太阳辐照度光谱仪光谱定标用汞灯电源设计

摘  要： 为了满足FY-3太阳辐照度光谱仪的星上光谱定标要求，针对汞灯高起辉电压、低工作电压的特点设计了一种汞灯电源。采用单端反激拓扑结构及四级倍压整流电路实现了汞灯高压起辉，通过闭环负反馈实现了汞灯工作电流的恒流控制；无需外加微控制器，完成了汞灯高起辉电压和低工作电压的自动切换，并且在保证电源稳定性的同时，解决了现有汞灯电源适用性较差、低温下无法可靠起辉的问题。实验结果表明：设计的汞灯电源电流精度为0.000 21、电流调整率为0.001 8、稳流系数为0.009，在低温下也可稳定驱动汞灯工作，完全满足载荷的任务需求。

    关键词： 太阳辐照度光谱仪；星上光谱定标；汞灯电源；单端反激；恒流控制

    中图分类号： TN86；TH744.1

    文献标识码： A

    DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.001


    中文引用格式： 张恒，马庆军，汪龙祺，等. 太阳辐照度光谱仪光谱定标用汞灯电源设计[J].电子技术应用，2017，43(6)：3-6.

    英文引用格式： Zhang Heng，Ma Qingjun，Wang Longqi，et al. Design of mercury-lamp source for solar irradiance spectrometer spectral calibration[J].Application of Electronic Technique，2017，43(6)：3-6.

0 引言

    太阳辐射是地球最重要的外部能源，其能量变化具有波长依赖性[1]。太阳辐照度光谱仪是风云三号极轨气象卫星的主载荷之一，通过观测太阳直射辐射获取紫外至红外波段（165 nm~2 400 nm光谱范围）高精度的太阳连续光谱辐照度信息，监测太阳活动变化对太阳光谱辐射的影响，获得逐日太阳光谱辐照度等产品，用于太阳物理学、大气物理学和气候物理学研究和业务应用。同时，太阳光谱辐射的精确测量也有利于改善痕量气体的反演精度及开展针对不同地物特征的气候效应评估[2]。

    为了监测星上光谱仪的波长变化情况、确定各通道的光谱中心波长位置和通过特性，需要进行星上光谱定标[3]。汞灯从真空紫外波段到近红外波段都具有较高强度的离散线谱，广泛应用于光谱定标、光刻、光化学合成等领域[4-5]。其中，小功率的低压汞灯是地面及在轨仪器设备最常用的光谱定标光源[6]。

    光源电源的性能直接影响着光源发光的稳定性。汞灯的起辉电压较高（1 000 V以上）、工作电压较低（约250 V），目前，用于星上光谱定标的汞灯电源设计主要是：分别利用变压器将星上二次电源变换为起辉电压和工作电压，通过微控制器控制加载起辉电压实现汞灯起辉，起辉后再利用继电器将其切换为工作电压[7]。这种先后加载起辉和工作电压的方法需要微控制器和继电器的参与，增加了系统配置项和复杂度，继电器的使用也降低了系统可靠性。此外，卫星工作环境相对恶劣，环境温度波动很大，汞灯在不同温度下所需的起辉电压相差很大，低温下起辉电压可达常温的数倍。并且，受汞灯制造一致性的影响，不同汞灯的起辉电压不尽相同，目前的这种星上汞灯电源无法实现对不同汞灯的可靠起辉，尤其是在低温条件下。这对于要求高可靠的航天应用是难以接受的。

    为此，本文将从太阳辐照度光谱仪的光谱定标需求出发，设计一种高性能、高可靠、适用性强的星上光谱定标汞灯电源。无需外加微控制器即可实现高起辉电压和低工作电压的自动切换，并在保证电源指标的同时，着重解决现有汞灯驱动适用性较差、低温下无法起辉的问题。

1 原理及方案设计

    汞灯是利用汞原子被激发产生能级跃迁并向外辐射汞的特征谱线，进而达到发光目的的电光源。根据辉光放电原理，汞灯电源首先要提供高起辉电压，击穿汞蒸气，而后电源输出电压下降。

    常用的汞灯电源有：漏磁变压器、高频交流稳压、直流稳压、直流稳流四种方式。对于光强度稳定性要求不高的场合，一般用交流稳压和漏磁变压器方式；对于汞灯发光强度稳定性要求较高的场合，需要高性能的恒流电源，即直流稳流电源。

    为了保证光谱定标汞灯能够稳定发光，汞灯电源需要具备高起辉电压、低工作电压及恒流控制能力。设计的汞灯电源总体方案框图如图1所示。系统包括：电压调整单元、振荡发生单元、高压变换单元、倍压整流单元、电流取样单元、反馈比较单元、误差放大单元等部分。

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    卫星主控系统控制光谱定标时开启汞灯，由电流取样单元获取汞灯工作电流并转换为电压，与设定的电压基准进行比较；得到的误差电压经误差放大单元放大后送入电压调整单元，由其调整振荡发生单元产生的振荡波形幅值；由振荡波形驱动MOSFET，并通过变压器实现高压变换，再经倍压整流、滤波后加载到汞灯两端。

    汞灯尚未起辉时，电流取样单元处电压为0，经反馈比较和误差放大后得到的误差值较大，通过电压调整使振荡波形较强，经高压变换和倍压整流后得很高的直流电压，击穿汞蒸气，实现汞灯起辉；汞灯起辉后，实时取样汞灯工作电流并及时调整，从而实现汞灯工作在恒流状态下，电流与设定值相等。

    光谱定标汞灯选用上海光电器材有限公司生产的笔形汞灯，如图2所示。该型号汞灯已在风云系列气象卫星中的多个载荷中使用，具有航天飞行经验。

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2 电路系统设计

    根据汞灯电源的工作原理及各单元功能，可将其分为电压变换模块和恒流控制模块两部分。电压变换模块包括振荡发生单元、高压变换单元及倍压整流单元；恒流控制模块包括电流取样单元、反馈比较单元、误差放大单元及电压调整单元。

2.1 电压变换模块

2.1.1 振荡发生单元

    振荡发生单元用于产生幅值可调的方波驱动信号，驱动高压变换单元的MOSFET，实现电压逆变，其核心是由LM555构成的多谐振荡器。振荡发生单元的电路原理图及输出波形如图3所示，电路中电容选用温度系数小的一类瓷介电容，电阻为金属膜电阻。通过调节输入电压Vtrim可以实现对输出方波幅值的控制。

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2.1.2 高压变换及倍压整流单元

    高压变换及倍压整流单元是汞灯电源设计的关键，直接决定了电源能否对不同温度下、不同规格的汞灯实现可靠起辉，其电路原理图如图4所示。

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    高压变换单元采用单端反激拓扑结构，通过设置振荡波形的频率及占空比等参数，使其工作在断续模式下。反激变换器具有电流源性质，初级与次级安匝比守恒，次级绕组电压只与负载有关[8-9]。当接汞灯负载时，起辉前汞灯相当于断路，次级电压迅速上升，直至将汞蒸气击穿，产生辉光放电；点亮后，汞灯电阻减小，次级输出电压由电流闭环系统自动调节。可见，此高压变换方式可以实现不同起辉电压下汞灯的可靠点亮。

    倍压整流单元由高压二极管和高压储能电容组成，利用二极管的整流和导引作用及电容充放电效应实现电压整流，输出数倍于变压器次级交流电压幅值的直流电压[10]。航天应用中卫星的重量和体积严格受限，倍压整流的设计减少了变压器匝数比、降低了所需整流元件的耐压值，有效减轻了汞灯电源的重量和体积。根据汞灯电源的实际需求和实验分析，设计选用了四级倍压整流电路。

2.2 恒流控制模块

    电压变换模块实现了汞灯的高压起辉和低压工作，恒流控制模块则保证了汞灯点亮后不受外界干扰及自身电阻等参数变化的影响，在预先设定的电流下稳定发光，以满足星上光谱定标的需求。恒流控制电路的原理图如图5所示。

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    取样电阻R16将汞灯电流取样，并转换为电压值VX；与基准电压VR进行差分运算和误差放大后得到误差电压VD，误差电压VD的大小表征汞灯工作电流与预期电流的差值；将VD送入调整晶体管VT1的基极，通过控制VD可以控制VT1发射极电流，VT1相当于一个可调电阻的作用，从而控制电压调整器LM117的输出电压，即振荡发生单元的输入电压Vtrim。

    汞灯的恒流控制电路采用了闭环负反馈的设计思想，当汞灯工作电流因某种原因变小时，误差电压VD增大，晶体管发射极电流减小，配置电阻R10上电压增大，从而使电压调整器输出电压Vtrim增大，振荡波形幅值增大，MOSFET的漏极电流增大，汞灯工作电流增大。通过这种检测、反馈、调整，最终保证了汞灯工作在恒流模式下。

3 性能测试与分析

    为了验证设计的光谱定标用汞灯电源的性能，分别对其电流精度、电流调整率、稳流系数、高低温性能进行测试与分析。实验采用固纬GPD-3303S线性直流电源为汞灯电源提供12 V电源电压，通过计算机操作上位机程序控制KEITHLEY 2000E六位半数字万用表进行测量，并通过RS-232接口进行数据采集和传输。

    汞灯的自身属性决定其起辉后需要一段预热时间才能稳定发光，为了保证性能测试的准确性，首先测试了汞灯的起辉、稳流过程，如图6所示。汞灯在预热30 min后工作电流基本稳定，因此后续性能测试均在开机预热30 min后进行。

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3.1 电流精度

    开机预热30 min后，测试汞灯工作电流，每次测量20组数据，记录平均值IAVE及最大最小差值ΔI，重复实验10次。计算汞灯电源的电流精度=ΔI/IAVE=0.000 21。

3.2 电流调整率及稳流系数

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3.3 高低温性能

    在航天应用中星上汞灯电源的工作温度变化较大，需要进行高低温性能测试。为了方便对高压的测量，将100 MΩ与1 MΩ电阻串联，共同并联在汞灯两端，利用数字万用表测量1 MΩ电阻端的电压。KEITHLEY 2000E在100 V量程下的内阻为10 MΩ，计算得电阻分压倍数为111倍。利用高低温试验箱控制环境温度为-30 ℃～20 ℃，测试各温度下的汞灯起辉电压，如图7所示。可见，汞灯起辉电压随着温度下降而升高，设计的汞灯电源可以在-30 ℃时输出3 263 V高压使汞灯起辉，完全满足载荷要求。

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4 结论

    为了满足太阳辐照度光谱仪的星上光谱定标要求，设计了精度高、适用性强的高可靠汞灯电源。其设计核心是：从汞灯高起辉电压、低工作电压的原理出发，利用单端反激拓扑结构及多级倍压整流电路的特点，在无需微控制器参与的条件下，实现了汞灯的高低电压自动切换。而汞灯电源的长期稳定性和电流精度主要取决于取样电阻、电压基准的精度、温度系数以及运算放大器的温漂、失调和PSRR。在电源设计中，取样电阻选用温度系数为±25 ppm/℃的高精度金属膜电阻；电压基准选用温度系数为5 ppm/℃、长期稳定性为2 ppm/100 h的精密电压基准二极管；运算放大器选用失调电压为30 μV、失调偏移为0.3 μV/℃、PSRR大于100 dB的OP07。实际测试结果表明，设计的汞灯电源电流精度为0.000 21，电流调整率为0.001 8，稳流系数为0.009，在低温下可稳定驱动汞灯工作，完全满足空间载荷的任务需求。