0 引言

    太陽輻射是地球最重要的外部能源，其能量變化具有波長依賴性^[1]。太陽輻照度光譜儀是風云三號極軌氣象衛星的主載荷之一，通過觀測太陽直射輻射獲取紫外至紅外波段（165 nm~2 400 nm光譜范圍）高精度的太陽連續光譜輻照度信息，監測太陽活動變化對太陽光譜輻射的影響，獲得逐日太陽光譜輻照度等產品，用于太陽物理學、大氣物理學和氣候物理學研究和業務應用。同時，太陽光譜輻射的精確測量也有利于改善痕量氣體的反演精度及開展針對不同地物特征的氣候效應評估^[2]。

    為了監測星上光譜儀的波長變化情況、確定各通道的光譜中心波長位置和通過特性，需要進行星上光譜定標^[3]。汞燈從真空紫外波段到近紅外波段都具有較高強度的離散線譜，廣泛應用于光譜定標、光刻、光化學合成等領域^[4-5]。其中，小功率的低壓汞燈是地面及在軌儀器設備最常用的光譜定標光源^[6]。

    光源電源的性能直接影響著光源發光的穩定性。汞燈的起輝電壓較高（1 000 V以上）、工作電壓較低（約250 V），目前，用于星上光譜定標的汞燈電源設計主要是：分別利用變壓器將星上二次電源變換為起輝電壓和工作電壓，通過微控制器控制加載起輝電壓實現汞燈起輝，起輝后再利用繼電器將其切換為工作電壓^[7]。這種先后加載起輝和工作電壓的方法需要微控制器和繼電器的參與，增加了系統配置項和復雜度，繼電器的使用也降低了系統可靠性。此外，衛星工作環境相對惡劣，環境溫度波動很大，汞燈在不同溫度下所需的起輝電壓相差很大，低溫下起輝電壓可達常溫的數倍。并且，受汞燈制造一致性的影響，不同汞燈的起輝電壓不盡相同，目前的這種星上汞燈電源無法實現對不同汞燈的可靠起輝，尤其是在低溫條件下。這對于要求高可靠的航天應用是難以接受的。

    為此，本文將從太陽輻照度光譜儀的光譜定標需求出發，設計一種高性能、高可靠、適用性強的星上光譜定標汞燈電源。無需外加微控制器即可實現高起輝電壓和低工作電壓的自動切換，并在保證電源指標的同時，著重解決現有汞燈驅動適用性較差、低溫下無法起輝的問題。

1 原理及方案設計

    汞燈是利用汞原子被激發產生能級躍遷并向外輻射汞的特征譜線，進而達到發光目的的電光源。根據輝光放電原理，汞燈電源首先要提供高起輝電壓，擊穿汞蒸氣，而后電源輸出電壓下降。

    常用的汞燈電源有：漏磁變壓器、高頻交流穩壓、直流穩壓、直流穩流四種方式。對于光強度穩定性要求不高的場合，一般用交流穩壓和漏磁變壓器方式；對于汞燈發光強度穩定性要求較高的場合，需要高性能的恒流電源，即直流穩流電源。

    為了保證光譜定標汞燈能夠穩定發光，汞燈電源需要具備高起輝電壓、低工作電壓及恒流控制能力。設計的汞燈電源總體方案框圖如圖1所示。系統包括：電壓調整單元、振蕩發生單元、高壓變換單元、倍壓整流單元、電流取樣單元、反饋比較單元、誤差放大單元等部分。

    衛星主控系統控制光譜定標時開啟汞燈，由電流取樣單元獲取汞燈工作電流并轉換為電壓，與設定的電壓基準進行比較；得到的誤差電壓經誤差放大單元放大后送入電壓調整單元，由其調整振蕩發生單元產生的振蕩波形幅值；由振蕩波形驅動MOSFET，并通過變壓器實現高壓變換，再經倍壓整流、濾波后加載到汞燈兩端。

    汞燈尚未起輝時，電流取樣單元處電壓為0，經反饋比較和誤差放大后得到的誤差值較大，通過電壓調整使振蕩波形較強，經高壓變換和倍壓整流后得很高的直流電壓，擊穿汞蒸氣，實現汞燈起輝；汞燈起輝后，實時取樣汞燈工作電流并及時調整，從而實現汞燈工作在恒流狀態下，電流與設定值相等。

    光譜定標汞燈選用上海光電器材有限公司生產的筆形汞燈，如圖2所示。該型號汞燈已在風云系列氣象衛星中的多個載荷中使用，具有航天飛行經驗。

2 電路系統設計

    根據汞燈電源的工作原理及各單元功能，可將其分為電壓變換模塊和恒流控制模塊兩部分。電壓變換模塊包括振蕩發生單元、高壓變換單元及倍壓整流單元；恒流控制模塊包括電流取樣單元、反饋比較單元、誤差放大單元及電壓調整單元。

2.1 電壓變換模塊

2.1.1 振蕩發生單元

    振蕩發生單元用于產生幅值可調的方波驅動信號，驅動高壓變換單元的MOSFET，實現電壓逆變，其核心是由LM555構成的多諧振蕩器。振蕩發生單元的電路原理圖及輸出波形如圖3所示，電路中電容選用溫度系數小的一類瓷介電容，電阻為金屬膜電阻。通過調節輸入電壓V_trim可以實現對輸出方波幅值的控制。

2.1.2 高壓變換及倍壓整流單元

    高壓變換及倍壓整流單元是汞燈電源設計的關鍵，直接決定了電源能否對不同溫度下、不同規格的汞燈實現可靠起輝，其電路原理圖如圖4所示。

    高壓變換單元采用單端反激拓撲結構，通過設置振蕩波形的頻率及占空比等參數，使其工作在斷續模式下。反激變換器具有電流源性質，初級與次級安匝比守恒，次級繞組電壓只與負載有關^[8-9]。當接汞燈負載時，起輝前汞燈相當于斷路，次級電壓迅速上升，直至將汞蒸氣擊穿，產生輝光放電；點亮后，汞燈電阻減小，次級輸出電壓由電流閉環系統自動調節。可見，此高壓變換方式可以實現不同起輝電壓下汞燈的可靠點亮。

    倍壓整流單元由高壓二極管和高壓儲能電容組成，利用二極管的整流和導引作用及電容充放電效應實現電壓整流，輸出數倍于變壓器次級交流電壓幅值的直流電壓^[10]。航天應用中衛星的重量和體積嚴格受限，倍壓整流的設計減少了變壓器匝數比、降低了所需整流元件的耐壓值，有效減輕了汞燈電源的重量和體積。根據汞燈電源的實際需求和實驗分析，設計選用了四級倍壓整流電路。

2.2 恒流控制模塊

    電壓變換模塊實現了汞燈的高壓起輝和低壓工作，恒流控制模塊則保證了汞燈點亮后不受外界干擾及自身電阻等參數變化的影響，在預先設定的電流下穩定發光，以滿足星上光譜定標的需求。恒流控制電路的原理圖如圖5所示。

    取樣電阻R16將汞燈電流取樣，并轉換為電壓值V_X；與基準電壓V_R進行差分運算和誤差放大后得到誤差電壓V_D，誤差電壓V_D的大小表征汞燈工作電流與預期電流的差值；將V_D送入調整晶體管VT1的基極，通過控制V_D可以控制VT1發射極電流，VT1相當于一個可調電阻的作用，從而控制電壓調整器LM117的輸出電壓，即振蕩發生單元的輸入電壓V_trim。

    汞燈的恒流控制電路采用了閉環負反饋的設計思想，當汞燈工作電流因某種原因變小時，誤差電壓V_D增大，晶體管發射極電流減小，配置電阻R10上電壓增大，從而使電壓調整器輸出電壓V_trim增大，振蕩波形幅值增大，MOSFET的漏極電流增大，汞燈工作電流增大。通過這種檢測、反饋、調整，最終保證了汞燈工作在恒流模式下。

3 性能測試與分析

    為了驗證設計的光譜定標用汞燈電源的性能，分別對其電流精度、電流調整率、穩流系數、高低溫性能進行測試與分析。實驗采用固緯GPD-3303S線性直流電源為汞燈電源提供12 V電源電壓，通過計算機操作上位機程序控制KEITHLEY 2000E六位半數字萬用表進行測量，并通過RS-232接口進行數據采集和傳輸。

    汞燈的自身屬性決定其起輝后需要一段預熱時間才能穩定發光，為了保證性能測試的準確性，首先測試了汞燈的起輝、穩流過程，如圖6所示。汞燈在預熱30 min后工作電流基本穩定，因此后續性能測試均在開機預熱30 min后進行。

3.1 電流精度

    開機預熱30 min后，測試汞燈工作電流，每次測量20組數據，記錄平均值I_AVE及最大最小差值ΔI，重復實驗10次。計算汞燈電源的電流精度=ΔI/I_AVE=0.000 21。

3.2 電流調整率及穩流系數

3.3 高低溫性能

    在航天應用中星上汞燈電源的工作溫度變化較大，需要進行高低溫性能測試。為了方便對高壓的測量，將100 MΩ與1 MΩ電阻串聯，共同并聯在汞燈兩端，利用數字萬用表測量1 MΩ電阻端的電壓。KEITHLEY 2000E在100 V量程下的內阻為10 MΩ，計算得電阻分壓倍數為111倍。利用高低溫試驗箱控制環境溫度為-30 ℃～20 ℃，測試各溫度下的汞燈起輝電壓，如圖7所示?？梢?，汞燈起輝電壓隨著溫度下降而升高，設計的汞燈電源可以在-30 ℃時輸出3 263 V高壓使汞燈起輝，完全滿足載荷要求。

4 結論

    為了滿足太陽輻照度光譜儀的星上光譜定標要求，設計了精度高、適用性強的高可靠汞燈電源。其設計核心是：從汞燈高起輝電壓、低工作電壓的原理出發，利用單端反激拓撲結構及多級倍壓整流電路的特點，在無需微控制器參與的條件下，實現了汞燈的高低電壓自動切換。而汞燈電源的長期穩定性和電流精度主要取決于取樣電阻、電壓基準的精度、溫度系數以及運算放大器的溫漂、失調和PSRR。在電源設計中，取樣電阻選用溫度系數為±25 ppm/℃的高精度金屬膜電阻；電壓基準選用溫度系數為5 ppm/℃、長期穩定性為2 ppm/100 h的精密電壓基準二極管；運算放大器選用失調電壓為30 μV、失調偏移為0.3 μV/℃、PSRR大于100 dB的OP07。實際測試結果表明，設計的汞燈電源電流精度為0.000 21，電流調整率為0.001 8，穩流系數為0.009，在低溫下可穩定驅動汞燈工作，完全滿足空間載荷的任務需求。

參考文獻

[1] 張艷娜，鄭小兵，李新，等.基于可調諧激光器的太陽光譜輻照度儀定標方法[J].紅外與激光工程，2014，43(8)：2678-2683.

[2] 張浩，方偉，葉新，等.寬光譜棱鏡型太陽光譜儀設計[J].光學學報，2013，33(2)：1-9.

[3] 曹海霞，吳娜，馮樹龍，等.單色儀與成像光譜儀的交互光譜定標[J].光學精密工程，2014，22(10)：2585-2591.

[4] 安仁軍，韓秋漪，張善端.汞蒸氣放電紫外光源的現狀和前景綜述[J].中國照明電器，2015(11)：9-14.

[5] MIZUNAMI T，FUJIYOSHI T.Fabrication of long-period fiber-gratings by low-pressure mercury lamp-effect of grating length[C].Tokyo：18th IEEE Microoptics Conference(MOC)，2013.

[6] 王加朋，王淑榮，徐領娣，等.紫外輻射計的波長定標及不確定度分析[J].光電工程，2008，35(6)：42-47.

[7] 陳濟，王英鑒，張仲謀，等.星上低壓汞燈恒流電源[C].第十七屆全國測控計量儀器儀表學術年會論文集，2007.

[8] 孫健，陳躍寧，徐征，等.基于單端反激式LED驅動電源的設計[J].電源設計，2016，40(2)：413-415.

[9] 楊榮峰，劉英，于泳，等.高輸入電壓單端反激式開關電源設計關鍵問題[J].電子技術應用，2011，37(5)：75-81.

[10] 冷利軍，蒲世豪，但敏，等.中頻倍壓整流在小型直流高壓電源中的應用[J].真空，2016，53(1)：62-65.

作者信息：

張  恒，馬慶軍，汪龍祺，王淑榮

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春130033）