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摘要：射频电路对电源要求比较特殊，上电时序有严格要求，同时要求高效率、低纹波、高可靠、工作温度范围宽等，本文通过分析计算，选用有源箝位软开关正激拓扑技术，实现42W双路输出射频电源的设计。
关键词：有源箝位、ZVS、射频电源
一、射频电源技术要求
基于GaN材料功率MOS管的射频放大电路，需求28V、-5V双路供电，本文以28V母线、42W输出射频电源模块为例，进行详细设计及分析。射频电源基本电气指标要求包括：输入电压范围23V～33V，输出电压28V（1.5A），-5V（0.05A），纹波电压≦30mV，效率≥88%，输出电压变化范围±0.1V。
二、电路详细设计
（一）设计难点
对比国内外同类功率的单路电源模块效率一般在80%左右，纹波100mV左右，该射频电源要求效率达到88%，电源输出纹波低于30mV，如此高的性能指标要求，常规的硬开关电路拓扑无法实现，考虑采用软开关电路拓扑。
（二）主功率转换电路计算分析
1.主功率拓扑选择
在充分考虑输入、输出条件下，主功率拓扑选择如图1所示的低边有源箝位正激变换器，副边二极管整流的方式。与基本正激拓扑的不同点是它采用辅助开管V4和箝位电容C21替代传统的去磁电路，该拓扑具有两大优点：a）开关管在宽输入范围内实现了零电压开关（ZVS），开关管应力小，电路整体噪声小，效率高；b）变压器实现了低损复位，产品效率提高。
2.PWM控制的选择及应用设计
本电路中选的为TI公司的成熟PWM控制芯片UCC2891，该芯片为电流型PWM，具有功耗低、功能齐全，应用方便、驱动能力强等优点，不需要外加驱动电路；芯片内置了启动延时设置、定时电容充放电时间设置、斜波补偿、欠压锁定等功能，应用时调试方便，使电路在宽范围内工作到软开关工作状态。
3.功率变压器设计
磁芯选型
本设计选取电路工作于工作频率在300kHz，根据东磁手册中特性曲线可选择DMR95材质。采用AP法计算磁芯尺寸，相关计算如下：
Po—输出功率（W）；ΔB—磁通密度变化量（T）；fT—变压器工作频率（Hz）；K—0.014（正激变换器）。
公式是基于线圈电流密度420A/cm2，并假定窗口充填系数是40%。这里采用磁芯单位损耗（比损耗）为100W/cm3时，工作频率fT对应的ΔB值。
查表知△B=0.08T，计算可得电源AP≈0.0625cm4
考虑进一步控制变压器温升，降低变压器功耗，提高产品效率，适当选取AP值大些磁芯，此处选择PC95材质P18-11型磁芯，其AP =0.22447 cm4。
匝数计算
根据工程经验。取开关频率f=300KHz，最大占空比D=0.5，磁芯在100℃下饱和磁感应强度为Bs=0.41T，P18-11磁芯截面积Ae=43.3mm2。计算得最大开启时间Ton=D/fT=1.67us，T=1/fT =3.33us。
23V输入时占空比最大，考虑衰减，取变压器两端电压Vp=22V，取△B=0.1T，匝数计算如下：
Np=（Vp×Ton）/（2×△B×Ae）≈4匝。
初级匝数取4匝，初级每匝电压为V1=5.75V/匝。
考虑输出整流管、绕组等压降，计算变压器次级电压：
Vs=（Vo+VD+VL）/D=60V，计算次级匝数：Ns=Vs/V1≈11匝。
4.PWM控制器辅助电源设计
PWM控制器芯片UCC2891要求启动电压大于12.5V，预估工作时最大电流约为30mA，功耗约0.2W，相对较小。其供电选用典型串联式稳压电路给PWM供电，电路简单、可靠。
5. 隔离功率转换电路设计
N管实际漏源极电压计算：
预估变压器在33V输入时占空比D=0.4，則电路工作时VDS≈55V，
计算漏源峰值电流为IDS=Po/（η×Dmax×Umin），
预估产品效率η=90%，计算IDS≈4.5A；
P管主要作用是续流作用，工作时电流较小，其工作时电压与箝位电容及N沟道主功率管电压相同，最大工作电压为55V；其工作电流近似等于励磁电感电流的负向最大值，其计算公式为：
IS2=VinMAX×Dmax/（Lm×fT）计算得IS2=1.4A。
6.整流管的计算
计算工作时整流二极管及续流二极管承受的最大反向电压及峰值电流，整流二极管最大反向电压VF计算如下：
VF1=Vo+DmaxVINmax*NS/NP（1-Dmax） 计算得：IF1=118.8V；
续流二极管最大反向电压VF2计算如下：
VF2=VINmax*NS/NP 计算得：VF2=90.8V；
整流二极管及续流二极管正向电流峰值与输出电感CCM时的最大峰值电流相同，则有：
ID1=ID2=IOUT/D 计算得ID=3.75A。
7.输出滤波电路
输出电感设计计算
已知产品输出最大电流IO（max）为1.5A，设产品峰值电流Ipmax为2A，取纹波电流系数k为0.2，最小占空比为40%，选择DMR95磁芯材料开气隙制作输出电感，控制电感工作时的最大磁通密度BMAX≤0.3T。
在电流连续时，输出电感电感量计算公式如下：
计算得：Lo=217uH；
计算电感最大峰峰值磁通摆幅：
ΔBMAX=BMAX×k×IO（MAX）/Ipmax
计算得：ΔBMAX=0.045T；
AP法计算选择磁芯，单线圈系数K1取0.03：
计算得：电感AP=0.072cm4；
选择P18-11型磁芯（AP=0.224cm4）。
电感匝数计算公式如下（L单位uH，尺寸cm）：
计算得： N=21匝；
根据公式L=AL×N2，计算得：电感系数AL=490nH/N2；
输出滤波电容设计计算
设控制输出电压纹波≤30mV，根据输出电容计算公式计算：
计算得最小输出电容Co=4.1uF，考虑电容在高直流偏置电压条件下容量下降，设计选择47 uF低ESR的陶瓷电容器。
（三）28V转-5V输出单元电路设计
该单元电路功率较小，但要求隔离，可采用单端反激拓扑，设计电路工作在CCM模式，效率高、纹波低，电路简单成熟，可满足电路整体要求。详细电路设计此文不做详细分析。
三、结论
本文基于有源箝位软开关技术，通过详细参数计算分析，设计实现了42W射频电源主功率转换，经工程验证，满足射频电路实际应用需求。应用该种电路拓扑，可有效提高电源效率及电磁兼容性，满足各类高可靠高性能需求的电子设备应用需求。
参考文献：
[l]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计M1.北京：电子工业出版社，2004.
关键词：有源箝位、ZVS、射频电源
一、射频电源技术要求
基于GaN材料功率MOS管的射频放大电路，需求28V、-5V双路供电，本文以28V母线、42W输出射频电源模块为例，进行详细设计及分析。射频电源基本电气指标要求包括：输入电压范围23V～33V，输出电压28V（1.5A），-5V（0.05A），纹波电压≦30mV，效率≥88%，输出电压变化范围±0.1V。
二、电路详细设计
（一）设计难点
对比国内外同类功率的单路电源模块效率一般在80%左右，纹波100mV左右，该射频电源要求效率达到88%，电源输出纹波低于30mV，如此高的性能指标要求，常规的硬开关电路拓扑无法实现，考虑采用软开关电路拓扑。
（二）主功率转换电路计算分析
1.主功率拓扑选择
在充分考虑输入、输出条件下，主功率拓扑选择如图1所示的低边有源箝位正激变换器，副边二极管整流的方式。与基本正激拓扑的不同点是它采用辅助开管V4和箝位电容C21替代传统的去磁电路，该拓扑具有两大优点：a）开关管在宽输入范围内实现了零电压开关（ZVS），开关管应力小，电路整体噪声小，效率高；b）变压器实现了低损复位，产品效率提高。
2.PWM控制的选择及应用设计
本电路中选的为TI公司的成熟PWM控制芯片UCC2891，该芯片为电流型PWM，具有功耗低、功能齐全，应用方便、驱动能力强等优点，不需要外加驱动电路；芯片内置了启动延时设置、定时电容充放电时间设置、斜波补偿、欠压锁定等功能，应用时调试方便，使电路在宽范围内工作到软开关工作状态。
3.功率变压器设计
磁芯选型
本设计选取电路工作于工作频率在300kHz，根据东磁手册中特性曲线可选择DMR95材质。采用AP法计算磁芯尺寸，相关计算如下：
Po—输出功率（W）；ΔB—磁通密度变化量（T）；fT—变压器工作频率（Hz）；K—0.014（正激变换器）。
公式是基于线圈电流密度420A/cm2，并假定窗口充填系数是40%。这里采用磁芯单位损耗（比损耗）为100W/cm3时，工作频率fT对应的ΔB值。
查表知△B=0.08T，计算可得电源AP≈0.0625cm4
考虑进一步控制变压器温升，降低变压器功耗，提高产品效率，适当选取AP值大些磁芯，此处选择PC95材质P18-11型磁芯，其AP =0.22447 cm4。
匝数计算
根据工程经验。取开关频率f=300KHz，最大占空比D=0.5，磁芯在100℃下饱和磁感应强度为Bs=0.41T，P18-11磁芯截面积Ae=43.3mm2。计算得最大开启时间Ton=D/fT=1.67us，T=1/fT =3.33us。
23V输入时占空比最大，考虑衰减，取变压器两端电压Vp=22V，取△B=0.1T，匝数计算如下：
Np=（Vp×Ton）/（2×△B×Ae）≈4匝。
初级匝数取4匝，初级每匝电压为V1=5.75V/匝。
考虑输出整流管、绕组等压降，计算变压器次级电压：
Vs=（Vo+VD+VL）/D=60V，计算次级匝数：Ns=Vs/V1≈11匝。
4.PWM控制器辅助电源设计
PWM控制器芯片UCC2891要求启动电压大于12.5V，预估工作时最大电流约为30mA，功耗约0.2W，相对较小。其供电选用典型串联式稳压电路给PWM供电，电路简单、可靠。
5. 隔离功率转换电路设计
N管实际漏源极电压计算：
预估变压器在33V输入时占空比D=0.4，則电路工作时VDS≈55V，
计算漏源峰值电流为IDS=Po/（η×Dmax×Umin），
预估产品效率η=90%，计算IDS≈4.5A；
P管主要作用是续流作用，工作时电流较小，其工作时电压与箝位电容及N沟道主功率管电压相同，最大工作电压为55V；其工作电流近似等于励磁电感电流的负向最大值，其计算公式为：
IS2=VinMAX×Dmax/（Lm×fT）计算得IS2=1.4A。
6.整流管的计算
计算工作时整流二极管及续流二极管承受的最大反向电压及峰值电流，整流二极管最大反向电压VF计算如下：
VF1=Vo+DmaxVINmax*NS/NP（1-Dmax） 计算得：IF1=118.8V；
续流二极管最大反向电压VF2计算如下：
VF2=VINmax*NS/NP 计算得：VF2=90.8V；
整流二极管及续流二极管正向电流峰值与输出电感CCM时的最大峰值电流相同，则有：
ID1=ID2=IOUT/D 计算得ID=3.75A。
7.输出滤波电路
输出电感设计计算
已知产品输出最大电流IO（max）为1.5A，设产品峰值电流Ipmax为2A，取纹波电流系数k为0.2，最小占空比为40%，选择DMR95磁芯材料开气隙制作输出电感，控制电感工作时的最大磁通密度BMAX≤0.3T。
在电流连续时，输出电感电感量计算公式如下：
计算得：Lo=217uH；
计算电感最大峰峰值磁通摆幅：
ΔBMAX=BMAX×k×IO（MAX）/Ipmax
计算得：ΔBMAX=0.045T；
AP法计算选择磁芯，单线圈系数K1取0.03：
计算得：电感AP=0.072cm4；
选择P18-11型磁芯（AP=0.224cm4）。
电感匝数计算公式如下（L单位uH，尺寸cm）：
计算得： N=21匝；
根据公式L=AL×N2，计算得：电感系数AL=490nH/N2；
输出滤波电容设计计算
设控制输出电压纹波≤30mV，根据输出电容计算公式计算：
计算得最小输出电容Co=4.1uF，考虑电容在高直流偏置电压条件下容量下降，设计选择47 uF低ESR的陶瓷电容器。
（三）28V转-5V输出单元电路设计
该单元电路功率较小，但要求隔离，可采用单端反激拓扑，设计电路工作在CCM模式，效率高、纹波低，电路简单成熟，可满足电路整体要求。详细电路设计此文不做详细分析。
三、结论
本文基于有源箝位软开关技术，通过详细参数计算分析，设计实现了42W射频电源主功率转换，经工程验证，满足射频电路实际应用需求。应用该种电路拓扑，可有效提高电源效率及电磁兼容性，满足各类高可靠高性能需求的电子设备应用需求。
参考文献：
[l]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计M1.北京：电子工业出版社，2004.