基于SEPIC变换器的AC宽电压爆闪式信号灯设计

金永镐，王海月

（延边大学 工学院，吉林 延吉 133002）

基于SEPIC变换器的AC宽电压爆闪式信号灯设计

金永镐，王海月

（延边大学 工学院，吉林 延吉 133002）

现有的交流爆闪灯采用电容降压方式给能量储存电容充电后对频闪管放电的方式工作，这种方式结构简单、工作稳定，但功率因数很低，且只能在210～230 V的很小的电压范围内工作，当使用在110 V时变更为倍压整流方式设计，因此使用不便，产品种类多也管理不便。因此设计了一种基于 SEPIC变换器的爆闪灯，这种爆闪灯可在交流40～260 V宽电压范围内稳定工作，由于采用 APFC方式工作，因此具有近似为 1的功率因数。同时利用MK7A23单片机进行控制，因此整体电路简单、工作性能稳定可靠，大大提高产品的使用范围，减少管理维护成本。

NCP1200AP40；SEPIC变换器；宽电压；频闪灯；MK7A23单片机

0 引言

爆闪灯结构简单，能够在短时间内发出强光，具有很好的警示作用，因此广泛应用于特种车辆（工程车、警车、消防车等）、道路交通、航空指示、工业生产等场合，最大限度避免了各种事故的发生[1]。

传统的交流爆闪灯采用的是电容降压的方式，给储能电容充电到300～350 V后再对频闪管放电，这种方式结构简单、工作稳定，但功率因数很低，且只能在 210～230 V很小的电压范围内工作。因为无稳压功能，频闪亮度随输入电压改变，而且当使用在 110 V时变更为倍压整流方式，需要更换降压电容，因此使用不便，产品种类繁多且管理不便[2]。

因此设计了一种基于 SEPIC变换器的爆闪灯，这种爆闪灯可在交流 40～260 V宽电压范围内稳定工作，由于采用APFC方式工作，因此具有近似为1的功率因数。同时利用MK7A23单片机进行控制，因此整体电路简单，可以稳定可靠地工作，并且可替代交流48 V、110 V、220 V产品，大大提高产品的使用范围，减少管理维护成本。

1 交流爆闪灯工作原理及存在的问题

1.1 爆闪灯工作原理

图1为电容降压式爆闪灯的简化电路，220 V交流电压通过C1降压、限流后经过桥式整流变换成脉冲直流，给储能电容C2充电，充电的最大值为交流电峰值。当储能电容C2充电到一定值后，触发脉冲发生器输出一个脉冲，此时频闪管被触发，HV和LV两端呈现出很低的阻抗，瞬间把C2的能量释放出来，因此发出强烈的闪光。

图1 电容降压式爆闪灯的简化电路

图2为频闪工作波形图，经过交流电N个正弦波充电后，C2的电压逐渐升高(最大为交流电的峰值)，此时触发一次闪光一次，由于释放的时间较短且频闪管有较小的阻抗，因此释放后UO不是0 V而残留一部分电压UL。

图2 频闪工作波形图

1.2 爆闪灯对充电电路的特性要求

图2中可知频闪时HV和LV两端呈现出很低的阻抗，如果没有限流措施则频闪管会被长时间“点亮”，从而引起很大的电流，最后会导致频闪管被烧坏，也会对电源造成危险。因此为了防止过流，充电电路必须具有限流功能，图1中C1起到限流作用。

如果设计充电电压为300 V的爆闪灯时，当输入电压212 V以下时充电电路具有升压功能，当输入电压212 V以上时充电电路应具有降压功能。所以为了满足上述要求采用SEPIC变换器[3]。

SEPIC变换器具有升压、降压能力，且输入和输出之间有电容起到隔离直流作用，输入端的交流电压整流后变成直流电压，因此无法传送到输出端，从而满足上述要求。

1.3 电容降压方式存在的问题

图1所示的电容降压方式，电路中输入电压的改变对C2的充电功率的影响很大。这种电路的平均充电功率由式(1)决定。

由式(1)得到图3所示的平均充电功率仿真曲线，可见随着充电电压增加充电功率逐渐变大，当充电到输入电压Ui峰值的0.5倍时充电功率最大，充电到峰值时充电功率为0。同时可以看出当输入电压变化时，充电功率变化较大。因此这种电路存在如下缺点：

(1)只能在210～230 V很小的电压范围内工作，且无稳压功能，频闪亮度随输入电压改变；

(2)功率因数很低，约为0.5左右；

(3)为了适应210～230 V电压变化量，降压电容需使用较大容量，通常使用3.3 μF/400 V；

(4)充电功率受到电源工作频率50/60 Hz的影响。

图3 平均充电功率仿真曲线

2 基于SEPIC变换器宽电压爆闪灯

2.1 基于SEPIC变换器的爆闪灯的特点

为了解决上述问题，设计了一种基于 SEPIC变换器的爆闪灯，可在交流40～260 V宽电压范围内稳定工作，具有稳定充电电压的能力并且充电功率与电源工作频率无关的特性。采用APFC方式工作，因此具有近似为1的功率因数[4]。同时利用微功耗单片机 MK7A23进行控制，因此整体电路简单、工作稳定，可替代交流48 V、110 V、220 V等多种产品。

2.2 基于SEPIC变换器的爆闪灯整体电路

整体电路如图4所示。主要包括由NCP1200组成的SEPIC变换器部分，MK7A23单片机检测及控制部分。SEPIC变换器工作时对 C3进行充电，R1、R3为分压电阻，对C3的电压分压后通过PB1提供给单片机，当C3的电压达到单片机 PB1的门限值时，PB0变成低电平则NCP1200的 CS的门限值为0，此时无脉冲输出 C3不再充电。由于存在C2因此输出端UO与C1端直流隔离，因此频闪时不会发生过流现象。

S2为2位DIP模式开关可提供4种频闪模式，因此可以通过调节S2进行不同模式的选择。MK7A23单片机具有较强的抗干扰能力，内含RC振荡器，WDT及复位电路，有ADC和PWM发生器，MK7A23P是带15位A/D的RISC高性能8位微控制器，它内含2×16 bit的OTP形式ROM程序存储器、128×8 bit的 RAM、5个定时器以及计数器、多个 I/O口、4路比较器和 2路 PWM输出[5]。一个指令周期由2个系统时钟组成，因此运行速度很快，有4种复位形式，双时钟模式，有内部RC振荡器、WTD有8脚和14脚等多种封装，I/O口在输入状态下，可置为上拉电阻模式[6]。由于MK7A23单片机工作电流很小(0.5 mA以下)，因此工作电压直接把300 V左右高压通过R4降压后提供。

图4 爆闪灯的整体电路

2.3 基于SEPIC变换器的充电电路设计

NCP1200具有从 HV端获取芯片工作电压 VCC的能力，无需外部提供工作电压，可提供工作频率为 40 kHz、60 kHz、100 kHz且无需外部设置[7]。

图4中电感的峰值电流是跟踪NCP1200的FB端的输入波形，如果输入正弦波则电源输入端的电流近似为正弦波。因此单片机输出图5所示的PWM波形后经过电阻以及电容滤波后得到正弦波，提供给FB端。

图5 工作原理波形

图4中当Q1导通时电感L1和L2的电流经过R2产生压降 UR，当UR超过 CS端的门限值时(最大为 1 V)Q1截止，L1中储存的能量释放给 C2、C3，L2中储存的能量释放给C3。每次充电C3电压逐渐升高，经过N次重复充电后，最终达到额定的电压值。

2.4 电流取样电阻R2的设定

一般频闪灯要求每次频闪后，在规定时间TS内（通常为0.7～1.5 s左右）对 C3=100 μF/100 V电容充电达到额定值。电容C3中储存能量由式(2)决定。

C3=100 μF、UC3=300 V代入式(1)后得 WC=4.5 J。每个周期Q1导通时从电源获得的能量由式(3)决定。

R2中的电流 i=iL1+iL2，正常工作时 C2的电压为电源电压值，取电感L1=L2，因iL1=iL2=0.5i，设门限电压UCS=1 V，则电流 iL1由式(4)决定。

式(3)代入式(2)后可得式(5)。

考虑到变换器效率η，则经过N次重复充电后应满足ηNWL＞WC2-WC1条件(WC1为C3中残留电压UL的能量，WC2为设定电压 UH的能量），因此可得式(6)。

NCP1200芯片采用工作频率f=40 kHz，则N次充电的时间为 T=N/F，应满足 T=TS(规定的充电时间)则可得到式(7)。

因此取样电阻R2的值应满足式(8)：

NCP1200芯片采用工作频率f=40 kHz，其他参数取TS=1.2 s、C3=100 μF、UH=300 V、UL=50 V、L1=1 mH、UCS= 1 V、η=80%，则由式(7)可得R2＜0.8 Ω。

3 实验结果及分析

图6～图8为交流输入电压分别为 48 V、100 V、260 V时，充电电压UO与工作电流之间的波形。图9～图11为输入交流电压时电流的波形。

图6 输入电压为48 V时工作电流与充电电压的波形

图7 输入电压为100 V时工作电流与充电电压的波形

图8 输入电压为260 V时工作电流与充电电压的波形

由图6～图8可知在功率保持不变的情况下，随着交流电压的不断提高，电流逐渐减小，充电电压始终稳定在300 V左右。由图9～图11可知在交流电压 40 V～260 V范围内改变时，电流与输入电压同相，且导通角较宽，充电电压在0.7 s内达到额定值，功率因数为0.985。

图9 输入电压为48 V时输入电压与电流的波形

图10 输入电压为100 V时输入电压与电流的波形

图11 输入电压为260 V时输入电压与电流的波形

4 结论

利用 SEPIC变换器设计的高亮度爆闪式特种信号灯，电路结构简单，充电功率不受电源工作频率及输入电压大小的影响，因此可以在交流40 V～260 V宽电压范围内稳定地工作。采用单片NCP1200同时完成电路的升压、降压及APFC方式整流，因此功率因数近似为1。检测控制部分采用 MK7A23单片机，抗干扰能力强，功耗较少，大大提高产品的使用范围，减少管理维护成本。

[1]金永镐，黄鑫.基于 HV9910宽电压的自适应温度高亮度频闪灯[J].电子科技，2013(12)：82-85.

[2]余成林，易茂祥，陶金，等.一种低热耗功率的电容降压型直流电源[J].电子技术应用，2013(11)：67-69.

[3]曾国宏，王冰清.基于Sepic变换器的组件式MPPT技术[J].电网技术，2014，38(10)：2784-2788.

[4]蔡逢煌，王武，陈浩龙.倍压Boost-APFC变换器的改进型单周期控制[J].电力自动化设备，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 SEPICFlyback converter as a single-stage single-switch powerfactor-correction LED Driver[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2016：1-1.

[7]金永镐，王龙腾.基于自适应储能模式的高效率电子围栏的设计[J].电子技术应用，2013(11)：56-59.

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

金永镐，王海月.基于 SEPIC变换器的 AC宽电压爆闪式信号灯设计[J].电子技术应用，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)

金永镐（1964-），男，博士，教授，主要研究方向：智能开关技术及智能变换。

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