大功率稳定微波磁控管电源的小型化设计构想

王顺山，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 430073）

0 引言

为了获得一个稳定的，且输出功率大的微波电源，但是在提高微波电源的稳定性和高功率的同时，如何才能减小整个微波电源的体积，本文给出了一种设计构想，将整个微波电源的体积减小，第一是可以节省很大的空间；第二是能够节省元器件的花销费用；第三是减少工业材料的消耗。为了能够使微波电源能够长时间稳定的以很高的输出功率进行工作运行，在本文中采用了ATmega16L这种单片机来对整个微波电源系统进行控制[1]。这是一款低成本、低功耗、高速度的AVR系列单片机[2]。它具有先进的指令集和单时钟周期，可以很好地缓解系统在处理速度与功耗之间的矛盾，其内部具有8位AVR处理器和先进的RISC结构，还有1K字节片内RAM，512字节片内EEPROM[3]。片外具有定时器，计数器，比较器和预分频器，能够进行定时计数和独立的比较，捕捉和预分频等功能。ATmega16L单片机具有极其丰富的片内资源和片外资源，它能与完成同样处理能力的常规CISC处理器要快10倍以上[4]。由于其单片机内部资源和外部资源极为丰富，这为硬件电路的设计与软件程序的连接创造了良好的设计环境。微波电源的输出功率为P=αU，其中α是磁控管的输出功率转化率，这个值由磁控管本身的工艺性能决定；U是加在磁控管阴极的负高压；I是流过磁控管的阳极电流[5]。此外还有影响微波输出功率的其他因素存在，例如控制磁场强度的磁场电流Im，以及灯丝电流If。

1 电路设计

1.1 系统整体模块图

此设计采用相控式三相交流调压技术控制磁控管的输出功率，而磁控管的输出功率可由用户根据实际工业与实验需要对微波电源中的单片机进行设定来完成。微波电源系统的整体流程模块图如图1所示。微波电源接入380V的工业交流用电，再通过初级稳压电路，将处理后的稳定的380V交流电送至升压变压器，经过升压得到的高压交流电，随后通过整流滤波电路，再通过次级稳压电路，从而可以得到8000～10000V的高压直流电，将这样的高压直流电加载到微波磁控管的阴极，使磁控管的阴极灯丝受热激发出电子流，磁控管内部，在正交的电场力与磁场力共同作用下，电子流会做圆周运动，电子会不断加速，最终会将从恒定电场那里得到的电能量转换成微波能量输出。采样电路会对微波电源的实时微波输出功率进行采样，并且会将这些采样所得的数据传输给A/D转换器，再通过单片机显示模块进行实时显示,同时将这些数据与用户所设定的输出功率进行反馈对比，由单片机调节阴极负高压和阳极电流，从而达到控制输出功率的目的[6]。在此过程中单片机的主要功能是：对微波电源的输出功率进行实时的控制调节，以及对微波电源突发的故障进行报警并提醒工作人员处理，还有将设定功率，实时运行功率，运行时间在显示频上进行实时的显示。

图1 系统整体的模块图

1.2 软启动电路

如图2所示，软启动电路采用了电阻分压的软启动模式，在设备刚启动的时候，操作人员可以通过按键开关使继电器JC2-1:3吸合，继电器JC3-1:3断开，利用接在开关之后的电阻对启动电路进行分压保护，同时单片机进入初始化，待设备稳定运行一段时间后，再通过按键开关使继电器JC3-1:3吸合，继电器JC2-1:3断开，使接在开关之后的电阻脱离出主电路，减少电阻的功耗。此时设备正常运行，微波电源的软启动完成[7]。软启动电路可以在启动过程中很好的保护主电路免受启动瞬间巨大冲击电流的伤害。

1.3 磁场控制电路

对于阳极电流的控制，尽管通过负反馈直接控制具有一定的优越性，但是这样一来控制器件会承受很大的电压，这对控制器件的耐压要求较高，这就需要耐压值较高的控制器件来控制电路的运行，这会额外增加对控制器件的采购成本。笔者决定选择对磁控管的磁场电流进行调节，以达到间接控制电路的目的。

在图3中，通过PA5（35）引脚对磁控管的阳极电流Iα进行采样，电容C58和电阻R58组成RC电路可以滤除电路中的杂波干扰，以此来获得磁控管的阳极电流。在单片机的主程序的控制下，PB3（4）引脚会产生脉冲信号对电路进行调节。在控制过程中，如果微波电源的实际输出功率大于设定的输出功率时，单片机能够通过PB3引脚调节输出脉冲，增大电路中输出功率的占空比，电路中磁场线圈电流Im会随之减小，磁场强度减小，从而阳极电流Iα会减小，微波电源的输出功率会随之减小，反之如果减小占空比，微波电源的输出功率会上升。

1.4 灯丝电流控制电路

尽管在微波电源系统中灯丝电流If对微波电源的输出功率影响并不大，但是在本此设计中笔者仍然对其稳定性采取了必要的措施。

如图4所示，通过电阻R45的分流作用为三极管Q45提供基极电流，单片机通过PA1引脚发送脉冲触发信号，再通过三极管的放大作用，将脉冲触发信号进行放大，由电容C46和电阻R47组成RC滤波电路可以滤除触发信号中的杂波信号，光电耦合器可以进行光电耦合，能够达到光电隔离效果。

图4 灯丝电流控制电路

经过一系列的调试运行，电路可以稳定长时间运行，这在一定程度上抑制了杂波信号对电路的影响，这在很大程度上减小了灯丝电流变化对微波电源输出功率的影响。

2 微波电源小型化设计构想

微波电源的小型化主要是电子元器件的小型化，而电子元器件中大部分体积和重量多集中在两个部分：

一是电容和电感等储能元器件，这两个电子元器件主要用在滤波电路和谐振电路中；二是变压器，主要用在工频变压和开关电源高频变压中。因此缩小电容，电感和变压器的体积对微波电源的小型化来说具有非常重要的作用。

在电子滤波器中，一般存在两种电子元器件：电容和电感。电感的感抗和电容的容抗分别为：

如公式（1）中，电感的感抗会随着频率的升高而逐渐增大，在进行滤波时，频率越高所用到的电感的数值越小。相同的是，电容的容抗会随着频率的升高逐渐减小，在进行滤波时，频率越高所用到的电容的数值越小。综上所述，随着电源频率的提高，所需要用到的滤波电容和滤波电感的数值会减小，这时电容和电感的体积和重量都会随之减小[8]。

随着电源频=率的提高，也会影响到变压器的体积选择[9]，变压器次级输出电压U2与频率f之间的关系式是

公式（2）中，U2是变压器的次级输出电压，n2是变压器次级线圈的匝数，f是输入变压器的工作频率，B为变压器的磁感应强度，Ae为变压器的磁芯的有效截面积。由上面的公式可知，当变压器的次级输出电压一定时，输入信号的工作频率升高，变压器的次级线圈匝数n2和变压器磁芯有效截面积Ae会随之减小，这样一来变压器的体积和重量就会随之减轻。

综上所述，微波电源的高频化，不仅会使得滤波器中的电容和电感的体积减小，而且也能够使得变压器的体积减小，这样使得微波电源整体小型化成为了可能。微波电源的小型化是未来电源发展的趋势，对电源小型化的研究对未来工业可持续发展具有重要意义。

3 程序设计

在设计研发电子产品时，硬件电路的设计为整个设计过程中的重点，为了保证硬件电路能够稳定运行，还需要软件部分给予辅助。在实际工程实验中，要用编写出来的程序将微波电源系统中的硬件电路连接起来，使硬件电路与软件程序组成一个完整的整体，以此来保证微波电源能够长时间稳定运行。在软件程序设计方面采用模块化处理方式，此次设计中所采用的单片机为ATmega16L,需要对代码程序进行模块化处理，而每个模块中的程序需要进行详细编写，这种编程思路可以很好的提升编程的效率。具体的程序设计流程如图7所示[10]。

图7 微波电源系统软件整体流程图

根据微波磁控管电源中相关的设计要求，对单片机的程序流程作如下设计：

开机时单片机会控制系统电源。单片机在接收到系统要开启微波电源这个信号之前都是处于待机状态，当系统在接受到开机信号时，单片机会向系统中的硬件电路发送开机信号，这时微波电源系统会对电源设备中的水的进出流量进行检测，检测水的进出流量是否达到微波电源的工作设定值，如果水的进出流量过小，微波电源将无法启动，这时系统会提示报警，提醒研究工作人员对设备的水路进行检查，看是否有进出口或者是电源内部某处堵塞，导致水流量过小。

再通过了进出水流量检测之后，将磁控管的灯丝进行预热处理，灯丝预热之前，冷却灯丝的电阻还很小，随着灯丝的不断预热，冷却电阻的阻值也会随之不断增大，流过冷却电阻的电流也会随之减小，随着磁控管的灯丝逐渐预热到能产生微波，再到最终微波电源的输出功率达到实验要求，这个电流值会逐渐趋于一个稳定值36A,在微波电源稳定运行过程中，这个电流值会有少许变化，但是波动幅度不大，电流相对比较稳定。

当磁控管的灯丝预热时间达到设定时间，一般大约需要一到两分钟的预热时间，在这之后，系统会缓缓启动，磁控管开始产生微波，此时微波电源会输出1KW的微波功率，研究工作人员需要缓慢增加微波输出功率使其达到设定值，最终微波输出功率达到实验要求后将不再去增加其功率。

在微波电源正常运行的时候，其微波输出功率不是一成不变的，会有一些微小的波动，这都是很正常的，但是偶尔会因为某些干扰而导致微波电源的输出功率出现较大的波动，这是相比于微波电源的设定值，这时就需要设定一个定时器，需要每隔一段时间对系统中微波输出功率，进出水的流量，还有冷却水的温度，以及微波电源的工作电压等实时参数通过采样电路进行采样，一旦某个参数异常，微波电源会自动报警，提醒研究人员针对故障采取措施，于此同时微波电源会停止电源的运行，来保护电源免受损坏。

4 结束语

随着科学技术的不断发展，微波技术的应用也越来越广泛，尤其是在高精尖的工业生产领域，微波电源占据着重要的地位，于是乎人们对微波电源的能够长时间工作以及其稳定性都提出来严苛的要求。微波电源作为产生微波的核心器件，其微波输出功率以及稳定性离不开单片机的应用，还有微波电源的整体的体积如何缩小，如何选择最佳的电容电感还有变压器，是后续的研究人员需要不断去攻关完成的任务。在未来，不论是工业生产，还是科学研究，电源的小型化都将成为一种趋势。为了微波电源能够长时间稳定运行以及推动工业制造业的可持续发展，今后的研究工作就显得意义重大了，在日后还需不断深入研究，以期将微波电源做得更好。