如下。

　?。?）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(tài)負載條件下對電壓源進行測試,，所使用的瞬態(tài)負載為瞬間產(chǎn)生的功率為4.5 W的UWB微功率窄脈沖發(fā)射源,，示波器觀察測試結(jié)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(jié)果圖中可以看出,，所設(shè)計的UWB專用微功率直流高壓電源穩(wěn)定輸出設(shè)計高壓150 V?？蛰d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)負載時，會產(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)計的高壓電源放在雷達系統(tǒng)中進行測試的結(jié)果,，根據(jù)示波器所示的雷達通過天線輻射的脈沖波形，計算高壓電源的瞬態(tài)輸出功率,，通過比對輸出功率與輸入功率,，可得出電源轉(zhuǎn)換效率約為75%，長時間測試沒有明顯的發(fā)熱及磁損噪聲,，性能穩(wěn)定。

　　通過實驗測試結(jié)果分析,，所設(shè)計的高壓電源性能穩(wěn)定,，能產(chǎn)生所需高電壓，能夠很好地滿足UWB雷達電源設(shè)計要求,，如圖8所示,，UWB雷達系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作。

　　4結(jié)束語

　　本文設(shè)計了一種UWB雷達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，通過調(diào)節(jié)占空比,，整個電路可穩(wěn)定地輸出設(shè)計高壓,；電路設(shè)計簡單靈活，輸出功率低,，紋波電壓小,，電壓失調(diào)率低,，滿足UWB雷達工作需求。

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