基于SEPIC變換器的AC寬電壓爆閃式信號(hào)燈設(shè)計(jì)

金永鎬，王海月

（延邊大學(xué) 工學(xué)院，吉林 延吉 133002）

基于SEPIC變換器的AC寬電壓爆閃式信號(hào)燈設(shè)計(jì)

金永鎬，王海月

（延邊大學(xué) 工學(xué)院，吉林 延吉 133002）

現(xiàn)有的交流爆閃燈采用電容降壓方式給能量?jī)?chǔ)存電容充電后對(duì)頻閃管放電的方式工作，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的很小的電壓范圍內(nèi)工作，當(dāng)使用在110 V時(shí)變更為倍壓整流方式設(shè)計(jì)，因此使用不便，產(chǎn)品種類多也管理不便。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、工作性能穩(wěn)定可靠，大大提高產(chǎn)品的使用范圍，減少管理維護(hù)成本。

NCP1200AP40；SEPIC變換器；寬電壓；頻閃燈；MK7A23單片機(jī)

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1 電容降壓式爆閃燈的簡(jiǎn)化電路

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UO不是0 V而殘留一部分電壓UL。

圖2 頻閃工作波形圖

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(zhǎng)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Ui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。

圖3 平均充電功率仿真曲線

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UO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。

圖4 爆閃燈的整體電路

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 VCC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5 工作原理波形

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 UR，當(dāng)UR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TS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。

C3=100 μF、UC3=300 V代入式(1)后得 WC=4.5 J。每個(gè)周期Q1導(dǎo)通時(shí)從電源獲得的能量由式(3)決定。

R2中的電流 i=iL1+iL2，正常工作時(shí) C2的電壓為電源電壓值，取電感L1=L2，因iL1=iL2=0.5i，設(shè)門限電壓UCS=1 V，則電流 iL1由式(4)決定。

式(3)代入式(2)后可得式(5)。

考慮到變換器效率η，則經(jīng)過N次重復(fù)充電后應(yīng)滿足ηNWL＞W(wǎng)C2-WC1條件(WC1為C3中殘留電壓UL的能量，WC2為設(shè)定電壓 UH的能量），因此可得式(6)。

NCP1200芯片采用工作頻率f=40 kHz，則N次充電的時(shí)間為 T=N/F，應(yīng)滿足 T=TS(規(guī)定的充電時(shí)間)則可得到式(7)。

因此取樣電阻R2的值應(yīng)滿足式(8)：

NCP1200芯片采用工作頻率f=40 kHz，其他參數(shù)取TS=1.2 s、C3=100 μF、UH=300 V、UL=50 V、L1=1 mH、UCS= 1 V、η=80%，則由式(7)可得R2＜0.8 Ω。

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。

圖6 輸入電壓為48 V時(shí)工作電流與充電電壓的波形

圖7 輸入電壓為100 V時(shí)工作電流與充電電壓的波形

圖8 輸入電壓為260 V時(shí)工作電流與充電電壓的波形

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。

圖9 輸入電壓為48 V時(shí)輸入電壓與電流的波形

圖10 輸入電壓為100 V時(shí)輸入電壓與電流的波形

圖11 輸入電壓為260 V時(shí)輸入電壓與電流的波形

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。

[1]金永鎬，黃鑫.基于 HV9910寬電壓的自適應(yīng)溫度高亮度頻閃燈[J].電子科技，2013(12)：82-85.

[2]余成林，易茂祥，陶金，等.一種低熱耗功率的電容降壓型直流電源[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013(11)：67-69.

[3]曾國(guó)宏，王冰清.基于Sepic變換器的組件式MPPT技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014，38(10)：2784-2788.

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[5]CAPUA G D，F(xiàn)EMIA N.A critical investigation of coupled inductors SEPIC design issues[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2014，61(6)：2724-2734.

[6]POORALI B，ADIB E.Analysis of the integrated SEPICFlyback converter as a single-stage single-switch powerfactor-correction LED Driver[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2016：1-1.

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Strobe lights study design formula based on SEPIC converter AC wide voltage range of work

Jin Yonggao，Wang Haiyue
(College of Engineering，Yanbian University，Yanji 133002，China)

Existing way of communication with flashing lights using capacitance step-down to energy storage capacitor charging mode of stroboscopic tube discharge after work,this way has simple structure,stable work,but the power factor is low,and can only work in the little working voltage range of 210～230 V,when using more times in 110 V in pressure rectification method is designed,so difficult to use,product variety and management more inconvenience.So we design a flashing lights based on SEPIC converter,the flashing lights at 40～260 V AC voltage stability within the scope of work,as a result of APFC way to work,so it is the power factor of the approximate to 1.Using MK7A23 single-chip microcomputer to control at the same time,so the whole circuit is simple,stable and reliable work,greatly improve the using range of products to reduce maintenance cost management.

NCP1200AP40；SEPIC converter；wide voltage；lighting；MK7A23 microcontroller

TP571.6

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.034

金永鎬，王海月.基于 SEPIC變換器的 AC寬電壓爆閃式信號(hào)燈設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(11)：126-129.

英文引用格式：Jin Yonggao，Wang Haiyue.Strobe lights study design formula based on SEPIC converter AC wide voltage range of work[J].Application of Electronic Technique，2016，42(11)：126-129.

2016-04-08)

金永鎬（1964-），男，博士，教授，主要研究方向：智能開關(guān)技術(shù)及智能變換。

王海月（1992-），通信作者，女，碩士研究生，主要研究方向：電子智能化技術(shù)，E-mail：919187674@qq.com。