CN101521491A - 射频功率调节方法及射频功率放大器 - Google Patents

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金星
石宝松
王超
张莉君
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Abstract

本发明公开了一种射频功率调节方法和射频功率放大器，首先将功率放大器的功率MOS管工作在开关状态；然后将石英晶体振荡器的输出脉冲被转换为脉宽可调的驱动信号后，对MOS管的门极进行驱动；最后通过调节功率MOS管门极驱动信号的脉宽和非平衡变压器初级的接入电压值实现输出功率的稳定调节。此外本发明提供的射频功率放大器包括控制单元、驱动信号发生单元、功率放大单元和电压可控直流电源。该射频功率放大器通过调节驱动信号的脉宽和电压可控直流电源的输出电压实现对射频输出功率的控制。本发明采用驱动信号脉宽调节与直流主功率电源供电电压调节相结合的方法来实现对射频输出功率的控制，增强功率控制的可靠性和稳定性。

Description

射频功率调节方法及射频功率放大器
技术领域
本发明涉及一种射频功率调节方法及射频功率放大器，属于电学领域。
背景技术
在现代分析测试仪器中，ICP-MS、ICP-AES(OES)都是一些精密的分析测试仪器，它们可快速同时检测周期表上几乎所有元素，成为公认的最有力的元素分析手段。在这一类仪器中，其共同的特点就是都使用了射频发生装置，即射频电源，全固态射频电源是射频电源的发展趋势。现有的工作在它激方式下的全固态射频电源的主要特征是功率器件工作在放大区域，通过调节驱动信号的幅值来实现对输出功率的调节。这种射频电源的最大问题是由于功率器件工作在线性放大区域，系统的工作效率较低、耗散大、散热系统庞大。
发明内容
本发明目的就在于提供一种射频功率调节方法和射频功率放大器，通过调节驱动信号的脉宽和直流主功率电源的供电电压来实现对射频输出功率控制的功率放大器。该射频功率放大器适用于电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES(OES))等分析仪器。
本发明提供的射频功率调节方法首先将功率放大器的功率MOS管工作在开关状态；然后将石英晶体振荡器的输出脉冲被转换为脉宽可调的驱动信号后，对MOS管的门极进行驱动；最后通过调节功率MOS管门极驱动信号的脉宽和非平衡变压器初级的接入电压值实现输出功率的稳定调节。
本发明还提供一种射频功率放大器，包括控制单元、电压可控直流电源、驱动信号发生单元和功率放大单元，其中：
控制单元，与电压可控直流电源和驱动信号发生单元连接，调节电压可控直流电源的电压输出，并对驱动信号发生单元输出信号的占空比进行调节；
电压可控直流电源，与控制单元连接，提供可变的输出电压；
驱动信号发生单元，与控制单元连接，用于调节驱动信号的脉宽；
功率放大单元，与电压控制直流电源和驱动信号发生单元连接，接收电压可控直流电源的输出电功率，进行功率放大，并输出放大后的射频功率。
所述的控制单元由驱动信号脉宽控制电路、电压可控直流电源控制电路、射频输出功率采集电路和射频功率放大器工作状态监控电路组成，功率控制单元通过设定驱动信号的脉宽和电压可控直流电源的输出电压实现射频输出功率的设定，并通过实时采集射频功率的实际输出值、调节驱动信号的脉宽实现对射频输出功率的闭环控制。
所述的驱动信号发生单元由石英晶体振荡器、三角波变换电路、比较器和驱动级功率放大电路依次连接构成。其中三角波变换电路输入到比较器的一个输入端，比较器的另一输入端输入可控门槛电压。
本射频功率放大器的功率器件工作在开关状态，故可保证其工作效率。本射频功率放大器工作效率高、结构简单、控制可靠。为了增强功率控制的可靠性和稳定性，采用了驱动信号脉宽调节与直流主功率电源供电电压调节相结合的方法来实现对射频输出功率的控制。射频功率放大器射频功率转换效率高、频率稳定性高和功率稳定性高。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
图1是本发明射频功率放大器的电路方框图。
图2是驱动信号发生单元的电路方框图。
图3是本发明射频功率放大器的功率控制原理图。
图中，1.输入信号，2.脉宽控制电压信号，3.控制单元的输出电压信号，4.驱动信号单元的输出信号，5.射频输出功率，6.脉冲信号，7.驱动信号，8.MOS管，9.电压可控直流电源，10.变压器，11.负载，12.驱动级功率放大电路.
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
本发明射频功率调节方法首先将功率放大器的功率MOS管工作在开关状态；然后将石英晶体振荡器的输出脉冲被转换为脉宽可调的驱动信号后，对MOS管的门极进行驱动；最后通过调节功率MOS管门极驱动信号的脉宽和非平衡变压器初级的接入电压值实现输出功率的稳定调节。
本实施例提供的射频功率放大器，如图1所示，包括控制单元、电压可控直流电源、驱动信号发生单元和功率放大单元，其中：
控制单元，与电压可控直流电源和驱动信号发生单元连接，调节电压可控直流电源的电压输出，并对驱动信号发生单元输出信号的占空比进行调节；控制单元由驱动信号脉宽控制电路、电压可控直流电源控制电路、射频输出功率采集电路和射频功率放大器工作状态监控电路组成，功率控制单元通过设定驱动信号的脉宽和电压可控直流电源的输出电压实现射频输出功率的设定，并通过实时采集射频功率的实际输出值、调节驱动信号的脉宽实现对射频输出功率的闭环控制。
电压可控直流电源，与控制单元连接，提供可变的输出电压；
驱动信号发生单元，与控制单元连接，用于调节驱动信号的脉宽；
功率放大单元，与电压控制直流电源和驱动信号发生单元连接，接收电压可控直流电源的输出电功率，进行功率放大，并输出放大后的射频功率。
控制单元实时采集工作状态输入信号1，通过输出脉宽控制电压信号2对驱动信号发生单元的输出信号4的占空比进行调节，并根据工作状态输入信号1对射频功率放大器的工作状态进行控制，当工作状态输入信号1发生异常时，及时对射频功率放大器进行保护，当射频输出功率5波动时，及时进行调节。控制单元通过输出电压信号3控制可控直流电源的电压输出。驱动信号发生单元输出的驱动脉冲4对功率放大单元中的功率MOS管8进行驱动。
如图2所示，驱动信号发生单元由石英晶体振荡器、三角波变换电路、比较器(脉宽调制电路)和驱动级放大电路依次连接构成。石英晶体振荡器的输出脉冲整形为占空比为50％的方波后，经三角波变换电路变换成一对相位相差180度、幅值相等的三角波，三角波输入到比较器的一个输入端。比较器12的另一输入端输入可控门槛电压，对三角波进行脉宽调制，调制完成后输出一对占空比相等、相位相差180度的脉冲信号，脉冲信号经驱动级功率放大电路进行功率放大后完成大功率MOS管进行驱动信号的输出。
如图3所示，本射频功率放大器工作在推挽模式下。一对占空比相等、相位相差180度的脉冲信号16经驱动级功率放大电路12进行功率放大后为一对占空比相等、相位相差180度的驱动信号7。驱动信号7分别对两路功率MOS管8的门极进行驱动，两路MOS管8推动变压器9的初级将电压可控直流电源的输出功率调制成和石英晶体振荡器的输出频率相同的射频功率，通过变压器的次级耦合输出。驱动信号7的幅度足够高，使功率MOS管8工作在开关状态，从而能使射频功率放大器的工作效率比较高。当进行射频输出功率设定时，控制单元首先对电压可控直流电源的输出电压进行设定，待输出电压稳定后，再对驱动信号发生单元输出的驱动脉冲的占空比进行设定，从而完成对射频输出功率的初步设定.设定输出功率越高，驱动脉冲占空比越大，电压可控直流电源的输出电压越高，反之亦然。负载11始终保持50欧姆。为了使输出功率稳定输出，控制单元通过实时采集工作状态输入信号中的射频输出功率的测量信号，与设定值进行比较，若超出误差允许范围，则通过调节驱动信号7的占空比来实现对射频功率输出的实时控制。

Claims (5)

1.一种射频功率调节方法，其特征在于：首先将功率放大器的功率MOS管工作在开关状态；然后将石英晶体振荡器的输出脉冲被转换为脉宽可调的驱动信号后，对MOS管的门极进行驱动；最后通过调节功率MOS管门极驱动信号的脉宽和非平衡变压器初级的接入电压值实现输出功率的稳定调节。
2.一种权利要求1所述射频功率调节方法所用的射频功率放大器，包括功率放大单元，其特征在于，它还包括控制单元、电压可控直流电源和驱动信号发生单元，其中：
控制单元，与电压可控直流电源和驱动信号发生单元连接，调节电压可控直流电源的电压输出，并对驱动信号发生单元输出信号的占空比进行调节；
电压可控直流电源，与控制单元连接，提供可变的输出电压；
驱动信号发生单元，与控制单元连接，用于输出脉宽可调的驱动信号；
功率放大单元，与电压控制直流电源和驱动信号发生单元连接，接收电压可控直流电源的输出电功率，同时对驱动信号发生单元输出的驱动信号进行功率放大，并输出放大后的射频功率。
3.根据权利要求2所述的射频功率放大器，其特征在于：控制单元由驱动信号脉宽控制电路、电压可控直流电源控制电路、射频输出功率采集电路和射频功率放大器工作状态监控电路组成，功率控制单元通过设定驱动信号的脉宽和电压可控直流电源的输出电压实现射频输出功率的设定，并通过实时采集射频功率的实际输出值、调节驱动信号的脉宽实现对射频输出功率的闭环控制。
4.根据权利要求2所述的射频功率放大器，其特征在于：驱动信号发生单元由石英晶体振荡器、三角波变换电路、比较器和驱动级功率放大电路依次连接构成。
5.根据权利要求4所述的射频功率放大器，其特征在于：三角波变换电路输入到比较器的一个输入端，比较器的另一输入端输入可控门槛电压。
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