ICP仪器中大功率射频固态功率放大板的设计

金 星，戚鹏程

(中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院，湖北 武汉 430074)

ICP仪器中大功率射频固态功率放大板的设计

金 星，戚鹏程

(中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院，湖北 武汉 430074)

本研究提出了一种在电感耦合等离子体(ICP)质谱/光谱仪中，安装在离子源光炬前端，单板最高功率可达2 000 W的射频功率放大板的设计制作方法。该放大板采用最新射频横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)管Freescale MRFE6VP61K25H为末级放大器。MRFE6VP61K25H单管放大能力可达1 250 W，改进后单板通过2个LDMOS管组成推挽并行式的E类放大器，可轻松达到ICP光源要求的1 600 W设计功率。该放大器的成品体积为所用装备的25%，制造成本也仅为目前同类产品的50%，达到了体积小、造价低、功率大的设计效果。此设计可为进一步研制便携式ICP质谱/光谱仪等提供良好的硬件基础。

ICP；大功率；单板；放大器

固态射频电源[1]是ICP质谱/光谱仪中等离子体产生装置的能量提供部分，功率放大板又是固态射频电源的核心部件[2-3]，一般功率在千瓦以上的固态射频电源均可通过若干块功率放大板经功率合成技术得到[4-5]。

近年来，随着我国资源[6]、环境[7]、医药[8]、食品等行业的快速发展，ICP分析检测仪器的需求量呈现大幅增长，同时也对其核心器件固态脉冲功率放大板的小型化、模块化、国产化提出了更高的要求[9]。使用功率放大板后，2 000 W以下的固态功率输出模块无需再通过功率合成即可输出，可大幅减小仪器的体积，并省去功率合成模块，降低了制造成本和加工难度，提高了能量转化率，节省了电力资源。

本工作选用半导体功率LDMOS管作为功率放大的核心，设计并制作适合ICP仪器的射频功率放大板，并进行功率输出实验，以期达到增大功率输出，减小设备体积的目的。

1 功率放大板的设计

1.1 设计指标

输入/输出频率27.12 MHz，输出功率600～1 600 W，功率稳定度≤1‰。

1.2 总体设计结构

本设计前端给出27.12 MHz方波小信号，通过功率板放大，再通过阻抗匹配到同轴电缆，传输匹配后加载到负载线圈上[9]。

1.3 功率放大部分

放大板是射频电源的一部分，前级提供两路相位差为180°的PWM TTL方波信号作为放大板的输入信号，通过中间两级缓冲放大来驱动末级的MRFE6VP61K25H功放管。本设计采用的一级驱动MOS管为东芝公司制造；二级驱动三极管为三洋公司的某NPN和PNP型功率三极管配合使用。通过调节输入TTL信号的占空比和第二级放大三极管的集电极电压来调节功率的输出大小[9]。

本研究所设计的电路原理概视图示于图1。

输入信号由前级信号发生及控制电路产生，为了仿真的顺利进行，用端口term1代替，现不详述其产生过程，只对输入信号标准做以下描述：1)两路TTL信号均为方波信号，频率为27.12 MHz，转换时间小于1.2 ns；2)相位差保持180°；3)占空比通过门电路控制，锁定在0～50%的可调节范围内，并绝对禁止超过50%。

图1 大功率放大板一侧原理概图Fig.1 The principle schematic of the high power amplifier board

高频NPN型三极管与分压电阻组成的射极跟随器负责对MRFE6VP61K25H的栅极进行充电；而PNP型三极管负责对大功率MOS管的栅极进行放电。PWM射频TTL信号接到一级驱动MOS管的门极，当其栅极电压为低电平时，一级驱动MOS管截止，二级NPN型三极管处于饱和导通状态，二级PNP管截止，此时电路对MRFE6VP61K25H的栅极进行充电；当一级MOS管的栅极电压为高电平时，MOS管导通，此时NPN三极管处于截止状态，PNP管导通，此时电路对MRFE6VP61K25H的栅极进行放电。若二级驱动三极管的驱动能力不够，可以将多个高频NPN或PNP三极管并联使用，以增大驱动电流。

系统使用48 V、3 000 W直流电源供电，左右两路信号分别交替导通[15-17]，产生的射频能量经阻抗匹配后由同轴电缆引出。

1.4 功率输出部分

MRFE6VP61K25H技术手册上给出的功率管在正常工作条件下的输出阻抗是7 Ω，列于表1，这与ICP系统阻抗是50 Ω有较大差距，因此不能直接输出，需要设计一个装置将输出阻抗变换成50 Ω的特性阻抗[18]。

此处的阻抗匹配网络是通过ADS软件设计的，所用的元件参数示于图2。可以看出，可通过自动二元网络匹配选项把输出阻抗7 Ω匹配到50 Ω。由图2可以明显看到参数S11匹配后的频率特性，在27.12 MHz处有明显降低的效果。

表1 功率管的输入输出阻抗

2 放大部分系统仿真

在确定最佳输入输出阻抗后和进行系统阻抗匹配前，要对功率放大板进行稳定性分析和设计[3-4]。在S参数仿真中，单管绝对稳定的条件示于式(1)。必须使稳定性判别系数K大于1，才能保证放大器是稳定的[19]。

图2 大功率放大板输出阻抗匹配设计与结果Fig.2 The output impedance matching design and results of the high power amplifier board

|S11|<1-|S12S21|

(1)

|S22|2<1-|S12S21|

在S参数仿真下，27.12MHz处功放管的稳定系数明显大于1，达到了稳定要求，示于图3。然后再通过ADS协调功能来调节电路元器件的具体参数，最终使S11与S21达到较好的参数[20]。S11值在27.12MHz处急剧下降，反射系数较小，因为功率管功率放大的关系，S21大于0db很多，传输效率高，示于图4。加上阻抗匹配网络的放大电路最终的设计图示于图5。

3 研制结果

在完成了射频功率放大板设计、制作后，对其进行功率输出实验，其结构框图示于图6。其中，标准负载是相对ICP光源的真实负载等离子体而言的一种实验装置，由4支阻抗为50Ω的射频电阻组成，每支射频电阻的额定功率为800W，所以标准负载的最大额定功率是3 200W。内部散热片采用北京海光仪器公司的CS-1B型水冷循环仪进行冷却，可以满足实验的散热需要。在本实验中，功率从初始的50W升到最大值2 000W，一般在15min内完成，在1 600W左右做了持续1 h的连续功率输出实验，在室温25 ℃条件下同轴电缆会持续发热。

图3 稳定性系数KFig.3 Stability factor K

图4 S11,S22参数值Fig.4 Parameters of S11,S22 value

图5 放大器电路图Fig.5 Amplifier board circuit

图6 功率输出实验结构图Fig.6 The structure of output power experiment

实验中，占空比尚未达到50%时，输出功率就超过了1 600 W，但由于标准负载和功率LDMOS管的温度过高，故没有对射频电源进行更长时间的稳定性测试。输出功率值与射频电源工作效率的关系曲线示于图7，其输出功率的效率是通过计算输出射频功率的大小与输入直流电源功率大小的比值而得出的，这是一种估算输出功率效率的简易方法[5,9]。

图7 放大器输出功率-效率曲线Fig.7 The function diagram of amplifier’s output power vs efficiency

射频电源的工作效率最大值是76%，在900～1 500 W的区间，工作效率可达到70%以上，而在ICP光源正常工作的功率区间(1 100～1 400 W)，其工作效率在74%以上，说明此射频电源的设计方案符合ICP光源的使用条件。输出功率与其反射功率的关系曲线示于图8，由图8可见，反射功率与入射功率成正比关系。

图8 放大器输出功率-反射功率曲线Fig.8 The function diagram of amplifier’s output power vs reflection power

最大的反射功率为17 W，仅占入射功率的1.10%，即功率传输效率为98.9%，在射频电源可以承受的范围内。功率放大板输入信号的功率与输出射频功率的理想关系示于图9。其功率输出实验的各项数据表明，设计制作的频率为27.12 MHz的功率放大板可以满足ICP光源设备的需要。

图9 输入/输出功率理论关系图Fig.9 The theoretical function diagram of amplifier’s output power vs reflection power

4 结论

本研究通过使用MRFE6VP61K25H对已有的设计做了一定的改进，可达到增大功率输出、减小设备体积的目的。综合情况下，最大功率输出可达2 000 W，能满足ICP光源提出的1 600 W要求，并降低了造价，减小了安装体积。

本设计仍有一定的不足，如输入输出功率的线性度不够一致等[21]，但这并不影响最终射频功率输出的稳定性[22]，射频放大器的线性化方法大致可以分为电路设计方法和信号处理方法两类，数字预失真方法的思想也被应用于线性度调整领域，可继续做深入探究。本研究的部分设计目前尚处于测试阶段，研制成果也仅停留在实验室制造阶段，功率放大板若从实验室的单个制造到市场商业化的批量生产，仍需长时间的可靠性实验来检验其耐久性和产品的一致性。

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A High Power RF Solid-State Power Amplifier for ICP

JIN Xing，QI Peng-cheng

(ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan),Wuhan430074，China)

A design and manufacturing method of power amplifier which installed in front of ICP-MS/ICP-AES's ICP light torch was presented．The amplifier board was used the latest RF LDMOS transistor MRFE6VP61K25H as the final step amplifier．A single MRFE6VP61K25H LDMOS transistor supply maximum 1 250 W RF power, so this amplifier moudle which peak power can reach 2 000 W， can meet the ICP light torch's power requirement(1 600 W)easily through two LDMOS constitute a parallel push-pull class E amplifier．The volume of power amplifier module is reduced to 25% of the design before, and the module cost is only 50% of current similar products. This design provides a good hardware basis for the further development of portable ICP-MS and ICP-AES, etc.

ICP；high-power；single plate；RF amplifier

2013-10-25；

2014-01-08

科技部重大仪器专项(2011YQ14015006)；国家重大科学仪器设备开发专项(2012YQ09016701)资助

金 星(1961～)，男(汉族)，湖北人，教授，从事光谱与成像仪器工程技术研究。E-mail: jdxyjx@126.com

戚鹏程(1987～)，男(汉族)，安徽人，硕士研究生，控制理论与控制工程专业。E-mail:308867322@qq.com

O 657.63;TN 722

A

1004-2997(2014)03-0250-06

10.7538/zpxb.2014.35.03.0250