新型脉冲氙灯起辉预燃电源的研制

　　1 引 言

　　随着计算机、机械、电子技术的发展，道路检测车使得大规模、快速、准确地获取道路使用信息成为可能。检测车上的摄像系统按摄像速度分为普通摄像机、高速摄像机和数码摄像机，其中高速摄像机主要用于对路面的裂缝、坑槽等破坏状况进行图像采集。然而在使用高速摄像机时，大多数检测车采用的是持续照射的光源。由于光源的强度较低，在实际使用时往往需要增加曝光时间来达到高质量的图像数据。因此，提高照射的光源强度可以提高图像数据的质量[1]。

　　脉冲氙灯的优点是能解决光亮度与伴随热量的矛盾。它放电时发出强烈的光，但闪光持续时间很短，所以热量影响较小。由于瞬时光能量大，图像的层次还原较好。为了延长脉冲氙灯的寿命，提高光电转换效率，在重复率较低的情况下，一般需要在脉冲大电流放电之前加上预燃电流[2]。如果采用传统的工频变压器式预燃电路，就必须增大滤波电容和大功率限流电阻，增大了电路的体积，电路也容易因干扰而被误认为解除预燃[3]。另外，脉冲氙灯在工作时，弧光放电时间较长，放电电容的能量释放不充足而聚集可能导致放电电容不能正常放电的现象出现。本文根据脉冲氙灯的工作原理，提出了一种脉冲氙灯起辉预燃的电源结构，并研制了脉冲氙灯的预燃电源。该电源采用PWM技术控制，起辉和预燃阶段共用一个电源，起辉时为电压源，预燃时为恒流源。试验结果表明，该电源效率较高，工作可靠，运行稳定，有效地解决了因放电电容的残余能量聚集导致的不正常放电现象。

　　2 脉冲氙灯的工作原理

　　脉冲氙灯的工作分为起辉、预燃和高压放电三阶段[4]，如图1所示。其工作过程比较复杂，是一种非稳态的气体放电。起辉阶段，放电首先在石英管内壁接近触发丝处产生电离通道，气体由于与电子碰撞而被加热，灯内的氙气迅速电离，发生辉光放电。脉冲变压器T、电容C2 、可控硅VT2 和电阻R2 构成起辉电路，当VT2 关断时，电压U1通过电阻R2给电容C2 充电，在电容C2 上存储能量，通常U1 为1kV左右，充电时间很短。当VT2导通时，电容C2 和脉冲变压器T的电感谐振放电，在变压器T 的副端产生5kV左右的起辉电压，脉冲氙灯在很强的轴向电场及触发高压脉冲作用下，气体被击穿，形成放电通道；预燃阶段，当输入的能量足够大时，电极加热到具有一定的热发射能力，灯管中的气体则由辉光放电过渡到弧光放电。此时，脉冲氙灯可近似为一电阻，电压U2 通过电阻R1 和二极管D 加到脉冲氙灯两端形成预燃回路；高压放电阶段，脉冲氙灯为弧光放电，当VT1 关断时，电压U3 向电容C1 充电，当VT1 导通时，电容C1 向脉冲氙灯放电，从而脉冲氙灯出现弧光频闪现象。在高压放电阶段，预燃电路一直给脉冲氙灯提供维持电流（约100mA）。

　　图1 脉冲氙灯工作原理示意图

　　在传统的脉冲氙灯起辉预燃系统中，起辉阶段和预燃阶段分别需要电压源，如图1所示，U1为起辉电压，U2为预燃电压，从而增加了电源设计的复杂性。新型脉冲氙灯起辉预燃电源采用PWM技术控制，起辉和预燃阶段共用一个电源，起辉时为电压源，预燃时为恒流源。起辉阶段，最大占空比输出最高电压，通过串联谐振得到高压起辉电压；预燃阶段，通过调整占空比恒流输出维持电流（约100mA）。

　　3 预燃电源的设计

　　预燃电源由脉冲氙灯的高压触发和预燃电流维持两部分组成，如图1所示。传统预燃电路的U1 和U2 通常通过工频升压变压器升压和二极管整流得到，这种电路主要存在以下缺点：工频升压变压器体积大、笨重；限流电阻R1上消耗的功率较多，一般在100W~300W之间；必须有高压触发电路；输出脉冲氙灯的预燃电流不可调[5]。

　　新型起辉预燃电源系统框图如图2所示，该电源由高频推挽变换器、高频变压器、高压启辉电路、控制保护电路以及预燃检测电路构成，具有变换效率高，输出电流纹波小等特点。交流220V输入电压通过变压器隔离，整流滤波后作为推挽变换器的输入，推挽变换器将输入电压变换成高频交流脉冲电压，通过高频变压器完成电压匹配和高频隔离功能，然后再由输出整流滤波环节输出预燃电压，同时高压起辉电路升压输出高压起辉电压，省掉了体积庞大且笨重的工频输出变压器，降低了音频噪声[6]。控制保护电路由UC3825器件及外围电路组成，根据主电路反馈的电流信号，为开关器件提供PWM驱动信号。预燃检测电路将检测到的电流信号和基准电源比较输出预燃成功信号，并同时关闭高压起辉。

图2 起辉预燃电源系统框图

　　研究表明，脉冲氙灯在高频工作时呈电阻特性。点亮之前，其等效电阻很大，相当于负载开路。此时，控制芯片UC3825输出最大占空比的PWM驱动信号，推挽变换器输出高压起辉电压使脉冲氙灯内的气体电离导通；起辉后，高压起辉电路停止工作，其等效电阻急剧减少，相当于负载短路。此时，控制芯片UC3825检测主电路的电流峰值调节输出PWM的占空比，系统进入闭环控制，推挽变换器输出脉冲氙灯预燃工作时的维持电流；此后，脉冲氙灯的等效电阻逐渐达到稳态并保持恒定。

　　3.1 起辉预燃主电路

　　新型预燃电源的主电路如图3所示。功率开关器件Q1、Q2组成推挽变换器；高频变压器T1组成升压环节，如图3(a)所示；电感L2、电容C6和电感L3、L4构成的高频耦合升压互感器组成高压起辉环节，如图3(b)所示；二极管D3~D6组成输入输出整流滤波环节。

　　交流220V电压经过变压器隔离整流滤波后为125V，作为推挽变换器输入的直流电压。推挽变换器选用功率MOSFET器件IRF460。电容C1、电阻R1和二极管D1构成尖峰吸收电路，在器件瞬间关断时，吸收开关器件及线路上的尖峰电压，减少功率MOS管关断时的电压应力，C1=0.01μF，R1=3.6kΩ，二极管D1耐压大于500V，选择UF4007。

(a)

(b)

图3 起辉预燃电路：(a) 预燃主电路；(b) 起辉主电路

　　3.2 高频变压器设计

　　高频变压器的磁芯选用软磁铁氧体，磁通密度通常选用Bm=0.2T。变压器原端输入电压Ui=125V，工作占空比为0.25。副端最大输出电压为1000V，预燃电压为250V，预燃维持电流I=0.1A。原副端的匝数比为n=N1/N2=125/1000=1/8。铁心有效面积S为2cm2，根据公式(1)

　　(1)

　　计算得：；N2=176。

　　取变压器的绕组电流密度j=3A/mm2；输出功率P0=U0I0=250×0.1=25W；输入功率为Pi=P0/0.9=28W；原端工作电流；所需的绕组导线截面积为=0.3mm2。

　　原端电流较大，如果选择单股绕线则有效面积直径D=0.62mm，线径较大，趋肤效应严重，因此采用多股导线并绕。原端采用5股并绕，每股导线的截面积S=0.3/5=0.06mm2，每股的线径D=0.28mm。副端采用单股绕制，所需的导线电流截面积为S=0.1/3mm2，线径D=0.22mm。

　　3.3 输出滤波器

　　变压器副端整流桥的最高电压为1000V。二极管耐压应大于1000V，选择36MB160A。整流电路中的电容一般采用电解电容，起到平滑滤波，减少直流电压中的交流成分。如果选择的滤波电容太小，滤波后的直流电压脉动会较大，为了得到所要求的输出电压，需要较大的占空比调节范围和过高的闭环增益，滤波后的直流电压最小值也比较小，要求高频变压器原副边匝比变大，并使开关管中的电流增加，输出整流二极管的反向电压增加；如果选择的滤波电容太大，充电电流脉冲宽度变窄，幅值增大，导致EMI增加。由于高频变压器的输出电压纹波频率较高，可以选择较小的滤波电容值。电阻R3和电容C3串联构成吸收电路，电感L1和电容C4起滤波作用。经计算，R3=4.7kΩ/2W，C3 =1000pF/3kV，C4=0.01μF/3kV，L1 =2mH。

　　3.4 高压起辉电路

　　脉冲氙灯通过高压起辉电路提供的高压击穿气体，使氙灯内气体击穿。常闭触点继电器S闭合时，稳压管D10被短路，电容C6充电至600V，充电完毕后继电器S断开，稳压管D10给电容C5 充电，直至双向触发管D11导通，从而可控硅VT1导通，电容C6和耦合电感L3发生串联谐振，使耦合电感L4两端产生高的起辉电压，脉冲氙灯内气体被击穿。

　　D10的稳压值为50V。双向触发二极管D11的触发电压为35V。电阻R7=510Ω和R8=4.7kΩ串联分压。R5起分压作用。电阻R9限制电容C6的充电电流。C6的耐压值应大于1kV，取C6=1μF/1200V。电阻R6=3.6kΩ、R10=22MΩ为电容的放电电阻。L2为限流电感，取值1μH。L3=48μH，L4=6.5mH。二极管D12、D13提供谐振回路。

　　3.5 控制电路设计

　　控制芯片UC3825的集成度很高，电路设计主要针对外围电路参数进行。外围电路包括电压误差比较补偿网络、振荡输入、限流保护、输出尖峰电压吸收电路。UC3825采用峰值电流控制模式，电压误差反馈作为电流峰值的给定，与采样电流进行比较，生成PWM驱动信号。

　　控制电路如图4所示。此电路按照最大输出占空比设计，因此，芯片的同相输入端2通过限流电阻R11连接参考电压输出引脚16，反相输入端1则连接地。引脚5的时基电阻R14和引脚6的时基电容C12决定输出信号的频率f和最大占空比DMAX。输出引脚11和14分别输出有死区时间互补的PWM驱动信号。限流电阻R17=R18=100Ω，电阻R19=1kΩ，稳压二极管D18为18V，构成尖峰电压吸收电路。

图4 控制电路

　　(1) 振荡参数选择

　　UC3825的振荡器是锯齿波形，由RT管脚连接的电阻值和CT管脚连接的电容值确定的电流大小决定输出锯齿波的上升沿时间。锯齿波的下降沿时间决定输出死区时间[7]。最大输出占空比DMAX由R14的值确定，根据PWM的输出频率f=50kHz和最大占空比DMAX=0.92来计算C12的值。由公式计算得：

　　(2) 限流保护设计

　　限流保护信号采样于主回路功率开关器件Q1、Q2上的瞬时电流，稳压二极管D20为3.6V，采样电阻R21=0.5Ω/2W上的电压对电容C16和C17充电。当充电电压大于内部限流电压1V时，芯片UC3825降低PWM脉冲的占空比限制主回路的电流峰值；当充电电压大于内部保护电压1.2V时，芯片UC3825关断PWM脉冲输出，器件自锁。限流电阻R16=1kΩ，C16=1000pF，C17=330pF。

　　3.6 预燃检测电路

　　围绕电压比较器LM311构成的检测电路如图5所示。预燃之前，预燃反馈电压uf近于0 V；预燃之后，预燃反馈电压uf大于0.2V。基准参考电压uref为5.1V，通过电阻R23和R24的分压得到0.2V，取R23=24kΩ，R24 = 1kΩ。电阻R22=47kΩ与电容C19=1μF构成低通滤波器。电容C20滤除因布线和器件放置等原因引起的干扰。

图5 预燃检测电路

　　电压比较器的输出端接入上拉电阻R26=10kΩ，当电压uf小于电压0.2V，脉冲氙灯未预燃，比较器输出为低电平，同时常闭继电器S断开；当电压uf大于电压0.2V，预燃成功，比较器输出为高电平，同时继电器S闭合。R27=4.7kΩ起限流作用，电容C21=0.1μF为电源滤波电容。

　　4 试验结果及分析

　　4.1 起辉阶段试验结果及分析

　　功率开关器件Q1、Q2的驱动波形如图6(a)所示。通电后，脉冲氙灯的等效电阻很大，相当于负载开路，电路处于未工作状态，变压器的副端功率为零。原端电流很小，约0.1A。控制芯片UC3825输出最大占空比的有死区时间的互补PWM驱动信号。此时，高频变压器的原端电压很高，如图6(b)所示。电感L3两端的谐振电压波形如图6(c)所示，第一个脉冲电压大于600V。晶闸管VT1导通后，充电电容C6和耦合电感L3发生串联谐振，谐振电压突然加到电感L3两端，直至电能消耗完毕。此时，脉冲氙灯内的气体电离导通。

(a)                                         (b)

(c)

图6 起辉阶段试验波形：(a) 功率开关器件的驱动波形；(b) 变压器原端电压波形；(c) 电感L3两端谐振电压波形。

　　4.2 预燃阶段试验结果及分析

　　起辉完成后，脉冲氙灯导通，高压启辉电路停止工作。其等效电阻急剧减少，相当于负载短路，控制芯片UC3825调节输出PWM驱动信号，系统进入了闭环控制，如图7(a)所示。变压器原端电压下降，如图7(b)所示。推挽变换器输出预燃电压维持脉冲氙灯工作时的维持电流。此后，灯的等效电阻逐渐达到稳态并保持恒定。起辉预燃后的实物图如图8所示，四路并联的脉冲氙灯同时工作。

(a)                                      (b)

图7 预燃阶段试验波形：(a) 开关器件的驱动波形；(b) 变压器原端电压波形

图8 脉冲氙灯预燃实物图

　　5 结论

　　本文为满足道路检测车上的脉冲氙灯工作的需要，设计并研制了一种新型脉冲氙灯起辉预燃电源。根据脉冲氙灯起辉预燃时气体放电的特点，采用UC3825控制芯片控制的推挽变换器和高频变压器构成预燃电路以及利用串联谐振原理实现高压起辉。对于我们采用的Ф7×120mm四个并联脉冲氙灯，单个脉冲氙灯预燃电流稳定在100mA，脉冲氙灯两端的预燃电压在250V。该电源具有结构简单、输出稳定、体积小、重量轻、效率高。试验结果表明，该电源工作可靠，运行稳定，具有很强的实用价值。