大功率穩(wěn)定微波磁控管電源的小型化設計構(gòu)想

王順山，汪建華，秦道東

（武漢工程大學 湖北省等離子體化學與新材料重點實驗室，湖北 武漢 430073）

0 引言

為了獲得一個穩(wěn)定的，且輸出功率大的微波電源，但是在提高微波電源的穩(wěn)定性和高功率的同時，如何才能減小整個微波電源的體積，本文給出了一種設計構(gòu)想，將整個微波電源的體積減小，第一是可以節(jié)省很大的空間；第二是能夠節(jié)省元器件的花銷費用；第三是減少工業(yè)材料的消耗。為了能夠使微波電源能夠長時間穩(wěn)定的以很高的輸出功率進行工作運行，在本文中采用了ATmega16L這種單片機來對整個微波電源系統(tǒng)進行控制[1]。這是一款低成本、低功耗、高速度的AVR系列單片機[2]。它具有先進的指令集和單時鐘周期，可以很好地緩解系統(tǒng)在處理速度與功耗之間的矛盾，其內(nèi)部具有8位AVR處理器和先進的RISC結(jié)構(gòu)，還有1K字節(jié)片內(nèi)RAM，512字節(jié)片內(nèi)EEPROM[3]。片外具有定時器，計數(shù)器，比較器和預分頻器，能夠進行定時計數(shù)和獨立的比較，捕捉和預分頻等功能。ATmega16L單片機具有極其豐富的片內(nèi)資源和片外資源，它能與完成同樣處理能力的常規(guī)CISC處理器要快10倍以上[4]。由于其單片機內(nèi)部資源和外部資源極為豐富，這為硬件電路的設計與軟件程序的連接創(chuàng)造了良好的設計環(huán)境。微波電源的輸出功率為P=αU，其中α是磁控管的輸出功率轉(zhuǎn)化率，這個值由磁控管本身的工藝性能決定；U是加在磁控管陰極的負高壓；I是流過磁控管的陽極電流[5]。此外還有影響微波輸出功率的其他因素存在，例如控制磁場強度的磁場電流Im，以及燈絲電流If。

1 電路設計

1.1 系統(tǒng)整體模塊圖

此設計采用相控式三相交流調(diào)壓技術(shù)控制磁控管的輸出功率，而磁控管的輸出功率可由用戶根據(jù)實際工業(yè)與實驗需要對微波電源中的單片機進行設定來完成。微波電源系統(tǒng)的整體流程模塊圖如圖1所示。微波電源接入380V的工業(yè)交流用電，再通過初級穩(wěn)壓電路，將處理后的穩(wěn)定的380V交流電送至升壓變壓器，經(jīng)過升壓得到的高壓交流電，隨后通過整流濾波電路，再通過次級穩(wěn)壓電路，從而可以得到8000～10000V的高壓直流電，將這樣的高壓直流電加載到微波磁控管的陰極，使磁控管的陰極燈絲受熱激發(fā)出電子流，磁控管內(nèi)部，在正交的電場力與磁場力共同作用下，電子流會做圓周運動，電子會不斷加速，最終會將從恒定電場那里得到的電能量轉(zhuǎn)換成微波能量輸出。采樣電路會對微波電源的實時微波輸出功率進行采樣，并且會將這些采樣所得的數(shù)據(jù)傳輸給A/D轉(zhuǎn)換器，再通過單片機顯示模塊進行實時顯示,同時將這些數(shù)據(jù)與用戶所設定的輸出功率進行反饋對比，由單片機調(diào)節(jié)陰極負高壓和陽極電流，從而達到控制輸出功率的目的[6]。在此過程中單片機的主要功能是：對微波電源的輸出功率進行實時的控制調(diào)節(jié)，以及對微波電源突發(fā)的故障進行報警并提醒工作人員處理，還有將設定功率，實時運行功率，運行時間在顯示頻上進行實時的顯示。

圖1 系統(tǒng)整體的模塊圖

1.2 軟啟動電路

如圖2所示，軟啟動電路采用了電阻分壓的軟啟動模式，在設備剛啟動的時候，操作人員可以通過按鍵開關(guān)使繼電器JC2-1:3吸合，繼電器JC3-1:3斷開，利用接在開關(guān)之后的電阻對啟動電路進行分壓保護，同時單片機進入初始化，待設備穩(wěn)定運行一段時間后，再通過按鍵開關(guān)使繼電器JC3-1:3吸合，繼電器JC2-1:3斷開，使接在開關(guān)之后的電阻脫離出主電路，減少電阻的功耗。此時設備正常運行，微波電源的軟啟動完成[7]。軟啟動電路可以在啟動過程中很好的保護主電路免受啟動瞬間巨大沖擊電流的傷害。

1.3 磁場控制電路

對于陽極電流的控制，盡管通過負反饋直接控制具有一定的優(yōu)越性，但是這樣一來控制器件會承受很大的電壓，這對控制器件的耐壓要求較高，這就需要耐壓值較高的控制器件來控制電路的運行，這會額外增加對控制器件的采購成本。筆者決定選擇對磁控管的磁場電流進行調(diào)節(jié)，以達到間接控制電路的目的。

在圖3中，通過PA5（35）引腳對磁控管的陽極電流Iα進行采樣，電容C58和電阻R58組成RC電路可以濾除電路中的雜波干擾，以此來獲得磁控管的陽極電流。在單片機的主程序的控制下，PB3（4）引腳會產(chǎn)生脈沖信號對電路進行調(diào)節(jié)。在控制過程中，如果微波電源的實際輸出功率大于設定的輸出功率時，單片機能夠通過PB3引腳調(diào)節(jié)輸出脈沖，增大電路中輸出功率的占空比，電路中磁場線圈電流Im會隨之減小，磁場強度減小，從而陽極電流Iα會減小，微波電源的輸出功率會隨之減小，反之如果減小占空比，微波電源的輸出功率會上升。

1.4 燈絲電流控制電路

盡管在微波電源系統(tǒng)中燈絲電流If對微波電源的輸出功率影響并不大，但是在本此設計中筆者仍然對其穩(wěn)定性采取了必要的措施。

如圖4所示，通過電阻R45的分流作用為三極管Q45提供基極電流，單片機通過PA1引腳發(fā)送脈沖觸發(fā)信號，再通過三極管的放大作用，將脈沖觸發(fā)信號進行放大，由電容C46和電阻R47組成RC濾波電路可以濾除觸發(fā)信號中的雜波信號，光電耦合器可以進行光電耦合，能夠達到光電隔離效果。

圖4 燈絲電流控制電路

經(jīng)過一系列的調(diào)試運行，電路可以穩(wěn)定長時間運行，這在一定程度上抑制了雜波信號對電路的影響，這在很大程度上減小了燈絲電流變化對微波電源輸出功率的影響。

2 微波電源小型化設計構(gòu)想

微波電源的小型化主要是電子元器件的小型化，而電子元器件中大部分體積和重量多集中在兩個部分：

一是電容和電感等儲能元器件，這兩個電子元器件主要用在濾波電路和諧振電路中；二是變壓器，主要用在工頻變壓和開關(guān)電源高頻變壓中。因此縮小電容，電感和變壓器的體積對微波電源的小型化來說具有非常重要的作用。

在電子濾波器中，一般存在兩種電子元器件：電容和電感。電感的感抗和電容的容抗分別為：

如公式（1）中，電感的感抗會隨著頻率的升高而逐漸增大，在進行濾波時，頻率越高所用到的電感的數(shù)值越小。相同的是，電容的容抗會隨著頻率的升高逐漸減小，在進行濾波時，頻率越高所用到的電容的數(shù)值越小。綜上所述，隨著電源頻率的提高，所需要用到的濾波電容和濾波電感的數(shù)值會減小，這時電容和電感的體積和重量都會隨之減小[8]。

隨著電源頻=率的提高，也會影響到變壓器的體積選擇[9]，變壓器次級輸出電壓U2與頻率f之間的關(guān)系式是

公式（2）中，U2是變壓器的次級輸出電壓，n2是變壓器次級線圈的匝數(shù)，f是輸入變壓器的工作頻率，B為變壓器的磁感應強度，Ae為變壓器的磁芯的有效截面積。由上面的公式可知，當變壓器的次級輸出電壓一定時，輸入信號的工作頻率升高，變壓器的次級線圈匝數(shù)n2和變壓器磁芯有效截面積Ae會隨之減小，這樣一來變壓器的體積和重量就會隨之減輕。

綜上所述，微波電源的高頻化，不僅會使得濾波器中的電容和電感的體積減小，而且也能夠使得變壓器的體積減小，這樣使得微波電源整體小型化成為了可能。微波電源的小型化是未來電源發(fā)展的趨勢，對電源小型化的研究對未來工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

3 程序設計

在設計研發(fā)電子產(chǎn)品時，硬件電路的設計為整個設計過程中的重點，為了保證硬件電路能夠穩(wěn)定運行，還需要軟件部分給予輔助。在實際工程實驗中，要用編寫出來的程序?qū)⑽⒉娫聪到y(tǒng)中的硬件電路連接起來，使硬件電路與軟件程序組成一個完整的整體，以此來保證微波電源能夠長時間穩(wěn)定運行。在軟件程序設計方面采用模塊化處理方式，此次設計中所采用的單片機為ATmega16L,需要對代碼程序進行模塊化處理，而每個模塊中的程序需要進行詳細編寫，這種編程思路可以很好的提升編程的效率。具體的程序設計流程如圖7所示[10]。

圖7 微波電源系統(tǒng)軟件整體流程圖

根據(jù)微波磁控管電源中相關(guān)的設計要求，對單片機的程序流程作如下設計：

開機時單片機會控制系統(tǒng)電源。單片機在接收到系統(tǒng)要開啟微波電源這個信號之前都是處于待機狀態(tài)，當系統(tǒng)在接受到開機信號時，單片機會向系統(tǒng)中的硬件電路發(fā)送開機信號，這時微波電源系統(tǒng)會對電源設備中的水的進出流量進行檢測，檢測水的進出流量是否達到微波電源的工作設定值，如果水的進出流量過小，微波電源將無法啟動，這時系統(tǒng)會提示報警，提醒研究工作人員對設備的水路進行檢查，看是否有進出口或者是電源內(nèi)部某處堵塞，導致水流量過小。

再通過了進出水流量檢測之后，將磁控管的燈絲進行預熱處理，燈絲預熱之前，冷卻燈絲的電阻還很小，隨著燈絲的不斷預熱，冷卻電阻的阻值也會隨之不斷增大，流過冷卻電阻的電流也會隨之減小，隨著磁控管的燈絲逐漸預熱到能產(chǎn)生微波，再到最終微波電源的輸出功率達到實驗要求，這個電流值會逐漸趨于一個穩(wěn)定值36A,在微波電源穩(wěn)定運行過程中，這個電流值會有少許變化，但是波動幅度不大，電流相對比較穩(wěn)定。

當磁控管的燈絲預熱時間達到設定時間，一般大約需要一到兩分鐘的預熱時間，在這之后，系統(tǒng)會緩緩啟動，磁控管開始產(chǎn)生微波，此時微波電源會輸出1KW的微波功率，研究工作人員需要緩慢增加微波輸出功率使其達到設定值，最終微波輸出功率達到實驗要求后將不再去增加其功率。

在微波電源正常運行的時候，其微波輸出功率不是一成不變的，會有一些微小的波動，這都是很正常的，但是偶爾會因為某些干擾而導致微波電源的輸出功率出現(xiàn)較大的波動，這是相比于微波電源的設定值，這時就需要設定一個定時器，需要每隔一段時間對系統(tǒng)中微波輸出功率，進出水的流量，還有冷卻水的溫度，以及微波電源的工作電壓等實時參數(shù)通過采樣電路進行采樣，一旦某個參數(shù)異常，微波電源會自動報警，提醒研究人員針對故障采取措施，于此同時微波電源會停止電源的運行，來保護電源免受損壞。

4 結(jié)束語

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，微波技術(shù)的應用也越來越廣泛，尤其是在高精尖的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，微波電源占據(jù)著重要的地位，于是乎人們對微波電源的能夠長時間工作以及其穩(wěn)定性都提出來嚴苛的要求。微波電源作為產(chǎn)生微波的核心器件，其微波輸出功率以及穩(wěn)定性離不開單片機的應用，還有微波電源的整體的體積如何縮小，如何選擇最佳的電容電感還有變壓器，是后續(xù)的研究人員需要不斷去攻關(guān)完成的任務。在未來，不論是工業(yè)生產(chǎn)，還是科學研究，電源的小型化都將成為一種趨勢。為了微波電源能夠長時間穩(wěn)定運行以及推動工業(yè)制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，今后的研究工作就顯得意義重大了，在日后還需不斷深入研究，以期將微波電源做得更好。