寬光譜光源的功率因數校準及穩壓電路設計

徐丹陽，陳婉婉，童珺怡,隋成華，陳曉明，汪 飛，岑華平

(1.浙江工業大學 理學院，浙江 杭州 310023； 2.杭州博源光電科技有限公司，浙江 杭州 310023)

寬光譜光源的功率因數校準及穩壓電路設計

徐丹陽1，陳婉婉1，童珺怡1,隋成華1，陳曉明2，汪 飛2，岑華平2

(1.浙江工業大學 理學院，浙江 杭州 310023； 2.杭州博源光電科技有限公司，浙江 杭州 310023)

設計了寬光譜光源穩定電路，介紹了L6561功率因數校準電路和UC3843穩壓電路的設計. 將單端反激式電路與L6561功率因數校正器相結合設計PFC電路，改善了傳統電路功率因數低、電流諧波大的問題. L6561功率因數校準電路輸出穩定的直流電壓作穩壓電路的24 V輸入電壓，UC3843和TLC271設計穩壓電路，可以輸出300 mA高精度電流.

寬光譜光源；功率因數；穩壓電路

寬光譜光源是顏色、反射系數測量以及紫外-可見光-近紅外光譜測量的必備光源，常與小型光纖光譜儀和光纖搭配使用[1-3]. 寬光譜光源的應用，涉及科學研究、工業生產、軍事偵測、化學分析及醫療制藥等多個領域，對于其電路穩定性的研究具有重大的理論和實際意義[4-6]. 氘燈、鹵鎢燈的組合光譜可用來設計寬光譜光源. 光源持續發光的穩定性90%以上由穩壓電路的穩定性決定[7]. 傳統的寬光譜光源的電路設計，常用單個獨立的開關電源，輸出多路直流電壓，分別給氘燈、鹵鎢燈提供工作電壓，用繼電器和邏輯電路控制時序或者用單片機控制電路工作過程[8-10]. 前者機械損耗大，光電轉換率低，電路的穩定性不高；后者成本高、電路復雜，而傳統的開關電源具有功率因數低、電流諧波大等問題. 考慮到電源的穩定性以及成本等因素，選用L6561功率因數校正器設計降壓型PFC驅動電路[11]，輸出單路直流電壓驅動氘燈、鹵鎢燈穩壓電路；選用UC3843高性能固定頻率電流模式控制器設計氘燈、鹵鎢燈穩壓電路，結構簡單、設計合理，能有效提高電源的功率因數，保證輸出光譜穩定[12].

1 氘-鹵鎢燈組合開關電源

氘-鹵鎢燈組合開關電源設計系統框圖如圖1所示. 基于L6561的PFC電路輸出單路24 V直流電壓，用來驅動氘燈、鹵鎢燈穩壓電路. 鹵鎢燈穩壓電路中BUCK電路選用UC3843，外部補償電路選用比較器LM2903，控制電路選用施密特觸發器HEF4093. 預熱電路、觸發電路和恒流源電路構成氘燈工作電路. 預熱電路采用恒壓型BUCK電路，觸發電路采用恒壓型BOOST電路，恒流源電路采用恒頻式升壓開關電源拓撲電路. 輔助控制電路對工作過程進行控制，選用HEF4093控制開關的高低電平，LM393控制電容的充放電時間.

圖1 氘-鹵鎢燈開關電源的系統框圖

2 功率因數校準電路

2.1 基于L6561的PFC電路的工作原理

基于L6561的單端反激式電路的結構框圖見圖2，L6561功率因數校正芯片處于臨界導通模式下，是PFC電路的核心. 變壓器和光耦實現輸入電壓與輸出電壓的電氣隔離. EMI濾波器阻止電網中的電磁干擾經過電源線進入后級電路，同時也阻擋后級電路產生的電磁干擾經過電源線干擾電網，提高系統的整體工作效率. 控制電路用來維持電流恒定、限制電壓和實現環路補償.

圖2 基于L6561的單端反激式電路結構框圖

2.2 功率因數校準電路參量設計

功率因數校準電路參量要求：輸入交流電壓為85～265 V，輸出直流電壓Uo=24 V，電流Io=1 A，反射電壓UR=100 V，電網頻率f=50 Hz，輸出紋波Δu=1 V，最小開關頻率fs=25 kHz，漏感電壓ΔU=70 V，電源效率η=85%.

1)橋堆的選擇，主要由系統的最大輸入電流和最大輸入峰值電壓決定，濾波電容C42和最大輸入峰值電壓有關.

Upmax=2UACmax,

(1)

式中：Upmax是最大輸入峰值電壓，UACmax是最大輸入交流電壓，因此采用2 A/400 V的橋堆，濾波電容C42選擇2.2 μF/400 V的CBB電容.

2)變壓器T1的初級電感值L1及初級線圈和次級線圈匝數比n設計.

L1=Upmin(1+KV)fsI1p,

(2)

n=URUo+Uf,

(3)

式中:Upmin為最小輸入峰值電壓，fs為最小開關頻率，KV為峰值電壓與發射電壓比，I1p為峰值初級電流，Uf為次級整流二極管壓降電壓.

3)開關管的選擇.

UDSmax=Upmax+ΔU+UR,

(4)

式中:UDSmax為漏極和源級的最大擊穿電壓，考慮到應留有適當的電壓裕量，用以減少柵極驅動和電容損耗，選用06N80C3作為開關管，其耐壓值為800 V，導通電阻0.9 Ω，連續漏電流為6 A.

4)整流二極管的選擇.

UDRmax=Upmax+UR,

(5)

式中:UDRmax為最大反向擊穿電壓，考慮到應留有電壓裕量，選擇BYV29-600為整流二極管，最大反向電壓600 V.

2.3 功率因數校準電路實現

外部交流電通過扼流圈濾波去除電磁干擾，經橋式整流得到輸入電壓Ui，經電容C42濾波后進入變壓器初級繞組. 功率因數校準電路設計圖如圖3所示.

圖3 基于L6561的PFC電路原理圖

L6561在臨界導通模式下，實現功率因數校正、電壓變換及電壓電氣隔離. L6561內部能提供400 mA的推挽電流，通過7腳GD驅動MOS管Q26，R90為MOS管Q26的限流驅動電阻. MOS管Q26的不斷導通和關斷使得初級繞組的電壓耦合到次級繞組，通過變壓器T1降壓、二極管整流及電容濾波后得到輸出Uo.

輸出電壓Uo，電阻R85,R87,R95,R96以及光耦CNY17-3構成反饋回路，與L6561的1腳INV相連，限定輸出電壓值.R99和R101構成分壓采樣電阻，C45是電壓采樣濾波電容，R97,C46和C47組成反饋補償網絡，R93為初級電流檢測電阻. 電容C41、電阻R109和二極管D32構成吸收漏感的RCD箝位電路，當Q26關斷瞬間二極管D32導通，電容C41的電壓瞬間升高，導致D32截止，C41通過箝位電阻R109放電，防止過多的能量進入Q26漏極引起被擊穿.

3 穩壓電路

3.1 恒流源電路工作原理

恒流源輸出的電流保持不變，其主要由輸入級和輸出級構成，輸入級一般用具有放大功能的三極管與二極管相連，實現電壓穩定輸入，輸出級采用工作狀態處于輸出電流飽和狀態的MOS管來實現恒流. 氘燈恒流源電路輸出電壓為75 V，輸出電流為300 mA. 電路見圖4.

圖4 氘燈恒流源工作電路圖

3.2 恒流源電路參量設計

1)UC3843振蕩器頻率f的設定.

f=1.72RTCT,

(6)

式中：RT和CT為定時元件，設定開關頻率f為277 kHz，則電阻RT取6.2 kΩ(R34)；電容CT取1 000 μF/100 V(C26).

2)電感L的取值.

L=Uo(1-D)2fIo,

(7)

式中:Uo為恒流源的輸出電壓，Io為輸出電流，D為系統的占空比. 電感取值一般為計算值的3～5倍，因此選取L為2 mH/0.5 A(L1).

3)濾波電容的選擇.

C=Uo8Lf2ΔuUi-UoUi,

(8)

式中:Ui為恒流源的輸入電壓. 濾波電容取值一般為計算值的3～5倍，因此取2個22 μF/200 V的電解電容.

3.3 恒流源電路實現

UC3843起穩壓作用，TLC271起恒流作用. 芯片UC3843的VREF腳輸出5 V基準電壓，通過電阻R34向電容C26提供充電電流，由此確定系統的振蕩頻率.Vo腳輸出信號驅動MOS管Q1柵極. 電阻R3和電容C31構成RC濾波器，防止限流電阻R2和R4的噪聲影響UC3843產生誤操作. 三端穩壓管TLC271并聯電容C33和C15，能有效濾除高低頻脈沖干擾，消除耦合作用. TLC271的6腳輸出信號，經三極管Q21和Q20反饋至UC3843的VFB腳，用來穩定電路的輸出電壓，電阻R5和R18作分壓反饋. 輔助控制電路通過電阻R53和三極管Q2接UC3843的COMP腳，從而控制恒流源整個電路工作與否.

4 結 論

寬光譜光源的功率因數校準電路提高了電路的功率因數，穩壓電路對電路進行穩壓和恒流，具有成本較低、體積小、實用性強、性能穩定等特點，解決了傳統開關電源中功率因數低、電流諧波大的問題，能夠達到寬光譜光源對于電路穩定性的要求. 最終設計的L6561功率因數校準電路輸出穩定的直流電壓作穩壓電路的24 V輸入電壓，UC3843和TLC271設計穩壓電路，輸出電壓75 V，高精度輸出300 mA電流.

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[責任編輯：尹冬梅]

Power factor correction circuit and the voltage-stabilizing circuit of wide spectrum light sources

XU Dan-yang1， CHEN Wan-wan1, TONG Jun-yi1, SUI Cheng-hua1, CHEN Xiao-ming2, WANG Fei2, CEN Hua-ping2

(1.College of Science, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 320023, China; 2.Brolight Technology (Hangzhou) Co.,Ltd, Hangzhou 310023, China)

A wide spectrum light source stabilizing circuit was designed, which included the power factor correction circuit of L6561 and the voltage-stabilizing circuit of UC3843 in details. Based on the single-ended fly-back circuits and the power factor correction converter of L6561, the PFC circuit was designed, which solved the problems of low power factor and big current harmonic. The power factor correction circuit of L6561 provided a stable input voltage of 24 V DC for the voltage-stabilizing circuit. The chip of UC3843 and TLC271 were used to design voltage-stabilizing circuit, which provide 300 mA high-precise current.

wide spectrum light source; power factor; voltage-stabilizing circuit

2016-05-19

徐丹陽(1983-)，男，浙江紹興人，浙江工業大學理學院實驗師，碩士，主要從事光電探測技術方面的研究.

TM923

A

1005-4642(2017)01-0019-04

“第9屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文