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U_O不是0 V而残留一部分电压U_L。

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U_i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。

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U_O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。

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V_CC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4中当Q₁导通时电感L₁和L₂的电流经过R₂产生压降U_R，当U_R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T_S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。

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。

    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。

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。

参考文献

[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 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.