尹钇涵，汪建华，秦道东

（武汉工程大学湖北省等离子体化学与新材料重点实验室，湖北 武汉 430074）

0 引 言

微波技术具有广阔的应用前景。随着工艺生产要求的日益提升，微波电源作为激发或获取微波的重要部件，其设计研究工作意义重大。目前，微波技术广泛应用于社会各领域，尤其是工业生产、科研工作及日常生活。深入研究大功率、高稳定的微波电源，是发展科技、提高科研水平及推动工业化进程的基础，也是稳定电源研究的必然趋势。

1 电源系统设计

1.1 微波电源原理

无论是何种电子产品，电路设计决定了整个产品是否能够实现功能，也决定了产品设计是否能够成功。本设计中，微波电源控制系统总方案，如图1所示。

1.2 采样电路

当开关电源转换器处于工作状态时，电流反馈和电压反馈是常见的两种控制环路方式。其中，电流反馈是检测开关管电流后，有效控制开关管导通时间的占空比，从而确保整个电路工作过程中输出稳定电压。

1.2.1 常见的采样原理

（1）电阻采样

将电阻和负载电阻串联，通过采样电阻降低对应电压，以达到检测电流的目的。

（2）Rdsj检测

对于线性区，MOS管可作为电阻使用，同时检测功率管对应的电压，以获得功率管的具体电流。

（3）电感电流检测技术

对电感电压采取低通滤波的电路模式进行过滤处理，并进行电流检测。

图1 微波电源控制系统总方案框图

（4）SENSEFET电流检测

将功率管和采样管并联，确保两者源漏极相连。借助采样管和功率管呈现镜像。

1.2.2 采样电路设计

整个设计中，采样数据直接影响微波电源的输出功率精准度，需选择阳极电流[1]。将7个功率均为2 W的电阻并联，再接入分流电阻阳极电流，进而获得相应的电压信号，如图2所示。

1.3 磁控管系统设计

图2 阳极电流采样电路

磁控管工作时，可被视作二极管应用于相互正交的电磁场。因此，影响磁控管输出功率的最大因素是阳极电流的波动情况。为得到稳定的阳极输出电流，有效控制阳极电流，需合理调节磁场电流[2]。由于阴极电压波动小，可将其看作是不变常量。整个电路系统设计中，需满足磁场线圈同时流过阳极电流和磁场电流。磁控管工作时，随着磁场强度的不断变化，阳极电流随之变化。因此，通过磁场调度，有效控制阳极电流。磁场电流调节简化图，如图3所示。

图3 磁场电流调节简化图

1.4 过零检测电路

同一状态下，电压设置不低于4 V，脉冲宽度保持20 μs以上，并以每半个周期为时限触发脉冲输出，实现触发脉冲与交流电压效率的同步提升。如图4所示，整个电路中，TPL521-2发挥隔离作用，B1表示变压器。若正弦交流存在趋近于0的对应电压，将触发三极管T1的导通，并产生负脉冲信号。当T1电压输出端与对应于单片机的引脚INTO相接，会产生中断效用。通过定时器累计时间，会同步触发该信号。

1.5 过零触发电路

过零触发电路如图5所示。MOC3061是光电耦合器，具有双向可控的特点和隔离阻断的作用，且能驱动BCR。由图5可知，整个过零触发电路中，R6为限流电阻，R7为BCR的门极电阻。R6和R7主要承担抗干扰作用，避免出现错误触发。若单片机的P1.0引脚为负脉冲信号，触发BCR能导通交流负载[3]。如果接通感性交流的负载和双向可控硅，那么会导致电源电压明显高出负载电流一相位角。因此，当负载电流为0时，电源电压处于反向状态。同时，在感性负载对应的自感电动势的影响下，双向可控硅能承受的电压值远高于电源电压承受的电压值。此外，双向可控硅具备反向导通功效，但也更容易被击穿。为确保双向可控硅能承受较大反向电压，可在其两级并联一个RC阻容。图5中，C2、R8是RC阻容吸收型电路。

图4 过零检测电路

图5 过零触发电路

1.6 保护电路

微波电源中，磁控管是整个系统装置的核心器件。为延长微波电源装置的使用寿命，必须采取必要的保护措施。本设计中，选用的磁控管型号为CK-611。工作状态下，磁控管阴极与阳极处于两种不同状态，阴极持续加热，而阳极持续受到电子流的冲击。为避免磁控管因温度变化而损坏，必须采取相应的冷却措施。设计中，为获得最佳实验效果，用水管连接进水口和水龙头，并选用自来水为冷水。此外，为避免磁控管工作中因冷水而导致工作中断，将在水管中段接一个压力开关。一旦因冷却而导致中断，可借助压力开关切断设备的运行。

2 软件程序设计

研发电子产品时，硬件电路设计是核心工作。为确保电子产品能实现设定功能，需用软件程序予以辅助。软件工程师编写程序，可将原本独立存在的电路硬件连接，从而形成一个运行整体，以实现产品研发的目的。设计中，选用的单片机型号为ATmega32，需对代码程序进行模块化处理，并对局部重点程序进行逐一编写。该编程思路明显提升了软件设计编程效率，具体设计如图6所示[4]。

图6 软件总体框架图

根据微波磁控管设计的相关要求，对单片机程序运行的具体流程作如下设计。

（1）开机接通单片机控制系统电源。单片机系统在接收到微波电源启动信号前处于待机状态，一旦接收到微波电源启动信号，单片机系统将启动，并进行水流检测工作，确保对磁控管的冷却工作能正常开展。若水流流速处于不正常状态，系统将发出报警，并提示报警原因。

（2）通过水流检测后，将预热灯丝。系统刚启动时，冷却灯丝电阻相对较小，但是随着系统预热的持续，电阻逐渐增大，电流持续降低，最终逐渐趋于36 A。

（3）灯丝预热结束后，系统启动励磁电源。当磁控管中的磁场强度达到截止点时，将启动微波电源系统的电场电源部门。此时，微波电源输出1kW的稳定微波。

（4）采样电路下，借助不同功率电路采样微波，并与手动设置的数据进行对比分析。根据数据依次判断是否有输入调节磁控管，并通过人机界面纠正磁控管的输出功率，使其达到预先设定功率。微波电源系统达到预先设定值后，需不断对设备进行水流检测和水温检测，以确保设备水冷却系统正常运行。一旦发现设备出现电压不足或断水现象，系统将发出指令使设备自动中断并停止运作，从而保护设备。

3 结 论

随着科技的不断发展，微波技术的应用日益广泛。尤其是在工业生产领域，微波技术具有极其重要的地位。随着精尖细生产工艺要求的出现，微波电源作为获取微波的核心器件，其研究意义深远。本设计采用单片机反馈和调节微波电源的输出功率，提高了输出功率的稳定性。今后还需不断深入研究，以完善大功率微波电源的稳定性。