宽光谱光源的功率因数校准及稳压电路设计

徐丹阳，陈婉婉，童珺怡,隋成华，陈晓明，汪 飞，岑华平

(1.浙江工业大学 理学院，浙江 杭州 310023； 2.杭州博源光电科技有限公司，浙江 杭州 310023)

宽光谱光源的功率因数校准及稳压电路设计

徐丹阳1，陈婉婉1，童珺怡1,隋成华1，陈晓明2，汪 飞2，岑华平2

(1.浙江工业大学 理学院，浙江 杭州 310023； 2.杭州博源光电科技有限公司，浙江 杭州 310023)

设计了宽光谱光源稳定电路，介绍了L6561功率因数校准电路和UC3843稳压电路的设计. 将单端反激式电路与L6561功率因数校正器相结合设计PFC电路，改善了传统电路功率因数低、电流谐波大的问题. L6561功率因数校准电路输出稳定的直流电压作稳压电路的24 V输入电压，UC3843和TLC271设计稳压电路，可以输出300 mA高精度电流.

宽光谱光源；功率因数；稳压电路

宽光谱光源是颜色、反射系数测量以及紫外-可见光-近红外光谱测量的必备光源，常与小型光纤光谱仪和光纤搭配使用[1-3]. 宽光谱光源的应用，涉及科学研究、工业生产、军事侦测、化学分析及医疗制药等多个领域，对于其电路稳定性的研究具有重大的理论和实际意义[4-6]. 氘灯、卤钨灯的组合光谱可用来设计宽光谱光源. 光源持续发光的稳定性90%以上由稳压电路的稳定性决定[7]. 传统的宽光谱光源的电路设计，常用单个独立的开关电源，输出多路直流电压，分别给氘灯、卤钨灯提供工作电压，用继电器和逻辑电路控制时序或者用单片机控制电路工作过程[8-10]. 前者机械损耗大，光电转换率低，电路的稳定性不高；后者成本高、电路复杂，而传统的开关电源具有功率因数低、电流谐波大等问题. 考虑到电源的稳定性以及成本等因素，选用L6561功率因数校正器设计降压型PFC驱动电路[11]，输出单路直流电压驱动氘灯、卤钨灯稳压电路；选用UC3843高性能固定频率电流模式控制器设计氘灯、卤钨灯稳压电路，结构简单、设计合理，能有效提高电源的功率因数，保证输出光谱稳定[12].

1 氘-卤钨灯组合开关电源

氘-卤钨灯组合开关电源设计系统框图如图1所示. 基于L6561的PFC电路输出单路24 V直流电压，用来驱动氘灯、卤钨灯稳压电路. 卤钨灯稳压电路中BUCK电路选用UC3843，外部补偿电路选用比较器LM2903，控制电路选用施密特触发器HEF4093. 预热电路、触发电路和恒流源电路构成氘灯工作电路. 预热电路采用恒压型BUCK电路，触发电路采用恒压型BOOST电路，恒流源电路采用恒频式升压开关电源拓扑电路. 辅助控制电路对工作过程进行控制，选用HEF4093控制开关的高低电平，LM393控制电容的充放电时间.

图1 氘-卤钨灯开关电源的系统框图

2 功率因数校准电路

2.1 基于L6561的PFC电路的工作原理

基于L6561的单端反激式电路的结构框图见图2，L6561功率因数校正芯片处于临界导通模式下，是PFC电路的核心. 变压器和光耦实现输入电压与输出电压的电气隔离. EMI滤波器阻止电网中的电磁干扰经过电源线进入后级电路，同时也阻挡后级电路产生的电磁干扰经过电源线干扰电网，提高系统的整体工作效率. 控制电路用来维持电流恒定、限制电压和实现环路补偿.

图2 基于L6561的单端反激式电路结构框图

2.2 功率因数校准电路参量设计

功率因数校准电路参量要求：输入交流电压为85～265 V，输出直流电压Uo=24 V，电流Io=1 A，反射电压UR=100 V，电网频率f=50 Hz，输出纹波Δu=1 V，最小开关频率fs=25 kHz，漏感电压ΔU=70 V，电源效率η=85%.

1)桥堆的选择，主要由系统的最大输入电流和最大输入峰值电压决定，滤波电容C42和最大输入峰值电压有关.

Upmax=2UACmax,

(1)

式中：Upmax是最大输入峰值电压，UACmax是最大输入交流电压，因此采用2 A/400 V的桥堆，滤波电容C42选择2.2 μF/400 V的CBB电容.

2)变压器T1的初级电感值L1及初级线圈和次级线圈匝数比n设计.

L1=Upmin(1+KV)fsI1p,

(2)

n=URUo+Uf,

(3)

式中:Upmin为最小输入峰值电压，fs为最小开关频率，KV为峰值电压与发射电压比，I1p为峰值初级电流，Uf为次级整流二极管压降电压.

3)开关管的选择.

UDSmax=Upmax+ΔU+UR,

(4)

式中:UDSmax为漏极和源级的最大击穿电压，考虑到应留有适当的电压裕量，用以减少栅极驱动和电容损耗，选用06N80C3作为开关管，其耐压值为800 V，导通电阻0.9 Ω，连续漏电流为6 A.

4)整流二极管的选择.

UDRmax=Upmax+UR,

(5)

式中:UDRmax为最大反向击穿电压，考虑到应留有电压裕量，选择BYV29-600为整流二极管，最大反向电压600 V.

2.3 功率因数校准电路实现

外部交流电通过扼流圈滤波去除电磁干扰，经桥式整流得到输入电压Ui，经电容C42滤波后进入变压器初级绕组. 功率因数校准电路设计图如图3所示.

图3 基于L6561的PFC电路原理图

L6561在临界导通模式下，实现功率因数校正、电压变换及电压电气隔离. L6561内部能提供400 mA的推挽电流，通过7脚GD驱动MOS管Q26，R90为MOS管Q26的限流驱动电阻. MOS管Q26的不断导通和关断使得初级绕组的电压耦合到次级绕组，通过变压器T1降压、二极管整流及电容滤波后得到输出Uo.

输出电压Uo，电阻R85,R87,R95,R96以及光耦CNY17-3构成反馈回路，与L6561的1脚INV相连，限定输出电压值.R99和R101构成分压采样电阻，C45是电压采样滤波电容，R97,C46和C47组成反馈补偿网络，R93为初级电流检测电阻. 电容C41、电阻R109和二极管D32构成吸收漏感的RCD箝位电路，当Q26关断瞬间二极管D32导通，电容C41的电压瞬间升高，导致D32截止，C41通过箝位电阻R109放电，防止过多的能量进入Q26漏极引起被击穿.

3 稳压电路

3.1 恒流源电路工作原理

恒流源输出的电流保持不变，其主要由输入级和输出级构成，输入级一般用具有放大功能的三极管与二极管相连，实现电压稳定输入，输出级采用工作状态处于输出电流饱和状态的MOS管来实现恒流. 氘灯恒流源电路输出电压为75 V，输出电流为300 mA. 电路见图4.

图4 氘灯恒流源工作电路图

3.2 恒流源电路参量设计

1)UC3843振荡器频率f的设定.

f=1.72RTCT,

(6)

式中：RT和CT为定时元件，设定开关频率f为277 kHz，则电阻RT取6.2 kΩ(R34)；电容CT取1 000 μF/100 V(C26).

2)电感L的取值.

L=Uo(1-D)2fIo,

(7)

式中:Uo为恒流源的输出电压，Io为输出电流，D为系统的占空比. 电感取值一般为计算值的3～5倍，因此选取L为2 mH/0.5 A(L1).

3)滤波电容的选择.

C=Uo8Lf2ΔuUi-UoUi,

(8)

式中:Ui为恒流源的输入电压. 滤波电容取值一般为计算值的3～5倍，因此取2个22 μF/200 V的电解电容.

3.3 恒流源电路实现

UC3843起稳压作用，TLC271起恒流作用. 芯片UC3843的VREF脚输出5 V基准电压，通过电阻R34向电容C26提供充电电流，由此确定系统的振荡频率.Vo脚输出信号驱动MOS管Q1栅极. 电阻R3和电容C31构成RC滤波器，防止限流电阻R2和R4的噪声影响UC3843产生误操作. 三端稳压管TLC271并联电容C33和C15，能有效滤除高低频脉冲干扰，消除耦合作用. TLC271的6脚输出信号，经三极管Q21和Q20反馈至UC3843的VFB脚，用来稳定电路的输出电压，电阻R5和R18作分压反馈. 辅助控制电路通过电阻R53和三极管Q2接UC3843的COMP脚，从而控制恒流源整个电路工作与否.

4 结 论

宽光谱光源的功率因数校准电路提高了电路的功率因数，稳压电路对电路进行稳压和恒流，具有成本较低、体积小、实用性强、性能稳定等特点，解决了传统开关电源中功率因数低、电流谐波大的问题，能够达到宽光谱光源对于电路稳定性的要求. 最终设计的L6561功率因数校准电路输出稳定的直流电压作稳压电路的24 V输入电压，UC3843和TLC271设计稳压电路，输出电压75 V，高精度输出300 mA电流.

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[责任编辑：尹冬梅]

Power factor correction circuit and the voltage-stabilizing circuit of wide spectrum light sources

XU Dan-yang1， CHEN Wan-wan1, TONG Jun-yi1, SUI Cheng-hua1, CHEN Xiao-ming2, WANG Fei2, CEN Hua-ping2

(1.College of Science, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 320023, China; 2.Brolight Technology (Hangzhou) Co.,Ltd, Hangzhou 310023, China)

A wide spectrum light source stabilizing circuit was designed, which included the power factor correction circuit of L6561 and the voltage-stabilizing circuit of UC3843 in details. Based on the single-ended fly-back circuits and the power factor correction converter of L6561, the PFC circuit was designed, which solved the problems of low power factor and big current harmonic. The power factor correction circuit of L6561 provided a stable input voltage of 24 V DC for the voltage-stabilizing circuit. The chip of UC3843 and TLC271 were used to design voltage-stabilizing circuit, which provide 300 mA high-precise current.

wide spectrum light source; power factor; voltage-stabilizing circuit

2016-05-19

徐丹阳(1983-)，男，浙江绍兴人，浙江工业大学理学院实验师，硕士，主要从事光电探测技术方面的研究.

TM923

A

1005-4642(2017)01-0019-04

“第9届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文