0 引言

    爆閃燈結構簡單，能夠在短時間內發出強光，具有很好的警示作用，因此廣泛應用于特種車輛（工程車、警車、消防車等）、道路交通、航空指示、工業生產等場合，最大限度避免了各種事故的發生^[1]。

    傳統的交流爆閃燈采用的是電容降壓的方式，給儲能電容充電到300～350 V后再對頻閃管放電，這種方式結構簡單、工作穩定，但功率因數很低，且只能在210～230 V很小的電壓范圍內工作。因為無穩壓功能，頻閃亮度隨輸入電壓改變，而且當使用在110 V時變更為倍壓整流方式，需要更換降壓電容，因此使用不便，產品種類繁多且管理不便^[2]。

    因此設計了一種基于SEPIC變換器的爆閃燈，這種爆閃燈可在交流40～260 V寬電壓范圍內穩定工作，由于采用APFC方式工作，因此具有近似為1的功率因數。同時利用MK7A23單片機進行控制，因此整體電路簡單，可以穩定可靠地工作，并且可替代交流48 V、110 V、220 V產品，大大提高產品的使用范圍，減少管理維護成本。

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化電路，220 V交流電壓通過C₁降壓、限流后經過橋式整流變換成脈沖直流，給儲能電容C₂充電，充電的最大值為交流電峰值。當儲能電容C₂充電到一定值后，觸發脈沖發生器輸出一個脈沖，此時頻閃管被觸發，HV和LV兩端呈現出很低的阻抗，瞬間把C₂的能量釋放出來，因此發出強烈的閃光。

    圖2為頻閃工作波形圖，經過交流電N個正弦波充電后，C₂的電壓逐漸升高(最大為交流電的峰值)，此時觸發一次閃光一次，由于釋放的時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 爆閃燈對充電電路的特性要求

    圖2中可知頻閃時HV和LV兩端呈現出很低的阻抗，如果沒有限流措施則頻閃管會被長時間“點亮”，從而引起很大的電流，最后會導致頻閃管被燒壞，也會對電源造成危險。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。

　　如果設計充電電壓為300 V的爆閃燈時，當輸入電壓212 V以下時充電電路具有升壓功能，當輸入電壓212 V以上時充電電路應具有降壓功能。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，當充電到輸入電壓U_i峰值的0.5倍時充電功率最大，充電到峰值時充電功率為0。同時可以看出當輸入電壓變化時，充電功率變化較大。因此這種電路存在如下缺點：

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

    (2)功率因數很低，約為0.5左右；

    (3)為了適應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

    為了解決上述問題，設計了一種基于 SEPIC變換器的爆閃燈，可在交流40～260 V寬電壓范圍內穩定工作，具有穩定充電電壓的能力并且充電功率與電源工作頻率無關的特性。采用APFC方式工作，因此具有近似為1的功率因數^[4]。同時利用微功耗單片機MK7A23進行控制，因此整體電路簡單、工作穩定，可替代交流48 V、110 V、220 V等多種產品。

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單片機檢測及控制部分。SEPIC變換器工作時對C₃進行充電，R₁、R₃為分壓電阻，對C₃的電壓分壓后通過PB1提供給單片機，當C₃的電壓達到單片機PB1的門限值時，PB0變成低電平則NCP1200的CS的門限值為0，此時無脈沖輸出C₃不再充電。由于存在C₂因此輸出端U_O與C₁端直流隔離，因此頻閃時不會發生過流現象。

    S2為2位DIP模式開關可提供4種頻閃模式，因此可以通過調節S2進行不同模式的選擇。MK7A23單片機具有較強的抗干擾能力，內含RC振蕩器，WDT及復位電路，有ADC和PWM發生器，MK7A23P是帶15位A/D的RISC高性能8位微控制器，它內含2×16 bit的OTP形式ROM程序存儲器、128×8 bit的RAM、5個定時器以及計數器、多個I/O口、4路比較器和2路PWM輸出^[5]。一個指令周期由2個系統時鐘組成，因此運行速度很快，有4種復位形式，雙時鐘模式，有內部RC振蕩器、WTD有8腳和14腳等多種封裝，I/O口在輸入狀態下，可置為上拉電阻模式^[6]。由于MK7A23單片機工作電流很小(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計

    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。因此單片機輸出圖5所示的PWM波形后經過電阻以及電容濾波后得到正弦波，提供給FB端。

    圖4中當Q₁導通時電感L₁和L₂的電流經過R₂產生壓降U_R，當U_R超過CS端的門限值時(最大為1 V)Q₁截止，L₁中儲存的能量釋放給C₂、C₃，L₂中儲存的能量釋放給C₃。每次充電C₃電壓逐漸升高，經過N次重復充電后，最終達到額定的電壓值。

2.4 電流取樣電阻R2的設定

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

3 實驗結果及分析

    圖6～圖8為交流輸入電壓分別為48 V、100 V、260 V時，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范圍內改變時，電流與輸入電壓同相，且導通角較寬，充電電壓在0.7 s內達到額定值，功率因數為0.985。

4 結論

    利用SEPIC 變換器設計的高亮度爆閃式特種信號燈，電路結構簡單，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寬電壓范圍內穩定地工作。采用單片NCP1200同時完成電路的升壓、降壓及APFC方式整流，因此功率因數近似為1。檢測控制部分采用MK7A23單片機，抗干擾能力強，功耗較少，大大提高產品的使用范圍，減少管理維護成本。

參考文獻

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[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].電子技術應用，2013(11)：67-69.

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

[4] 蔡逢煌，王武，陳浩龍.倍壓Boost-APFC變換器的改進型單周期控制[J].電力自動化設備，2015(10)：121-126.

[5] CAPUA G D，FEMIA 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 SEPIC-Flyback converter as a single-stage single-switch power-factor-correction LED Driver[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2016：1-1.

[7] 金永鎬，王龍騰.基于自適應儲能模式的高效率電子圍欄的設計[J].電子技術應用，2013(11)：56-59.