氙燈電源系統設計

劉寧，方鵬飛

（武漢大學物理科學與技術學院，湖北武漢 430072）

隨著產業結構的不斷優化，光催化制氫[1]、降解污染物[2]等產業將快速發展，產業的發展離不開實驗科學基礎，因此，光催化的效率低、成本高等問題需要更多的實踐去解決。氙燈具有輸出功率大的特性，可以覆蓋從200～1 000 nm 的光譜范圍，是理想的人工太陽，是實驗室用來催化、老化的重要人工光源[3]。目前，包括氙燈電源在內的很多供電電源都逐漸使用開關電源來替代其他類型電源，但是開關電源干擾比較大[4-6]，很容易對實驗室的其他設備造成影響，特別是對高精度儀器測量帶來不良影響。同時氙燈點燃需要比較高的電壓[7]，目前大部分采用市電升壓的方式進行設計，增加了電路的復雜性，帶來了一定的安全問題。實驗室使用的開關電源的設計需要滿足低噪音、高效率的條件[8-10]，同時實驗室儀器的安全性也是非常重要的。該文在結合市場上現有氙燈系統的基礎上，提高電源效率、降低開關電源的干擾，同時利用開關電源開路電位設計氙燈觸發電路，降低電路的復雜性，增加設備的安全性。

1 系統設計介紹

該設計主要包括兩個部分：開關電源設計和氙燈觸發電路設計。文中設計的目標輸入電壓為160～230 V，輸出電壓為14～20 V，輸出電流為10～20 A，效率為85%，最大輸出功率為400 W，工作頻率為100 kHz，紋波小于3%。氙燈觸發電路使用開關電源作為電壓源，通過逆變的方式產生氙燈需要的高壓，從而實現氙燈電源系統單一電源工作的目的。

2 開關電源的設計

開關電源的整體框架[11-12]如圖1所示，實現AC-DC的轉換。整體框架由輸入保護電路、EMI 濾波器、整流濾波電路、功率開關管、高頻變壓器、輸出整流濾波電路、反饋電路、驅動控制電路以及過溫保護電路組成。

圖1 氙燈整體設計圖

160～245 V 的交流電接入系統后經過整流濾波形成穩定的高壓直流電源，高壓直流再經過功率管的斬波、高頻變壓器的降壓形成低壓高頻的方波，最后通過整流濾波實現低壓直流的穩定輸出，達到設計需求。

2.1 主電源結構及其工作原理

根據開關電源的相關拓撲特點以及功率要求，選擇開關電源為半橋式電路結構。半橋式拓撲[13]的基本構架如圖2 所示，由兩個電容和開關管組成橋，橋的對角線連接變壓器的原邊兩端，故稱半橋式轉換電路。當開關管Q1 被脈寬激勵信號（PWM）激勵而導通時，Q2 在控制脈沖作用下處于關短狀態，此時變壓器兩端所加的電壓為母線電壓的一半，能量由原邊向次級傳遞:當Q1 和Q2 同時處于關斷狀態時，此時變壓器的次級繞組由于整流二極管同時續流而處于短路狀態；當Q2 導通Q1 斷開時，過程和前面相同。通過Q1、Q2 的交替導通實現能量的傳遞，大大提高了磁芯的利用率，同時不會發生偏磁問題。

2.2 高頻變壓器的設計

由于開關電源變壓器的設計直接關系到電源的各項指標的好壞。在工作頻率為100 kHz、輸出功率為400 W 的條件下，參考磁芯手冊選擇磁芯材料，選擇使用TDK 公司的PC90 材料磁芯。

圖2 半橋工作原理

損耗比為100 mW/cm3對應的磁通擺幅應為0.2 T，參照AP[14-15]方法選擇磁芯的類型。

其中，AP為面積乘積，單位為cm4；Pin為輸入功率，單位為W；K′為銅的有效利用系數，取值0.2；ΔB為磁通密度擺幅，單位為T；f為頻率，單位為Hz。

考慮到實際制作變壓器可能會增加更多的損耗，故應留出30%～40%的裕量，參考手冊選用EER42 磁芯。根據經典變壓器公式：

其中，N為原邊最小匝數；v為繞組最大直流電壓，單位為V；ΔB為最大的磁通密度，單位為T；Aφ為有效磁芯面，單位為mm2。

考慮到設定輸入交流電壓為160～230 V，經過橋式整流和電容濾波后輸入的直流電壓為交流的1.3倍左右，即208～299 V，得到Nmin=7.8，取整為8。

兼顧開關管和整流二極管的電壓應力以及用于14～21 V 可調電壓，根據仿真及經驗，選取次級的匝數為3，所以變壓器選擇的匝比為8∶3∶3。

2.3 基于SG3525芯片的電路設計

采用SG3525[16-17]芯片作為驅動控制主芯片，芯片具有雙路互補輸出電壓控制、軟啟動控制等優點，廣泛地使用在單端雙端等多種開關電源中。15 腳為工作電源，工作電壓為8～35 V，該實驗選用的工作電壓為15 V；12 腳為信號地；8 腳為軟啟動，通過外接電容實現軟啟動；16 腳為基準電壓源輸出，精度可達到（5.1±1%）V，可作為外部基準電源使用；5、6 腳為C6、R4，通過外接電容電阻實現對頻率的調節；7 腳為放電回路，通過5、7 腳之間的電阻改變放電回路，控制死區時間；13 腳為輸出偏置電壓輸入腳；11、14 腳為推挽互補輸出；9 腳作為補償腳可以實現占空比的調控；1、2 腳為誤差放大器的輸入端，其中1 腳為反相輸入端；10 腳為外部信號關斷，可以與保護電路連接，實現故障保護。實驗中采用的電路拓撲如圖3所示。

圖3 驅動控制原理

振蕩頻率由5、6 和7 腳控制，可以表示為：

C6、R4、R5的值分別取680 pF、20 kΩ、200 Ω，由式（3）可知頻率為100 kHz。利用16 腳輸出的5.1 V 輸出基準電源通過電阻分壓實現9 腳電位的可調，從而控制電路的占空比，在9 腳輸入端前加入100 kΩ左右的電阻，進行阻抗調節，很好地實現對9 腳電位的控制。1 腳接采樣電阻，實現限流調節；2 腳通過電阻分壓接入一個電位，從而調整1 腳的反饋靈敏度；10 腳接變溫電阻的一端，當散熱片溫度大于90 ℃時實現關斷，從而防止電源過熱；11、14 腳外接推挽式電路，大大提升電路的電流電壓驅動能力，通過耦合變壓器實現對開關管的控制，同時實現高壓和低壓的隔離，很好地保護驅動芯片不受直流母線高壓的影響。利用二極管和三極管組成負沖吸收電路，降低因為變壓器耦合帶來的脈沖電位的影響，進一步改善控制輸出波形。

2.4 輸入整流電路

直流整流濾波電路對于開關電源是十分重要的部分，實驗中其由整流橋和電容組成，整流橋由4 個導通壓降很小的二極管組成，低導通壓降可以減少整流過程中功耗的損失。電容采用電解電容和無極性電容，不同的容值可以減少高頻和工頻對整流濾波后的電流的影響。

2.5 EMI濾波器

實驗中采用的EMI 濾波設計如圖4 所示，C1、C5為X 電容，用來減少差模信號的影響。C3、C6為Y 電容，用來減少共模信號的影響。L1為共模扼流線圈，分別接在火線和零線上，當有共模電流時，兩個線圈產生同向的磁場，加大了電路的感抗，有效地消除了共模電流對電路的影響。

圖4 EMI電路設計

L2、L3為差模扼流線圈，是兩個分別和火線、零線連接的線圈，用來抑制回路的差模信號。當采用圖中的兩級X電容時，通常前一級X電容取值為0.47 μF，第二級X 電容一般取值為0.1 μF。對于Y 電容的選擇，原則上不能超過0.1 μF，該次設計中選取的兩個Y 電容均為2.2 nF[8]。

2.6 保護電路

評價電氣設備最重要的一個指標就是其安全性，采用必要的保護對于電路設計是必不可少的。文中設置了過流保護、過溫保護，同時還可以實現電流調節。采用全波整流輸入，在輸入端通過設置外部保護裝置實現過保護，該設計采用自恢復保險絲，根據功率以及保險絲選擇的標準選用規格為4 A/250 V 的保險絲，可以很好地實現過流保護。同時采用壓敏電阻，可以降低成本同時有效地降低浪涌損害。大多數電子器件的工作溫度為80～100 ℃，開關電源中三極管作為核心電子元件，設計過熱保護主要采用測量三極管表面溫度的方式進行。芯片的10 腳電位高于2.1 V 時，輸出關斷，根據芯片特點設計電路，利用變溫電阻阻值隨著溫度變化的特點，采用變溫電阻和定值電阻構成串聯分壓電路，將分壓的電位送入10 腳，當溫度上升時，變溫電阻的阻值不斷減小，電位不斷升高，當溫度達到設定溫度后，輸出關斷，達到溫度保護的目的。

2.7 可調恒流反饋電路設計

在恒流電路設計中,通過采樣電阻對輸出電流信號取樣，在輸出端串聯采樣電阻，電壓經R6與R1的串聯分壓后,從SG3525 芯片的1 腳輸入,控制占空比,進而調節輸出電壓，達到穩壓的目的。由于輸出負載的阻抗是穩定的，可以通過穩壓的方法實現恒流。其恒流原理是:若輸出電流偏高,通過采樣電阻得到的反饋信號也偏高,則SG3525 的1 腳電壓升高而2 腳的基準電位不變，從而使誤差放大器的輸出電位降低,使輸出端占空比的寬度變窄,引起輸出電壓下降，電流達到設定電流；反之亦然。

電流大小的調整是通過9 腳也就是輔助腳實現的，通過利用SG3525 的5.1 V 基準電位，通過電阻分壓給9 腳提供電位，從而直接控制占空比，進而控制電流的大小。在實際設計中需要在9 腳之前串聯電阻，阻值選擇100 kΩ，目的是平衡外接電路和芯片的電阻，很好地控制9 腳電位。

3 氙燈啟輝電路設計

氙燈在點燃期間屬于場致發射，持續放電時為熱電子發射，目前大多數啟輝裝置是基于市電設計的，設計一款基于直流電源的啟輝裝置可以很好地實現減少市電的引入、減少電源的復雜性、提高安全性的目的。

直接使用開關電源的輸出電壓不足以達到氙燈的啟輝電壓，需要采用逆變升壓的方式，將電源開路電壓變為上萬伏的高壓，用于氙燈的點燃，開關電源的開路電壓直接加在裝置的輸入端，利用直流逆變的方式將直流電壓進行第一次升壓，再通過電容放電經過線圈后進行第二次升壓，從而實現氙燈啟輝。

分析氙燈從點燃到正常工作的過程可以發現氙燈的工作需要高壓點燃和大電流維持，該設計使用一個電源需要完成高壓到大電流的銜接。如果設計不當，會出現點燃后大電流無法供給的現象，高壓狀態下輸出整流二極管無法導通，能量無法傳遞。文中利用特斯拉線圈原理進行升壓，同時將開關電源的正極和兩個高壓變壓器的一端連接，這種連接方式可以將點燃高壓和開關電源的輸出直流電壓看作共模關系。點燃所需要的高壓和大電流的直流電壓同時存在，當氙燈點燃后直流電源可以順利地供給大電流，使氙燈正常工作。

氙燈啟輝設計原理如圖5 所示。變壓器的一次側與開關管串聯，在外加脈沖信號的作用下，開關管的通斷實現電位的轉換。當脈沖信號為高電位時，變壓器的二次側感應出上負下正的電壓，高壓二極管導通，給電容C1P 和C2P 充電，當脈沖信號為低電位時，二次側感應出上正下負的電壓，二極管閉合。此時電容C1P 和C2P 開始放電，通過P 的放電構成閉合回路，在變壓器T2P 的下端產生高壓點燃氙燈。通過控制脈沖電路的占空比可以控制T1P 二次側的電壓大小，從而找到最合適的點燃電壓，延長氙燈壽命。

圖5 氙燈啟輝設計

實驗中將變壓器T1P 和T2P 的一端與開關電源的高電位連接，很好地實現點燃的高壓和電源電壓的隔離，減少高壓對于電源的沖擊，利用開關電源的輸出電容較大,可以很好地保證由點燃到持續放電的維弧電流的實現，從而實現點燃放電一體。

4 實驗結果

經實際測量發現，當無負載時輸出開路電壓為70 V，當負載為氙燈時，輸出端的電壓為15～21 V，電流為15～20 A 可調；負載最大時效率可達87%，紋波系數為3%，基本實現設計目標。圖6 為變壓器二次側的輸出波形，整流管都有RC吸收電路，波形振蕩很小，提高了效率。圖7 為電源實物圖，采用驅動輸出和電源輸出分開布局并通過金屬板進行電磁隔離，很好地減少了電磁干擾。圖8 為氙燈正常工作時的實物圖，氙燈啟動容易，電路恒定，發光穩定。

圖6 變壓器二次側波形

圖7 電源實物圖

圖8 氙燈系統工作實物圖

5 結束語

設計了一款單一電源工作的氙燈電源系統，該系統減少了氙燈電源系統對其他設備的影響，高效率地實現了對氙燈的穩定供電。采用半橋式開關電源滿足高效率、低成本的需求，通過優化啟輝電路，很好地實現了氙燈電源的改進，減少了電磁干擾，簡化了啟輝電路，實現了高低壓的隔離，增加了電源的安全性。