CN105846301B - 一种大功率小体积射频电源 - Google Patents

一种大功率小体积射频电源 Download PDF

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Abstract

一种大功率小体积射频电源，包括可编程信号源，前级信号驱动电路、一级放大电路、输入BALUN电路、二级功率放大电路、输出BALUN电路、功率检测电路及单片机。单片机根据功率检测电路输出的检测信号，以PWM信号对输入所述前级信号驱动电路的射频信号进行调制，并调节所述一级放大电路的增益实现射频电源输出调节。本射频电源相较于传统射频电源具有体积小，输出功率高，输出功率稳定，频率稳定的特点，特别适用于射频CO2激光器的射频激励。

Description

一种大功率小体积射频电源
技术领域
本发明涉及大功率射频电源，尤其是一种用于射频CO2激光器的大功率小体积射频电源。
背景技术
扩散冷却板条CO2激光器主要使用射频电源对激光器极板间气体进行激励，使气体放电产生激光。大功率射频电源的作用是为激光器提供高频率高功率的激励电压。由于传统的大功率射频电源由于采用电子管或者多路晶体管放大的原因，电路复杂、体积较大；同时，射频电源通常与激光器分开放置，中间增加一条射频电缆，射频电缆在高功率工作条件下发热较大，引起额外的损耗，使得激光器工作不够稳定可靠。
发明内容
针对现有大功率射频电源存在的上述问题与不足，本发明提供一种稳定性高、功率体积比大、可以安装在激光器上的大功率小体积射频电源。
本发明提供的一种大功率小体积射频电源，包括：
可编程信号源，提供射频信号；
具有PWM控制端的前级信号驱动电路，其输入端连接所述可编程信号源的输出端；
一级放大电路，它的输入端连接所述前级信号驱动电路的输出端，且输入回路中串联由电机带动的可调电阻，该电机由功率控制模块驱动；
输入BALUN电路，用于将所述一级放大电路输出的射频信号分成两路等大反相信号；
二级推挽功率放大电路，用于放大所述输入BALUN电路输出的两路等大反相信号；
输出BALUN电路，其输出端作为射频电源输出端，其两输入端分别连接所述二级推挽功率放大电路输出端，用于将来自所述二级推挽功率放大电路的两路等大反相信号合成为一路输出射频信号提供至负载；
功率检测电路，连接于所述输出BALUN电路输出端，用于检测所述射频电源输出端的输出射频信号的功率；以及
单片机控制模块(MCU)，其一输入端、一输出端、PWM信号输出端分别连接所述功率检测电路的输出端、所述功率控制模块的输入端和所述前级信号驱动电路的PWM控制端，且通过IIC总线与所述可编程信号源的频率控制端相连；所述单片机控制模块根据来自所述功率检测电路的检测信号，以PWM信号对输入所述前级信号驱动电路的射频信号进行调制，并通过所述功率控制电路带动电机调节所述可调电阻对射频电源输出进行调节。
上述射频电源进一步包括直流电源组模块，该直流电源组模块分别对所述一级放大电路、二级放大电路、可编程信号源及单片机控制模块进行独立供电。
上述射频电源还可包括若干辅助电路，用于控制整个电源电路的稳定性。如用于与上位机通信的RS232电路；连接于单片机控制模块相应输入端的温度检测电路；一级放大电路电压检测电路，用于检测所述一级放大电路栅极电压与漏极电压；一级放大电路电压控制电路，用于控制所述一级放大电路栅极电压与漏极电压；二级放大电路电压检测电路，用于检测所述二级放大电路栅极电压与漏极电压；二级放大电路电压控制电路，用于控制所述二级放大电路栅极电压与漏极电压。
优选实施例中，所述可编程信号源采用PLL锁相环电路；其输出信号频率在10MHz～120MHz范围内可调，工作频率为81.36MHz。所述前级驱动模块采用高频电子开关。
所述一级放大器输入回路中的可调电阻为100Ω，并在该可调电阻上并联68pF电容，用于补偿接入该可调电阻带来的的相位差。
所述输入BALUN电路采用长度为7英寸的RG178同轴线缆在镍锌氧铁磁芯骨架上绕制6圈而成，用于将非平衡信号转换为平衡信号，同时参与一级放大电路输出端与二级放大电路输入端之间的阻抗匹配。
所述输出BALUN电路采用长度为11英寸的RG304同轴线缆绕1圈而成，用于将平衡信号转换为非平衡信号，同时参与二级放大电路输出端与50Ω负载之间的阻抗匹配。
所述功率检测电路采用微带感应从射频信号输出端提取正向射频信号和反向射频信号，微带线长60mm、宽3mm，铜厚2oz，提取的信号经过检波后，由稳压管进行箝位，并由电阻分压后输出。稳压管作用是保护MCU输入端不被过大的电流输入而造成损坏。
所述一级放大电路、二级放大电路、输入BALUN电路及输出BALUN电路均使用高频板贴合在金属基板上进行制作，该金属基板为铜基板或铝基板，尺寸为长212mm、宽136mm，厚20mm。
本发明射频电源体积小，输出功率大，输出功率稳定，频率稳定，特别适用于射频CO2激光器的射频激励。
本射频电源采用两种功率调节方式，方便对输出功率进行调节，并采用BALUN电路进行功率分配以及功率合成，还参与负载端阻抗匹配过程，有效减小了射频电源的体积。本射频电源输出端与负载连接不需要传统的附加射频电缆，避免了射频电缆导致的额外损耗。
附图说明
图1为本发明射频电源电路框图；
图2为图1中辅助电路与单片机控制模块连接示意图；
图3为图1中的直流电源组模块示意图；
图4为图1中的一级放大模块电路图；
图5为图1中的二级放大模块电路图。
具体实施方式
以下结合实施例附图做进一步说明。
参考图1，实施例大功率小体积射频电源主要包括：可编程信号源1，具有PWM控制端的、连接于可编程信号源1输出端的前级信号驱动电路2；连接于前级信号驱动电路2输出端的一级放大电路3，连接于一级放大电路3输出端的输入BALUN电路4，输出BALUN电路6，连接于输入BALUN电路4与输出BALUN电路6之间的二级推挽功率放大电路5，连接于输出BALUN电路6输出端的功率检测电路7、单片机控制模块(MCU)8以及直流电源组模块10。
单片机控制模块8的一输入端、PWM信号输出端分别连接功率检测电路7的输出端和前级信号驱动电路2的PWM控制端，且通过IIC总线与可编程信号源1的频率控制端相连，对可编程信号源1的射频信号频率进行可编程调节。一级放大电路3的输入回路中串联由电机带动的可调电阻，该电机由连接于单片机控制模块8的一输出端的功率控制模块9驱动。
可编程信号源1输出的射频信号，首先由前级信号驱动电路2进行放大，进而接入一级放大电路3放大，一级放大电路3输出射频信号接入输入BALUN电路4将信号分为两路等大反相信号，进而该两路等大反相信号进而二级推挽功率功率放大电路5分别放大，然后通过输出BALUN电路6将二级推挽功率放大电路5放大后的两路等大反相信号合成为一路输出射频信号输出至负载。
由功率检测电路7检测射频电源输出端的输出射频信号的功率，单片机控制模块8根据功率检测电路7输出的检测信号，以PWM信号对输入所述前级信号驱动电路2的射频信号进行调制，并通过所述功率控制电路9带动电机调节所述可调电阻对射频电源输出进行调节。
图2为图1中辅助电路与单片机控制模块连接示意图。为了提高整个电源电路的稳定性，上述射频电源还可配置若干辅助电路11。这些辅助电路11包括：用于与上位机通信的RS232电路13；连接于单片机控制模块8相应输入端的温度检测电路12；一级放大电路电压检测电路14，用于检测所述一级放大电路栅极电压与漏极电压；一级放大电路电压控制电路15，用于控制所述一级放大电路栅极电压与漏极电压；二级放大电路电压检测电路16，用于检测所述二级放大电路栅极电压与漏极电压；二级放大电路电压控制电路17，用于控制所述二级放大电路栅极电压与漏极电压。
参考图3，直流电源组模块10分别对一级放大电路3、二级放大电路5、射频信号源1、单片机控制模块8进行独立供电。12.5V/2A电源为DC-DC电源，提供给一级放大器漏极、5V/1A电源和2.2V/1A电源。
一级放大电路漏极与二级放大电路漏极需要的电流较大，单独使用一路12.5V/2A电源以及一路50V/25A电源。5V/1A电源提供给功率检测电路，PLL锁相环电路、时钟驱动电路；一级放大器栅极和二级放大器栅极对电源纹波要求较高，使用2.2V/1A的LDO电源供电。
参考图4，一级放大器电路3选择低噪声放大器，提高射频电源的信噪比，其输入输出匹配网络采用最小噪声系数设计。输入端串联可调电阻R1,R1阻值为100Ω，用于调节射频电源输出功率，并在可调电阻R1上并联68pF电容C4，用于补偿接入可调电阻R1带来的相位差。
参考图5，二级推挽功率放大电路5选择高功率推挽放大器，其优点是将两路放大器集成在一个元件上，保证了功放管的参数一致性，同时也能减小体积。其输入输出匹配网络采用最大增益设计。输入BALUN 4采用长度为7英寸的RG178线材在镍锌氧铁磁芯骨架绕制6圈而成，用于将非平衡信号转换为平衡信号，同时参与一级放大电路输出端与二级放大电路输入端之间的阻抗匹配。输出BALUN 6采用长度为11英寸的RG304线材绕1圈而成，用于将平衡信号转换为非平衡信号，同时参与二级放大电路输出端与50Ω负载之间的阻抗匹配。
可编程信号源1采用PLL锁相环电路，实现由单片机对其射频信号频率进行可编程调节。前级驱动模块2采用高频电子开关，单片机的PWM信号通过高频电子开关控制端对射频信号进行PWM调制。
功率检测电路7采用微带感应从信号输出端提取正向以及反向射频功率信号，微带线长60mm、宽3mm，铜厚2oz，提取的信号经过检波后，由稳压管进行箝位，并由电阻分压后输出。稳压管作用是保护单片机输入端不被过大的电流输入而造成损坏。
一级放大电路3与二级推挽功率放大电路5使用高频板贴合在金属基板上进行制作，金属基板为铜基板或铝基板，尺寸为长212mm、宽136mm、厚20mm。
以上通过具体实施例对本发明做了详细的说明，这些具体的描述不能认为本发明仅仅限于这些实施例的内容。本领域技术人员根据本发明构思、这些描述并结合本领域公知常识做出的任何改进、等同替代方案，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种大功率小体积射频电源，其特征在于，包括：
可编程信号源，提供射频信号；
具有PWM控制端的前级信号驱动电路，其输入端连接所述可编程信号源的输出端；
一级放大电路，所述一级放大电路配置有用于检测其栅极电压与漏极电压的一级放大电路电压检测电路和用于控制其栅极电压与漏极电压的一级放大电路电压控制电路；所述一级放大电路的输入端连接所述前级信号驱动电路的输出端，且输入回路中串联由电机带动的可调电阻，该电机由功率控制电路驱动；其中，所述可调电阻的阻值为100Ω，并在该可调电阻上并联68pF电容，用于补偿接入该可调电阻带来的的相位差；
输入BALUN电路，用于将所述一级放大电路输出的射频信号分成两路等大反相信号；
二级推挽功率放大电路，用于放大所述的两路等大反相信号；所述二级推挽功率放大电路配置有用于检测其栅极电压与漏极电压的二级放大电路电压检测电路和用于控制其栅极电压与漏极电压的二级放大电路电压控制电路；
输出BALUN电路，其输出端作为射频电源输出端，其两输入端分别连接所述二级推挽功率放大电路的输出端，用于将来自所述二级推挽功率放大电路的两路等大反相信号合成为一路输出射频信号提供至负载；
功率检测电路，连接于所述输出BALUN电路输出端，用于检测所述射频电源输出端的输出射频信号的功率；以及
单片机控制模块，其一输入端、一输出端、PWM信号输出端分别连接所述功率检测电路的输出端、所述功率控制电路的输入端和所述前级信号驱动电路的PWM控制端，且通过IIC总线与所述可编程信号源的频率控制端相连；所述单片机控制模块根据来自所述功率检测电路的检测信号，以PWM信号对输入所述前级信号驱动电路的射频信号进行调制，并通过所述功率控制电路带动电机调节所述可调电阻对射频电源输出进行调节。
2.如权利要求1所述的射频电源，其特征在于，所述可编程信号源为PLL锁相环电路，其输出信号频率在10MHz~120MHz范围内可调，工作频率为81.36MHz。
3.如权利要求1所述的射频电源，其特征在于，所述前级信号驱动电路为高频电子开关。
4.如权利要求1所述的射频电源，其特征在于，所述输入BALUN电路采用长度为7英寸的RG178同轴线缆在镍锌氧铁磁芯骨架上绕制6圈而成。
5.如权利要求1所述的射频电源，其特征在于，所述输出BALUN电路采用长度为11英寸的RG304同轴线缆绕1圈而成，用于将平衡信号转换为非平衡信号，同时参与所述二级推挽功率放大电路输出端与50Ω负载之间的阻抗匹配。
6.如权利要求1所述的射频电源，其特征在于：所述功率检测电路采用微带感应从射频信号输出端提取正向以及反向射频功率信号，微带线长60mm、宽3mm，铜厚2oz，提取的信号经过检波后，由稳压管进行箝位，并由电阻分压后输出。
7.如权利要求1所述的射频电源，其特征在于，所述一级放大电路、二级推挽功率放大电路、输入BALUN电路及输出BALUN电路均使用高频板贴合在金属基板上进行制作，该金属基板为铜基板或铝基板，尺寸为长212mm、宽136mm，厚20mm。
8.如权利要求1所述的射频电源，其特征在于，进一步包括直流电源组模块，该模块分别对所述一级放大电路、二级推挽功率放大电路、可编程信号源及单片机控制模块进行独立供电。
9.如权利要求1所述的射频电源，其特征在于，进一步包括：用于与上位机通信的RS232电路和温度检测电路。
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