新型脈沖氙燈起輝預(yù)燃電源的研制

3.2 高頻變壓器設(shè)計(jì)

高頻變壓器的磁芯選用軟磁鐵氧體，磁通密度通常選用Bm=0.2T。變壓器原端輸入電壓Ui=125V，工作占空比為0.25。副端最大輸出電壓為1000V，預(yù)燃電壓為250V，預(yù)燃維持電流I=0.1A。原副端的匝數(shù)比為n=N1/N2=125/1000=1/8。鐵心有效面積S為2cm2，根據(jù)公式(1)
(1)

計(jì)算得：；N2=176。

取變壓器的繞組電流密度j=3A/mm2；輸出功率P0=U0I0=250×0.1=25W；輸入功率為Pi=P0/0.9=28W；原端工作電流；所需的繞組導(dǎo)線截面積為=0.3mm2。

原端電流較大，如果選擇單股繞線則有效面積直徑D=0.62mm，線徑較大，趨膚效應(yīng)嚴(yán)重，因此采用多股導(dǎo)線并繞。原端采用5股并繞，每股導(dǎo)線的截面積S=0.3/5=0.06mm2，每股的線徑D=0.28mm。副端采用單股繞制，所需的導(dǎo)線電流截面積為S=0.1/3mm2，線徑D=0.22mm。

3.3 輸出濾波器

變壓器副端整流橋的最高電壓為1000V。二極管耐壓應(yīng)大于1000V，選擇36MB160A。整流電路中的電容一般采用電解電容，起到平滑濾波，減少直流電壓中的交流成分。如果選擇的濾波電容太小，濾波后的直流電壓脈動(dòng)會(huì)較大，為了得到所要求的輸出電壓，需要較大的占空比調(diào)節(jié)范圍和過(guò)高的閉環(huán)增益，濾波后的直流電壓最小值也比較小，要求高頻變壓器原副邊匝比變大，并使開(kāi)關(guān)管中的電流增加，輸出整流二極管的反向電壓增加；如果選擇的濾波電容太大，充電電流脈沖寬度變窄，幅值增大，導(dǎo)致EMI增加。由于高頻變壓器的輸出電壓紋波頻率較高，可以選擇較小的濾波電容值。電阻R3和電容C3串聯(lián)構(gòu)成吸收電路，電感L1和電容C4起濾波作用。經(jīng)計(jì)算，R3=4.7kΩ/2W，C3 =1000pF/3kV，C4=0.01μF/3kV，L1 =2mH。

3.4 高壓起輝電路

脈沖氙燈通過(guò)高壓起輝電路提供的高壓擊穿氣體，使氙燈內(nèi)氣體擊穿。常閉觸點(diǎn)繼電器S閉合時(shí)，穩(wěn)壓管D10被短路，電容C6充電至600V，充電完畢后繼電器S斷開(kāi)，穩(wěn)壓管D10給電容C5 充電，直至雙向觸發(fā)管D11導(dǎo)通，從而可控硅VT1導(dǎo)通，電容C6和耦合電感L3發(fā)生串聯(lián)諧振，使耦合電感L4兩端產(chǎn)生高的起輝電壓，脈沖氙燈內(nèi)氣體被擊穿。

D10的穩(wěn)壓值為50V。雙向觸發(fā)二極管D11的觸發(fā)電壓為35V。電阻R7=510Ω和R8=4.7kΩ串聯(lián)分壓。R5起分壓作用。電阻R9限制電容C6的充電電流。C6的耐壓值應(yīng)大于1kV，取C6=1μF/1200V。電阻R6=3.6kΩ、R10=22MΩ為電容的放電電阻。L2為限流電感，取值1μH。L3=48μH，L4=6.5mH。二極管D12、D13提供諧振回路。

3.5 控制電路設(shè)計(jì)

控制芯片UC3825的集成度很高，電路設(shè)計(jì)主要針對(duì)外圍電路參數(shù)進(jìn)行。外圍電路包括電壓誤差比較補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、振蕩輸入、限流保護(hù)、輸出尖峰電壓吸收電路。UC3825采用峰值電流控制模式，電壓誤差反饋?zhàn)鳛殡娏鞣逯档慕o定，與采樣電流進(jìn)行比較，生成PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

控制電路如圖4所示。此電路按照最大輸出占空比設(shè)計(jì)，因此，芯片的同相輸入端2通過(guò)限流電阻R11連接參考電壓輸出引腳16，反相輸入端1則連接地。引腳5的時(shí)基電阻R14和引腳6的時(shí)基電容C12決定輸出信號(hào)的頻率f和最大占空比DMAX。輸出引腳11和14分別輸出有死區(qū)時(shí)間互補(bǔ)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。限流電阻R17=R18=100Ω，電阻R19=1kΩ，穩(wěn)壓二極管D18為18V，構(gòu)成尖峰電壓吸收電路。

圖4 控制電路

(1) 振蕩參數(shù)選擇

UC3825的振蕩器是鋸齒波形，由RT管腳連接的電阻值和CT管腳連接的電容值確定的電流大小決定輸出鋸齒波的上升沿時(shí)間。鋸齒波的下降沿時(shí)間決定輸出死區(qū)時(shí)間[7]。最大輸出占空比DMAX由R14的值確定，根據(jù)PWM的輸出頻率f=50kHz和最大占空比DMAX=0.92來(lái)計(jì)算C12的值。由公式計(jì)算得：


(2) 限流保護(hù)設(shè)計(jì)

限流保護(hù)信號(hào)采樣于主回路功率開(kāi)關(guān)器件Q1、Q2上的瞬時(shí)電流，穩(wěn)壓二極管D20為3.6V，采樣電阻R21=0.5Ω/2W上的電壓對(duì)電容C16和C17充電。當(dāng)充電電壓大于內(nèi)部限流電壓1V時(shí)，芯片UC3825降低PWM脈沖的占空比限制主回路的電流峰值；當(dāng)充電電壓大于內(nèi)部保護(hù)電壓1.2V時(shí)，芯片UC3825關(guān)斷PWM脈沖輸出，器件自鎖。限流電阻R16=1kΩ，C16=1000pF，C17=330pF。

3.6 預(yù)燃檢測(cè)電路

圍繞電壓比較器LM311構(gòu)成的檢測(cè)電路如圖5所示。預(yù)燃之前，預(yù)燃反饋電壓uf近于0 V；預(yù)燃之后，預(yù)燃反饋電壓uf大于0.2V?；鶞?zhǔn)參考電壓uref為5.1V，通過(guò)電阻R23和R24的分壓得到0.2V，取R23=24kΩ，R24 = 1kΩ。電阻R22=47kΩ與電容C19=1μF構(gòu)成低通濾波器。電容C20濾除因布線和器件放置等原因引起的干擾。

電壓比較器的輸出端接入上拉電阻R26=10kΩ，當(dāng)電壓uf小于電壓0.2V，脈沖氙燈未預(yù)燃，比較器輸出為低電平，同時(shí)常閉繼電器S斷開(kāi)；當(dāng)電壓uf大于電壓0.2V，預(yù)燃成功，比較器輸出為高電平，同時(shí)繼電器S閉合。R27=4.7kΩ起限流作用，電容C21=0.1μF為電源濾波電容。

圖5 預(yù)燃檢測(cè)電路