消D-alpha线的高性能UV-NIR复合光源的设计与实现

Design and Implementation of High Performance UV-NIR Composite Light Source for D-Alpha Line

摘要: 在利用光学原理实现高精密测量的过程中，光是信号的载体，因此光源性能的优劣对测量结果的精确度起着至关重要的作用。采用双光源正交方式，并结合滤光技术消除D-alpha线的影响。利用L6561功率因数校正器设计降压型PFC驱动电路，输出单路基准电压，缩短了整体电路的动态响应时间，使工作电路的效率大大提高。选用电流型UC3843芯片并结合TLC271芯片设计单端反击式高频电路，高精度输出300 mA电流。最终实现UV-NIR复合光源输出连续、平滑、稳定的光谱，光谱波动低于3%，电压波动低于0.05%/h。

Abstract: The performance of the light source is of great importance to the accuracy of the measurement results for the reason that light is the carrier of the signal for high precision measurement based on optical principle. In this study, the influence of D-alpha line is eliminated by combining the or-thogonal mode of double light source with the filter technology. Using L6561 power factor corrector design of Buck PFC to drive circuit and output single reference voltage shortens the dynamic response time of the whole circuit and improves the work efficiency greatly. A single end counter type high frequency circuit is designed with current type UC3843 chip and TLC271 chip to output 300 mA high precision current. The UV-NIR composite light source is implemented finally to output continuous, smooth and stable spectra. The spectral fluctuation is below 3%, and the voltage fluctuation is less than 0.05%/h.

1. 引言

利用光学原理实现高精密测量，是现代测量技术领域中的一种重要方法及手段。在测量过程中，光是信号的载体，因此光源性能的优劣对测量结果的精确度起着至关重要的作用 [1] [2] [3] 。光源的发光强度会随着供电电源输出功率的波动而发生变化，因此，消除光源发光强度的波动在实际测量过程中的误差影响是十分重要的 [4] [5] 。从根本上消除光源发光强度的波动，就是设计一款能够精确控制供电电源输出功率的电路。紫外及近红外光谱分析技术的应用领域十分广泛，涉及到军事、医疗、工业及生活等多个领域，市场前景广阔，由此该领域成为近年来的研究热门。紫外–近红外光谱(UV-NIR)的产生需要能够产生相应波段的光源。因此设计一款能够发射光强稳定且光滑连续的UV-NIR光谱光源在实际应用中具有重要意义。

为实现光源能够输出215 nm~2000 nm平滑、连续、稳定的光谱，采用滤光技术消除D-alpha线的影响 [6] 。利用L6561功率因数校正器设计降压型PFC驱动电路 [7] [8] [9] ，输出单路24 V基准电压，缩短了整体电路的动态响应时间，使工作电路的效率大大提高。选用PWM控制器UC3843(电流型) [10] [11] 并结合TLC271芯片设计单端反击式高频电路，高精度输出300 mA电流。二级稳压、稳流技术实现光谱波动≤3%，电压波动≤0.05%/h。

2. 光学设计

目前还没有单个灯泡能够发射紫外–近红外的连续光谱，因此采用多个灯泡组合来实现。氘灯是最常用的紫外光源，其在190 nm~400 nm范围发出连续光谱；卤钨灯是可见-近红外波段的理想光源，其在360 nm~2000 nm范围发出连续光谱。由于氘灯在可见光谱范围内会出现参差不齐的特征峰，655 nm (D-alpha线)特征特别明显。为了能够得到平滑、连续的紫外–近红外光谱，设计光路时采用正交方式，并结合滤光片消除特征谱线(图1)，以此来避免传统的同轴光路设计缺陷，即无法削弱氘灯在可见光范围内特征谱线的能量。

Figure 1. Schematic diagram of optical path

图1. 光路示意图

图1中1是溴钨灯(德国贺利氏CT020T16)，2、6、8是聚焦透镜，3、7是滤光片，4是半反半透镜，5是氘灯(德国贺利氏DX227/05J)。滤光片的作用是吸收光谱中部分光的能量使其衰减，为了保障设计的滤光片能够满足要求，使用Ocean Optics (海洋光学)公司生产的USB4000光纤光谱仪测量氘灯和溴钨灯原始光谱图，如图2所示。

从图2中可以发现，氘灯在可见光波段有3处特征谱线(486 nm、583 nm、656 nm)，且光谱在可见光波段输出参差不齐的峰值，影响光谱的平滑连续性。同时，溴钨灯的相对发光强度要高于氘灯的相对发光强度，需要抑制其能量输出。因此，氘灯、溴钨灯的光路采用正交设计，并在氘灯后加一块滤光片(475 nm之前的光谱90%透过，之后的几乎全部抑制)，在溴钨灯后加一块滤光片(500 nm~850 nm之内的光谱10%透过，其它的光谱90%透过)。再利用半反半透镜、聚焦透镜耦合到SMA905光纤接口实现光谱输出。滤光片的设计透过率曲线如图3所示。

3. 电路设计

光学系统的设计保障了谱线的平滑性，设计稳定的驱动电源确保光谱曲线的稳定性。利用L6561功率因数校正器设计降压型PFC驱动电路，输出单路24 V基准电压，缩短了整体电路的动态响应时间，使工作电路的效率大大提高。选用PWM控制器UC3843(电流型)并结合TLC271芯片设计单端反击式高频电路，高精度输出300 mA电流。

3.1. 降压型PFC驱动电路设计

设计的功率因素校准电路参数要求：输入交流电压为85 V~265 V，输出直流电压U₀为24 V、I₀为1 A，反射电压U_R为100 V，电网频率f为50 Hz，输出纹波∆u为1 V，最小开关频率f_s为25 KHz，漏感电压∆U为70 V，电源效率85%。

外部交流电通过扼流圈滤波去除电磁干扰，经桥式整流得到输入电压U_i，经电容C₄₂滤波后进入变压器初级绕组。功率因数校准电路设计图如图4所示。L6561在临界导通模式下，实现功率因数校正、电压变换及电压电气隔离。L6561内部能提供400 mA的推挽电流，通过7脚GD驱动MOS管Q₂₆，R₉₀为MOS管Q₂₆的限流驱动电阻。MOS管Q₂₆的不断导通和关断使得初级绕组的电压耦合到次级绕组，通过变压器T₁降压，二极管整流，电容滤波后得到输出U₀。

输出电压U₀，电阻R₈₅、R₈₇、R₉₅、R₉₆以及光耦CNY17-3构成反馈回路，与L6561的1脚INV相连，

(a) (b)

Figure 2. Spectrum map. (a) Deuterium lamp spectrum; (b) Bromine tungsten lamp spectrum

图2. 光谱图。(a) 氘灯光谱；(b) 溴钨灯光谱

(a) (b)

Figure 3. Filter transmittance curve. (a) Deuterium lamp filter curve; (b) The curve of the filter of bromine tungsten lamp

图3. 滤光片透过率曲线。(a) 氘灯滤光片透过率曲线；(b) 溴钨灯滤光片透过率曲线

限定输出电压值。R₉₉和R₁₀₁构成分压采样电阻，C₄₅是电压采样滤波电容，R₉₇、C₄₆和C₄₇组成反馈补偿网络，R₉₃为初级电流检测电阻。电容C₄₁、电阻R109和二极管D₃₂构成吸收漏感的RCD箝位电路，当Q₂₆关断瞬间二极管D₃₂导通，电容C₄₁的电压瞬间升高，导致D₃₂截止，C₄₁通过箝位电阻R₁₀₉放电，防止过多的能量进入Q₂₆漏极引起被击穿。

3.2. 恒流电路设计

恒流源输出的电流是保持不变的，其主要由输入级和输出级构成，输入级一般用具有放大功能的三极管与二极管相连，实现输入电压的稳定，输出级采用工作状态处于输出电流饱和状态的MOS管来实现恒流。氘灯恒流源电路的输出电压为75 V，输出电流为300 mA，电路图如图5。UC3843起稳压作用，TLC271起恒流作用。芯片UC3843的VREF脚输出5 V基准电压，通过电阻R₃₄向电容C₂₆提供充电电流，由此确定系统的振荡频率。V₀脚输出信号驱动MOS管Q₁栅极。电阻R₃和电容C₃₁构成RC滤波器，防止限流电阻R₂、R₄的噪声影响UC3843产生误操作。TLC271并联电容C₃₃和C₁₅能有效滤除高低频脉

Figure4. Schematic diagram of PFC circuit based on L6561

图4. 基于L6561的PFC电路原理图

Figure 5. Constant current source circuit

图5. 恒流源电路图

冲干扰，消除耦合作用。TLC271的6脚输出信号，经三极管Q₂₁、Q₂₀反馈至UC3843的VFB脚，用来稳定电路的输出电压，电阻R₅、R₁₈作分压反馈。辅助控制电路通过电阻R₅₃和三极管Q₂接UC3843的COMP脚，从而控制恒流源整个电路工作与否。

3.3. 实验测试

为检验UV-NIR复合光源的设计性能，首先对用L6561功率因数校正器为主设计的降压型PFC电路进行电压及文波测试。用TDS2022示波器测出24 V基准电压及其纹波电压图如图6所示，实际输出电压为24 V，纹波电压50 mV左右，并用FLUKE数字万用表测得基准电压为23.970 V，与理论值相差0.030 V，相对误差为0.12%，满足要求。

其次对恒流源电路的输出电压用示波器观测其电压和纹波电压波形，如图7所示，纹波电压起伏低于30 mV。并用数字万用表每隔10 min测量工作电压，数据如表1所示，从表中可以得出其电压波动≤0.05%/h，电源具有高稳定性，符合设计要求。为了满足恒流源电路的设计要求其电路参数设计如下：

1) UC3843振荡器频率f的设定：

(1)

式中，R_T和C_T定时元件，设定开关频率f为277 KHz，则电阻R_T取6.2 K (R₃₄)；电容C_T取1000 μF (C₂₆)。

2) 电感L的取值：

(2)

式中，U₀为恒流源的输出电压，I₀为输出电流，D为系统的占空比。电感取值一般为计算值的3~5倍，因此选取L为2 mH/0.5 A (L₁)。

(a) (b)

Figure 6. Reference voltage test chart. (a) 24V reference voltage; (b) Ripple voltage

图6. 基准电压测试图。(a) 24 V基准电压；(b) 纹波电压

Table 1. Continuous working voltage data record of deuterium lamp

表1. 氘灯持续工作电压数据记录

3) 滤波电容的选择：

(3)

式中，U_i为恒流源的输入电压。滤波电容取值为计算值的3~5倍，因此取22 μF/200 V的电解电容。

最后，用光纤光谱仪间隔10 min测量一次光谱并记录数据，共测量6次，部分数据表如表2所示，分析得光谱波动≤3%。图8是实测连续光谱图，从图中可以看出光源的光谱连续、平滑且已消除氘灯在可见光范围内特征谱线的影响。

(a) (b)

Figure 7. Deuterium lamp voltage test. (a) 75 V voltage; (b) Ripple voltage

图7. 氘灯电压测试图。(a) 75 V电压；(b) 纹波电压

Figure 8. UV-NIR light source spectrum

图8. UV-NIR光源光谱图

Table 2. Spectral relative intensity data recording

表2. 光谱相对强度数据记录

4. 结论

UV-NIR复合光源光路采用正交方式，并结合滤光技术削弱氘灯在可见光范围内的特征谱线。利用L6561功率因数校正器设计降压型PFC驱动电路，输出单路24 V基准电压，纹波电压50 mV左右，缩短了整体电路的动态响应时间，使工作电路的效率大大提高。选用PWM控制器UC3843(电流型)并结合TLC271芯片设计单端反击式高频电路，输出电压为75.7 V，纹波电压起伏低于30 mV。最终使UV-NIR复合光源输出连续、平滑、稳定的215 nm~2000 nm的光谱，对复合光源的实际应用与推广起着十分重要的作用。

本文得到浙江工业大学2016年教学改革项目(JG201635)、2016年创新性实验项目和2016年实验室工作研究与改革项目资助。