一種高電流穩(wěn)定度鹵鎢燈驅(qū)動電路設(shè)計

常澤文,楊東軍, 衣小龍,楊凱迪, 葉 新

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033； 2.長春理工大學 理學院，長春 130013；3.長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130013)

0 引言

空間光學輻射測量領(lǐng)域目前面臨的技術(shù)瓶頸之一是提升并長期保持數(shù)據(jù)準確性。由于各遙感器功能和壽命的限制，很多情況下需要綜合利用多個衛(wèi)星平臺的儀器觀測數(shù)據(jù)，進行長期變化趨勢的研究，這就對遙感器在軌輻射定標提出了較高的要求。現(xiàn)有對地觀測多光譜和成像光譜的輻射定標方法仍依賴標準光源或漫反射板等手段。美國的中分辨率成像光譜輻射計(MODIS)和多角度成像光譜儀(MISR)以及海洋寬視場掃描儀(SeaWiFS)等在輻射定標方面作了很大的努力，投入了很多資源，但其中最好的MODIS反射率定標不確定度也只達到2%。國家863計劃地球觀測與導航專家組提出空間輻射測量基準衛(wèi)星的概念，即發(fā)射一顆具有溯源能力的超高精度輻射測量基準衛(wèi)星，通過它與其他遙感衛(wèi)星軌道交叉時刻的同步觀測，將自身的輻射觀測基準傳遞到其它衛(wèi)星上。針對缺少可追溯至國際單位制(SI)的空間輻射測量基準、星上溯源鏈路難以建立和長期維持的問題，開展溯源至空間低溫輻射計的太陽反射譜段地球反射光譜輻射測量技術(shù)研究?？臻g低溫輻射計利用電替代測量原理，測量結(jié)果直接溯源至國際基本單位制中的電流。以空間低溫輻射計為基準源，建立包含傳遞輻射計、漫反射板、單色激光器組、鹵鎢燈等組件的基準傳遞鏈路，在軌定標高光譜成像儀器。作為全譜段定標光源的鹵鎢燈是星上基準傳遞鏈路的關(guān)鍵組件之一，研制高穩(wěn)定、大功率的驅(qū)動電源是亟需攻克的關(guān)鍵技術(shù)之一。

在半導體激光器、鎢絲燈、氙燈、LED等光源的驅(qū)動電路中，恒流驅(qū)動是比較常見的方法[1-2]，電致發(fā)光器件的驅(qū)動電流一般與其發(fā)光強度有確定關(guān)系，如果電流能夠達到較高穩(wěn)定度即可保證其光強穩(wěn)定。在照明，激光打標，科研實驗中需要使用各種連續(xù)或者脈沖的光源驅(qū)動電路，在低溫輻射計定標中使用的光源，其要求較高穩(wěn)定度，其驅(qū)動電路的性能又直接關(guān)系到光源的性能，因此其電路設(shè)計比較關(guān)鍵。

文獻[3]設(shè)計了一種高精密小型直流穩(wěn)壓電源，使用單片機與開關(guān)電源專用集成電路組成系統(tǒng)，具備脈沖與直流輸出兩種模式，最大輸出電流300 mA、精度達到±3%。文獻[1]則設(shè)計了一種大功率恒流LED驅(qū)動電路，文中使用TPS51113實現(xiàn)一種同步整流降壓電路，并將負載一端接到該電路輸出，另一端接到恒流調(diào)整管，調(diào)整管使用運放采集采樣電阻電壓進行恒流閉環(huán)，電路的恒流輸出值達到30 A。文獻[4]設(shè)計了一種高穩(wěn)定性的數(shù)控恒流源，結(jié)構(gòu)為不恒壓只恒流的低側(cè)調(diào)整管結(jié)構(gòu)，采樣電阻放在高側(cè)，采樣電阻的電流信號通過一儀表放大器進行高阻差分放大，放大后的信號用于恒流閉環(huán)，文章里進行了1 A輸出測試，能達到千分之一以上的精度，穩(wěn)定性較高，短時間電流波動小于0.1 mA。

本文所提出的設(shè)計不同于傳統(tǒng)需求，一般的精密恒流源輸出范圍在mA級別，但輸出在A級別的大功率電源精度和穩(wěn)定度較低，本設(shè)計采用線性結(jié)構(gòu)，兼顧了較大的輸出范圍同時又具有較高的精度與穩(wěn)定度，適合作為標準光源的驅(qū)動電路，或者其他精密光源的電源系統(tǒng)。

1 電路設(shè)計與仿真

1.1 電路拓撲選取

考慮空間光測試環(huán)境中電源電路的輸入為航天電源，即28 V直流電壓源，鹵鎢燈的額定工作電壓為12 V。故電路拓撲結(jié)構(gòu)應選擇具有降壓功能的拓撲，在開關(guān)電源中，BUCK拓撲為降壓結(jié)構(gòu)，取負載電流為電路輸出的反饋量，則可以控制BUCK電路恒流輸出。

如圖1所示，BUCK電路使用電感進行降壓，電感在開關(guān)過程中會產(chǎn)生電磁干擾，輸出因為開關(guān)斬波產(chǎn)生紋波，影響輸出穩(wěn)定度，考慮需求，應選擇使用調(diào)整管工作在線性區(qū)的線性降壓電路，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 BUCK降壓電路拓撲

圖2 恒流線性降壓電路拓撲

1.2 電路設(shè)計與器件選型

線性電源的功率輸出經(jīng)過調(diào)整管進行調(diào)節(jié)，選用2SD1403三極管作為調(diào)整管，2SD1403的集電極-發(fā)射極耐壓為800 V，集電極-發(fā)射極可通過6 A電流。但是2SD1403在集電極-發(fā)射極電壓為5 V，電流為1 A時的直流增益為8[5]。故該三極管直流增益較低，不能直接使用運算放大器進行驅(qū)動，需要前級再使用一高直流增益三極管控制其基極。

該線性拓撲在工作時調(diào)整管的發(fā)熱功率為：

P發(fā)熱=(V輸入-V輸出)×I輸出

(1)

該電源電路為一串聯(lián)降壓拓撲，故整體輸出電流即為調(diào)整管流過的電流，調(diào)整管發(fā)熱功率為其壓降與流過電流相乘。若輸入為航天電池，輸入電壓28 V、輸出電壓12 V、電流3 A，此時熱功率為48 W。2SD1403手冊標明其集電極功率耗散為120 W[5]，理論上該發(fā)熱不會影響工作。但實際需要裝有一定熱容的散熱器，防止封裝過熱，并且為減少調(diào)整管的損耗，考慮多個調(diào)整管并聯(lián)使用，本文使用兩個2SD1403并聯(lián)組成輸出調(diào)整網(wǎng)絡(luò)。

如圖3所示，兩個管并聯(lián)時，其發(fā)射極各需要串聯(lián)一電阻，最終在電阻另一端相連，該電阻起到均流作用。

圖3 兩個三極管并聯(lián)構(gòu)成調(diào)整網(wǎng)絡(luò)

若Q1，Q2的直流增益有差異，在工作時，二者通過電流不同，最終通過電流較多的一個三極管發(fā)熱會更多。三極管的結(jié)溫越高，其直流增益也越高，通過電流更大，形成了一種正反饋。如果三極管發(fā)射極接有電阻，通過電流升高后引起電阻發(fā)熱，電阻發(fā)熱后阻值增大，減小了該支路的電流，將電流分到另外一個支路上，兩個支路往復交換，抑制了三極管自身特性導致的發(fā)熱不均。

本文所提出的驅(qū)動電路負載為一35 W鹵鎢燈，為達到需求指標，其采集電流信號的采樣電阻應具有較低溫度漂移系數(shù)，選擇阻值為10 mΩ的PBV四線精密電阻作為采樣電阻,電流采樣電路如圖4所示。

圖4 PBV四線電阻檢流電路

四線電阻P2接儀表放大器U1進行信號放大，放大后的信號用于閉環(huán)和ADC采集。當電路輸出電流3 A時，電阻的熱功率為90 mW，通過電阻的器件手冊可知，電阻在沒有外部散熱器件時，其對于基板的熱阻為3 ℃/W，當輸出3 A時電阻的溫升為0.27 ℃，該電阻的溫度系數(shù)為±30 ppm/℃[22]，故電阻阻值的變化為±0.081 μΩ,若穩(wěn)定度為恒流滿輸出千分之一，則要求電阻的變化不能超過±10 μΩ。理論上采樣電阻被動散熱即滿足設(shè)計要求，并且可以達到優(yōu)于千分之一穩(wěn)定度的指標。

電路的輸入為28 V航天電池，需要控制輸出電壓低于鹵鎢燈額定電壓，如圖5所示。電路通過電阻網(wǎng)絡(luò)R36、R37以及R41對輸出電壓進行分壓采樣，分壓結(jié)果輸入運算放大器U1B 同相輸入端，運算放大器對基準電壓和反饋信號做差，經(jīng)過積分反饋后實現(xiàn)PI算法，其輸出經(jīng)過二極管D3驅(qū)動一三極管，該三極管集電極接到并聯(lián)輸出三極管基極，形成恒壓控制。

圖5 恒壓閉環(huán)電路

恒流控制的方法與恒壓類似，其電路如圖6所示。流過采樣電阻的電流形成電壓信號反饋給運算放大器U2B，運算放大器對該信號和基準做差，構(gòu)成PI算法，輸出通過二極管D4和恒壓信號一起接到控制三極管的基極，這樣電路可在恒壓和恒流兩種模式間切換，電壓恒定，當輸出電流超過設(shè)定值時，進入恒流模式，調(diào)節(jié)電壓來使得電流恒定，當輸出電流低于設(shè)定值時，電路工作在恒壓模式。

圖6 恒流閉環(huán)電路

1.3 仿真分析

使用Multisim軟件初步對所設(shè)計的電路原理進行仿真，驗證電路的有效性。

如圖7所示，U2A負責恒壓閉環(huán)，U2B負責恒流閉環(huán)。當輸出電壓超出設(shè)定值時，U2A的3腳電壓就會超過2腳，此時U2A輸出電壓升高，調(diào)整管Q2導通程度增大，將調(diào)整管Q1基極電位降低，調(diào)整管Q1集電極與發(fā)射極間阻抗增大，從而降低輸出電壓。得出恒壓參考電壓與輸出電壓之間滿足如下關(guān)系:

圖7 Multisim仿真圖

(2)

當負載通過的電流超過設(shè)定值時，U2B的5腳電壓就會超過6腳，此時U2B輸出電壓升高，調(diào)整管Q2導通程度增大，將調(diào)整管Q1基極電位降低，調(diào)整管Q1集電極與發(fā)射極間阻抗增大，降低了輸出電壓，從而降低負載流過的電流，實現(xiàn)了電路的恒流調(diào)節(jié)。得出恒流參考電壓與輸出電流之間滿足如下關(guān)系:

(3)

U2A和U2B的輸出分別經(jīng)過一個二極管耦合，實現(xiàn)或邏輯，使得電路在兩種控制模式間隨負載變化自動切換。

開啟仿真后使用示波器測試采樣電阻電壓，其結(jié)果如圖8所示，電阻上的電壓信號即為恒流輸出電流的大小，采樣電阻大小選擇0.1 Ω，該電阻上電壓信號的幅值乘以10倍之后即得到以A為單位的電流值，仿真結(jié)果表明恒流時輸出電流較穩(wěn)定。

圖8 電流信號采集電阻電壓

將示波器調(diào)節(jié)為交流耦合，觀察采樣電阻信號，如圖9所示。有μV級別波動，除噪聲外，恒流閉環(huán)電路調(diào)節(jié)輸出調(diào)整管阻抗使得電路輸出的電流保持恒定。

圖9 恒流調(diào)節(jié)波形

1.4 單片機程序流程圖

模擬電路部分需要配合STM32F407ZGT6微控制器提高該電源電路的數(shù)字化程度，以便于與其他控制接口結(jié)合。微控制器通過SPI接口操作兩個精密DAC芯片DAC8830，它們分別提供恒壓和恒流的基準電壓，DAC8830是德州儀器16位電壓輸出數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，它具有高精度特點，輸出電壓非線性度為1 LSB，當參考電壓為5 V時，它最低可以輸出76 μV電壓[6]。

當外部接口通過串口與微控制器通訊時，可設(shè)定DAC8830的輸出電壓，控制恒壓設(shè)定值和恒流設(shè)定值，完成數(shù)字化操控。

微控制器通過讀取TM7707的采樣值對恒流值進行采樣，外部接口可通過通訊指令獲得當前輸出電流值，恒流值幅值比較微小，通過儀表放大器AD620進行差分放大，使用四線電阻保證采集精度。這里AD620放大倍數(shù)為100倍，TM7707在指定參數(shù)下可以達到采集噪聲電壓有效值0.86 μV，有效位數(shù)21.5位的性能[7]。

綜上，STM32F407ZGT6微控制器負責電路中的參數(shù)采集與外部通訊，需要控制兩路DAC的輸出并讀取ADC的采樣結(jié)果，其程序流程圖，如圖10所示。

圖10 程序流程圖

該圖描述了數(shù)字部分控制器內(nèi)部程序的運行流程。由于該電路為模數(shù)混合系統(tǒng)，在程序開始，首先初始化MCU外設(shè)，使得控制器IO和DAC芯片處于確定狀態(tài)，防止干擾模擬部分建立穩(wěn)態(tài)。之后延時一段時間，等待模擬電路部分進入穩(wěn)定狀態(tài)，之后進行主循環(huán)操作，在主循環(huán)之中需要不斷檢測通訊數(shù)據(jù)幀接收是否完成，以保證通訊實時性，同時進行ADC芯片的采樣數(shù)據(jù)讀取，二者通過判斷條件語句實現(xiàn)實時交替進行。在通訊進行時，控制器進入串口中斷函數(shù)，該函數(shù)運行一狀態(tài)機，狀態(tài)機進行通訊數(shù)據(jù)的接收，包括：字頭，通訊數(shù)據(jù)幀長度，數(shù)據(jù)，校驗位。完成后回到主函數(shù)進行解析，最終實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的讀取或者設(shè)定恒流恒壓值等遠程程控功能。

2 測試與實驗

2.1 電阻負載測試

為測試電源的輸出能力與工作穩(wěn)定性，接1 000 W 2 Ω電阻作為假負載進行測試，電源的輸出特性暫未明確時不使用鹵鎢燈作為負載。

設(shè)定恒流值為2 A，使用板載TM7707模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集電流數(shù)據(jù)，上傳至專用上位機軟件后進行數(shù)據(jù)曲線繪制記錄，連續(xù)測試一個小時，將結(jié)果的后1 024個數(shù)據(jù)點存入TXT文檔并保存至PC機硬盤。使用MATLAB軟件分析測試數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖11 電阻負載恒流數(shù)據(jù)

從數(shù)據(jù)曲線得知，其恒流控制比較穩(wěn)定，不確定度為0.000 572，其穩(wěn)定度指標高于需求的恒流滿輸出千分之一，該設(shè)計滿足指標要求。

2.2 鹵鎢燈負載測試

負載換為35 W鹵鎢燈，恒流值設(shè)定為3 A，連續(xù)測試一個小時，為保證測試評估的準確性，使用溫飄較低的BZ3油浸直流標準電阻作為參考電阻，該電阻精度為±0.01%,溫度飄移系數(shù)小于±0.002%。當電源恒流輸出時，將油浸電阻與鹵鎢燈串聯(lián)，使用HP34402電壓表測試油浸電阻兩端電壓，推算當前的輸出電流。搭建鹵鎢燈測試環(huán)境。

使用一外部直流穩(wěn)壓電源給本文設(shè)計的模塊供電，模塊外部通過線路接到放置在光學結(jié)構(gòu)上的鹵鎢燈光源，中間串入油浸電阻，油浸電阻兩端接入電壓表高阻測量，模塊的程控接口接入PC機，再使用上位機設(shè)定其輸出，電壓表程控接入PC機讀取油浸電阻電壓。

通過HP34402的程控接口，使用SCPI語言通訊獲得數(shù)據(jù)結(jié)果，再使用MATLAB繪制數(shù)據(jù)曲線，結(jié)果如圖12所示。

圖12 鹵鎢燈負載恒流數(shù)據(jù)

通過數(shù)據(jù)曲線可知，當負載為35 W鹵鎢燈并設(shè)定恒流3 A輸出時，連續(xù)運行鹵鎢燈的電流比較穩(wěn)定，不確定度為0.000 618，其穩(wěn)定度指標高于需求的恒流滿輸出千分之一，設(shè)計滿足指標要求。

3 結(jié)束語

文章通過分析實際需求并對比其他類似設(shè)計，設(shè)計出一種滿足低溫輻射計空間光強測試使用的標準光源驅(qū)動電路，通過選取拓撲，電路仿真，使用EDA軟件進行電路設(shè)計，最終進行硬件調(diào)試，帶不同性質(zhì)負載進行測試。分析數(shù)據(jù)得出其穩(wěn)定度能達到優(yōu)于滿輸出千分之一的水平。是一種同時具有高電流輸出能力，又比較精密的電流源。可用于各種需要精密恒流驅(qū)動的負載，當負載為鹵鎢燈時，連續(xù)測試一小時結(jié)果表明該電源系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能滿足低溫輻射計定標長時間穩(wěn)定工作的需求。

但是，在硬件測試過程中發(fā)現(xiàn)該電源效率較低，效率受到線性架構(gòu)的限制，功率器件需要使用外部散熱器進行散熱才能正常工作。對于更進一步的研究，可以考慮降低主功率器件的發(fā)熱，優(yōu)化功率輸出部分的電路。也可從輸入電壓控制方面著手，需求提出輸入電壓為28 V，該輸入電壓可經(jīng)過一同步整流BUCK降壓電路，該BUCK降壓電路模塊的恒壓反饋基準受到恒流電路模塊的控制，即保證恒流電路模塊的前級輸入電壓始終與輸出電壓保持恒定電壓降，如此可保證在所有輸出情況下，調(diào)整管的壓降為一恒定值，該控制信號應從調(diào)整管的集電極-發(fā)射極差分高阻取得，之后與一基準電壓做PI控制，輸出的信號再反饋給前級的同步整流BUCK模塊，達到調(diào)整管恒定壓降的效果，此舉能大幅度提升電源的效率。