數字控制金鹵燈電子鎮流器樣機設計

卓書芳

（福建信息職業技術學院 福建 福州 350003）

金屬鹵化物氣體放電燈是高強度氣體放電燈的一種，因其發光效率高、顯色性好、壽命長等優良電光源性能，已成為照明領域中極具競爭力的電光源。針對金鹵燈復雜的啟動及穩態運行過程，傳統的模擬控制器因其硬件電路復雜，控制不靈活[1]，為此提出采用數字控制的方法來滿足金鹵燈的運行要求。由于金鹵燈在高頻下工作容易產生聲諧振現象，使燈電弧不穩定，燈光閃爍，甚至熄滅，嚴重時會損壞放電管，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象，并采用數字控制方法，實現鎮流器與燈的不同階段的不同負載特性相匹配[2]。

1 電路組成

整個電路的系統結構如圖1所示，主要由以下5個部分組成：PFC級為功率因數校正，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級進行功率處理，其電路采用ZVRT BUCK電路；DC/AC級采用全橋驅動實現直流變為交流，其MOS管的驅動由單片機的I/O口輸出固定占空比為50%的低頻方波來實現；觸發器用來產生高壓啟動HID燈；數字控制器用來實現電壓，電流和功率控制以及異常狀態保護。

圖1 數字控制金鹵燈電子鎮流器電路框圖Fig.1 Metal halide lamp electronic ballast circuit diagram of digital control

2 樣機設計

2.1 PFC電路設計

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

2.1.1 PFC電路選用的拓撲形式及工作原理

對于高品質的電子鎮流器，在其全橋整流器與大容量的濾波電解電容之間，要設置一級有源功率因數補償電路，將網側功率因數提高到0.95以上。

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

APFC電路拓撲如圖2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，每一開關周期開始時MOS管導通，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，當電感電流檢測值等于電感電流參考值時，MOS管關斷，電感電流減少，當電感電流降為零時，MOS管導通，如此周而復始。電感電流的參考信號由系統輸出電壓檢測值與給定值相減，再經由PI調節器，然后將PI調節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 主要參數設計

1）電感設計

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電路設計

本文采用的DC/DC ZVRT BUCK電路結構如圖5所示。

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

2.2.1 BUCK電路電感設計

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

其中ΔIL為電感的紋波電流值，在主管開通期間有，

可推導得：

可得保持電流連續模式的最小電感為：

在穩態下求得臨界電感量為L=2．09 mH，由于DC/DC級采用ZVRT BUCK電路，電路工作在斷續狀態，則電感值要小于臨界電感值，選取適當的電感值，讓電感與開關并聯的電容發生諧振，當開關管兩端電壓降為零時開關實現零電壓零電流開通。

2.2.2 BUCK電路輸出電容設計

在臨界情況下，假定在一個開關周期內燈電流I0不變，則當電感電流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為開關周期，（T1，T2）為一個開關周期內電容充電時間，對于電感電流臨界工作模式電容充電的電量產生電壓紋波Δu0可用下式表示：

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

2.3 數字控制器硬件設計

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動的8個管腳的單片式集成驅動器。該驅動器將輸入邏輯信號轉換成互補的兩個低阻輸出驅動信號，高端輸出與輸入同相位的驅動信號，低端輸出與輸入反相位的驅動信號，高低端互相隔離，死區時間為幾百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控制的結果，通過IR2105輸出互補的兩路波形驅動BUCK電路的主管和輔助管。由于IR2105芯片內部具有一定的死區時間和隔離電路，使其輸出的驅動波形可以直接驅動BUCK電路的上下兩個MOS管，從而簡化了BUCK電路的驅動電路，解決了BUCK電路驅動難的問題，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級電壓采樣電路設計

因為DC/AC級僅實現直流電變為交流電，因此可取DC/DC輸出電壓作為燈電壓采樣信號?？紤]到DC/DC輸出的最大電壓為400 V，對應的單片機采樣端能表示的最大電壓值為5 V，所以設計采樣電路時，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到2 A，所以把2 A設為最大電流值，而單片機AD采樣口能表示的最大電壓值為5 V，當燈上的電流為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的電流采樣口，以1 V作為其采樣到的最大電流值，則在穩態情況下，采樣的電流值相對比較小時，單片機表示的精度就會相應的變小，沒有充分利用單片機口能表示的最大電壓值，因此將最大電流值2 A對應單片機采樣口能表示的最大電壓值5 V，為此必須利用運放將采樣到的電壓值進行放大后再送到單片機的電流采樣口，并采用反相器接法。運放采用LM358N，可采用單電源供電，VCC的范圍很寬，從3VDC～30VDC，放大倍數最大為100。

2.3.5 DC/AC電路設計

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為交流，使燈工作在低頻方波，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象，其低頻驅動方波由I/O口產生，通過IR2105產生互補的兩路驅動波形去驅動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動電路連接圖，另一個橋臂的驅動電路與之類似。

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

2.4 抗干擾設計

電磁干擾是指電磁騷擾引起的設備、傳輸通道或系統性能的下降，對于這種現象，硬件上主要從以下幾個方面來實現抗干擾：減小電源線阻抗引起的干擾；接地；合理設計PCB板；瞬態噪聲抑制。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 實驗結果分析

基于上述電路拓撲分析和參數設計，研制了一種電子鎮流器樣機：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生。圖8為輸出功率與輸出電壓值的關系曲線圖，從圖中可以看出，當輸出電壓在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生。

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

4 結束語

文中具體分析了數字控制金鹵燈電子鎮流器三級電路結構的主電路及控制電路模型、組成、參數計算選擇、設計，并研制了一臺高功率因數、低頻方波輸出的數字控制金鹵燈電子鎮流器樣機。通過對實驗結果分析，驗證了所提出的數字控制方案是可行的，并采用低頻方波電流驅動，能有效避免金鹵燈的聲諧振現象。

圖9 穩態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）

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