氙灯电源系统设计

2021-04-30刘宁方鹏飞

电子设计工程 2021年7期

刘宁，方鹏飞

（武汉大学物理科学与技术学院，湖北武汉 430072）

随着产业结构的不断优化，光催化制氢[1]、降解污染物[2]等产业将快速发展，产业的发展离不开实验科学基础，因此，光催化的效率低、成本高等问题需要更多的实践去解决。氙灯具有输出功率大的特性，可以覆盖从200～1 000 nm 的光谱范围，是理想的人工太阳，是实验室用来催化、老化的重要人工光源[3]。目前，包括氙灯电源在内的很多供电电源都逐渐使用开关电源来替代其他类型电源，但是开关电源干扰比较大[4-6]，很容易对实验室的其他设备造成影响，特别是对高精度仪器测量带来不良影响。同时氙灯点燃需要比较高的电压[7]，目前大部分采用市电升压的方式进行设计，增加了电路的复杂性，带来了一定的安全问题。实验室使用的开关电源的设计需要满足低噪音、高效率的条件[8-10]，同时实验室仪器的安全性也是非常重要的。该文在结合市场上现有氙灯系统的基础上，提高电源效率、降低开关电源的干扰，同时利用开关电源开路电位设计氙灯触发电路，降低电路的复杂性，增加设备的安全性。

1 系统设计介绍

该设计主要包括两个部分：开关电源设计和氙灯触发电路设计。文中设计的目标输入电压为160～230 V，输出电压为14～20 V，输出电流为10～20 A，效率为85%，最大输出功率为400 W，工作频率为100 kHz，纹波小于3%。氙灯触发电路使用开关电源作为电压源，通过逆变的方式产生氙灯需要的高压，从而实现氙灯电源系统单一电源工作的目的。

2 开关电源的设计

开关电源的整体框架[11-12]如图1所示，实现AC-DC的转换。整体框架由输入保护电路、EMI 滤波器、整流滤波电路、功率开关管、高频变压器、输出整流滤波电路、反馈电路、驱动控制电路以及过温保护电路组成。

图1 氙灯整体设计图

160～245 V 的交流电接入系统后经过整流滤波形成稳定的高压直流电源，高压直流再经过功率管的斩波、高频变压器的降压形成低压高频的方波，最后通过整流滤波实现低压直流的稳定输出，达到设计需求。

2.1 主电源结构及其工作原理

根据开关电源的相关拓扑特点以及功率要求，选择开关电源为半桥式电路结构。半桥式拓扑[13]的基本构架如图2 所示，由两个电容和开关管组成桥，桥的对角线连接变压器的原边两端，故称半桥式转换电路。当开关管Q1 被脉宽激励信号（PWM）激励而导通时，Q2 在控制脉冲作用下处于关短状态，此时变压器两端所加的电压为母线电压的一半，能量由原边向次级传递:当Q1 和Q2 同时处于关断状态时，此时变压器的次级绕组由于整流二极管同时续流而处于短路状态；当Q2 导通Q1 断开时，过程和前面相同。通过Q1、Q2 的交替导通实现能量的传递，大大提高了磁芯的利用率，同时不会发生偏磁问题。

2.2 高频变压器的设计

由于开关电源变压器的设计直接关系到电源的各项指标的好坏。在工作频率为100 kHz、输出功率为400 W 的条件下，参考磁芯手册选择磁芯材料，选择使用TDK 公司的PC90 材料磁芯。

图2 半桥工作原理

损耗比为100 mW/cm3对应的磁通摆幅应为0.2 T，参照AP[14-15]方法选择磁芯的类型。

其中，AP为面积乘积，单位为cm4；Pin为输入功率，单位为W；K′为铜的有效利用系数，取值0.2；ΔB为磁通密度摆幅，单位为T；f为频率，单位为Hz。

考虑到实际制作变压器可能会增加更多的损耗，故应留出30%～40%的裕量，参考手册选用EER42 磁芯。根据经典变压器公式：

其中，N为原边最小匝数；v为绕组最大直流电压，单位为V；ΔB为最大的磁通密度，单位为T；Aφ为有效磁芯面，单位为mm2。

考虑到设定输入交流电压为160～230 V，经过桥式整流和电容滤波后输入的直流电压为交流的1.3倍左右，即208～299 V，得到Nmin=7.8，取整为8。

兼顾开关管和整流二极管的电压应力以及用于14～21 V 可调电压，根据仿真及经验，选取次级的匝数为3，所以变压器选择的匝比为8∶3∶3。

2.3 基于SG3525芯片的电路设计

采用SG3525[16-17]芯片作为驱动控制主芯片，芯片具有双路互补输出电压控制、软启动控制等优点，广泛地使用在单端双端等多种开关电源中。15 脚为工作电源，工作电压为8～35 V，该实验选用的工作电压为15 V；12 脚为信号地；8 脚为软启动，通过外接电容实现软启动；16 脚为基准电压源输出，精度可达到（5.1±1%）V，可作为外部基准电源使用；5、6 脚为C6、R4，通过外接电容电阻实现对频率的调节；7 脚为放电回路，通过5、7 脚之间的电阻改变放电回路，控制死区时间；13 脚为输出偏置电压输入脚；11、14 脚为推挽互补输出；9 脚作为补偿脚可以实现占空比的调控；1、2 脚为误差放大器的输入端，其中1 脚为反相输入端；10 脚为外部信号关断，可以与保护电路连接，实现故障保护。实验中采用的电路拓扑如图3所示。

图3 驱动控制原理

振荡频率由5、6 和7 脚控制，可以表示为：

C6、R4、R5的值分别取680 pF、20 kΩ、200 Ω，由式（3）可知频率为100 kHz。利用16 脚输出的5.1 V 输出基准电源通过电阻分压实现9 脚电位的可调，从而控制电路的占空比，在9 脚输入端前加入100 kΩ左右的电阻，进行阻抗调节，很好地实现对9 脚电位的控制。1 脚接采样电阻，实现限流调节；2 脚通过电阻分压接入一个电位，从而调整1 脚的反馈灵敏度；10 脚接变温电阻的一端，当散热片温度大于90 ℃时实现关断，从而防止电源过热；11、14 脚外接推挽式电路，大大提升电路的电流电压驱动能力，通过耦合变压器实现对开关管的控制，同时实现高压和低压的隔离，很好地保护驱动芯片不受直流母线高压的影响。利用二极管和三极管组成负冲吸收电路，降低因为变压器耦合带来的脉冲电位的影响，进一步改善控制输出波形。

2.4 输入整流电路

直流整流滤波电路对于开关电源是十分重要的部分，实验中其由整流桥和电容组成，整流桥由4 个导通压降很小的二极管组成，低导通压降可以减少整流过程中功耗的损失。电容采用电解电容和无极性电容，不同的容值可以减少高频和工频对整流滤波后的电流的影响。

2.5 EMI滤波器

实验中采用的EMI 滤波设计如图4 所示，C1、C5为X 电容，用来减少差模信号的影响。C3、C6为Y 电容，用来减少共模信号的影响。L1为共模扼流线圈，分别接在火线和零线上，当有共模电流时，两个线圈产生同向的磁场，加大了电路的感抗，有效地消除了共模电流对电路的影响。

图4 EMI电路设计

L2、L3为差模扼流线圈，是两个分别和火线、零线连接的线圈，用来抑制回路的差模信号。当采用图中的两级X电容时，通常前一级X电容取值为0.47 μF，第二级X 电容一般取值为0.1 μF。对于Y 电容的选择，原则上不能超过0.1 μF，该次设计中选取的两个Y 电容均为2.2 nF[8]。

2.6 保护电路

评价电气设备最重要的一个指标就是其安全性，采用必要的保护对于电路设计是必不可少的。文中设置了过流保护、过温保护，同时还可以实现电流调节。采用全波整流输入，在输入端通过设置外部保护装置实现过保护，该设计采用自恢复保险丝，根据功率以及保险丝选择的标准选用规格为4 A/250 V 的保险丝，可以很好地实现过流保护。同时采用压敏电阻，可以降低成本同时有效地降低浪涌损害。大多数电子器件的工作温度为80～100 ℃，开关电源中三极管作为核心电子元件，设计过热保护主要采用测量三极管表面温度的方式进行。芯片的10 脚电位高于2.1 V 时，输出关断，根据芯片特点设计电路，利用变温电阻阻值随着温度变化的特点，采用变温电阻和定值电阻构成串联分压电路，将分压的电位送入10 脚，当温度上升时，变温电阻的阻值不断减小，电位不断升高，当温度达到设定温度后，输出关断，达到温度保护的目的。

2.7 可调恒流反馈电路设计

在恒流电路设计中,通过采样电阻对输出电流信号取样，在输出端串联采样电阻，电压经R6与R1的串联分压后,从SG3525 芯片的1 脚输入,控制占空比,进而调节输出电压，达到稳压的目的。由于输出负载的阻抗是稳定的，可以通过稳压的方法实现恒流。其恒流原理是:若输出电流偏高,通过采样电阻得到的反馈信号也偏高,则SG3525 的1 脚电压升高而2 脚的基准电位不变，从而使误差放大器的输出电位降低,使输出端占空比的宽度变窄,引起输出电压下降，电流达到设定电流；反之亦然。

电流大小的调整是通过9 脚也就是辅助脚实现的，通过利用SG3525 的5.1 V 基准电位，通过电阻分压给9 脚提供电位，从而直接控制占空比，进而控制电流的大小。在实际设计中需要在9 脚之前串联电阻，阻值选择100 kΩ，目的是平衡外接电路和芯片的电阻，很好地控制9 脚电位。

3 氙灯启辉电路设计

氙灯在点燃期间属于场致发射，持续放电时为热电子发射，目前大多数启辉装置是基于市电设计的，设计一款基于直流电源的启辉装置可以很好地实现减少市电的引入、减少电源的复杂性、提高安全性的目的。

直接使用开关电源的输出电压不足以达到氙灯的启辉电压，需要采用逆变升压的方式，将电源开路电压变为上万伏的高压，用于氙灯的点燃，开关电源的开路电压直接加在装置的输入端，利用直流逆变的方式将直流电压进行第一次升压，再通过电容放电经过线圈后进行第二次升压，从而实现氙灯启辉。

分析氙灯从点燃到正常工作的过程可以发现氙灯的工作需要高压点燃和大电流维持，该设计使用一个电源需要完成高压到大电流的衔接。如果设计不当，会出现点燃后大电流无法供给的现象，高压状态下输出整流二极管无法导通，能量无法传递。文中利用特斯拉线圈原理进行升压，同时将开关电源的正极和两个高压变压器的一端连接，这种连接方式可以将点燃高压和开关电源的输出直流电压看作共模关系。点燃所需要的高压和大电流的直流电压同时存在，当氙灯点燃后直流电源可以顺利地供给大电流，使氙灯正常工作。

氙灯启辉设计原理如图5 所示。变压器的一次侧与开关管串联，在外加脉冲信号的作用下，开关管的通断实现电位的转换。当脉冲信号为高电位时，变压器的二次侧感应出上负下正的电压，高压二极管导通，给电容C1P 和C2P 充电，当脉冲信号为低电位时，二次侧感应出上正下负的电压，二极管闭合。此时电容C1P 和C2P 开始放电，通过P 的放电构成闭合回路，在变压器T2P 的下端产生高压点燃氙灯。通过控制脉冲电路的占空比可以控制T1P 二次侧的电压大小，从而找到最合适的点燃电压，延长氙灯寿命。

图5 氙灯启辉设计

实验中将变压器T1P 和T2P 的一端与开关电源的高电位连接，很好地实现点燃的高压和电源电压的隔离，减少高压对于电源的冲击，利用开关电源的输出电容较大,可以很好地保证由点燃到持续放电的维弧电流的实现，从而实现点燃放电一体。

4 实验结果

经实际测量发现，当无负载时输出开路电压为70 V，当负载为氙灯时，输出端的电压为15～21 V，电流为15～20 A 可调；负载最大时效率可达87%，纹波系数为3%，基本实现设计目标。图6 为变压器二次侧的输出波形，整流管都有RC吸收电路，波形振荡很小，提高了效率。图7 为电源实物图，采用驱动输出和电源输出分开布局并通过金属板进行电磁隔离，很好地减少了电磁干扰。图8 为氙灯正常工作时的实物图，氙灯启动容易，电路恒定，发光稳定。