一种基于线性稳压的高压电源负载响应调节方法.pdf

2023,38(4)电子信息对抗技术Electronic Information Warfare Technology 中图分类号:TN86 文献标志码:A 文章编号:1674-2230(2023)04-0075-06 引用格式:何传燕.一种基于线性稳压的高压电源负载响应调节方法J.电子信息对抗技术,2023,38(4):75-80.一一种种基基于于线线性性稳稳压压的的高高压压电电源源负负载载响响应应调调节节方方法法何传燕1,2(1.中国电子科技集团公司第二十九研究所,成都 610036;2.四川省高效电源变换技术工程研究中心,成都 610036)摘 要:针对行波管高压电源大动态负载响应能力不足的问题,提出了一种基于线性稳压的双闭环控制思路。利用场效应管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)和运算放大器快速动作的特点,弥补开关电源原有单闭环系统中高频响应差的不足,从而提升开关电源负载响应能力。以工程实例的方式阐述了双闭环线性稳压调节的设计方法,主要涉及到 MOSFET 两端稳态电压的设计以及运放电路截止频率的计算等。对该方法进行了全流程仿真和实物验证,结果表明,该方法可以将高压电源 50 Hz 动态负载下阴极电压跌落由传统的120 V 减小至 25 V 以内,电压波动水平优化 70%以上。小的电压跌落可以保证行波管输出信号的相位稳定性,提高行波管输出精度和产品使用寿命,该方法具有较高的工程使用价值。关键词:线性稳压;行波管;高压电源;大动态响应DOI:10.3969/j.issn.1674-2230.2023.04.013A Control Method for Load Response Adjustment of High Voltage Power Supply Based on Linear Voltage StabilizationHE Chuanyan1,2(1.Southwest China Research Institute of Electronic Equipment,Chengdu 610036,China;2.Sichuan Provincial Engineering Research Center of High Efficiency Power Converter Technology,Chengdu 610036,China)Abstract:In order to solve the problem that the high-voltage power supply of traveling wave tube(TWT)has insufficient response capability to large dynamic load,a double closed-loop control method based on linear voltage stabilization is proposed.The fast action characteristics of metal oxide semiconductor field effect transistor(MOSFET)and operational amplifier are used to make up for the poor high-frequency response in the original single closed-loop system of the switching power supply,so as to improve the load response capacity of the switching power sup-ply.The design method of double closed-loop linear voltage regulation is described with an engi-neering example.The design of steady-state voltage at both ends of MOSFET and the calculation of cut-off frequency of operational amplifier circuit are mainly involved.The whole process simu-lation and physical verification of the method are carried out.The results show that this method can reduce the cathode voltage drop from traditional 120 V to less than 25 V under 50 Hz dynam-ic load of high voltage power supply,and optimize the voltage fluctuation level by more than 70%.A small voltage drop can ensure the phase stability of the output signal of the traveling wave tube and improve the output accuracy and product service life of the traveling wave tube.57收稿日期:2022-05-25;修回日期:2022-08-18通信作者:何传燕作者简介:何传燕(1985),男,硕士,高级工程师。何传燕一种基于线性稳压的高压电源负载响应调节方法网址:邮箱:eiwt This method has high engineering application value.Key words:linear voltage stabilizer;traveling wave tube;high voltage power supply;large dy-namic load response1 引 言传统高压电源采用开关控制模式,具有体积小,效率高等优点1,作为行波管供电的核心部件,在真空放大领域得到广泛应用。然而,由于采用了 LC(Inductance-Capacitance)谐振以及控制环路相位滞后等原因,高压电源在负载大范围变化时,开关响应均有明显的时间延迟,这种延迟往往导致电压的瞬间跌落2。文献3以微波功率模块(Microwave Power Module,MPM)为典型器件,描述了行波管真空放大器中高压电源的负载特点:调制信号占空比从0100%,调制频率从直流(Direct Current,DC)至上百 kHz。这就意味着,高压电源需要满足从空载到满载的供电需求,同时必须确保电压稳定性。电压的跌落将影响行波管输出信号相位时序,甚至使整个放大器产品失效。针对脉冲负载动态响应问题,传统开关电源主要采用增加输出滤波电容容量和改进控制算法两种方法来改善4-7:增加电容的方式提升负载动态响应效果显著,但是在高压电源中应用时会使体积明显增加,且输出瞬间打火能量巨大,造成不可恢复的故障;PI 滑模等控制方式比较适合采用数字信号处理器(Digital Signal Processing,DSP)等数字器件作控制的开关电源,不适合纯模拟控制的开关电源,且数字器件价格昂贵,会显著增加设备成本。针对以上问题,本文提出一种基于线性稳压的设计方法,利用线性调节速度快、低纹波等特点8,提升高压电源的大动态负载响应能力。构建了一套基于线性稳压的高压电源仿真数值模型,验证了线性稳压提升动态响应能力的理论可行性。设计了典型工程样机,详细对比测试了该样机加入线性稳压前后输出阴极电压跌落状态变化。仿真和工程实例结果表明,该方法对改善高压开关电源脉冲负载工况下动态响应水平效果显著,并且元器件成本明显低于 DSP 等数字器件,不会增加输出打火能量,尤其适合纯模拟控制的高压开关电源产品。2 高压电源大动态负载响应问题 图 1 所示为高压电源原理简图。开关模式的高压电源采取单闭环调节的控制方式,信号传输环路包括高压取样、控制管理、脉冲宽度调制器(Pulse Width Modulation,PWM)控制、隔离驱动、功率电路、LC 谐振、高压变压器、高压整流滤波等。图 1 高压电源原理简图信号传输环路每一个环节都会引入幅值和相位变化,对整个高压电源频率响应特性做简要分析:高压电源通常开关频率 100200 kHz,为了减小输出电压纹波,需要将高压电源的截止频率设置在 10 kHz 甚至更小的频率点上,较低的截止频率导致电源本身响应较慢。高频响应可以通过输出滤波电容(常规高压电源滤波电容容量都比较小)滤波弥补,而中低频的阶跃响应需要迅速补充能量,较慢的响应往往会导致较大的电压跌落。图 2 和图 3 为高压电源阴极电压跌落实测波形图。图中电源输出功率 500 W,阴极电压 Uk=-4.5 kV;Ug为栅极电压,通过控制栅极相对阴极电压的高低电平跳变,可以控制高压电源行波管负载的通断,设置该电压的频率和占空比就可以调节负载的频率和占空比;Ih为螺线电流,代表负载功率大小,随着 Ug脉冲变化而变化。从 Ug波形可以看出,高压电源带载工作频率为 50 Hz 和50 kHz,占空比 40%,带载瞬间阴极电压跌落分别约为 120 V 和 20 V。过大的相位误差可能造成行波管螺流输出过大,也将使相位一致性控制的难度大大增加9。67电子信息对抗技术第 38 卷2023 年 7 月第 4 期何传燕一种基于线性稳压的高压电源负载响应调节方法图 2 高压电源输出电压跌落实测波形图(50 Hz 负载调制)图 3 高压电源输出电压跌落实测波形图(50 kHz 负载调制)3 基于线性稳压的大动态负载响应调节方法 为了提升高压电源的大动态负载响应能力,在开关电源单闭环结构的基础上,引入新的闭环控制环节 线性稳压调节器,形成信号传输环路 I 和信号传输环路 II 两个闭环的控制结构,基本原理如图 4 所示。信号传输环路 I 频率特性与图 1 基本接近,响应速度较慢。信号传输环路 II 由高压取样、运放单元和场效应管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)管组成。MOS-FET 串联在高压整流输出的低电势端,调试 MOS-FET 漏源极压降就可以调节 Uk(高压整流输出的高电势端)对地电压。利用功率 MOSFET 和运放的快速响应特性,有效解决 ms 级响应问题,可以将高压电源响应频率提升至 30 kHz 以上,最终将Uk的电压跌落控制在合理的范围内。图 4 大动态负载响应高压电源设计原理框图双闭环高压电源对大动态负载响应的工作原理为:77何传燕一种基于线性稳压的高压电源负载响应调节方法网址:邮箱:eiwt (1)开机状态下,MOSFET 管工作在线性放大状态,漏源极之间保持恒定的电压,负载电流从MOSFET 管流过。(2)当 Uk电压出现扰动增大(或减小)时,运放反向输入端电压增加(或减小),运放输出减小(或增大),从而 MOSFET 管栅极电压降低(或升高),漏源极电压升高(或减小)。因为输出整流滤波电路输出电压不能瞬变,Uds(MOSFET 管漏源极电压)升高(或降低)则导致输出 Uk减小(增大),最终实现 Uk电压稳定。(3)当 Uds电压偏离稳态额定值时,Uds取样电路将这个信号反馈给控制管理单元,从而调节PWM 脉宽。通过脉宽调整增大(Uk减小时)或减少能量输出(Uk增大时),两个信号传输环路对Uk的作用方向一致,只是环路 I 比环路 II 更慢。(4)当 Uk的扰动范围过大(扰动时间长,频率低)时,Uds的电压会超过瞬态二极管电压(Uk增大时)或者变为 0(Uk减小时),从而失去调节作用。此时,环路 II 失去调节作用,电路完全由环路 I 进行调节。4 电路仿真 本文利用 Saber 作为数值仿真工具,搭建高压电源和行波管负载的数值模型,如图 5 所示。模型除了包含图 4 所示的全部功能单元外,还增加了一个行波管模拟负载,以验证高压电源大动态负载响应水平。模型中的全局变量 f_freq 用于设置模拟负载的调制频率。图 5 基于线性稳压的高压电源数值仿真模型 设置以下两种工作模式:(1)模型中不含线性稳压调节器,系统分别工作在 f_freq=50 Hz 和 f_freq=50 kHz 的负载条件下,观察输出电压 Uk的动态响应特性。(2)模型含线性稳压调节器,系统分别工作在 f_freq=50 Hz 和 f_freq=50 kHz 的负载条件下,观察输出电压 Uk及 MOSFET 极电压 Uds的动态响应特性。仿真结果如图 6 和图 7,数据汇总如表 1 所示。表 1 数值仿真结果汇总负载调制频率/HzUk电压跌落/VUk电压跌落/VUds电压跌落/V不含线性稳压调节器含线性稳压调节器50112.6724.1182.445010344.6212.9642.44图 6 显示加线性稳压前 50 Hz 和 50 kHz 脉冲负载下的 Uk动态响应。可以看出,带负载瞬间 Uk有 一 个 明 显 的 跌 落 过 程,在 50 Hz 和50 kHz 下的动态电压跌落分别为 112.67 V 和87电子信息对抗技术第 38 卷2023 年 7 月第 4 期何传燕一种基于线性稳压的高压电源负载响应调节方法44.62 V。图 7 显 示 加 线 性 稳 压 后 50 Hz 和50 kHz 脉冲负载下的 Uk和调整管 MOSFET 漏源极电压 Uds动态响应。同样负载下 Uk电压跌落降至 24.11 V 和 12.96 V。通过图 7 中 Uds与 Uk进行对比可以看出,负载跳动引起的 Uk波动的大部分分量都被 Uds吸收,加载瞬间 Uds电压跌落的差值就是 MOSFET 吸收的 Uk波 动 值。如50 Hz 情 况 下,Uds吸 收 82.44 V,Uk仅 跌 落24.11 V。如果没有 MOSFET 吸收,Uk预期跌落会在 106 V 左右,这正是线性稳压调节器的核心工作原理。图 6 不含线性稳压仿真测试结果(a)线性调整电压 Uds跌落图(b)输出阴极 Uk电压跌落图图 7 含线性稳压仿真测试结果通过以上仿真验证及分析可以看出,基于线性稳压的大动态负载响应调节方法可以有效改善高压电源的负载响应能力。5 实物设计及测试结果分析 根据电路仿真试验结果,按照图 4 和图 8 所示方法,研制基于线性稳压的具备大动态负载响应能力的高压电源。高压电源输出功率 500 W,输出电压 Uk=-4.5 kV,预期环路 II 响应频率大于 150 kHz,调节 MOSFET 管漏源电压稳态 Uds为160180 V。基本设计思路和典型参数设计介绍如下:设计线性稳压调节器,实现电路如图 8 所示,该电路利用稳压管 V7 和电位器配合实现 3 V 基准电压的调节;J1 运放实现 Uk反馈信号的比较;C12 和R14 用于信号传输环路 II 幅频特性的调节;瞬态抑制二极管 V11 用于限制 MOSFET 管漏源极电压 Uds不超过 MOSFET 管耐受的最高电压(保证不出现过压击穿或功耗过大),设置 V11 击穿电压 400 V;R19,R20,R21 将 Uds分压后的反馈信号送至“控制管理”单元,交给信号传输环路 I 进行进一步调节。图 8 线性稳压调节器具体实现原理图设计环路 II 截止频率,低于此频率的 Uk干扰可以由环路 II 吸收,计算如下:f=12R14C12=12820 pF1 000 194 kHz(1)线性稳压调节器 LM136 基准电压为 5 V,通过调节 RP1 可以使运放 J1 反向端 2 脚基准电压等于 3 V,通过设置图 4 中高压取样电路取样比为 1 500 1,即可使 Uk=4 500 V。类似,MOS-FET 管稳态偏置电压 Uds由 R21,R19,R20 取样,分别为 62 k,1 M,1 M,设置图 4 中控制管理单元的 PWM 比较器基准电压为 5 V,如式(2),计算 Uds=166 V,满足设计要求。Uds=R20+R19+R215 VR20=62 k+1 M+1 M5 V62 k166 V(2)高压电源负载在空载至满载全占空比可调,调制频率 DC 50 kHz。以负载占空比为 40%的状态(即 40%占空比时间内高压电源满负载工作,其它时间空载),分别对高压电源进行低频50 Hz 和高频 50 kHz 调制工作测试。测试过程中,监测高压电源负载加载状态(Ug),输出电压97何传燕一种基于线性稳压的高压电源负载响应调节方法网址:邮箱:eiwt 状态(Uk),线性调节器工作状态(Uds),最终测试结果如图 9 和图 10 所示。图 9 50 Hz 栅极调制的实物测试结果图 10 50 kHz 栅极调制实物测试结果从图 9 可以看出,高压电源在调制频率50 Hz 时,Uk带载瞬间及卸载瞬间电压波动基本相等,都为 22 V 左右,相对 4.5 kV 的输出电压,负载稳定度约为 0.49%。图中 Uds在带载瞬间,电压下降约 100 V,这是因为线性稳压调节器补偿 Uk跌落的缘故,正是这个补偿,才保证了 Uk的实际跌落可以控制在 25 V 以内,大部分电压跌落都被线性稳压调制器所吸收。图 10 显示,高压电源在调制频率 50 kHz 时,Uk带载瞬间及卸载瞬间电压波动仍然大致相当,约为 15 V,相对 4.5 kV 的输出电压,负载稳定度约为 0.33%。与图 1 的测试结果对比,可以看出,基于线性稳压的大动态负载响应调节方法可以明显提升行波管高压电源低频调制时的大动态负载响应能力。6 结 论 本文针对行波管高压电源负载变化范围大、调制频率宽等大动态负载响应问题,提出了一种基于线性稳压的双闭环控制思路。详细介绍了其设计方法:将 Uk电压取样与基准进行比较,偏离基准则调节线性稳压 MOSFET 的漏源极电压Uds;当 Uds偏离正常范围时再调节功率电路的主开关,使 Uk和 Uds恢复稳定值;同时给出了 MOS-FET 稳态电压,运放截止频率等关键参数计算公式。仿真验证及实物测试结果均表明,基于线性稳压的大动态负载响应调节方法可以有效地将高压电源的电压跌落从 120 V 降至 25 V 以内。小的电压跌落可以保证行波管输出信号的相位稳定性,提高行波管输出信号精度和产品使用寿命,为真空发射阵的研制和应用打下坚实的基础。参考文献:1 ABRAHAM I P,KEITH B,TAYLOR M,et al.开关电源设计M.王志强,肖文勋,虞龙,等译.3 版.北京:电子工业出版社,2010:120-125.2 郑新,李文辉,潘厚忠.雷达发射机技术M.北京:电子工业出版社,2006:150-162.3 李晋,王凤岩.一种 MPM 调制适应能力的验证方法J.电子信息对抗技术,2012,27(2):74-77.4 张莹莹,徐高杰,汪邦照.雷达低频脉冲负载用开关电源研制J.通信电源技术,2017,34(2):26-28.5 杨家志,蒋存波,范兴明,等.高隔离度高压脉冲电源的仿真与实验研究J.高电压技术,2014,40(4):1261-1263.6 郑锴,周东方,李建兵,等.行波管高压电源变换器的滑模 PI 控制方法J.高电压技术,2016,42(6):1797-1799.7 焦尚彬,刘晨,黄伟超.基于离散变速趋近律的模糊滑模高频开关电源控制J.电工技术学报,2015,30(20):108-116.8王增福,李昶,魏永明.新编线性直流稳压电源M.北京:电子工业出版社,2004:85-93.9 郭开周.行波管研制技术M.北京:电子工业出版社,2008:53-64.08