基于Verilog-A的熒光燈預熱模型

鄧國元 姜巖峰 鞠家欣

(北方工業大學 微電子研究中心，北京 100144)

1 引言

熒光燈具有結構簡單、光效高、發光柔和、發熱小等優點而得到廣泛的應用，它屬于熱陰極氣體放電燈，熱陰極的性質決定燈陰極需要達到合適的電子發射溫度。

熒光燈發光過程是通過低壓汞汽放電，把電能轉變為人眼看不見的波長為253.7nm的紫外線照射在燈管內壁的熒光粉上，熒光粉再把紫外線轉換為所需要的可見光，而燈陰極主要是提供放電所必須的電子［1］。所以，燈陰極是熒光燈的一個極其重要的部件，它發射電子時間越長，熒光燈壽命就越長，因此，它決定了熒光燈的壽命，而燈陰極發射電子的時間長短與預熱過程息息相關。

熒光燈管電極發射電子失效主要是由于燈陰極上覆蓋的發射電子的氧化物的損耗引起，燈陰極溫度直接決定電極覆蓋物的損耗速度。熒光燈陰極預熱到700℃ ～1000℃的溫度范圍才合適，低于700℃時即加高壓激發熒光燈，強大的電場將造成燈絲覆蓋物的濺射;高于1000℃會引起燈絲覆蓋物的過分蒸發［2～3］。所以合適的預熱過程對于熒光燈達到較長的平均壽命非常重要。

為了建立熒光燈的合適預熱過程，需要使用帶有預熱、點火、正常運行3個階段控制的電子鎮流器，這種電子鎮流器功率因數高，能效高，被廣泛應用于照明系統中。這里要提出的熒光燈預熱模型正是針對這種電子鎮流器的應用。對于熒光燈管的預熱模型的驗證，擬采用Verilog-A來仿真。Verilog-A是Verilog-AMS的一個子集，它是一種高層次的模塊化硬件描述語言，用模塊的形式來描述模擬系統及其子系統的結構和行為［4］。

2 熒光燈的預熱及其在電子鎮流器中的預熱電路分析

2.1 熒光燈的預熱特點

通電后，我們難于測量熒光燈電極燈絲的溫度，但是燈絲溫度跟隨燈絲等效電阻的變化而變化，因此燈絲等效電阻可間接用來表示燈絲溫度的大小。一些論文也推薦等效電阻的測量作為一種可靠的研究點火過程的方法，介紹的方法是通過計算熱電阻(輝光到弧光放電階段測量)和冷電阻 (當燈熄滅至少5分鐘以后測量)的比值來得到燈絲溫度的，表達式為［2～3］

其中Tc和Th分別為燈絲預熱前的冷溫度和預熱期間的熱溫度，溫度單位都為開爾文，Tc為室溫25℃，即298K;Rc和Rh分別為燈絲冷電阻和燈絲熱電阻。為了使燈絲獲得合適的溫度，Rh/Rc(下文中記為Rhc)的比值一般為4.25(對應燈絲溫度約700℃)到6.25(對應燈絲溫度約1000℃)之間。

熒光燈在點亮前，即在預熱過程中可由電極燈絲等效電阻代替，如圖1所示。該模型中，預熱時燈管被認為是開路［5］，燈絲等效電阻大小依賴于流過電極的電流大小。當有電流流過燈絲時，燈絲溫度上升，電阻增加，當達到熱平衡時，燈絲電阻就不增加。

2.2 電子鎮流器的預熱電路分析

試驗使用的是帶有PFC控制器和半橋鎮流器控制器功能的L6585D芯片做成的電子鎮流器［5］，其半橋電路和串聯諧振電路如圖2所示。半橋輸出的方波信號可以通過傅里葉級數表示為直流和交流之和

其中Vdc為直流總線電壓。

式中 f——半橋逆變器的頻率。

方波電壓的交流成分中幾乎所有的諧波項都會被諧振電路濾掉，只有基波成分在諧振電路里起作用，該基波信號表示為

方波電壓帶有直流成分，所以圖2中的電路帶有隔直電容C2。由于圖2中燈絲電阻相對很小，其等效圖如圖3所示。該等效電路可以表示為

圖中隔直電容C2為0.1uF，R10為大于1M歐姆，R11為20K左右，C3為0.01UF，所以

式 (2)也可以寫為

由式 (3)和式 (4)得到

圖2 預熱期間半橋諧振電路

式 (5)中預熱電流在預熱時會增加燈絲溫度，當確定預熱電流后，可以通過這個方程計算出半橋電路的開關頻率。

圖3 圖2的等效圖

3 基于Verilog-A的熒光燈預熱模型

3.1 熒光燈的預熱模型

本文采用的預熱方法是在預熱期間給熒光燈電極燈絲提供有效值恒定的電流，得到合適的Rhc值。熒光燈是36W的T8熒光燈，其燈絲冷電阻Rc的值要在燈熄滅至少5分鐘后測量，精確測量后，得Rc=2.5546Ω。

通常要求熒光燈的工作頻率達40K以上［6］。按照文獻 ［7］及本文第二節的分析，選擇燈管點亮后穩定運行時的半橋開關頻率為50.5K，LRES=1.62mH，C2=100nF，CRES=10nF。

當給半橋逆變器設置某個頻率時，串聯諧振電路的等效阻抗Zph保持恒定，因為燈絲電阻Rf相對于來說是很小的。因此，在某個半橋逆變器的頻率下，流過燈絲的電流是恒定的。

研究燈絲預熱階段的情況，半橋預熱頻率要小心選擇，免得引起燈在預熱時提前點火。圖2中的預熱階段串聯諧振電路的諧振頻率為

代入值可得到fres=41.5KHz。如果鎮流器設置的半橋預熱頻率接近諧振頻率時，則預熱時會在燈上得到很高的電壓;預熱頻率設置偏離諧振頻率遠些，預熱時燈上電壓會較低，免得引起預熱沒有完成就燈管立即點火。采取的方法是設置半橋預熱頻率高于諧振頻率一定值，根據實驗和仿真結果以及燈管特性，實驗時半橋頻率設置在55KHz以上。

采用數字示波器來測試燈絲上的電壓降和電流大小。通過示波器測得的波形，對各個不同的預熱電流值計算燈絲不同時間點電阻值Rh。這樣可以得到各個不同的預熱電流值下的不同時間點的熱電阻Rh與冷電阻Rc的比值Rhc，其中當時間為0s時，Rhc=1，代表Rhc的初始值。

可以使用軟件擬合出Rhc的關于時間的函數，得到Rhc在不同的預熱電流下的線性擬合圖4。如圖4所示，Rhc可以表示為

其中半橋預熱頻率、預熱電流與r的關系如表1所示。

圖4 不同電流值下的Rhc的圖形

表1 半橋頻率、預熱電流與r值

因為系數r依賴于燈絲預熱電流，所以 (6)式可以表示為)

從圖4上可以看到不同的預熱電流值iph(rms)對應著不同的系數r值，選用指數函數擬合，如圖5所示。得到

圖5 不同預熱電流對應的r值

3.2 在預熱電路中使用Verilog-A模型仿真驗證熒光燈預熱模型

按圖2所示，寫出電路相應的Verilog-A的代碼，其中燈絲熱電阻可以表示為Rc，上下半橋是幅度為400V、死區時間為2微秒的某個頻率的方波，如采用58KHz的方波仿真，得到瞬時仿真電壓電流波形如圖6。此時電流平均有效值為632.9mA，而在1s時燈絲電阻上的電壓有效值為10.81V，計算得到此時的Rhc值為6.69，與實測誤差在5%以內。其他點的數據誤差經計算也在5%以內。

圖6 半橋頻率58KHz時，仿真得到的燈絲電阻上電流和電壓波形

3.3 預熱模型的實驗驗證

當芯片的預熱頻率設置為60.7KHz時，按 (5)式，預熱電流為546.49mA。如果設置預熱時間為1秒，按公式 (9)，得到 Rhc值為4.9，在正常范圍以內。

電子鎮流器按照上述數據設置預熱頻率、預熱時間后，再通過示波器探測。得到的預熱電流和Rhc的結果與上述數據誤差在5%以內，符合要求，證明了該預熱模型的正確性，也可看出鎮流器設計顯得更方便。

4 實際設計中燈管新舊變化對參數的要求

第3節是對Rc等于2.5846Ω的舊燈管的分析，燈管大約已經開關了15000次左右。同樣得到36W的T8新熒光燈的分析結果，此時新燈管Rc為2.3694Ω。別的參數不變，就是由舊燈管換成新燈管，得到數據，并用軟件擬合得到如圖7所示圖形，各個預熱電流值與對應的r值用圖8所示的指數函數擬合，得到r()，表達式仍然為式 (8)，預熱階段Rhc的表達式仍然為式 (9)，只是r1與r2的值發生了變化，［A］。

圖7 新燈管在不同電流值下的Rhc圖形

要注意的是，新舊燈管在式 (9)中對應的r1與r2值不同。主要是因為舊燈管比新燈管燈絲冷電阻值有所增大，所以在同樣的預熱電流和預熱時間下，舊燈管得到的溫升更大。

圖8 新燈管不同預熱電流對應的r值

預熱過程持續時間大于0.5秒，大多數應用設置為0.5秒到1.5秒之間。當設置預熱時間為1秒時，對于新舊燈管達到合適預熱溫度要求的預熱電流iph(rms)范圍分別為570.2mA～725.1mA，506.2mA～613.9mA。那么為了適應燈管在由新變舊的使用過程中，燈管始終處于合適的預熱溫度下，可以選擇預熱電流iph(rms)范圍為570.2mA～613.9mA。

5 結論

本文分析了熒光燈管的預熱，提出基于Verilog-A的熒光燈管預熱模型，得到熒光燈預熱時的方程(9)，并通過Verilog-A仿真驗證和實驗驗證。該方程可以作為帶有預熱功能的電子鎮流器設計的重要參考，給熒光燈設計合適的預熱工作狀態。由于該方法的精確性，使得在電子鎮流器的設計過程中不必進行繁瑣的調整，減少了時間和花費。

另外研究了燈管由新變舊后的變化而引起預熱階段的變化，并給出了試驗結果圖形和數據分析。通過合理設置參數，可以讓燈管適應這種變化，從而使得燈管的使用壽命到達最大化。

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