基于雙限流型變換器的超低溫工作的大功率爆閃燈設計

段奕初，李龍華，金永鎬

（延邊大學工學院，吉林延吉，133002）

0 引言

爆閃燈利用頻閃管發出強光，具有很好的警示性，廣泛用于特種車輛、道路交通、航空航海等方面，最大限度避免了各種事故的發生[1-2]。

現有的爆閃燈，采用固定頻率的BOOST變換器給儲能電容C充電后觸發頻閃管爆閃方式工作，此時發出的能量用W=0.5CU2來衡量，通常儲能電容使用耐壓為400V容量為47uF、68uF、100uF、220uF、330uF、680uF等電容，使用47uF～100uF的產品屬于小功率，使用220uF～330uF的產品屬于中功率，大于330uF的產品屬于大功率。

但BOOST變換器的電感利用率低，在大功率場合需要較大的儲能電感，會導致電感上能量消耗過多，設計大功率時需要較大容量的電感，導致體積增加；充電時電感能量無法全部釋放給儲能電容時開關管又導通，很快達到設定電流值，降低變換器的效率，容易引起電感飽和損壞開關管；充電電壓較低的區域充電速度過快，頻閃管產生“拉弧”現象（頻閃管爆閃后無法熄滅處于微亮的狀態）[3]。由于大部分集成電路，包括各種單片機的工作溫度范圍為-40℃～ 85℃，因此很難直接設計出工作在超低溫環境的產品由于大部分集成電路，而三極管、場效應管、二級管等分立元件的工作范圍可以達到-55℃以下到+125℃范圍[4]。

鑒于上述問題設計了基于雙限流型變換器的超低溫工作的大功率爆閃燈，利用BUCK型變換器，設計了周期可變的雙限流型充電器，在充電電壓較低的區域，電感釋放能量的時間較長，工作周期自動延長降低充電速率，從而克服充電速度過快引起的頻閃管“拉弧”的現象；無需等待固定頻率模式的下一個周期的開始，隨著充電電壓的上升周期自動變短，大大提高充電速率。可組成電儲能電容為47uF～680uF的大、中、小的爆閃式信號燈，因此通用性很強，且能工作在-40℃以下的超低溫，自動調節充電速率防止出現拉弧現象，具有充電功率大、充電效率高、電感利用率高、電路簡單、工作穩定的特點，可實現產品的單一化，擴寬使用范圍，產品便于維護管理，提高管理效率。

1 交流爆閃燈工作原理及存在問題

1.1 現有的交流爆閃燈工作原理分析

圖1為爆閃燈工作時波形，變換器利用輸入電壓以恒流方式在規定的時間內（0.8s～1.5s可設定）給高壓儲能電容充電，當充電電壓UC達到設定值時（280～350V可設定），發出觸發脈沖則通過觸發線圈產生5000V以上的高壓觸發頻閃管發出強光。

圖1 頻閃管工作波形圖

1.2 利用固定頻率模式BOOST變換器的爆閃燈存在問題

圖2為固定頻率模式BOOST變換器的充電器簡化電路[5]。

圖2 固定頻率模式BOOST變換器的充電器

圖3為輸出電壓UO不同時分析電感電流和開關管控制脈沖之間的關系的工作狀態圖。

圖3 輸出電壓不同時工作狀態

在1區UO比較低周期T內電感只能釋放部分能量給C充電，因此開關管控制脈沖很窄，降低變換器的效率，容易引起電感飽和損壞開關管。

在2區UO較大周期T內電感釋放全部能量給C充電，開關管控制脈沖較寬，沒有等待時間，是很理想的工作狀態。

在3區UO很大電感釋放能量時間很短，等待下一個同步脈沖，因此充電速率降低，但開關管控制脈沖較寬。

2 基于雙限流型變換器的大功率爆閃燈

2.1 整體框圖

圖4為基于雙限流型變換器的大功率爆閃燈框圖。設定電感儲能時最大電流IP和釋放電流的最小值IL，利用釋放電流檢測器和峰值電流檢測器檢測后控制NCP5181的下驅動器，利用NCP5181的上驅動器組成觸發脈沖發生器，輸出周期為0.8s～1.5s的窄脈沖。

圖4 整體框圖

2.2 基于雙限流型變換器的大功率爆閃燈設計

圖5為基于雙限流型變換器的大功率爆閃燈電路圖，NCP5181內有2個驅動器，工作電壓為8V～20V，內有20V穩壓管，工作電流約為0.35mA。驅動器的輸入端具有施密特輸入特性，輸入超過上觸發電壓UH=2V時輸出高電平，低于下觸發電壓UL=1V時輸出低電平。

圖5 雙限流型變換器的電路圖

峰值電流IP的檢測過程為，上電時Q5、Q6、Q1截止，12V電壓經過R5提供大于UH=2V的電壓，因此4腳輸出高電平Q3導通、D4截止，高壓Ui經過C2、L1產生線性增加的電流iL，因此C2開始充電L1儲能，當電流iL增加到為Q5的門檻電壓約為2V)時，Q5導通、Q3截止進行限流。因此IP取決于式（1）：

釋放電流的最小值IL的檢測過程為，當Q5導通、Q3截止時L1的極性反轉D4、D1導通，L1釋放能量電流iL經過D1產生壓降UD1,UD1大于Q1的BE結壓降UBE1時Q1產生集電極iO，iO值決于式（2）：

iO經過R11產生壓降UR11,當UR11大于Q6的門檻電壓UGS6時Q6一直導通，4腳輸出低電平Q3截止,當UR11＜UGS6時Q3重新導通，當釋放電流iL=IL時D1兩端的電壓為UD1L,則UD1L由式（3）決定：

代 入 R1=200Ω、R11=20K、UGS6=2V、UBE1=0.6V可 得UD1L=0.62V。UD1L與IL值和D1的伏安特性有關。UD1L值設置的越小IL值越小，只要有很小的電流iL流過D1，則產生大于UD1L=0.62V的電壓Q6一直導通，只有當iL接近0時Q6截止，從而實現IL≈0mA的目的。

由式2可見，當溫度改變時兩個PN結電壓UBE1和UD1同時改變，而iO與(UD1-UBE1)差值有關變化較小，因此這種電路具有溫度補償特性。

2.3 工作周期變化分析

由圖5可知，當Q3導通時電感L1兩端的電壓為(Ui-UO),斷開時L1兩端的電壓為UO，因此電流從IH改變到IL時Q3的導通時間和截止時間由式（4）、式（5）決定：

因此當UO變大時ton變大，而toff變小，圖6為UO不同時工作周期改變趨勢圖，當UO＜0.5Ui區間周期T逐漸變小，當UO=0.5Ui時ton=toff，而在UO＞0.5Ui區間周期T逐漸變大。

圖6 UO不同時工作周期改變趨勢圖

2.4 充電能量分配分析

設IL=0并分析UO不同時，在每個周期T內ton時間和toff時間內給C2充電的能量。ton時電感電流iL給電容C2充電，傳送的能量由式（6）決定，電流iL取決于式（7）。

結合式（4）、式（6）、式（7）可得式（8）：

toff時間內電感把的能量釋放給C2充電。圖7為Ui=300V、L1=300uH、IP=1A時Won和WL在不同的UO時變化圖。

圖7 UO不同時Won和WL的變化圖

可見在 UO＜0.5Ui區域 Won＜WL, 且 UO較小時 Won值很小周期自動變長，因此充電速度較慢有利于克服充電速度過快引起的頻閃管“拉弧”的現象。在 UO＞0.5Ui區域 Won＞WL, 且 UO越大Won值越大周期自動變長，加快充電速度可實現釋放21J能量的大功率爆閃燈，這個區間可大大提高電感的利用率，利用同容量的電感可設計出較大功率的充電器。

當C2=660uF、UO=260V時電容C2儲存的能量為W=0.5C2UO2≈22.3J，滿足釋放能量大于21J的要求。

2.5 觸發脈沖發生器設計

圖8為觸發脈沖發生器及頻閃管觸發電路。

圖8 觸發脈沖發生器及頻閃管觸發電路

上電時C5的初始電壓為0V，7腳輸出低電平Q2截止12V電壓經過R3給C5充電，當C5的電壓超過UH=2V時，7腳輸出高電平Q2飽和C5充電電壓通過R6放電，當電壓低于UL=1V時，7腳輸出低電平Q2重新截止，因此7腳上輸出觸發脈沖。

C5的電壓通過R3從UL到UH的充電時間tL利用一階電路的全響應公式可得式（9）：

C5的電壓通過R6從UH到UL的放電時間tH利用一階電路的全響應公式可得式（10）：

R3=300K、R6=5K、C5=4.7uF、UCC=12V 時 tL≈ 0.94s、tH≈0.11s，因此輸出占空比D=10.8%的窄脈沖,通過R9觸發可控硅Q8工作。

3 仿真實驗結果分析

利用PSpice軟件仿真，圖9為C2=660uF、峰值電流IP1=2.4A、UO=300V，采用固定頻率BOOST變換器時C2的充電電壓波形，可見充電速率是非線性的，A點附近充電速度很快，而接近B點時充電速度很慢。A點處的電壓為80V，B點處t=525ms時 UO=300V。

圖9 采用BOOST變換器時C2的電壓波形圖

圖10為C2=660uF、IP2=1.2A、UO=300V，采用雙限流型變換器時C2充電電壓波形。可見充電速率近似線性的，C點處的電壓為43V和A點相比小37V，因此有利于克服拉弧現象。雖然峰值電流IP2僅為IP2的0.5倍，但在D點處t=475ms時已經達到300V，因此峰值電流較小，充電速度很快可組成C2值比較大的大功率爆閃燈。

圖10 雙限流型變換器的C2充電電壓波形

為了觀察UO較小和較大時周期變化規律，取C2=330uF的較小值后得到圖11和圖12。

圖11為UO比較小時電感電流和控制脈沖波形圖。

圖11 UO較小時電感電流和控制脈沖波形圖

可見隨著UO上升周期自動變短，控制脈沖的脈寬變長，有利于提高效率，且電感電流近似為0時重新工作。

圖12為UO比較大時電感電流和控制脈沖波形圖，可見隨著UO上升周期自動變長，電源電壓Ui通過電感直接充電的時間變長，有利于提高充電速率，且電感電流近似為0時重新工作。

圖12 UO 較大時電感電流和控制脈沖波形

4 結論

實驗結果表明，利用雙限流型充電器設計的交流爆閃燈，在低電壓處充電速度較慢，有利于克服“拉弧”現象，在整個充電區充電速率變化不大，充電速度很快，因此可組成C2值比較大的大功率爆閃燈。

在整個充電區控制脈沖的脈寬很寬，有利于提高效率，開關管的導通和截止時電感都能傳送能量，從而提高電感的利用率，可降低電感工作時的峰值電流值。

整個電路使用1片超低溫工作的通用型場效應管驅動芯片NCP5181設計，具有充電功率大、充電效率高、電感利用率高、電路簡單、工作穩定的特點，可實現多種規格的產品單一化，拓寬使用范圍，產品便于維護管理，提高管理效率。