數(shù)字控制金鹵燈電子鎮(zhèn)流器樣機(jī)設(shè)計

卓書芳

（福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建 福州 350003）

金屬鹵化物氣體放電燈是高強(qiáng)度氣體放電燈的一種，因其發(fā)光效率高、顯色性好、壽命長等優(yōu)良電光源性能，已成為照明領(lǐng)域中極具競爭力的電光源。針對金鹵燈復(fù)雜的啟動及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程，傳統(tǒng)的模擬控制器因其硬件電路復(fù)雜，控制不靈活[1]，為此提出采用數(shù)字控制的方法來滿足金鹵燈的運(yùn)行要求。由于金鹵燈在高頻下工作容易產(chǎn)生聲諧振現(xiàn)象，使燈電弧不穩(wěn)定，燈光閃爍，甚至熄滅，嚴(yán)重時會損壞放電管，大大損害燈的壽命。本文采用低頻方波工作方式，由三級電路組成，即PFC級+DC/DC級+低頻全橋DC/AC級，能避免金鹵燈的聲諧振現(xiàn)象，并采用數(shù)字控制方法，實現(xiàn)鎮(zhèn)流器與燈的不同階段的不同負(fù)載特性相匹配[2]。

1 電路組成

整個電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由以下5個部分組成：PFC級為功率因數(shù)校正，采用升壓型BOOST DC/DC變換器，其輸出電壓作為DC/DC級的輸入電壓；DC/DC級進(jìn)行功率處理，其電路采用ZVRT BUCK電路；DC/AC級采用全橋驅(qū)動實現(xiàn)直流變?yōu)榻涣鳎銶OS管的驅(qū)動由單片機(jī)的I/O口輸出固定占空比為50%的低頻方波來實現(xiàn)；觸發(fā)器用來產(chǎn)生高壓啟動HID燈；數(shù)字控制器用來實現(xiàn)電壓，電流和功率控制以及異常狀態(tài)保護(hù)。

圖1 數(shù)字控制金鹵燈電子鎮(zhèn)流器電路框圖Fig.1 Metal halide lamp electronic ballast circuit diagram of digital control

2 樣機(jī)設(shè)計

2.1 PFC電路設(shè)計

PFC級為功率因數(shù)校正，用來減少輸入電流的諧波，提高功率因數(shù)，減少對電網(wǎng)的污染，同時還給DC/DC級提供穩(wěn)定的輸入電壓，使DC/DC級輸出的電壓不受電網(wǎng)電壓變化的影響，使燈能在較大的電網(wǎng)電壓變化范圍內(nèi)正常啟動和穩(wěn)定工作，其輸出電壓根據(jù)電網(wǎng)最大輸出電壓而定，一般為400 V。

2.1.1 PFC電路選用的拓?fù)湫问郊肮ぷ髟?/p>

對于高品質(zhì)的電子鎮(zhèn)流器，在其全橋整流器與大容量的濾波電解電容之間，要設(shè)置一級有源功率因數(shù)補(bǔ)償電路，將網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)提高到0.95以上。

本文APFC（有源功率因數(shù)校正）電路采用單相Boost電路，控制芯片采用L6561。L6561為一電流準(zhǔn)連續(xù)模式的APFC控制芯片，即電感電流處于連續(xù)模式與斷續(xù)模式的臨界點[3]。

APFC電路拓?fù)淙鐖D2所示，電流控制波形如圖3所示，電路工作原理如下：首先控制芯片生成一電感電流的參考信號，每一開關(guān)周期開始時MOS管導(dǎo)通，電感電流線性增加，然后將電感電流的檢測信號與參考信號相比，當(dāng)電感電流檢測值等于電感電流參考值時，MOS管關(guān)斷，電感電流減少，當(dāng)電感電流降為零時，MOS管導(dǎo)通，如此周而復(fù)始。電感電流的參考信號由系統(tǒng)輸出電壓檢測值與給定值相減，再經(jīng)由PI調(diào)節(jié)器，然后將PI調(diào)節(jié)器的輸出與整流橋后端的Boost電路輸入電壓相乘得到。

圖2 基于L6561的APFC電路圖Fig．2 APFC circuit diagram based on L6561

圖3 零電流開關(guān)變換器輸出電感電流Fig．3 The output inductor current of zero current switching converter

2.1.2 主要參數(shù)設(shè)計

1）電感設(shè)計

為了使輸出電壓紋波較小，輸出電容取1μ/450 V。

2.1.3 實驗結(jié)果

輸入電壓范圍：AC180V～265V；輸入電壓：AC220 V；輸出功率：35 W；輸出電壓：直流 400 V；開關(guān)頻率：50k；效率：大于0．95。圖4為PFC輸入電壓電流和輸出電壓紋波實驗波形。從圖上可以看出輸入電流波形跟隨輸入電壓波形變化，與理論分析一致。

圖4 PFC輸入電壓電流及輸出電壓紋波（輸入電壓100V/格，輸入電流 0．2A/格，輸出電壓紋波 1V/格）Fig．4 The PFC input voltage current and output voltage ripple（input voltage 100V/grid，input current 0．2A/grid， output voltage ripple 1V/grid）

2.2ZVRT BUCK電路設(shè)計

本文采用的DC/DC ZVRT BUCK電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 DC/DC ZVRT BUCK電路Fig．5 DC/DC ZVRT BUCK circuit

2.2.1 BUCK電路電感設(shè)計

由于采用ZVRT BUCK電路，則要求電路工作在DCM（斷續(xù)）模式。設(shè)計電感時，以臨界狀態(tài)來設(shè)計電感值。設(shè)I0為BUCK輸出負(fù)載電流的平均值，則有

其中ΔIL為電感的紋波電流值，在主管開通期間有，

可推導(dǎo)得：

可得保持電流連續(xù)模式的最小電感為：

在穩(wěn)態(tài)下求得臨界電感量為L=2．09 mH，由于DC/DC級采用ZVRT BUCK電路，電路工作在斷續(xù)狀態(tài)，則電感值要小于臨界電感值，選取適當(dāng)?shù)碾姼兄?，讓電感與開關(guān)并聯(lián)的電容發(fā)生諧振，當(dāng)開關(guān)管兩端電壓降為零時開關(guān)實現(xiàn)零電壓零電流開通。

2.2.2 BUCK電路輸出電容設(shè)計

在臨界情況下，假定在一個開關(guān)周期內(nèi)燈電流I0不變，則當(dāng)電感電流IL0大于I0時，濾波電容C0充電，充電電流為ic0=iL0－I0，充電電量為：

式中Ts為開關(guān)周期，（T1，T2）為一個開關(guān)周期內(nèi)電容充電時間，對于電感電流臨界工作模式電容充電的電量產(chǎn)生電壓紋波Δu0可用下式表示：

當(dāng) L0=2．09 mH 時，求得電容 C0≥0．57μF，當(dāng)電感電流斷續(xù)時，為保證電流紋波比較小，則電容值要取大于臨界狀態(tài)下的電容值。

2.3 數(shù)字控制器硬件設(shè)計

2.3.1 IR2105簡介

IR2105是IR公司推出的一種雙通道輸出，高壓、高速功率器件柵極驅(qū)動的8個管腳的單片式集成驅(qū)動器。該驅(qū)動器將輸入邏輯信號轉(zhuǎn)換成互補(bǔ)的兩個低阻輸出驅(qū)動信號，高端輸出與輸入同相位的驅(qū)動信號，低端輸出與輸入反相位的驅(qū)動信號，高低端互相隔離，死區(qū)時間為幾百nS，其邏輯輸入與LSTTL和CMOS電路相兼容。

2.3.2 DC/DC級控制電路設(shè)計

DC/DC級的控制電路如圖6所示，RA0和RA1為電壓電流采樣口，RC4、RC5輸出低頻方波驅(qū)動全橋逆變電路，CCP1為PWM輸出口，以一定的方式輸出PID控制的結(jié)果，通過IR2105輸出互補(bǔ)的兩路波形驅(qū)動BUCK電路的主管和輔助管。由于IR2105芯片內(nèi)部具有一定的死區(qū)時間和隔離電路，使其輸出的驅(qū)動波形可以直接驅(qū)動BUCK電路的上下兩個MOS管，從而簡化了BUCK電路的驅(qū)動電路，解決了BUCK電路驅(qū)動難的問題，簡單又方便。

圖6 DC/DC級控制電路Fig．6 DC/DC control circuit

2.3.3 DC/DC級電壓采樣電路設(shè)計

因為DC/AC級僅實現(xiàn)直流電變?yōu)榻涣麟姡虼丝扇C/DC輸出電壓作為燈電壓采樣信號。考慮到DC/DC輸出的最大電壓為400 V，對應(yīng)的單片機(jī)采樣端能表示的最大電壓值為5 V，所以設(shè)計采樣電路時，采用低通濾波后的電阻分壓電路方式[4]。

2.3.4 DC/DC級電流采樣電路設(shè)計

為了減少采樣電阻上的損耗，電阻取0．5。由于燈在啟動過程中，燈兩端的最大電流值可能達(dá)到2 A，所以把2 A設(shè)為最大電流值，而單片機(jī)AD采樣口能表示的最大電壓值為5 V，當(dāng)燈上的電流為2 A時，由于采樣電阻為，則采樣得到的電壓值為1 V，如果直接把采樣到的電壓值送到單片機(jī)的電流采樣口，以1 V作為其采樣到的最大電流值，則在穩(wěn)態(tài)情況下，采樣的電流值相對比較小時，單片機(jī)表示的精度就會相應(yīng)的變小，沒有充分利用單片機(jī)口能表示的最大電壓值，因此將最大電流值2 A對應(yīng)單片機(jī)采樣口能表示的最大電壓值5 V，為此必須利用運(yùn)放將采樣到的電壓值進(jìn)行放大后再送到單片機(jī)的電流采樣口，并采用反相器接法。運(yùn)放采用LM358N，可采用單電源供電，VCC的范圍很寬，從3VDC～30VDC，放大倍數(shù)最大為100。

2.3.5 DC/AC電路設(shè)計

DC/AC級主電路采用全橋逆變器，把DC/DC級輸出的直流電壓變?yōu)榻涣鳎篃艄ぷ髟诘皖l方波，有效防止燈管的極化，有利于燈的正常工作，且可有效避免金鹵燈的聲諧振現(xiàn)象，其低頻驅(qū)動方波由I/O口產(chǎn)生，通過IR2105產(chǎn)生互補(bǔ)的兩路驅(qū)動波形去驅(qū)動MOS管。其中IR2105與DC/AC電路連接如圖7所示，圖中只畫出一個橋臂的驅(qū)動電路連接圖，另一個橋臂的驅(qū)動電路與之類似。

圖7 DC/AC逆變器及控制電路Fig.7 DC/AC internet and control circuit

2.4 抗干擾設(shè)計

電磁干擾是指電磁騷擾引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降，對于這種現(xiàn)象，硬件上主要從以下幾個方面來實現(xiàn)抗干擾：減小電源線阻抗引起的干擾；接地；合理設(shè)計PCB板；瞬態(tài)噪聲抑制。軟件抗干擾的方法有兩個：多次采樣求平均值抗干擾算法和閾值抗干擾算法。

3 實驗結(jié)果分析

基于上述電路拓?fù)浞治龊蛥?shù)設(shè)計，研制了一種電子鎮(zhèn)流器樣機(jī)：PFC級輸出400 V，DC/DC級工作頻率為39 kHz，輸出功率P0=35 W，燈電壓為U0=85 V，PIC16F873單片機(jī)AD采樣為10位，PWM輸出的精度為9位[6]，低頻方波頻率為222 Hz，即燈兩端的電壓電流為低頻方波[7]，可有效消除聲共振的發(fā)生。圖8為輸出功率與輸出電壓值的關(guān)系曲線圖，從圖中可以看出，當(dāng)輸出電壓在65 V和110 V之間變化時，輸出功率基本保持不變。圖9為燈兩端的電壓電流波形，為低頻方波，可有效消除聲共振的發(fā)生。

圖8 不同負(fù)載下輸出電壓與功率曲線Fig.8 The output voltage and power curve of different load

4 結(jié)束語

文中具體分析了數(shù)字控制金鹵燈電子鎮(zhèn)流器三級電路結(jié)構(gòu)的主電路及控制電路模型、組成、參數(shù)計算選擇、設(shè)計，并研制了一臺高功率因數(shù)、低頻方波輸出的數(shù)字控制金鹵燈電子鎮(zhèn)流器樣機(jī)。通過對實驗結(jié)果分析，驗證了所提出的數(shù)字控制方案是可行的，并采用低頻方波電流驅(qū)動，能有效避免金鹵燈的聲諧振現(xiàn)象。

圖9 穩(wěn)態(tài)時燈電壓燈電流波形（電壓50 V/格，電流1 A/格）Fig.9 Lamp's voltage current waveform of steady state（voltage 50 V/grid，current 1 A/grid）

[1]毛興武，祝大衛(wèi).電子鎮(zhèn)流器原理與制作[M].北京：人民郵電出版社，1999.

[2]林國慶，陳大華，陳和平，等.低頻方波輸出的單極軟開關(guān)DC/AC變換器的研究[J].電工電能新技術(shù)，2003，22（3）:69-72.LIN Guo-qing，CHEN Da-hua，CHEN He-ping，et al.Investigation of single-stage soft-switched DC/AC converter with low-frequency square-wave output[J].advanced Technology of Electrical Engineering and Energy，2003，22（3）:69-72.

[3]王志鵬，陶生桂，湯春華.基于L6561的電流準(zhǔn)連續(xù)模式APFC電源設(shè)計[J].通信電源設(shè)計，2004，21（4）:9-15.WANG Zhi-peng，TAO Sheng-gui，TANG Chun-hua.Design of APFC circuit operated in critical current mode based on L6561[J].Telecom Power Technologies，2004，21（4）:9-15.

[4]張明峰.PIC單片機(jī)入門與實戰(zhàn)[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2004.

[5]楊旭，裴云慶，王兆安.開關(guān)電源技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[6]Aleksandar Prodic，Dragan Maksimovic，Robert W.Erickson.Design and Implementation of a Digital PWM Controller for a High-Frequency Switching DC-DC Power Converter[C]//The 27th AnnualConference ofthe IEEE Industrial Electronic Society.

[7]王亮，王文策，程斌，等.基于Simulink的發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)整流單元的建模與仿真[J].陜西電力，2011（7）：25-28.WANG Liang,WANG Wen-ce,CHENG Bin,et al.Modeling&simulation of generator excitation system rectifier unit based on Simulink[J].Shaanxi Electric Power，2011（7）：25-28.