基于肖特基二极管的紧凑高效型大功率整流电路

郭慧霞,陈鹏,李鹏

(大连海事大学 信息科学技术学院,辽宁 大连116000)

0 引 言

微波无线输能(microwave power transmission)系统最早1964年被W.C.Brown教授提出[1],其包括发射微波信号源、发射天线、接收天线和微波整流电路[2]。微波整流电路是MPT系统的关键部件,必须根据整个系统的参数进行设计。传统的微波整流电路由输入低通滤波器(LPF)/阻抗匹配网络、肖特基二极管、输出直通滤波器和电阻负载组成[3]。

普通肖特基二极管通常反向击穿电压最大只能达到15 V,导致基于肖特基二极管的微波整流电路其输入功率都在30 dBm以下。因为30 dBm以上的射频输入功率会在肖特基二极管上引起显著的电压和电流波动,从而导致二极管的金属半导体结击穿并永久损坏[4]。相比肖特基二极管,GaN二极管的击穿电压可以达到90 V,但是GaN在成本效益高的半导体工艺中是不可行的[5]。近几年来为了满足大功率、高电压的供电需求[6],研究者提出了结合功分网络设计大功率整流电路[7]。但此结构整流电路存在因引入功分网络带来额外损耗,具有整流效率低、尺寸大不易集成的缺点。如文献[8]通过结合功分器和二极管阵列将整流电路的功率容量提升到39.28 dBm,但是其整流效率只有44.27%,不具有较强的实用性。文献[9]虽然设计的整流电路功率容量达到41 dB,但其电路尺寸为180 mm×180 mm,不能很好的和接收天线、电子设备集成。

为解决上述功率容量低、整流效率低、电路尺寸大的问题,本文设计了一种无输入滤波器的高效大功率整流电路。在2.45 GHz的频率,38 dBm的输入功率和220 Ω的负载电阻上,得到70%的微波直流转换效率。该电路具有尺寸小、整流效率高、功率容量大的特点,可应用于智能手机、平板电脑、互联网设备等瓦级终端能量供给。

1 整流电路分析设计

1.1 二级管整流特性分析

为获得高效率和大功率整流,二极管的选取非常关键。表1给出了一些肖特基二极管的参数,包括反向击穿电压VB、零偏置结电容Cj0和寄生串联电阻Rs[10]。较高的反向击穿电压允许较高的输入功率,适用于大功率的微波整流;零偏置结电容与微波整流的工作频率有关,较小结电容的二极管截止频率高,适用于较高频段的微波整流;二极管的损耗是由二极管结和串联电阻上的电压、电流重叠造成的,较大的寄生串联电阻会导致二极管的功率损耗增大。综合考虑本文选取HSMS-282x作为此次设计中的整流二极管最为合适。

表1 肖特基二极管的参数

整流二极管的非线性和较小的反向击穿电压增加了整流电路设计的难度,同时也直接影响到整流效率。通过电磁仿真软件ADS对二极管的整流特性进行了仿真分析,图1为仿真电路的原理。整流二极管的型号为HSMS_282P;选择GRM18系列电容,容值为33 pF;采用二倍压设计整流电路;电路中用输入阻抗为50 Ω的交流信号源代替天线作为输入信号;输入的频率设置为2.45 GHz。

图1 二倍压整流电路的ADS仿真电路原理图

图2为二极管整流效率随输入功率变化的曲线,可以看出:在输入功率小于-2 dBm时,受限于整流二极管势垒,整流效率几乎为0;随着输入功率的增加整流效率逐渐增加;当输入功率达到35 dBm时,整流效率达到最大67.5%;在输入功率高于35 dBm时,二极管的反向击穿电压钳制其输出电压,导致整流效率快速下降。因此要想设计高效率整流电路,需要一个合适的输入功率。

图2 二极管整流效率随输入功率的变化

图3为二极管整流效率随负载阻抗变化的曲线,可以看出:二极管的整流效率随着负载阻抗的增加急剧上升,后趋于稳定但随着负载的增大有下降的趋势。从上面仿真结果可以看出:二极管的整流效率与输入功率和负载阻抗有关系。

图3 二极管整流效率随负载阻抗的变化

1.2 整流电路概述及设计方法

文章设计的高效大功率整流电路,如图4所示。整流电路由匹配网络、谐波抑制网络、二极管桥、输出滤波器组成。

图4 整流电路结构

为了实现大功率整流,设计了具有对称结构、共用一个匹配网络和谐波抑制网络的两路微波整流电路。每路采用2只HSMS-282P肖特基二极管桥设计单级倍压的微波整流电路。HSMS-282P内部为4只二极管相互串并联,增加其等效反向击穿电压VB的同时等效寄生串联电阻Rs不会明显增大,实现了高效率整流的条件下提升整流电路的输入功率。图5给出了不同设计结构的整流电路其输入功率与整流效率的关系,通过对比可以看出:本文设计的整流电路在整流效率不下降的情况下,将功率容量提升到了38 dBm。

整流电路的转换效率受限于二极管的损耗[11]。二极管的损耗是由二极管结和串联电阻上的电压、电流重叠造成的[12]。为解决上述问题,本文提出了一种新型的谐波抑制网络。该谐波抑制网络在奇频下处于低阻抗,在偶频下处于高阻抗,使得二极管上的电流和电压波形重叠最小化,达到提高整流效率的目的。理想的全波段的谐波抑制网络很难实现,且一个复杂的谐波抑制网络会在基频处引入额外的损耗,本文主要设计用于抑制二次、三次谐波的谐波抑制网络。在本文提出的谐波抑制网络的结构中,将λg/8终端短路微带线并联于二极管的阳级,在2f0下呈现开路;在f0下呈现纯电抗jZe,补偿二极管在基频时的容抗阻抗。在两路微波整流电路的分流处添加扇形开路支节,在3f0下呈现短路。图6给出了二极管端电压和电流频谱图。结果表明:在二倍频下呈高阻抗;在三倍频下呈低阻抗,很好地说明了该结构的整流电路能够限制二极管的损耗,提高整流效率。

图6 二极管端电压和电流频谱图

设计的输出滤波器由微带扇形开路枝节和λg/4终端开路路微带线枝节组成。考虑到2.45 GHz对应的四分之一波长过大,为减少电路尺寸采用扇形结构代替。输出滤波器的仿真结果如图7所示。滤波器在2.45 GHz时的反射系数为-0.12 dB,在4.9 GHz时的反射系数为-1 dB,在7.25 GHz时的反射系数为-1.3 dB,即基频和谐波全部反射回二极管再次整流,只有直流电流通过滤波器。该输出滤波器的设计既满足负载两端得到较纯的直流信号,又提高了微波整流电路的效率。

图7 输出滤波器的仿真结果曲线

匹配网络的设计是将整流电路的输入阻抗zin=(11.9-j5)Ω匹配到50 Ω,方便测试时用SMA接头将整流电路与测试仪连接。采用并联型微带单枝节设计匹配电路,单枝节匹配电路有两种拓扑结构,如图8所示。第一种为负载与短截线并联后,再与一段传输线串联;第二种为负载与传输线串联后,再与一段短截线并联。通过合理调节匹配网络中短截线长度lS、短截线特性阻抗ZOS、传输线长度lL和传输线特性阻ZOL抗可以实现任意阻抗之间的匹配。本文选用第二种匹配电路,设计步骤为:(1)在Smith导纳圆图上画出过负载阻抗A点的等反射系数圆。(2)找出其与单位电导圆的交点B。(3)匹配方案为先串联微带线再并联开路短截线。图9为斯密斯图给出了具体的匹配过程,实现了较好的阻抗匹配。

图8 微带线单枝节匹配电路

图9 zin=11.9-j5Ω阻抗匹配过程

2 整流电路的仿真结果及测量

当ADS联合仿真与原理图仿真结果几乎一致时,加工电路板。加工采用介质基板为FR4,厚度为1.6 mm,覆铜厚度为70 μm,电路版尺寸大小为45 mm×65 mm。加工制作实物图如图10所示。

图10 整流电路实物图

实测方法:如图11为测试整流效率框图;微波源输出功率测量采用AV2433功率计通过20 dB定向耦合器进行实时监测;输出Vout用数字直流电压表测量。

图11 整流效率测试系统框图

整流电路的整流效率为:

式中:Pout为输出的直流功率;Pin为输入的微波功率;Vout为输出的直流电压;RL为负载电阻。

图12给出了在输入功率为38 dBm,频率为2.45 GHz,仿真和测试不同直流负载下整流效率和负载两端直流电压的变化。可以看出:最佳直流负载为220 Ω。在负载小于220 Ω时,整流效率和负载两端的直流电压随负载的变大也在变大;在220 Ω时达到最大后,随负载继续变大,整流效率减少,负载两端的直流电压却继续增大。

图12 整流效率和直流电压随负载变化

图13给出了在2.45 GHz、负载为220 Ω时,仿真和测试整流效率随输入功率的变化。可以看出:实测在输入功率32 dBm～40 dBm范围内,整流效率大于60%;当输入功率为38 dBm时,得到了最大的整流效率70%。与普通的整流电路相比,提出的整流电路能够在效率不下降的条件下提升功率容量。

图13 整流效率随输入功率变化

图14给出了在2.45 GHz、负载为220 Ω、输入功率为38 dBm下,整流电路的实测和仿真结果的S11参数。可以看出:实测在基频2.45 GHz时,S11为-20 dB。很好地说明了该整流电路实现了较好的阻抗匹配,防止了在微波功率传输中,因整流电路的不匹配产生驻波,损坏其他有源器件。

图14 整流电路的S11曲线

从上面的分析结果可以看出实测结果比仿真结果略变差,引起的原因可能有:(1)实物制作的过程中二极管焊接位置不准确引入寄生电容、寄生电感、电阻效应,使得二极管内部参数和仿真有差别,从而引起结果变差或不准确。在焊接SMA接头时,焊锡连接到了匹配枝节上,加长了匹配枝节的长度,影响匹配结果,从而影响测试结果。(2)实测时仪器设备带来的误差。(3)电路加工带来的误差,加工精度达不到0.1 mm。

表2给出了最近几年报道的2.45 GHz瓦级以上微波整流电路。通过对比微波整流电路的输入功率、整流效率、尺寸大小,可以看出:本文设计的整流电路具有尺寸小、整流效率高、功率容量大的特性,因此具有更广阔的应用前景。

表2 最近报道的整流电路性能对比

3 结束语

通过ADS联合仿真分析和设计,提出了一种工作在2.45 GHz的紧凑型高效大功率整流电路。应用4只HSMS_282P肖特基二极管桥实现整流效率不下降的条件下将功率容量提升到38 dBm。应用λg/8终端短路微带线和扇形开路支节设计谐波抑制网络,该结构的整流电路不仅可以提高整流效率,而且避免了输入低通滤波器的设计。实测结果表示该整流电路具有小型化、整流效率高、功率容量大的特点,更适合应用于大功率、高电压的供能。