CN112533313A - 一种磁控管电源测控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁控管电源技术领域，具体属于一种磁控管电源测控方法，包括整流滤波单元，驱动控制单元，采样电路单元，功率调节单元和信号处理控制单元，整流滤波单元将交流输入电压整流滤波后向主功率回路供电，驱动控制单元通过驱动IC控制功率开关管通断，采样电路单元获取功率输出回路中电流大小，功率调节单元通过接收微处理器的PWM信号来调节输出功率，信号处理控制单元通过微控制器读取所述采样电路单元输出回路电流大小，改变输出PWM波占空比。本发明能够控制磁控管电源系统的输出电流，延长磁控管使用寿命，还可实时监控电源输出电流，若电源输出电流异常可关断功率输出，避免电源损坏。

Description

一种磁控管电源测控方法

技术领域

本发明涉及磁控管电源技术领域，具体属于一种磁控管电源测控方法。

背景技术

目前磁控管和速调管是工业应用特别是微波加热领域使用的主要器件。馈能结构、波导元件、应用器、传感和控制、微波功率源等几个部分构成微波功率设备，其中微波功率源是用来产生微波的，它是整个微波功率设备中最重要的部件。微波功率设备的性能取决于微波功率源性能的优劣，因此改进微波功率源的生产技术对微波功率设备性能的提升具有重要的意义。微波功率源中磁控管的驱动电源直接决定着微波功率源性能的优劣。传统的微波磁控管供电电源多为工频升压电源，采用工频变压器升压得到高压电能为磁控管供电，此类电源体积大、效率低、开关噪声大，并且对电网的污染较严重，而且传统磁控管电源输出电压不可调，只能通过改变电源间歇工作时间调节功率，并且采用的断续供电方式会影响磁控管的使用寿命。

本专利的目的在于提出一种磁控管电源测控方法，使磁控管电源在启动过程中的输出电流缓慢增加，延长磁控管使用寿命，还可实时监控电源输出电流，若电源输出电流异常，控制器即进入保护模式并关断功率输出，避免电源损坏。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种磁控管电源测控方法，包括整流滤波单元、驱动控制单元、采样电路单元、功率调节单元和信号处理控制单元，整流滤波单元将交流输入电压整流滤波后向主功率回路供电，驱动控制单元通过驱动IC控制功率开关管通断，采样电路单元获取功率输出回路中电流大小，功率调节单元通过接收微处理器的PWM信号来调节输出功率，信号处理控制单元通过微控制器读取所述采样电路单元输出回路电流大小，改变输出PWM波占空比。

优化的，电源的启动、停止和输出功率大小是由信号处理控制单元控制，磁控管电源的信号处理单元，在电源系统工作中完成以下步骤：

（1）在电源工作时实时监测输出电流（I_out）；

（2）设置输出电流参考值（I_set）；

（3）设置允许输出电流最大误差值（I_△）；

（4）设置输出最大电流值（I_max）；

（5）设置输出最小电流值（I_min）；

（6）开机启动后使输出电流（I_out）缓慢增加；

（7）动态调整输出电流值（I_out）大小；

（8）输出电流回路开路检测；

（9）输出电流回路短路检测；

（10）输出功率芯片温度监控。

进一步的，磁控管电源测控方案为：

（1）当在电源启动时，PWM占空比逐渐增加到一定比例后维持占空比不变，开始预热磁控管灯丝，2秒后继续增加PWM占空比，直到I_out接近I_set。预热磁控管灯丝目的在于，在启动的过程中使磁控管灯丝发射电子能力保持恒定，避免灯丝电流瞬间增大对磁控管造成损坏；

（2）当输出回路中I_out < I_set-I△时，增加PWM占空比。当输出回路中电流值I_out > I_set+I△时，减小PWM占空比。当输出回路中电流值 I_set+I△< I_out < I_set-I△ 输出PWM占空比维持不变；

（3）当输出回路中I_out > I_max时，认为电源短路，电源进入保护模式。当输出回路中I_out< I_min时，认为电源开路，电源进入保护模式；

（4）当功率芯片上温度超过70℃时，开始降低电源输出功率，随着温度升高，电源输出功率逐渐减小。当功率芯片上温度超过85℃时，认为电源散热系统故障，此时关闭功率输出，电源进入保护模式。

电源工作过程包括开机检测、缓慢启动、正常运行三个阶段。电源上电后，微处理器先进行系统初始化，电源启动后，首先输出一个很小的功率，维持一段时间，等待磁控管输出电子能力稳定后再逐渐增大输出电流。然后进入缓慢启动，首先检测电源是否短路或者开路，若电源正常，则等待占空比增加到30%，占空比增加到30%后，若此时输出回路电流值小于设定的值，说明当前磁控管发射电子能力较弱，需要给灯丝预热。于是维持占空比30%不变，给灯丝预热，等待时间到了之后，继续增加占空比调节输出回路电流，直到输出回路中的电流值达到设定值。若占空比增加到30%时，输出回路中电流值大于设定值，说明此时磁控管发射电子能力正常，不需要灯丝预热，继续增加占空比，直到输出回路中的电流值达到预设值，此时电源即进入正常运行阶段，在该阶段可实时监控输出回路中的电流值有没有超过最大值或者小于最小值。若输出回路中电流值正常，则调节PWM占空比使输出回路中的电流值稳定在设置值范围内。然后读取电源散热器上温度探头的温度值，若散热器上温度超过70℃，则降低输出电流值，温度每升高3℃，输出电流值降低正常工作电流值的1/6，若散热器上温度超过85℃，则输出功率降为0，同时关断驱动IC输出。

本专利提供的磁控管电源测控方法能够使磁控管电源在启动过程中的输出电流缓慢增加，延长磁控管使用寿命，还可实时监控电源输出电流，若电源输出电流异常，可关断功率输出，避免电源损坏。

附图说明

图1为本发明提供的一种磁控管电源测控方法的磁控管电源原理框图；

图2为本发明提供的一种磁控管电源测控方法的电源控制单元与采样单元原理图；

图3为本发明提供的一种磁控管电源测控方法的电源整体运行流程图；

图4为本发明提供的一种磁控管电源测控方法的电源开机检测流程图；

图5为本发明提供的一种磁控管电源测控方法的电源启动过程PWM占空比与输出电流关系图；

图6为本发明提供的一种磁控管电源测控方法的电源缓慢启动流程图；

图7为本发明提供的一种磁控管电源测控方法的电源正常运行流程图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语（包括科技术语）对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

如图1 所示，磁控管电源主要由整流滤波单元、驱动控制单元、采样电路单元、功率调节单元、信号处理控制单元组成，整流滤波单元将交流输入电压整流滤波后向主功率回路供电，通过驱动IC IR2153控制功率开关管通断；单片机采样电路单元获取功率输出回路中电流大小；功率调节单元通过接收微处理器的PWM信号来调节输出功率；信号处理控制单元通过微控制器STM8S003E3P6读取采样电路单元输出回路电流，根据输出回路电流大小动态的调整输出PWM波占空比。

驱动控制单元采用IR半导体公司生产的半桥驱动芯片IR2153作为PFM调制芯片，芯片自带一个RC震荡器产生PFM脉冲，电流放大后送给驱动输出脚，PIN5和PIN7分别是控制器的输出，PIN5驱动下管LO，PIN7驱动半桥上管H，两路信号交错输出，开关频率控制在20-36KHZ之间，通过外部单片机调节电压控制耗尽型MOSFET栅极电压，从而改变漏极和源极的导通阻抗，改变RC震荡电路中的R值，从而改变了电容的充放电速度，达到开关频率的改变。

由于电源工作在谐振模式，所以改变频率就可以调整电源的LC谐振工作点，越开靠近谐振点，环路阻抗越小，谐振腔中的能量往输出传递的越多，相反工作频率越高，环路谐振阻抗越大，电源输出电流越小。

如图2所示，电源的启动、停止和输出功率大小是由信号处理控制单元控制。信号处理控制单元主要由微处理器来实现，采样电路将输出回路中电流信号转换为电压信号传送到微处理器的AD输入口，微处理器根据AD口的输入电压值实时调整输出PWM信号占空比，从而将电源输出电流值稳定在固定范围内。如果AD口的采样电压值异常，微处理器将会进入保护模式，并关断驱动信号输出，以保证电源自身安全。信号处理控制单元主要功能为电源启动时使输出电流平稳增加、使输出回路中电流值稳定、功率芯片温度监控、电源工作异常时自我保护，是电源稳定可靠运行的核心单元。

电源整体运行流程：如图3所示，电源工作过程包括开机检测、缓慢启动、正常运行三个阶段。其中开机检测用于开机后产生0--2s随机延时，避免多台电源同时启动时对电网冲击过大，造成电源损坏。在随机延时的过程中实时检测电源输出是否短路。若输出负载短路，则电源直接进入保护模式，停止启动。缓慢启动用于控制电源在启动过程中可以根据磁控管的当前温度，选择不同的启动方式，使电源在不同情况下都能稳定启动，避免了磁控管在温度较低的情况下直接启动时，输出电流瞬间增大，对电源造成损坏。正常运行阶段用于控制电源在工作过程中输出电流保持稳定，并实时监控电源功率器件温度，如果功率器件IGBT或整理桥BD1温度过高，电源将自动调节输出功率，以保证功率器件温度在设定范围内，避免功率器件因温度过高造成损坏。

开机检测：如图4所示，电源上电后，微处理器先进行系统初始化，各部分功能初始化结束后生成0--2s随机延时值。随机延时的主要目的是当多台电源同时开机时，所有电源会在同一瞬间启动，这时候电源220输入侧电网上的电流会瞬间增加，造成电网波动过大，容易对电源造成损坏。加上0--2s随机延时（延时时间间隔为0.1s），这样多台电源同时开机时，每台电源开始启动时间的不一样，220V输入侧电网上的电流不会在同一瞬间增大。这样就能有效避免多台电源同时开机时，引起电网波动过大。随机延时值生成后首先要读取输出回路中电流值，然后判断电流值是否超过正常工作时的最大值。因为电源上电后高压已经建立，如果此时负载处于短路状态，输出回路中就会有很大电流值。若不检测输出回路的电流值继续启动电源，就会造成电源损坏。如果此时输出回路中电流值正常，就一直等待，直到随机延时时间结束。

缓慢启动：磁控管灯丝温度不同时时，启动时发射电子能力就不同。为了使磁控管在启动时输出电流能够稳定增加，在启动过程中增加灯丝预热过程。电源启动后，首先输出一个很小的功率，维持一段时间，等待磁控管输出电子能力稳定后再逐渐增大输出电流。

图5中灰色曲线为PWM值变化曲线，黑色曲线为输出回路中电流值变化曲线。由图5可以看出电源启动后，磁控管灯丝发射电子能力较弱，PWM波的占空比值增加到300后不再增加，然后占空比值为300维持一段时间进行灯丝预热，随着预热时间的增加，灯丝输出电子能力逐渐增加，当灯丝发射电子能力稳定后，继续增加占空比，直到电源输出回路中电流值达到设置值。这样增加灯丝预热阶段后，在电源启动过程中可以保证输出电流平稳增加，有效的延长了磁控管使用寿命。

如图6所示，进入缓慢启动过程后，首先检测电源是否短路或者开路，若电源正常，则等待占空比增加到30%，占空比增加到30%后，若此时输出回路电流值小于设定的值，说明当前磁控管发射电子能力较弱，需要给灯丝预热。于是维持占空比30% 不变，给灯丝预热，等待时间到了之后，继续增加占空比调节输出回路电流，直到输出回路中的电流值达到设定值。若占空比增加到30%时，输出回路中电流值大于设定值，说明此时磁控管发射电子能力正常，不需要灯丝预热，继续增加占空比，直到输出回路中的电流值达到预设值。

正常运行：如图7所示，进入正常运行阶段后，首先判断输出回路中的电流值有没有超过最大值或者小于最小值。若输出回路中电流值正常，则调节PWM占空比使输出回路中的电流值稳定在设置值范围内。然后读取电源散热器上温度探头的温度值，若散热器上温度超过70度，则降低输出电流值，温度每升高3度，输出电流值降低正常工作电流值的1/6，若散热器上温度超过85度，则输出功率降为0，同时关断驱动IC输出。若要电源恢复正常工作，需要断电重启。如果温度正常，则电源继续重复上面的步骤，检测输出回路中电流值和散热片温度值温度，维持输出回路中的电流值稳定在设置值范围内。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种磁控管电源测控方法，其特征在于：包括整流滤波单元，驱动控制单元，采样电路单元，功率调节单元和信号处理控制单元，所述整流滤波单元将交流输入电压整流滤波后向主功率回路供电，所述驱动控制单元通过驱动IC控制功率开关管通断，所述采样电路单元获取功率输出回路中电流大小，所述功率调节单元通过接收微处理器的PWM信号来调节输出功率，所述信号处理控制单元通过微控制器读取所述采样电路单元输出回路电流大小，改变输出PWM波占空比。

2.根据权利1所述磁控管电源测控方法，其特征在于：所述的信号处理单元，包括以下步骤：

（1）在电源工作时实时监测输出电流（I_out）；

（2）设置输出电流参考值（I_set）；

（3）设置允许输出电流最大误差值（I_△）；

（4）设置输出最大电流值（I_max）；

（5）设置输出最小电流值（I_min）；

（6）开机启动后使输出电流（I_out）缓慢增加；

（7）动态调整输出电流值（I_out）大小；

（8）输出电流回路开路检测；

（9）输出电流回路短路检测；

（10）输出功率芯片温度监控。

3.根据权利2所述磁控管电源测控方法，其特征在于：在电源启动时，PWM占空比逐渐增加到一定比例后维持占空比不变，开始预热磁控管灯丝，2秒后继续增加PWM占空比，直到I_out接近I_set。

4.根权利2所述磁控管电源测控方法，其特征在于：当所述I_out < I_set-I△时，增加PWM占空比；当所述I_out > I_set+I△时，减小PWM占空比；当 所述I_set+I△< I_out < I_set-I△，输出PWM占空比维持不变。

5.根据权利2所述磁控管电源测控方法，其特征在于：当所述I_out > I_max 时，即认为电源短路，电源进入保护模式。

6.据权利2所述一种磁控管电源测控方法，其特征在于：当所述I_out < I_min时，即认为电源开路，电源进入保护模式。

7.根据权利2所述一种磁控管电源测控方法，其特征在于：当所述功率芯片上温度超过70℃时，开始降低电源输出功率；当所述功率芯片上温度超过85℃时，即认为电源散热系统故障，此时关闭功率输出，电源进入保护模式。

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