基于肖特基二極管的緊湊高效型大功率整流電路

郭慧霞,陳鵬,李鵬

(大連海事大學 信息科學技術學院,遼寧 大連116000)

0 引 言

微波無線輸能(microwave power transmission)系統最早1964年被W.C.Brown教授提出[1],其包括發射微波信號源、發射天線、接收天線和微波整流電路[2]。微波整流電路是MPT系統的關鍵部件,必須根據整個系統的參數進行設計。傳統的微波整流電路由輸入低通濾波器(LPF)/阻抗匹配網絡、肖特基二極管、輸出直通濾波器和電阻負載組成[3]。

普通肖特基二極管通常反向擊穿電壓最大只能達到15 V,導致基于肖特基二極管的微波整流電路其輸入功率都在30 dBm以下。因為30 dBm以上的射頻輸入功率會在肖特基二極管上引起顯著的電壓和電流波動,從而導致二極管的金屬半導體結擊穿并永久損壞[4]。相比肖特基二極管,GaN二極管的擊穿電壓可以達到90 V,但是GaN在成本效益高的半導體工藝中是不可行的[5]。近幾年來為了滿足大功率、高電壓的供電需求[6],研究者提出了結合功分網絡設計大功率整流電路[7]。但此結構整流電路存在因引入功分網絡帶來額外損耗,具有整流效率低、尺寸大不易集成的缺點。如文獻[8]通過結合功分器和二極管陣列將整流電路的功率容量提升到39.28 dBm,但是其整流效率只有44.27%,不具有較強的實用性。文獻[9]雖然設計的整流電路功率容量達到41 dB,但其電路尺寸為180 mm×180 mm,不能很好的和接收天線、電子設備集成。

為解決上述功率容量低、整流效率低、電路尺寸大的問題,本文設計了一種無輸入濾波器的高效大功率整流電路。在2.45 GHz的頻率,38 dBm的輸入功率和220 Ω的負載電阻上,得到70%的微波直流轉換效率。該電路具有尺寸小、整流效率高、功率容量大的特點,可應用于智能手機、平板電腦、互聯網設備等瓦級終端能量供給。

1 整流電路分析設計

1.1 二級管整流特性分析

為獲得高效率和大功率整流,二極管的選取非常關鍵。表1給出了一些肖特基二極管的參數,包括反向擊穿電壓VB、零偏置結電容Cj0和寄生串聯電阻Rs[10]。較高的反向擊穿電壓允許較高的輸入功率,適用于大功率的微波整流;零偏置結電容與微波整流的工作頻率有關,較小結電容的二極管截止頻率高,適用于較高頻段的微波整流;二極管的損耗是由二極管結和串聯電阻上的電壓、電流重疊造成的,較大的寄生串聯電阻會導致二極管的功率損耗增大。綜合考慮本文選取HSMS-282x作為此次設計中的整流二極管最為合適。

表1 肖特基二極管的參數

整流二極管的非線性和較小的反向擊穿電壓增加了整流電路設計的難度,同時也直接影響到整流效率。通過電磁仿真軟件ADS對二極管的整流特性進行了仿真分析,圖1為仿真電路的原理。整流二極管的型號為HSMS_282P;選擇GRM18系列電容,容值為33 pF;采用二倍壓設計整流電路;電路中用輸入阻抗為50 Ω的交流信號源代替天線作為輸入信號;輸入的頻率設置為2.45 GHz。

圖1 二倍壓整流電路的ADS仿真電路原理圖

圖2為二極管整流效率隨輸入功率變化的曲線,可以看出:在輸入功率小于-2 dBm時,受限于整流二極管勢壘,整流效率幾乎為0;隨著輸入功率的增加整流效率逐漸增加;當輸入功率達到35 dBm時,整流效率達到最大67.5%;在輸入功率高于35 dBm時,二極管的反向擊穿電壓鉗制其輸出電壓,導致整流效率快速下降。因此要想設計高效率整流電路,需要一個合適的輸入功率。

圖2 二極管整流效率隨輸入功率的變化

圖3為二極管整流效率隨負載阻抗變化的曲線,可以看出:二極管的整流效率隨著負載阻抗的增加急劇上升,后趨于穩定但隨著負載的增大有下降的趨勢。從上面仿真結果可以看出:二極管的整流效率與輸入功率和負載阻抗有關系。

圖3 二極管整流效率隨負載阻抗的變化

1.2 整流電路概述及設計方法

文章設計的高效大功率整流電路,如圖4所示。整流電路由匹配網絡、諧波抑制網絡、二極管橋、輸出濾波器組成。

圖4 整流電路結構

為了實現大功率整流,設計了具有對稱結構、共用一個匹配網絡和諧波抑制網絡的兩路微波整流電路。每路采用2只HSMS-282P肖特基二極管橋設計單級倍壓的微波整流電路。HSMS-282P內部為4只二極管相互串并聯,增加其等效反向擊穿電壓VB的同時等效寄生串聯電阻Rs不會明顯增大,實現了高效率整流的條件下提升整流電路的輸入功率。圖5給出了不同設計結構的整流電路其輸入功率與整流效率的關系,通過對比可以看出:本文設計的整流電路在整流效率不下降的情況下,將功率容量提升到了38 dBm。

整流電路的轉換效率受限于二極管的損耗[11]。二極管的損耗是由二極管結和串聯電阻上的電壓、電流重疊造成的[12]。為解決上述問題,本文提出了一種新型的諧波抑制網絡。該諧波抑制網絡在奇頻下處于低阻抗,在偶頻下處于高阻抗,使得二極管上的電流和電壓波形重疊最小化,達到提高整流效率的目的。理想的全波段的諧波抑制網絡很難實現,且一個復雜的諧波抑制網絡會在基頻處引入額外的損耗,本文主要設計用于抑制二次、三次諧波的諧波抑制網絡。在本文提出的諧波抑制網絡的結構中,將λg/8終端短路微帶線并聯于二極管的陽級,在2f0下呈現開路;在f0下呈現純電抗jZe,補償二極管在基頻時的容抗阻抗。在兩路微波整流電路的分流處添加扇形開路支節,在3f0下呈現短路。圖6給出了二極管端電壓和電流頻譜圖。結果表明:在二倍頻下呈高阻抗;在三倍頻下呈低阻抗,很好地說明了該結構的整流電路能夠限制二極管的損耗,提高整流效率。

圖6 二極管端電壓和電流頻譜圖

設計的輸出濾波器由微帶扇形開路枝節和λg/4終端開路路微帶線枝節組成?？紤]到2.45 GHz對應的四分之一波長過大,為減少電路尺寸采用扇形結構代替。輸出濾波器的仿真結果如圖7所示。濾波器在2.45 GHz時的反射系數為-0.12 dB,在4.9 GHz時的反射系數為-1 dB,在7.25 GHz時的反射系數為-1.3 dB,即基頻和諧波全部反射回二極管再次整流,只有直流電流通過濾波器。該輸出濾波器的設計既滿足負載兩端得到較純的直流信號,又提高了微波整流電路的效率。

圖7 輸出濾波器的仿真結果曲線

匹配網絡的設計是將整流電路的輸入阻抗zin=(11.9-j5)Ω匹配到50 Ω,方便測試時用SMA接頭將整流電路與測試儀連接。采用并聯型微帶單枝節設計匹配電路,單枝節匹配電路有兩種拓撲結構,如圖8所示。第一種為負載與短截線并聯后,再與一段傳輸線串聯;第二種為負載與傳輸線串聯后,再與一段短截線并聯。通過合理調節匹配網絡中短截線長度lS、短截線特性阻抗ZOS、傳輸線長度lL和傳輸線特性阻ZOL抗可以實現任意阻抗之間的匹配。本文選用第二種匹配電路,設計步驟為:(1)在Smith導納圓圖上畫出過負載阻抗A點的等反射系數圓。(2)找出其與單位電導圓的交點B。(3)匹配方案為先串聯微帶線再并聯開路短截線。圖9為斯密斯圖給出了具體的匹配過程,實現了較好的阻抗匹配。

圖8 微帶線單枝節匹配電路

圖9 zin=11.9-j5Ω阻抗匹配過程

2 整流電路的仿真結果及測量

當ADS聯合仿真與原理圖仿真結果幾乎一致時,加工電路板。加工采用介質基板為FR4,厚度為1.6 mm,覆銅厚度為70 μm,電路版尺寸大小為45 mm×65 mm。加工制作實物圖如圖10所示。

圖10 整流電路實物圖

實測方法:如圖11為測試整流效率框圖;微波源輸出功率測量采用AV2433功率計通過20 dB定向耦合器進行實時監測;輸出Vout用數字直流電壓表測量。

圖11 整流效率測試系統框圖

整流電路的整流效率為:

式中:Pout為輸出的直流功率;Pin為輸入的微波功率;Vout為輸出的直流電壓;RL為負載電阻。

圖12給出了在輸入功率為38 dBm,頻率為2.45 GHz,仿真和測試不同直流負載下整流效率和負載兩端直流電壓的變化?？梢钥闯?最佳直流負載為220 Ω。在負載小于220 Ω時,整流效率和負載兩端的直流電壓隨負載的變大也在變大;在220 Ω時達到最大后,隨負載繼續變大,整流效率減少,負載兩端的直流電壓卻繼續增大。

圖12 整流效率和直流電壓隨負載變化

圖13給出了在2.45 GHz、負載為220 Ω時,仿真和測試整流效率隨輸入功率的變化?？梢钥闯?實測在輸入功率32 dBm～40 dBm范圍內,整流效率大于60%;當輸入功率為38 dBm時,得到了最大的整流效率70%。與普通的整流電路相比,提出的整流電路能夠在效率不下降的條件下提升功率容量。

圖13 整流效率隨輸入功率變化

圖14給出了在2.45 GHz、負載為220 Ω、輸入功率為38 dBm下,整流電路的實測和仿真結果的S11參數?？梢钥闯?實測在基頻2.45 GHz時,S11為-20 dB。很好地說明了該整流電路實現了較好的阻抗匹配,防止了在微波功率傳輸中,因整流電路的不匹配產生駐波,損壞其他有源器件。

圖14 整流電路的S11曲線

從上面的分析結果可以看出實測結果比仿真結果略變差,引起的原因可能有:(1)實物制作的過程中二極管焊接位置不準確引入寄生電容、寄生電感、電阻效應,使得二極管內部參數和仿真有差別,從而引起結果變差或不準確。在焊接SMA接頭時,焊錫連接到了匹配枝節上,加長了匹配枝節的長度,影響匹配結果,從而影響測試結果。(2)實測時儀器設備帶來的誤差。(3)電路加工帶來的誤差,加工精度達不到0.1 mm。

表2給出了最近幾年報道的2.45 GHz瓦級以上微波整流電路。通過對比微波整流電路的輸入功率、整流效率、尺寸大小,可以看出:本文設計的整流電路具有尺寸小、整流效率高、功率容量大的特性,因此具有更廣闊的應用前景。

表2 最近報道的整流電路性能對比

3 結束語

通過ADS聯合仿真分析和設計,提出了一種工作在2.45 GHz的緊湊型高效大功率整流電路。應用4只HSMS_282P肖特基二極管橋實現整流效率不下降的條件下將功率容量提升到38 dBm。應用λg/8終端短路微帶線和扇形開路支節設計諧波抑制網絡,該結構的整流電路不僅可以提高整流效率,而且避免了輸入低通濾波器的設計。實測結果表示該整流電路具有小型化、整流效率高、功率容量大的特點,更適合應用于大功率、高電壓的供能。