0 引言

    太陽(yáng)輻射是地球最重要的外部能源，其能量變化具有波長(zhǎng)依賴性^[1]。太陽(yáng)輻照度光譜儀是風(fēng)云三號(hào)極軌氣象衛(wèi)星的主載荷之一，通過(guò)觀測(cè)太陽(yáng)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(yáng)連續(xù)光譜輻照度信息，監(jiān)測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)變化對(duì)太陽(yáng)光譜輻射的影響，獲得逐日太陽(yáng)光譜輻照度等產(chǎn)品，用于太陽(yáng)物理學(xué)、大氣物理學(xué)和氣候物理學(xué)研究和業(yè)務(wù)應(yīng)用。同時(shí)，太陽(yáng)光譜輻射的精確測(cè)量也有利于改善痕量氣體的反演精度及開(kāi)展針對(duì)不同地物特征的氣候效應(yīng)評(píng)估^[2]。

    為了監(jiān)測(cè)星上光譜儀的波長(zhǎng)變化情況、確定各通道的光譜中心波長(zhǎng)位置和通過(guò)特性，需要進(jìn)行星上光譜定標(biāo)^[3]。汞燈從真空紫外波段到近紅外波段都具有較高強(qiáng)度的離散線譜，廣泛應(yīng)用于光譜定標(biāo)、光刻、光化學(xué)合成等領(lǐng)域^[4-5]。其中，小功率的低壓汞燈是地面及在軌儀器設(shè)備最常用的光譜定標(biāo)光源^[6]。

    光源電源的性能直接影響著光源發(fā)光的穩(wěn)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(biāo)的汞燈電源設(shè)計(jì)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(guò)微控制器控制加載起輝電壓實(shí)現(xiàn)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(tǒng)配置項(xiàng)和復(fù)雜度，繼電器的使用也降低了系統(tǒng)可靠性。此外，衛(wèi)星工作環(huán)境相對(duì)惡劣，環(huán)境溫度波動(dòng)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(dá)常溫的數(shù)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(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)不同汞燈的可靠起輝，尤其是在低溫條件下。這對(duì)于要求高可靠的航天應(yīng)用是難以接受的。

    為此，本文將從太陽(yáng)輻照度光譜儀的光譜定標(biāo)需求出發(fā)，設(shè)計(jì)一種高性能、高可靠、適用性強(qiáng)的星上光譜定標(biāo)汞燈電源。無(wú)需外加微控制器即可實(shí)現(xiàn)高起輝電壓和低工作電壓的自動(dòng)切換，并在保證電源指標(biāo)的同時(shí)，著重解決現(xiàn)有汞燈驅(qū)動(dòng)適用性較差、低溫下無(wú)法起輝的問(wèn)題。

1 原理及方案設(shè)計(jì)

    汞燈是利用汞原子被激發(fā)產(chǎn)生能級(jí)躍遷并向外輻射汞的特征譜線，進(jìn)而達(dá)到發(fā)光目的的電光源。根據(jù)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(wěn)壓、直流穩(wěn)壓、直流穩(wěn)流四種方式。對(duì)于光強(qiáng)度穩(wěn)定性要求不高的場(chǎng)合，一般用交流穩(wěn)壓和漏磁變壓器方式；對(duì)于汞燈發(fā)光強(qiáng)度穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)合，需要高性能的恒流電源，即直流穩(wěn)流電源。

    為了保證光譜定標(biāo)汞燈能夠穩(wěn)定發(fā)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(shè)計(jì)的汞燈電源總體方案框圖如圖1所示。系統(tǒng)包括：電壓調(diào)整單元、振蕩發(fā)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(wèi)星主控系統(tǒng)控制光譜定標(biāo)時(shí)開(kāi)啟汞燈，由電流取樣單元獲取汞燈工作電流并轉(zhuǎn)換為電壓，與設(shè)定的電壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較；得到的誤差電壓經(jīng)誤差放大單元放大后送入電壓調(diào)整單元，由其調(diào)整振蕩發(fā)生單元產(chǎn)生的振蕩波形幅值；由振蕩波形驅(qū)動(dòng)MOSFET，并通過(guò)變壓器實(shí)現(xiàn)高壓變換，再經(jīng)倍壓整流、濾波后加載到汞燈兩端。

    汞燈尚未起輝時(shí)，電流取樣單元處電壓為0，經(jīng)反饋比較和誤差放大后得到的誤差值較大，通過(guò)電壓調(diào)整使振蕩波形較強(qiáng)，經(jīng)高壓變換和倍壓整流后得很高的直流電壓，擊穿汞蒸氣，實(shí)現(xiàn)汞燈起輝；汞燈起輝后，實(shí)時(shí)取樣汞燈工作電流并及時(shí)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)汞燈工作在恒流狀態(tài)下，電流與設(shè)定值相等。

    光譜定標(biāo)汞燈選用上海光電器材有限公司生產(chǎn)的筆形汞燈，如圖2所示。該型號(hào)汞燈已在風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星中的多個(gè)載荷中使用，具有航天飛行經(jīng)驗(yàn)。

2 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    根據(jù)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(fā)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(diào)整單元。

2.1 電壓變換模塊

2.1.1 振蕩發(fā)生單元

    振蕩發(fā)生單元用于產(chǎn)生幅值可調(diào)的方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)高壓變換單元的MOSFET，實(shí)現(xiàn)電壓逆變，其核心是由LM555構(gòu)成的多諧振蕩器。振蕩發(fā)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(shù)小的一類瓷介電容，電阻為金屬膜電阻。通過(guò)調(diào)節(jié)輸入電壓V_trim可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵，直接決定了電源能否對(duì)不同溫度下、不同規(guī)格的汞燈實(shí)現(xiàn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)置振蕩波形的頻率及占空比等參數(shù)，使其工作在斷續(xù)模式下。反激變換器具有電流源性質(zhì)，初級(jí)與次級(jí)安匝比守恒，次級(jí)繞組電壓只與負(fù)載有關(guān)^[8-9]。當(dāng)接汞燈負(fù)載時(shí)，起輝前汞燈相當(dāng)于斷路，次級(jí)電壓迅速上升，直至將汞蒸氣擊穿，產(chǎn)生輝光放電；點(diǎn)亮后，汞燈電阻減小，次級(jí)輸出電壓由電流閉環(huán)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)?？梢?jiàn)，此高壓變換方式可以實(shí)現(xiàn)不同起輝電壓下汞燈的可靠點(diǎn)亮。

    倍壓整流單元由高壓二極管和高壓儲(chǔ)能電容組成，利用二極管的整流和導(dǎo)引作用及電容充放電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電壓整流，輸出數(shù)倍于變壓器次級(jí)交流電壓幅值的直流電壓^[10]。航天應(yīng)用中衛(wèi)星的重量和體積嚴(yán)格受限，倍壓整流的設(shè)計(jì)減少了變壓器匝數(shù)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(jù)汞燈電源的實(shí)際需求和實(shí)驗(yàn)分析，設(shè)計(jì)選用了四級(jí)倍壓整流電路。

2.2 恒流控制模塊

    電壓變換模塊實(shí)現(xiàn)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(diǎn)亮后不受外界干擾及自身電阻等參數(shù)變化的影響，在預(yù)先設(shè)定的電流下穩(wěn)定發(fā)光，以滿足星上光譜定標(biāo)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(zhuǎn)換為電壓值V_X；與基準(zhǔn)電壓V_R進(jìn)行差分運(yùn)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(yù)期電流的差值；將V_D送入調(diào)整晶體管VT1的基極，通過(guò)控制V_D可以控制VT1發(fā)射極電流，VT1相當(dāng)于一個(gè)可調(diào)電阻的作用，從而控制電壓調(diào)整器LM117的輸出電壓，即振蕩發(fā)生單元的輸入電壓V_trim。

    汞燈的恒流控制電路采用了閉環(huán)負(fù)反饋的設(shè)計(jì)思想，當(dāng)汞燈工作電流因某種原因變小時(shí)，誤差電壓V_D增大，晶體管發(fā)射極電流減小，配置電阻R10上電壓增大，從而使電壓調(diào)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(guò)這種檢測(cè)、反饋、調(diào)整，最終保證了汞燈工作在恒流模式下。

3 性能測(cè)試與分析

    為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的光譜定標(biāo)用汞燈電源的性能，分別對(duì)其電流精度、電流調(diào)整率、穩(wěn)流系數(shù)、高低溫性能進(jìn)行測(cè)試與分析。實(shí)驗(yàn)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(guò)計(jì)算機(jī)操作上位機(jī)程序控制KEITHLEY 2000E六位半數(shù)字萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)RS-232接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸。

    汞燈的自身屬性決定其起輝后需要一段預(yù)熱時(shí)間才能穩(wěn)定發(fā)光，為了保證性能測(cè)試的準(zhǔn)確性，首先測(cè)試了汞燈的起輝、穩(wěn)流過(guò)程，如圖6所示。汞燈在預(yù)熱30 min后工作電流基本穩(wěn)定，因此后續(xù)性能測(cè)試均在開(kāi)機(jī)預(yù)熱30 min后進(jìn)行。

3.1 電流精度

    開(kāi)機(jī)預(yù)熱30 min后，測(cè)試汞燈工作電流，每次測(cè)量20組數(shù)據(jù)，記錄平均值I_AVE及最大最小差值ΔI，重復(fù)實(shí)驗(yàn)10次。計(jì)算汞燈電源的電流精度=ΔI/I_AVE=0.000 21。

3.2 電流調(diào)整率及穩(wěn)流系數(shù)

3.3 高低溫性能

    在航天應(yīng)用中星上汞燈電源的工作溫度變化較大，需要進(jìn)行高低溫性能測(cè)試。為了方便對(duì)高壓的測(cè)量，將100 MΩ與1 MΩ電阻串聯(lián)，共同并聯(lián)在汞燈兩端，利用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量1 MΩ電阻端的電壓。KEITHLEY 2000E在100 V量程下的內(nèi)阻為10 MΩ，計(jì)算得電阻分壓倍數(shù)為111倍。利用高低溫試驗(yàn)箱控制環(huán)境溫度為-30 ℃～20 ℃，測(cè)試各溫度下的汞燈起輝電壓，如圖7所示?？梢?jiàn)，汞燈起輝電壓隨著溫度下降而升高，設(shè)計(jì)的汞燈電源可以在-30 ℃時(shí)輸出3 263 V高壓使汞燈起輝，完全滿足載荷要求。

4 結(jié)論

    為了滿足太陽(yáng)輻照度光譜儀的星上光譜定標(biāo)要求，設(shè)計(jì)了精度高、適用性強(qiáng)的高可靠汞燈電源。其設(shè)計(jì)核心是：從汞燈高起輝電壓、低工作電壓的原理出發(fā)，利用單端反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及多級(jí)倍壓整流電路的特點(diǎn)，在無(wú)需微控制器參與的條件下，實(shí)現(xiàn)了汞燈的高低電壓自動(dòng)切換。而汞燈電源的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和電流精度主要取決于取樣電阻、電壓基準(zhǔn)的精度、溫度系數(shù)以及運(yùn)算放大器的溫漂、失調(diào)和PSRR。在電源設(shè)計(jì)中，取樣電阻選用溫度系數(shù)為±25 ppm/℃的高精度金屬膜電阻；電壓基準(zhǔn)選用溫度系數(shù)為5 ppm/℃、長(zhǎng)期穩(wěn)定性為2 ppm/100 h的精密電壓基準(zhǔn)二極管；運(yùn)算放大器選用失調(diào)電壓為30 μV、失調(diào)偏移為0.3 μV/℃、PSRR大于100 dB的OP07。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的汞燈電源電流精度為0.000 21，電流調(diào)整率為0.001 8，穩(wěn)流系數(shù)為0.009，在低溫下可穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)汞燈工作，完全滿足空間載荷的任務(wù)需求。

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作者信息：

張  恒，馬慶軍，汪龍祺，王淑榮

（中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春130033）