ICP儀器中大功率射頻固態(tài)功率放大板的設(shè)計

金 星，戚鵬程

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074)

ICP儀器中大功率射頻固態(tài)功率放大板的設(shè)計

金 星，戚鵬程

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074)

本研究提出了一種在電感耦合等離子體(ICP)質(zhì)譜/光譜儀中，安裝在離子源光炬前端，單板最高功率可達(dá)2 000 W的射頻功率放大板的設(shè)計制作方法。該放大板采用最新射頻橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)管Freescale MRFE6VP61K25H為末級放大器。MRFE6VP61K25H單管放大能力可達(dá)1 250 W，改進(jìn)后單板通過2個LDMOS管組成推挽并行式的E類放大器，可輕松達(dá)到ICP光源要求的1 600 W設(shè)計功率。該放大器的成品體積為所用裝備的25%，制造成本也僅為目前同類產(chǎn)品的50%，達(dá)到了體積小、造價低、功率大的設(shè)計效果。此設(shè)計可為進(jìn)一步研制便攜式ICP質(zhì)譜/光譜儀等提供良好的硬件基礎(chǔ)。

ICP；大功率；單板；放大器

固態(tài)射頻電源[1]是ICP質(zhì)譜/光譜儀中等離子體產(chǎn)生裝置的能量提供部分，功率放大板又是固態(tài)射頻電源的核心部件[2-3]，一般功率在千瓦以上的固態(tài)射頻電源均可通過若干塊功率放大板經(jīng)功率合成技術(shù)得到[4-5]。

近年來，隨著我國資源[6]、環(huán)境[7]、醫(yī)藥[8]、食品等行業(yè)的快速發(fā)展，ICP分析檢測儀器的需求量呈現(xiàn)大幅增長，同時也對其核心器件固態(tài)脈沖功率放大板的小型化、模塊化、國產(chǎn)化提出了更高的要求[9]。使用功率放大板后，2 000 W以下的固態(tài)功率輸出模塊無需再通過功率合成即可輸出，可大幅減小儀器的體積，并省去功率合成模塊，降低了制造成本和加工難度，提高了能量轉(zhuǎn)化率，節(jié)省了電力資源。

本工作選用半導(dǎo)體功率LDMOS管作為功率放大的核心，設(shè)計并制作適合ICP儀器的射頻功率放大板，并進(jìn)行功率輸出實驗，以期達(dá)到增大功率輸出，減小設(shè)備體積的目的。

1 功率放大板的設(shè)計

1.1 設(shè)計指標(biāo)

輸入/輸出頻率27.12 MHz，輸出功率600～1 600 W，功率穩(wěn)定度≤1‰。

1.2 總體設(shè)計結(jié)構(gòu)

本設(shè)計前端給出27.12 MHz方波小信號，通過功率板放大，再通過阻抗匹配到同軸電纜，傳輸匹配后加載到負(fù)載線圈上[9]。

1.3 功率放大部分

放大板是射頻電源的一部分，前級提供兩路相位差為180°的PWM TTL方波信號作為放大板的輸入信號，通過中間兩級緩沖放大來驅(qū)動末級的MRFE6VP61K25H功放管。本設(shè)計采用的一級驅(qū)動MOS管為東芝公司制造；二級驅(qū)動三極管為三洋公司的某NPN和PNP型功率三極管配合使用。通過調(diào)節(jié)輸入TTL信號的占空比和第二級放大三極管的集電極電壓來調(diào)節(jié)功率的輸出大小[9]。

本研究所設(shè)計的電路原理概視圖示于圖1。

輸入信號由前級信號發(fā)生及控制電路產(chǎn)生，為了仿真的順利進(jìn)行，用端口term1代替，現(xiàn)不詳述其產(chǎn)生過程，只對輸入信號標(biāo)準(zhǔn)做以下描述：1)兩路TTL信號均為方波信號，頻率為27.12 MHz，轉(zhuǎn)換時間小于1.2 ns；2)相位差保持180°；3)占空比通過門電路控制，鎖定在0～50%的可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，并絕對禁止超過50%。

圖1 大功率放大板一側(cè)原理概圖Fig.1 The principle schematic of the high power amplifier board

高頻NPN型三極管與分壓電阻組成的射極跟隨器負(fù)責(zé)對MRFE6VP61K25H的柵極進(jìn)行充電；而PNP型三極管負(fù)責(zé)對大功率MOS管的柵極進(jìn)行放電。PWM射頻TTL信號接到一級驅(qū)動MOS管的門極，當(dāng)其柵極電壓為低電平時，一級驅(qū)動MOS管截止，二級NPN型三極管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，二級PNP管截止，此時電路對MRFE6VP61K25H的柵極進(jìn)行充電；當(dāng)一級MOS管的柵極電壓為高電平時，MOS管導(dǎo)通，此時NPN三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，PNP管導(dǎo)通，此時電路對MRFE6VP61K25H的柵極進(jìn)行放電。若二級驅(qū)動三極管的驅(qū)動能力不夠，可以將多個高頻NPN或PNP三極管并聯(lián)使用，以增大驅(qū)動電流。

系統(tǒng)使用48 V、3 000 W直流電源供電，左右兩路信號分別交替導(dǎo)通[15-17]，產(chǎn)生的射頻能量經(jīng)阻抗匹配后由同軸電纜引出。

1.4 功率輸出部分

MRFE6VP61K25H技術(shù)手冊上給出的功率管在正常工作條件下的輸出阻抗是7 Ω，列于表1，這與ICP系統(tǒng)阻抗是50 Ω有較大差距，因此不能直接輸出，需要設(shè)計一個裝置將輸出阻抗變換成50 Ω的特性阻抗[18]。

此處的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)是通過ADS軟件設(shè)計的，所用的元件參數(shù)示于圖2?？梢钥闯?，可通過自動二元網(wǎng)絡(luò)匹配選項把輸出阻抗7 Ω匹配到50 Ω。由圖2可以明顯看到參數(shù)S11匹配后的頻率特性，在27.12 MHz處有明顯降低的效果。

表1 功率管的輸入輸出阻抗

2 放大部分系統(tǒng)仿真

在確定最佳輸入輸出阻抗后和進(jìn)行系統(tǒng)阻抗匹配前，要對功率放大板進(jìn)行穩(wěn)定性分析和設(shè)計[3-4]。在S參數(shù)仿真中，單管絕對穩(wěn)定的條件示于式(1)。必須使穩(wěn)定性判別系數(shù)K大于1，才能保證放大器是穩(wěn)定的[19]。

圖2 大功率放大板輸出阻抗匹配設(shè)計與結(jié)果Fig.2 The output impedance matching design and results of the high power amplifier board

|S11|<1-|S12S21|

(1)

|S22|2<1-|S12S21|

在S參數(shù)仿真下，27.12MHz處功放管的穩(wěn)定系數(shù)明顯大于1，達(dá)到了穩(wěn)定要求，示于圖3。然后再通過ADS協(xié)調(diào)功能來調(diào)節(jié)電路元器件的具體參數(shù)，最終使S11與S21達(dá)到較好的參數(shù)[20]。S11值在27.12MHz處急劇下降，反射系數(shù)較小，因為功率管功率放大的關(guān)系，S21大于0db很多，傳輸效率高，示于圖4。加上阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的放大電路最終的設(shè)計圖示于圖5。

3 研制結(jié)果

在完成了射頻功率放大板設(shè)計、制作后，對其進(jìn)行功率輸出實驗，其結(jié)構(gòu)框圖示于圖6。其中，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載是相對ICP光源的真實負(fù)載等離子體而言的一種實驗裝置，由4支阻抗為50Ω的射頻電阻組成，每支射頻電阻的額定功率為800W，所以標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載的最大額定功率是3 200W。內(nèi)部散熱片采用北京海光儀器公司的CS-1B型水冷循環(huán)儀進(jìn)行冷卻，可以滿足實驗的散熱需要。在本實驗中，功率從初始的50W升到最大值2 000W，一般在15min內(nèi)完成，在1 600W左右做了持續(xù)1 h的連續(xù)功率輸出實驗，在室溫25 ℃條件下同軸電纜會持續(xù)發(fā)熱。

圖3 穩(wěn)定性系數(shù)KFig.3 Stability factor K

圖4 S11,S22參數(shù)值Fig.4 Parameters of S11,S22 value

圖5 放大器電路圖Fig.5 Amplifier board circuit

圖6 功率輸出實驗結(jié)構(gòu)圖Fig.6 The structure of output power experiment

實驗中，占空比尚未達(dá)到50%時，輸出功率就超過了1 600 W，但由于標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載和功率LDMOS管的溫度過高，故沒有對射頻電源進(jìn)行更長時間的穩(wěn)定性測試。輸出功率值與射頻電源工作效率的關(guān)系曲線示于圖7，其輸出功率的效率是通過計算輸出射頻功率的大小與輸入直流電源功率大小的比值而得出的，這是一種估算輸出功率效率的簡易方法[5,9]。

圖7 放大器輸出功率-效率曲線Fig.7 The function diagram of amplifier’s output power vs efficiency

射頻電源的工作效率最大值是76%，在900～1 500 W的區(qū)間，工作效率可達(dá)到70%以上，而在ICP光源正常工作的功率區(qū)間(1 100～1 400 W)，其工作效率在74%以上，說明此射頻電源的設(shè)計方案符合ICP光源的使用條件。輸出功率與其反射功率的關(guān)系曲線示于圖8，由圖8可見，反射功率與入射功率成正比關(guān)系。

圖8 放大器輸出功率-反射功率曲線Fig.8 The function diagram of amplifier’s output power vs reflection power

最大的反射功率為17 W，僅占入射功率的1.10%，即功率傳輸效率為98.9%，在射頻電源可以承受的范圍內(nèi)。功率放大板輸入信號的功率與輸出射頻功率的理想關(guān)系示于圖9。其功率輸出實驗的各項數(shù)據(jù)表明，設(shè)計制作的頻率為27.12 MHz的功率放大板可以滿足ICP光源設(shè)備的需要。

圖9 輸入/輸出功率理論關(guān)系圖Fig.9 The theoretical function diagram of amplifier’s output power vs reflection power

4 結(jié)論

本研究通過使用MRFE6VP61K25H對已有的設(shè)計做了一定的改進(jìn)，可達(dá)到增大功率輸出、減小設(shè)備體積的目的。綜合情況下，最大功率輸出可達(dá)2 000 W，能滿足ICP光源提出的1 600 W要求，并降低了造價，減小了安裝體積。

本設(shè)計仍有一定的不足，如輸入輸出功率的線性度不夠一致等[21]，但這并不影響最終射頻功率輸出的穩(wěn)定性[22]，射頻放大器的線性化方法大致可以分為電路設(shè)計方法和信號處理方法兩類，數(shù)字預(yù)失真方法的思想也被應(yīng)用于線性度調(diào)整領(lǐng)域，可繼續(xù)做深入探究。本研究的部分設(shè)計目前尚處于測試階段，研制成果也僅停留在實驗室制造階段，功率放大板若從實驗室的單個制造到市場商業(yè)化的批量生產(chǎn)，仍需長時間的可靠性實驗來檢驗其耐久性和產(chǎn)品的一致性。

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A High Power RF Solid-State Power Amplifier for ICP

JIN Xing，QI Peng-cheng

(ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan),Wuhan430074，China)

A design and manufacturing method of power amplifier which installed in front of ICP-MS/ICP-AES's ICP light torch was presented．The amplifier board was used the latest RF LDMOS transistor MRFE6VP61K25H as the final step amplifier．A single MRFE6VP61K25H LDMOS transistor supply maximum 1 250 W RF power, so this amplifier moudle which peak power can reach 2 000 W， can meet the ICP light torch's power requirement(1 600 W)easily through two LDMOS constitute a parallel push-pull class E amplifier．The volume of power amplifier module is reduced to 25% of the design before, and the module cost is only 50% of current similar products. This design provides a good hardware basis for the further development of portable ICP-MS and ICP-AES, etc.

ICP；high-power；single plate；RF amplifier

2013-10-25；

2014-01-08

科技部重大儀器專項(2011YQ14015006)；國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(2012YQ09016701)資助

金 星(1961～)，男(漢族)，湖北人，教授，從事光譜與成像儀器工程技術(shù)研究。E-mail: jdxyjx@126.com

戚鵬程(1987～)，男(漢族)，安徽人，碩士研究生，控制理論與控制工程專業(yè)。E-mail:308867322@qq.com

O 657.63;TN 722

A

1004-2997(2014)03-0250-06

10.7538/zpxb.2014.35.03.0250