基于升压原理的整流电路设计①

2020-06-04张巧利赵德双曹卫平

空间电子技术 2020年2期

杨刚，张巧利，赵德双*，曹卫平

(1.电子科技大学物理学院，成都 610054；2.桂林电子科技大学无线宽带通信与信号处理重点实验室，桂林 541004)

0 引言

微波输能(Microwave Power Transmission，MPT)是无线能量传输(Wireless Power Transmission，WPT)技术中的一种，在卫星输能、医疗防护、室内无线充电等领域有广泛的应用前景[1]。微波输能运用电磁波进行空间能量传输，其系统由发射端和接收端两部分组成[2]。发射端由微波功率源将直流电能转换为射频能量，通过天线发送出去，接收天线接收到射频能量并传输给整流电路进行整流，将射频能量再转换为直流[3]。因此，设计高效率的整流电路是提高微波输能系统效率的重要环节。

目前，国内外的研究者已经提出了很多整流电路结构用于提升整流电路的最大整流效率，拓宽高效率下的输入功率范围，以及实现高效率的大功率整流。上世纪60年代，Brown WC首先对整流天线进行研究测试，但是只获得了40%的传输效率，后来他改用了低噪放和高功率的磁控管来发射射频能量，接收天线采用二极管天线阵代替，大大提高了能量转换效率[4]。1970年Brown WC利用半波长偶极子天线和肖特基二极管做出了整流天线，能够实现最高76%的转换效率。到2010年，Takhedmit H等人设计了具有谐波抑制功能的整流天线，采用二倍压整流结构使得转换效率达到83%[5]。

现阶段对整流电路的研究主要集中在谐波抑制整流天线、多频带和宽频带整流电路、宽输入功率范围整流电路和可调谐匹配网络等方面[6]，而对整流二极管本身能量损耗及降低整流二极管能量损耗的方法仍有待进一步研究。本文基于对整流电路的原理分析，利用整流二极管的等效电路模型分析其在正常工作状态下的损耗，提出了一种通过阻抗变换电路提高整流电路中整流二极管的输入电压，进而降低整流二极管欧姆损耗和结上能量损耗的方法。仿真结果表明，采用该方法进行整流电路设计，能够有效降低整流二极管的能量损耗，提高整流电路的整流效率，进而实现整流电路的快速设计。

1 整流电路升压原理分析

整流电路一般由输入滤波器、阻抗匹配电路、整流二极管、输出直通滤波器以及负载组成[8]，如图1(a)所示。由于二极管有非线性特性，在整流过程中会产生高次谐波，它们会被再次反射到微波源或天线，因此需要一个输入滤波器来抑制高次谐波。阻抗匹配电路实现微波源和整流电路的阻抗匹配。经整流电路之后的电能不再是交流电，而是一种含有直流分量和交流分量的单向脉动性直流电压，再经直通滤波器之后变为直流电能。由于高次谐波分量所占能量比重很小，也不在本方法的设计范围内，因此不专门设计输入滤波器和输出直通滤波器。按照电路的结构不同，整流电路有单管串联整流电路、单管并联整流电路、双管串并联整流电路和桥式整流电路[9]。本文的设计方法以单管串联整流电路为例，其电路结构如图1(b)所示，其中表示整流二极管输入电压的幅值，表示整流后输出到负载的电压，电容C1为滤波电容，相当于一个直通滤波器。

(a) 整流电路结构框图

(b) 单管串联整流电路结构图1 整流电路结构Fig.1 Rectifier circuit structure

整流二极管的特性决定了整流电路的最大转换效率和功率容量，由于肖特基二极管具有低结电容和低导通电压等优点，本次设计选择肖特基二极管作为整流二极管。将肖特基二极管的等效电路模型带入单管串联整流电路，整流电路的等效模型如图2所示[10]。其中，Rs表示二极管的串联电阻，Cj为二极管的结电容，它们都不随二极管的工作状态改变，结电阻Rj是可变的，当二极管处于正向导通时Rj远小于Cj的容抗，当二极管反向偏置时Rj的阻值很大。

图2 整流电路等效模型Fig.2 Equivalent model of rectifier circuit

在整流电路和微波源匹配良好，并不考虑电路其他部分的损耗时，整流电路的整流效率定义为：

(1)

其中，PDC为整流电路输出的直流功率，PLOSS表示整流二极管上一个周期内消耗的功率，它们可表示为：

(2)

PLOSS=Lon,RS+Loff,RS+Lon,diode

(3)

以上两式中，Vout为负载电阻RL两端的电压，Lon,RS表示正向导通时二极管的欧姆损耗，Lon,diode表示二极管正向导通时，二极管结上的能量损耗，Loff,RS表示反向偏置时损耗的能量，当二极管处于反向偏置时，二极管结上损耗的能量为零[11]。记正向导通和反向偏置时，串联整流电路中的电流分别为Ion和Ioff，则由图2的等效电路模型可以得到：

(4)

(5)

(6)

由于二极管的串联电阻RS和阈值电压Vbi为确定的值，因此二极管的能量损耗主要受二极管正向导通时的电流Ion和反向偏置时的电流Ioff影响。当整流电路的输入功率一定时，若能增大整流电路输入端的电压，则二极管导通和反偏时的电流均会降低，从而由(4)、(5)和(6)式可以看到，整流二极管的能量损耗将会降低，代入(1)式可以得到，随着电路中电压的升高，整流电路的整流效率将会提高。

在输入功率保持不变时，若能增大二极管输入端的输入阻抗，则能达到提高二极管输入电压幅值的目的。通过仿真得到，输入功率恒为20 dBm，采用肖特基二极管HSMS-2820搭建的单管串联整流电路中，二极管输入阻抗的模值和负载阻值的关系如图3所示，可以看到输入阻抗的模值和负载阻值成正比，因此可以通过增大负载阻值来增大输入阻抗。此时，阻抗匹配电路一方面是实现整流电路和微波源的阻抗匹配，另一方面也可以看作是一个变压器，将低电压转换为高电压输入到整流电路，从而增大整流电路的RF-DC转换效率。

图3 整流电路输入阻抗与负载关系Fig.3 Relationship between input impedance and load of rectifier circuit

由于整流二极管的反向击穿电压为确定的值，因此当通过提高二极管输入电压来增大整流效率时，整流电路反向击穿电压所对应的整流功率就会降低，也就是说最大整流功率将会降低，这是升压原理整流电路需要牺牲的性能。

2 整流电路的仿真设计

通过对整流电路中二极管损耗的分析，得到有助于提高整流电路效率的升压原理，然后进行整流电路的设计。用ADS仿真软件仿真分析上节中的单管串联整流电路。其中，整流二极管选择肖特基二极管HSMS-2820，其主要SPICE参数如表1所示。功率源为，功率设置为 (单位：dBm)，工作频率2.45GHz，内阻阻抗为50 Ω。用微带线单支节做阻抗匹配，匹配网络前接1/4波长短路支节，用于滤除二极管产生的二次谐波。

表1 HSMS-2820二极管的SPICE参数Table 1 Spice parameter of HSMS-2820

整流电路的仿真电路图如图4所示，取定输入功率为20 dBm进行设计。由上节的分析可得，较大的整流二极管输入电压对应的最佳负载也比较大。因此，从小到大取不同的负载电阻，然后在此输入功率和负载阻值处对整流电路和50 Ω的微波源进行单支节阻抗匹配。以整流效率为优化目标，对匹配进行优化设计，获得此功率点和负载点处的最大整流效率。并对恒定功率点处整流电路二极管输入电压幅值和效率关系进行分析。

图4 整流电路仿真电路图Fig.4 Simulation circuit diagram of rectifier circuit

选取负载电阻的范围为25 Ω到1600 Ω，依次对整流电路和微波源进行阻抗匹配以得到最大整流效率，整流电路二极管输入电压幅值Vin、输出到负载的电压Vout和负载阻值RL的关系曲线如图5(a)所示。从图中可以看到，负载阻值RL越大，相同功率下整流电路中二极管输入电压幅值Vin和输出到负载的电压Vout也越大。

通过增大负载电阻并进行阻抗匹配升压后，图5(b)给出了当输入功率为20 dBm时，不同整流电路输入电压幅值与整流电路最大整流效率的关系曲线。可以看到，在整流电路输入功率相同时，随着整流电路中输入电压幅值的增大，整流电路的整流效率得到了提升，从最低3.2 V时的44.7%提高到12.4V时的81.2%。输入电压较低时，随着输入电压幅值的升高整流效率的提升更加明显，随着输入电压的逐渐增大，整流效率的提升将逐渐减小，这是因为随着电压的提升，整流二极管消耗的功率占整流电路总功率的比重越来越小，因此再提升输入电压其损耗的减小会越来越慢。

根据上节的理论分析可得，随着整流二极管输入电压的升高，整流电路的最大整流功率将会降低。图6为仿真得到的整流电路输入电压幅值与最大整流功率的关系曲线。可以看到，跟理论分析的结果一致，整流电路的最大整流功率将随着整流电路中电压的升高而降低，这是在整流电路设计过程中需要进行权衡的。