CN201947187U - 一种大功率毫米波固态功放专用电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大功率毫米波固态功放专用电源，包括AC-DC模块、DC-DC正压模块、DC-DC负压模块、时序控制电路、处理器模块，AC-DC模块将交流电源转换为直流，输出给DC-DC正压模块，DC-DC正压模块连接DC-DC负压模块，为DC-DC负压模块供电；时序控制电路连接DC-DC正压模块和DC-DC负压模块，控制DC-DC正压模块和DC-DC负压模块的开机时序和关机时序；采用硬件时序电路的设计方法，处理器对电源的时序工作不干预，因此电源的工作完全不依赖处理器。

Description

一种大功率毫米波固态功放专用电源

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，尤其是一种大功率毫米波固态功放专用电源。

背景技术

毫米波功放目前已经广泛的应用于空间电子、雷达、卫星、公路交通、民航系统、电子对抗、通信系统等多种尖端科技中，是目前研究的热点领域。大功率毫米波固态功放采用GaAs器件MMIC(毫米波单片集成电路)功率合成技术实现，具有体积小、效率高、易集成、使用方便等优点。而MMIC供电电源是功放能否安全、可靠工作的重要因素。MMIC要求可靠的正负压供电，且有时序要求。上电时负压先供电，正压后供电；掉电时正压先掉电负压后掉电。当多片MMIC功率合成时，要求能够提供故障检测功能，即需要检测每个MMIC的正电压值和电流值。不合理的功放电源会造成MMIC的损坏，甚至整个合成功放的损坏。

现有技术方案如图1所示，AC-DC模块使用220V交流输入，提供28V直流输出，负责给所有模块供电。DC-DC模块包含正、负压转换模块两部分，分别给MMIC合成功放提供正负电源。正压模块具有电压电流检测电路，将输出检测信号给处理器模块。处理器模块的ADC实现数据采集，检测出DC-DC正压模块工作的电压、电流，并完成显示、报警和通信等功能。MMIC需要的时序功能，通过处理器模块控制实现；上电时，处理器控制DC-DC负压模块的软启动引脚实现上电，通过处理器计算延时后，再控制DC-DC正压模块的软启动引脚实现上电；掉电的过程则相反。另外，处理器的电源输入为AC-DC模块输出的28V，处理器模块的电源电路需先将其转换成工作电压(如+3.3V)，因此，整个系统要工作，处理器模块必须先工作，处理器工作的可靠性对系统影响重大。图1所示的现有技术具有以下缺点：

1.不具有负压意外掉电的保护功能，当负压模块由于某种意外掉电时，正压依然输出，会烧毁MMIC。

2.电源的运行对处理器模块依赖太大，当电源工作在恶劣的电磁环境下时，处理器模块的可靠性会降低，会影响系统的正常运行。

3.负压模块需比较高的输入电压，增加了电源成本和体积。

4.系统开关机时响应速度慢。由于处理器在开机时需要进行一系列初始化操作，对于时序控制，处理器是需要经过计算才能向正负压模块发出指令；关机时需要做同样的运算。因此在有处理器的电源系统中，这个缺点无法避免。

5.DC-DC正压模块的设计一般采用DC-DC降压型芯片，由于输出功率大(近200W)，为解决EMC(电磁兼容)等问题，常采用多层PCB板。由于体积的限制，散热比较困难，一般采用机加特殊散热器的方法实现，对机加精度要求高，安装复杂且成本高。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种大功率毫米波固态功放专用电源。采用如下技术方案：

一种大功率毫米波固态功放专用电源，包括AC-DC模块、DC-DC正压模块、DC-DC负压模块、时序控制电路、处理器模块，AC-DC模块将交流电源转换为直流，输出给DC-DC正压模块，DC-DC正压模块连接DC-DC负压模块，为DC-DC负压模块供电；时序控制电路连接DC-DC正压模块和DC-DC负压模块，控制DC-DC正压模块和DC-DC负压模块的开机时序和关机时序；处理器模块内部设置交流-直流转换电路，处理器模块连接220V交流电源作为工作电源，处理器模块连接DC-DC正压模块，采集和检测DC-DC正压模块的工作电流和工作电压。

所述的大功率毫米波固态功放专用电源，所述DC-DC正压模块包括同步降压型DC/DC转换器LT3741。

所述的大功率毫米波固态功放专用电源，所述DC-DC负压模块包括负开关稳压器LT1614。

所述的大功率毫米波固态功放专用电源，所述时序控制电路包括LM2903比较器和Si7137DP P沟道MOSFET。

所述的大功率毫米波固态功放专用电源，还包括显示报警模块传输模块，连接所述处理器模块，用于显示当前MMIC的工作电压、工作电流和工作温度，并将结果通过RS232接口发送给上位机。

有益效果：

1、采用硬件比较电路的设计方法，当负压出现异常时，正压会自动关断。

2、采用硬件时序电路的设计方法，处理器对电源的时序工作不干预，因此电源的工作完全不依赖处理器。

3、采用采用Linear公司的负开关稳压器LT1614来实现，最小输入电压仅有0.92V。在单面布线的情况下，面积仅有20*20mm。

4、采用电源和检测分离的设计方法，使处理器不再干预电源工作，时序功能完全硬件实现。

附图说明

图1为现有技术的结构示意图；

图2为本实用新型大功率毫米波固态功放专用电源原理示意图；

图3为本实用新型DC-DC正压模块原理图；

图4为本实用新型DC-DC负压模块原理图；

图5为本实用新型时序控制电路原理图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本实用新型进行详细说明。

实施例1

如图2所示，大功率毫米波固态功放专用电源包括AC-DC模块、DC-DC正压模块、DC-DC负压模块、时序控制电路、处理器模块，AC-DC模块用于实现交流220V电源 转换为直流28V，输出+28V给DC-DC正压模块供电，DC-DC正压模块输出电压到DC-DC负压模块，为DC-DC负压模块供电。DC-DC正压模块为MMIC合成功放提供正压输入，DC-DC负压模块为MMIC合成功放提供负压输入。时序控制电路控制DC-DC正压模块和DC-DC负压模块的开机时序和关机时序。处理器模块内部有交流-直流转换电路，处理器模块直接采用220V交流供电，负责采集和检测DC-DC正压模块的工作电流和工作电压。显示报警模块传输模块主要用于显示当前MMIC的工作电压、工作电流和工作温度，并将结果通过RS232接口发送给上位机，当工作电压、工作电流或工作温度超过预设的报警值，处理器模块将关闭AC-DC模块，对整个系统进行故障保护。

实施例2

DC-DC正压模块的电路原理图如图3所示。选用Linear公司新型的同步降压型DC/DC转换器LT3741作为核心部件，该器件设计为准确地(±6％)调节高达20A的输出电流。其6V至36V的输入电压范围、恒定电流和恒定电压工作使该器件非常适用于恒定电压源或电流源。LT3741采用两个外部开关MOSFET，在0V至34V的宽电压范围内提供高达20A的连续输出电流，且高达95％的效率使得无需外部散热。LT3741的频率可被设定和同步在200kHz到IMHz范围，从而允许优化效率，同时最大限度地减小外部组件尺寸。结合耐热增强型TSSOP-20封装，LT3741可提供一个高度紧凑的恒定电压和电流解决方案。

LT3741采用平均电流模式控制方法，以在0V至VIN-2V的宽输出电压范围内保持电感器电流稳定。该稳定电流由CTRL引脚上的模拟电压以及一个外部检测电阻器R4设定。LT3741的独特拓扑使它既能提供电流又能吸收电流。LT3741的稳定输出电压和过压保护用一个外部电压分压器设定，由R1和R2的分压实现。

通过图3中R8、R9的分压可以设定输出的最大电流，分压值超过1.5V即为最大电流输出，本实施例设置最大输出电流为14A；通过R7和R12(热电阻)实现电路过温保护，本实施例设置为85°C过温保护；通过RI1和R14可以设定输出电压：

$\mathrm{Vout}=1.21(1+\frac{R11}{R14})$

本实施例设置输出为7V 。

本实施例还包括输入过压保护电路和输出故障过压保护电路，输入过压保护电路包括TVS管D4；输出故障过压保护包括TVS管D5，保护下级电路。

LT3741芯片第11脚和第12脚检测输出电流实现电流环工作模式，具有稳定电流的功能和实现了短路保护功能，图中检测电阻R4与最大输出电流和耗散功率的对应关系如下表所示。

通过R3设置电路工作频率。下表所示为R3与工作频率的对应关系

为了解决功率MOSFET芯片工作在大电流时的散热问题，高低边MOSFET采用了VISHAY公司的PowerPak封装的N沟道增强型功率MOSFET Si7884BDP和Si470DP，且采用两颗并联的方式实现分流，降低单个MOSFET的功耗。另外，通过在反馈电压环路和电流环路上加补偿网络的方法，降低了电路对EMC的要求，使得该电路能够在单面铝基板上实现，从而有效的解决了其散热难的问题。

实施例3

如图4所示，DC-DC负压模块输入电压使用DC-DC正压模块的输出，由于DC-DC正压模块输出电压范围为+5V～+10V，所以，本实施例中采用了Linear公司的负开关稳压器LT1614，其输入最大电压小于12V，最小输入电压仅有0.92V，输出电流最大200mA，满足砷化镓MMIC器件栅极电压驱动要求。通过设置图中R31和R40的比值， 可以设定输出电压的范围(-5V～-1.25V)，假设参考电压为-1.24V，则R31和R40设置关系为：

$R31=\frac{\left|\mathrm{Vout}\right|-1.24}{\frac{1.24}{R40}+(4.5\·{10}^{-6})}$

实施例4

时序控制电路原理图如图5所示。时序电路采用LM2903U4比较器和Si7137DP P沟道MOSFET Q5构成。LM2903反向端2脚接R32和R35对DC-DC正压模块输出电压的分压，其值计算如下：

V-＝R35/(R35+R32)*VOUT

其同向端3脚接VOUT和负压输出(本实施例为-2V)的分压，其值计算如下：

V+＝VOUT*R37/(R33+R37)+-2VOUT*R33/(R33+R37)

当系统开机上电时，如果没有负压输出，LM2903输出为高电平，Si7137DP关断；当负压输出某个值(如-1.8V)使得V+小于V-时，LM2903输出为低电平，Si7137DP开通。这样就实现了MMIC上电时序的要求，经过实测，上电正负压输出延迟时间有20微秒左右，输出响应快。(负压先输出，正压后输出)。

当系统关机掉电时，由于正压负载大，正压输出电容储能很快放完，从而正电压关断，而负压负载小，输出电容C31储能放电慢，负压将迟于正压关断，从而实现了掉电时序要求(正压先掉电，负压后掉电)。

该电路的另一个特点是故障保护功能，当负压由于某种故障不能输出或输出不正常时，通过比较器正压将被关断，从而保护了MMIC不受损害。Si7137DP P沟道MOSFET导通阻抗只有3.9毫欧，在最大输出电流为20A时，功耗只有1.6W，对DCDC模块的效率影响不大。

输出电压检测，采用电阻分压方式。电流检测采用美信公司的50倍放大器MAX4173(U3)和0.005欧/3瓦检测电阻R39实现。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换， 而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种大功率毫米波固态功放专用电源，其特征在于，包括AC-DC模块、DC-DC正压模块、DC-DC负压模块、时序控制电路、处理器模块，AC-DC模块将交流电源转换为直流，输出给DC-DC正压模块，DC-DC正压模块连接DC-DC负压模块，为DC-DC负压模块供电；时序控制电路连接DC-DC正压模块和DC-DC负压模块，控制DC-DC正压模块和DC-DC负压模块的开机时序和关机时序；处理器模块内部设置交流一直流转换电路，处理器模块连接220V交流电源作为工作电源，处理器模块连接DC-DC正压模块，采集和检测DC-DC正压模块的工作电流和工作电压。

2.根据权利要求1所述的大功率毫米波固态功放专用电源，其特征在于，所述DC-DC正压模块包括同步降压型DC/DC转换器LT3741。

3.根据权利要求1所述的大功率毫米波固态功放专用电源，其特征在于，所述DC-DC负压模块包括负开关稳压器LT1614。

4.根据权利要求1所述的大功率毫米波固态功放专用电源，其特征在于，所述时序控制电路包括LM2903比较器和Si7137DP P沟道MOSFET。

5.根据权利要求1所述的大功率毫米波固态功放专用电源，其特征在于，还包括显示报警模块传输模块，连接所述处理器模块，用于显示当前MMIC的工作电压、工作电流和工作温度，并将结果通过RS232接口发送给上位机。

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