0 引言

    爆閃燈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠在短時(shí)間內(nèi)發(fā)出強(qiáng)光，具有很好的警示作用，因此廣泛應(yīng)用于特種車輛（工程車、警車、消防車等）、道路交通、航空指示、工業(yè)生產(chǎn)等場(chǎng)合，最大限度避免了各種事故的發(fā)生^[1]。

    傳統(tǒng)的交流爆閃燈采用的是電容降壓的方式，給儲(chǔ)能電容充電到300～350 V后再對(duì)頻閃管放電，這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定，但功率因數(shù)很低，且只能在210～230 V很小的電壓范圍內(nèi)工作。因?yàn)闊o穩(wěn)壓功能，頻閃亮度隨輸入電壓改變，而且當(dāng)使用在110 V時(shí)變更為倍壓整流方式，需要更換降壓電容，因此使用不便，產(chǎn)品種類繁多且管理不便^[2]。

    因此設(shè)計(jì)了一種基于SEPIC變換器的爆閃燈，這種爆閃燈可在交流40～260 V寬電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，由于采用APFC方式工作，因此具有近似為1的功率因數(shù)。同時(shí)利用MK7A23單片機(jī)進(jìn)行控制，因此整體電路簡(jiǎn)單，可以穩(wěn)定可靠地工作，并且可替代交流48 V、110 V、220 V產(chǎn)品，大大提高產(chǎn)品的使用范圍，減少管理維護(hù)成本。

1 交流爆閃燈工作原理及存在的問題

1.1 爆閃燈工作原理

    圖1為電容降壓式爆閃燈的簡(jiǎn)化電路，220 V交流電壓通過C₁降壓、限流后經(jīng)過橋式整流變換成脈沖直流，給儲(chǔ)能電容C₂充電，充電的最大值為交流電峰值。當(dāng)儲(chǔ)能電容C₂充電到一定值后，觸發(fā)脈沖發(fā)生器輸出一個(gè)脈沖，此時(shí)頻閃管被觸發(fā)，HV和LV兩端呈現(xiàn)出很低的阻抗，瞬間把C₂的能量釋放出來，因此發(fā)出強(qiáng)烈的閃光。

    圖2為頻閃工作波形圖，經(jīng)過交流電N個(gè)正弦波充電后，C₂的電壓逐漸升高(最大為交流電的峰值)，此時(shí)觸發(fā)一次閃光一次，由于釋放的時(shí)間較短且頻閃管有較小的阻抗，因此釋放后U_O不是0 V而殘留一部分電壓U_L。

1.2 爆閃燈對(duì)充電電路的特性要求

    圖2中可知頻閃時(shí)HV和LV兩端呈現(xiàn)出很低的阻抗，如果沒有限流措施則頻閃管會(huì)被長時(shí)間“點(diǎn)亮”，從而引起很大的電流，最后會(huì)導(dǎo)致頻閃管被燒壞，也會(huì)對(duì)電源造成危險(xiǎn)。因此為了防止過流，充電電路必須具有限流功能，圖1中C₁起到限流作用。

　　如果設(shè)計(jì)充電電壓為300 V的爆閃燈時(shí)，當(dāng)輸入電壓212 V以下時(shí)充電電路具有升壓功能，當(dāng)輸入電壓212 V以上時(shí)充電電路應(yīng)具有降壓功能。所以為了滿足上述要求采用SEPIC變換器^[3]。

    SEPIC變換器具有升壓、降壓能力，且輸入和輸出之間有電容起到隔離直流作用，輸入端的交流電壓整流后變成直流電壓，因此無法傳送到輸出端，從而滿足上述要求。

1.3 電容降壓方式存在的問題

    圖1所示的電容降壓方式，電路中輸入電壓的改變對(duì)C₂的充電功率的影響很大。這種電路的平均充電功率由式(1)決定。

    由式(1)得到圖3所示的平均充電功率仿真曲線，可見隨著充電電壓增加充電功率逐漸變大，當(dāng)充電到輸入電壓U_i峰值的0.5倍時(shí)充電功率最大，充電到峰值時(shí)充電功率為0。同時(shí)可以看出當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，充電功率變化較大。因此這種電路存在如下缺點(diǎn)：

    (1)只能在210～230 V很小的電壓范圍內(nèi)工作，且無穩(wěn)壓功能，頻閃亮度隨輸入電壓改變；

    (2)功率因數(shù)很低，約為0.5左右；

    (3)為了適應(yīng)210～230 V電壓變化量，降壓電容需使用較大容量，通常使用3.3 μF/400 V；

    (4)充電功率受到電源工作頻率50/60 Hz的影響。

2 基于SEPIC變換器寬電壓爆閃燈

2.1 基于SEPIC變換器的爆閃燈的特點(diǎn)

    為了解決上述問題，設(shè)計(jì)了一種基于 SEPIC變換器的爆閃燈，可在交流40～260 V寬電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，具有穩(wěn)定充電電壓的能力并且充電功率與電源工作頻率無關(guān)的特性。采用APFC方式工作，因此具有近似為1的功率因數(shù)^[4]。同時(shí)利用微功耗單片機(jī)MK7A23進(jìn)行控制，因此整體電路簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定，可替代交流48 V、110 V、220 V等多種產(chǎn)品。

2.2 基于SEPIC變換器的爆閃燈整體電路

    整體電路如圖4所示。主要包括由NCP1200組成的SEPIC變換器部分，MK7A23單片機(jī)檢測(cè)及控制部分。SEPIC變換器工作時(shí)對(duì)C₃進(jìn)行充電，R₁、R₃為分壓電阻，對(duì)C₃的電壓分壓后通過PB1提供給單片機(jī)，當(dāng)C₃的電壓達(dá)到單片機(jī)PB1的門限值時(shí)，PB0變成低電平則NCP1200的CS的門限值為0，此時(shí)無脈沖輸出C₃不再充電。由于存在C₂因此輸出端U_O與C₁端直流隔離，因此頻閃時(shí)不會(huì)發(fā)生過流現(xiàn)象。

    S2為2位DIP模式開關(guān)可提供4種頻閃模式，因此可以通過調(diào)節(jié)S2進(jìn)行不同模式的選擇。MK7A23單片機(jī)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，內(nèi)含RC振蕩器，WDT及復(fù)位電路，有ADC和PWM發(fā)生器，MK7A23P是帶15位A/D的RISC高性能8位微控制器，它內(nèi)含2×16 bit的OTP形式ROM程序存儲(chǔ)器、128×8 bit的RAM、5個(gè)定時(shí)器以及計(jì)數(shù)器、多個(gè)I/O口、4路比較器和2路PWM輸出^[5]。一個(gè)指令周期由2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘組成，因此運(yùn)行速度很快，有4種復(fù)位形式，雙時(shí)鐘模式，有內(nèi)部RC振蕩器、WTD有8腳和14腳等多種封裝，I/O口在輸入狀態(tài)下，可置為上拉電阻模式^[6]。由于MK7A23單片機(jī)工作電流很小(0.5 mA以下)，因此工作電壓直接把300 V左右高壓通過R4降壓后提供。

2.3 基于SEPIC變換器的充電電路設(shè)計(jì)

    NCP1200具有從HV端獲取芯片工作電壓V_CC的能力，無需外部提供工作電壓，可提供工作頻率為40 kHz、60 kHz、100 kHz且無需外部設(shè)置^[7]。

    圖4中電感的峰值電流是跟蹤NCP1200的FB端的輸入波形，如果輸入正弦波則電源輸入端的電流近似為正弦波。因此單片機(jī)輸出圖5所示的PWM波形后經(jīng)過電阻以及電容濾波后得到正弦波，提供給FB端。

    圖4中當(dāng)Q₁導(dǎo)通時(shí)電感L₁和L₂的電流經(jīng)過R₂產(chǎn)生壓降U_R，當(dāng)U_R超過CS端的門限值時(shí)(最大為1 V)Q₁截止，L₁中儲(chǔ)存的能量釋放給C₂、C₃，L₂中儲(chǔ)存的能量釋放給C₃。每次充電C₃電壓逐漸升高，經(jīng)過N次重復(fù)充電后，最終達(dá)到額定的電壓值。

2.4 電流取樣電阻R2的設(shè)定

    一般頻閃燈要求每次頻閃后，在規(guī)定時(shí)間T_S內(nèi)（通常為0.7～1.5 s左右）對(duì)C₃=100 μF/100 V電容充電達(dá)到額定值。電容C₃中儲(chǔ)存能量由式(2)決定。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

    圖6～圖8為交流輸入電壓分別為48 V、100 V、260 V時(shí)，充電電壓UO與工作電流之間的波形。圖9～圖11為輸入交流電壓時(shí)電流的波形。

    由圖6～圖8可知在功率保持不變的情況下，隨著交流電壓的不斷提高，電流逐漸減小，充電電壓始終穩(wěn)定在300 V左右。由圖9～圖11可知在交流電壓40 V～260 V范圍內(nèi)改變時(shí)，電流與輸入電壓同相，且導(dǎo)通角較寬，充電電壓在0.7 s內(nèi)達(dá)到額定值，功率因數(shù)為0.985。

4 結(jié)論

    利用SEPIC 變換器設(shè)計(jì)的高亮度爆閃式特種信號(hào)燈，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，充電功率不受電源工作頻率及輸入電壓大小的影響，因此可以在交流40 V～260 V寬電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定地工作。采用單片NCP1200同時(shí)完成電路的升壓、降壓及APFC方式整流，因此功率因數(shù)近似為1。檢測(cè)控制部分采用MK7A23單片機(jī)，抗干擾能力強(qiáng)，功耗較少，大大提高產(chǎn)品的使用范圍，減少管理維護(hù)成本。

參考文獻(xiàn)

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