1 引 言
隨著計算機、機械、電子技術(shù)的發(fā)展，道路檢測車使得大規(guī)模、快速、準確地獲取道路使用信息成為可能。檢測車上的攝像系統(tǒng)按攝像速度分為普通攝像機、高速攝像機和數(shù)碼攝像機，其中高速攝像機主要用于對路面的裂縫、坑槽等破壞狀況進行圖像采集。然而在使用高速攝像機時，大多數(shù)檢測車采用的是持續(xù)照射的光源。由于光源的強度較低，在實際使用時往往需要增加曝光時間來達到高質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)。因此，提高照射的光源強度可以提高圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量[1]。
脈沖氙燈的優(yōu)點是能解決光亮度與伴隨熱量的矛盾。它放電時發(fā)出強烈的光，但閃光持續(xù)時間很短，所以熱量影響較小。由于瞬時光能量大，圖像的層次還原較好。為了延長脈沖氙燈的壽命，提高光電轉(zhuǎn)換效率，在重復(fù)率較低的情況下，一般需要在脈沖大電流放電之前加上預(yù)燃電流[2]。如果采用傳統(tǒng)的工頻變壓器式預(yù)燃電路，就必須增大濾波電容和大功率限流電阻，增大了電路的體積，電路也容易因干擾而被誤認為解除預(yù)燃[3]。另外，脈沖氙燈在工作時，弧光放電時間較長，放電電容的能量釋放不充足而聚集可能導(dǎo)致放電電容不能正常放電的現(xiàn)象出現(xiàn)。本文根據(jù)脈沖氙燈的工作原理，提出了一種脈沖氙燈起輝預(yù)燃的電源結(jié)構(gòu)，并研制了脈沖氙燈的預(yù)燃電源。該電源采用PWM技術(shù)控制，起輝和預(yù)燃階段共用一個電源，起輝時為電壓源，預(yù)燃時為恒流源。試驗結(jié)果表明，該電源效率較高，工作可靠，運行穩(wěn)定，有效地解決了因放電電容的殘余能量聚集導(dǎo)致的不正常放電現(xiàn)象。
2 脈沖氙燈的工作原理
脈沖氙燈的工作分為起輝、預(yù)燃和高壓放電三階段[4]，如圖1所示。其工作過程比較復(fù)雜，是一種非穩(wěn)態(tài)的氣體放電。起輝階段，放電首先在石英管內(nèi)壁接近觸發(fā)絲處產(chǎn)生電離通道，氣體由于與電子碰撞而被加熱，燈內(nèi)的氙氣迅速電離，發(fā)生輝光放電。脈沖變壓器T、電容C2 、可控硅VT2 和電阻R2 構(gòu)成起輝電路，當VT2 關(guān)斷時，電壓U1通過電阻R2給電容C2 充電，在電容C2 上存儲能量，通常U1 為1kV左右，充電時間很短。當VT2導(dǎo)通時，電容C2 和脈沖變壓器T的電感諧振放電，在變壓器T 的副端產(chǎn)生5kV左右的起輝電壓，脈沖氙燈在很強的軸向電場及觸發(fā)高壓脈沖作用下，氣體被擊穿，形成放電通道；預(yù)燃階段，當輸入的能量足夠大時，電極加熱到具有一定的熱發(fā)射能力，燈管中的氣體則由輝光放電過渡到弧光放電。此時，脈沖氙燈可近似為一電阻，電壓U2 通過電阻R1 和二極管D 加到脈沖氙燈兩端形成預(yù)燃回路；高壓放電階段，脈沖氙燈為弧光放電，當VT1 關(guān)斷時，電壓U3 向電容C1 充電，當VT1 導(dǎo)通時，電容C1 向脈沖氙燈放電，從而脈沖氙燈出現(xiàn)弧光頻閃現(xiàn)象。在高壓放電階段，預(yù)燃電路一直給脈沖氙燈提供維持電流（約100mA）。
在傳統(tǒng)的脈沖氙燈起輝預(yù)燃系統(tǒng)中，起輝階段和預(yù)燃階段分別需要電壓源，如圖1所示，U1為起輝電壓，U2為預(yù)燃電壓，從而增加了電源設(shè)計的復(fù)雜性。新型脈沖氙燈起輝預(yù)燃電源采用PWM技術(shù)控制，起輝和預(yù)燃階段共用一個電源，起輝時為電壓源，預(yù)燃時為恒流源。起輝階段，最大占空比輸出最高電壓，通過串聯(lián)諧振得到高壓起輝電壓；預(yù)燃階段，通過調(diào)整占空比恒流輸出維持電流（約100mA）。[!--empirenews.page--]
圖1 脈沖氙燈工作原理示意圖
3 預(yù)燃電源的設(shè)計
預(yù)燃電源由脈沖氙燈的高壓觸發(fā)和預(yù)燃電流維持兩部分組成，如圖1所示。傳統(tǒng)預(yù)燃電路的U1 和U2 通常通過工頻升壓變壓器升壓和二極管整流得到，這種電路主要存在以下缺點：工頻升壓變壓器體積大、笨重；限流電阻R1上消耗的功率較多，一般在100W~300W之間；必須有高壓觸發(fā)電路；輸出脈沖氙燈的預(yù)燃電流不可調(diào)[5]。
新型起輝預(yù)燃電源系統(tǒng)框圖如圖2所示，該電源由高頻推挽變換器、高頻變壓器、高壓啟輝電路、控制保護電路以及預(yù)燃檢測電路構(gòu)成，具有變換效率高，輸出電流紋波小等特點。交流220V輸入電壓通過變壓器隔離，整流濾波后作為推挽變換器的輸入，推挽變換器將輸入電壓變換成高頻交流脈沖電壓，通過高頻變壓器完成電壓匹配和高頻隔離功能，然后再由輸出整流濾波環(huán)節(jié)輸出預(yù)燃電壓，同時高壓起輝電路升壓輸出高壓起輝電壓，省掉了體積龐大且笨重的工頻輸出變壓器，降低了音頻噪聲[6]。控制保護電路由UC3825器件及外圍電路組成，根據(jù)主電路反饋的電流信號，為開關(guān)器件提供PWM驅(qū)動信號。預(yù)燃檢測電路將檢測到的電流信號和基準電源比較輸出預(yù)燃成功信號，并同時關(guān)閉高壓起輝。
圖2 起輝預(yù)燃電源系統(tǒng)框圖
研究表明，脈沖氙燈在高頻工作時呈電阻特性。點亮之前，其等效電阻很大，相當于負載開路。此時，控制芯片UC3825輸出最大占空比的PWM驅(qū)動信號，推挽變換器輸出高壓起輝電壓使脈沖氙燈內(nèi)的氣體電離導(dǎo)通；起輝后，高壓起輝電路停止工作，其等效電阻急劇減少，相當于負載短路。此時，控制芯片UC3825檢測主電路的電流峰值調(diào)節(jié)輸出PWM的占空比，系統(tǒng)進入閉環(huán)控制，推挽變換器輸出脈沖氙燈預(yù)燃工作時的維持電流；此后，脈沖氙燈的等效電阻逐漸達到穩(wěn)態(tài)并保持恒定。
3.1 起輝預(yù)燃主電路
新型預(yù)燃電源的主電路如圖3所示。功率開關(guān)器件Q1、Q2組成推挽變換器；高頻變壓器T1組成升壓環(huán)節(jié)，如圖3(a)所示；電感L2、電容C6和電感L3、L4構(gòu)成的高頻耦合升壓互感器組成高壓起輝環(huán)節(jié)，如圖3(b)所示；二極管D3~D6組成輸入輸出整流濾波環(huán)節(jié)。
交流220V電壓經(jīng)過變壓器隔離整流濾波后為125V，作為推挽變換器輸入的直流電壓。推挽變換器選用功率MOSFET器件IRF460。電容C1、電阻R1和二極管D1構(gòu)成尖峰吸收電路，在器件瞬間關(guān)斷時，吸收開關(guān)器件及線路上的尖峰電壓，減少功率MOS管關(guān)斷時的電壓應(yīng)力，C1=0.01μF，R1=3.6kΩ，二極管D1耐壓大于500V，選擇UF4007。
(a)
(b)
圖3 起輝預(yù)燃電路：(a) 預(yù)燃主電路；(b) 起輝主電路[!--empirenews.page--]
3.2 高頻變壓器設(shè)計
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會較大，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。常閉觸點繼電器S閉合時，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，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
控制芯片UC3825的集成度很高，電路設(shè)計主要針對外圍電路參數(shù)進行。外圍電路包括電壓誤差比較補償網(wǎng)絡(luò)、振蕩輸入、限流保護、輸出尖峰電壓吸收電路。UC3825采用峰值電流控制模式，電壓誤差反饋作為電流峰值的給定，與采樣電流進行比較，生成PWM驅(qū)動信號。
控制電路如圖4所示。此電路按照最大輸出占空比設(shè)計，因此，芯片的同相輸入端2通過限流電阻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的時基電阻R14和引腳6的時基電容C12決定輸出信號的頻率f和最大占空比DMAX。輸出引腳11和14分別輸出有死區(qū)時間互補的PWM驅(qū)動信號。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間。鋸齒波的下降沿時間決定輸出死區(qū)時間[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來計算C12的值。由公式計算得：
(2) 限流保護設(shè)計
限流保護信號采樣于主回路功率開關(guān)器件Q1、Q2上的瞬時電流，穩(wěn)壓二極管D20為3.6V，采樣電阻R21=0.5Ω/2W上的電壓對電容C16和C17充電。當充電電壓大于內(nèi)部限流電壓1V時，芯片UC3825降低PWM脈沖的占空比限制主回路的電流峰值；當充電電壓大于內(nèi)部保護電壓1.2V時，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)燃檢測電路
圍繞電壓比較器LM311構(gòu)成的檢測電路如圖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?；鶞蕝⒖茧妷簎ref為5.1V，通過電阻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，同時常閉繼電器S斷開；當電壓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)燃檢測電路[!--empirenews.page--]
4 試驗結(jié)果及分析
4.1 起輝階段試驗結(jié)果及分析
功率開關(guān)器件Q1、Q2的驅(qū)動波形如圖6(a)所示。通電后，脈沖氙燈的等效電阻很大，相當于負載開路，電路處于未工作狀態(tài)，變壓器的副端功率為零。原端電流很小，約0.1A?？刂菩酒琔C3825輸出最大占空比的有死區(qū)時間的互補PWM驅(qū)動信號。此時，高頻變壓器的原端電壓很高，如圖6(b)所示。電感L3兩端的諧振電壓波形如圖6(c)所示，第一個脈沖電壓大于600V。晶閘管VT1導(dǎo)通后，充電電容C6和耦合電感L3發(fā)生串聯(lián)諧振，諧振電壓突然加到電感L3兩端，直至電能消耗完畢。此時，脈沖氙燈內(nèi)的氣體電離導(dǎo)通。
(a) (b)
(c)
圖6 起輝階段試驗波形：(a) 功率開關(guān)器件的驅(qū)動波形；
(b) 變壓器原端電壓波形；(c) 電感L3兩端諧振電壓波形。
4.2 預(yù)燃階段試驗結(jié)果及分析
起輝完成后，脈沖氙燈導(dǎo)通，高壓啟輝電路停止工作。其等效電阻急劇減少，相當于負載短路，控制芯片UC3825調(diào)節(jié)輸出PWM驅(qū)動信號，系統(tǒng)進入了閉環(huán)控制，如圖7(a)所示。變壓器原端電壓下降，如圖7(b)所示。推挽變換器輸出預(yù)燃電壓維持脈沖氙燈工作時的維持電流。此后，燈的等效電阻逐漸達到穩(wěn)態(tài)并保持恒定。起輝預(yù)燃后的實物圖如圖8所示，四路并聯(lián)的脈沖氙燈同時工作。
（a) （b)
圖7 預(yù)燃階段試驗波形：（a) 開關(guān)器件的驅(qū)動波形；
（b) 變壓器原端電壓波形
圖8 脈沖氙燈預(yù)燃實物圖
5 結(jié)論
本文為滿足道路檢測車上的脈沖氙燈工作的需要，設(shè)計并研制了一種新型脈沖氙燈起輝預(yù)燃電源。根據(jù)脈沖氙燈起輝預(yù)燃時氣體放電的特點，采用UC3825控制芯片控制的推挽變換器和高頻變壓器構(gòu)成預(yù)燃電路以及利用串聯(lián)諧振原理實現(xiàn)高壓起輝。對于我們采用的Ф7×120mm四個并聯(lián)脈沖氙燈，單個脈沖氙燈預(yù)燃電流穩(wěn)定在100mA，脈沖氙燈兩端的預(yù)燃電壓在250V。該電源具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出穩(wěn)定、體積小、重量輕、效率高。試驗結(jié)果表明，該電源工作可靠，運行穩(wěn)定，具有很強的實用價值。
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