金鹵燈電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)

編者按：以節(jié)能為主的現(xiàn)代照明中，金鹵燈以其優(yōu)良的照明效果，較高的顯色指數(shù)在商業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，目前由于電子產(chǎn)品的不穩(wěn)定性和制造工藝的制約，使該系列產(chǎn)品并未得到較為廣泛的應(yīng)用。本文是針對(duì)目前各廠碰到的一些電路結(jié)構(gòu)的分析，并結(jié)合本人在電路設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)所得出的一些心得體會(huì)。

　　一.金鹵燈的燈管
 
　　金鹵燈作為高強(qiáng)度氣體放電燈的一種，它包含了高壓氣體放電燈的一些典型特性，以民用 70w單雙端燈泡為例：不同廠家或相同廠家的制造工藝，均有可能使燈泡的電氣參數(shù)出現(xiàn)離散。主要體現(xiàn)為管壓、管流以及金鹵丸的微量元素的差別，和色溫的誤差，其中以燈管管壓和管電流尤為明顯。

　　二． 恒功率，用一個(gè)電子鎮(zhèn)流器 , 點(diǎn)不同的燈泡會(huì)出現(xiàn)不同的功率。

　　如用不同廠家的燈泡有可能會(huì)出現(xiàn)更大的參數(shù)差別。所以對(duì)于電子式金鹵燈鎮(zhèn)流器，有恒功率的要求，即同一電子鎮(zhèn)流器點(diǎn)不同廠家的燈泡會(huì)得到同一輸入功率。例如點(diǎn)不同70w 金鹵燈為輸出70w，點(diǎn)150w 負(fù)載燈泡時(shí)的輸出也為70w。鎮(zhèn)流器不會(huì)因?yàn)闊襞莸牟顒e而影響輸出功率，所以這個(gè)功能對(duì)于電子鎮(zhèn)流器優(yōu)為重要，這個(gè)功能可使不同的燈管在同一功率下能穩(wěn)定地工作。（能均恒在多支燈同時(shí)使用的場(chǎng)合產(chǎn)生的光線誤差并有效減少了該誤差的存在——恒功率）。
　　三. 寬電壓的輸入。

　　電路結(jié)構(gòu)中的前端APFC 電路,它的應(yīng)用除可以修正輸入電壓與電流的波形相位，還可以使輸出的直流電壓穩(wěn)定在 直流400V，即輸入100v～260v 交流變化時(shí)，電路的輸出均為400v 直流，同時(shí)功率因素修整為0.99 以上，對(duì)于群體使用的TH D 的控制更具優(yōu)勢(shì)，平均可控制電流總諧波含量在8%，如電路調(diào)試良好可控在3%以內(nèi)。APFC 分為DCM 和CCM 二種，DCM 為峰指電流型即通用常見(jiàn)的STL6561，SA7527 ,MC33262.。 CCM 型 IR1150 等。

　　DCM 大部分用于450w 以內(nèi)的電路結(jié)構(gòu)，由于DCM 是頻率與脈寬均可調(diào)，電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，而且應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)為在空載啟動(dòng)時(shí)，上沖電壓較高，原則上輸出電壓會(huì)停留在400v，這個(gè)電壓是由1 腳的電阻分壓采樣決定的，1 腳基準(zhǔn)電壓為2.5v，如電阻分壓超過(guò)2.5v 芯片的輸入會(huì)控制輸出PWM 波形寬度會(huì)減小，會(huì)使電感的儲(chǔ)能減少，從而減少輸出能量，降低輸出電壓。

　　腳為 1腳基準(zhǔn)的信號(hào)補(bǔ)償端，接上去耦電容，可使主電路電壓采樣的沖擊減小，3腳為輸入相位檢測(cè)輸入端，4腳為過(guò)流保護(hù)端輸入 1V有效，5腳為零電流采樣端，6腳接地，7腳為信號(hào)輸出端，8腳為 Vcc正極。

　　1. 這個(gè)部分的主要可靠性是來(lái)自于主電路的啟動(dòng)沖擊電流以及MOS的導(dǎo)通角，如果采樣電流過(guò)低，4 腳采樣反饋不及時(shí)，會(huì)導(dǎo)致MOS 導(dǎo)通電流過(guò)大，以致電路失效。
 
　　2. 輸出的電壓過(guò)高（啟動(dòng)時(shí)），1 腳與2 腳去耦參數(shù)不匹配，空載電壓會(huì)上沖到450-500V 以上,導(dǎo)MOS 的耐壓超標(biāo)導(dǎo)致電路崩潰。
 
　　3.在低電壓時(shí)，MOS 的升壓電流更大（PWM 輸出導(dǎo)通較寬）MOS 溫升較高。這時(shí)可將電壓范圍設(shè)定為接近值，例如：120v～260v 時(shí)同等負(fù)載測(cè)試時(shí)，可將電感的感量及匝數(shù)，按照260v 時(shí)的輸入值，設(shè)定并最大可能減少次級(jí)匝數(shù)。在120v 時(shí)可將輸入最低電壓設(shè)定為110v最大限度增加電感感量，使母線在110v 滿載時(shí)輸出達(dá)到額定的400v。在260v 時(shí)設(shè)定次級(jí)是由于輸入電壓升高，輸入電流減小會(huì)使次級(jí)電壓下降，5 腳電流采樣失效，使芯片進(jìn)入重新啟動(dòng)（誤以為空載）母線不斷脈動(dòng)的重新啟動(dòng)。110V 調(diào)試時(shí)感量大，可減少因輸入電壓低而導(dǎo)致的PWM 頻率太高，帶來(lái)的MOS 開(kāi)關(guān)損耗，感量大時(shí)亦可有效減少峰值電流的值。另一減少M(fèi)OS 溫升的方式是并聯(lián)一路吸收網(wǎng)絡(luò)。電阻并聯(lián)高速二極管后在串聯(lián)一只電容可使MOS 開(kāi)關(guān)時(shí)的尖峰反向電壓得到有效吸收。（小功率無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)）。
 
　　4. 在 110v時(shí)為加大感量后，可以加大電流采樣電阻，例：在調(diào)試 70w負(fù)載，110v時(shí)可接 80W負(fù)載試驗(yàn),并適當(dāng)最大化這一值，以保證在低壓可有效預(yù)防啟動(dòng)時(shí)沖擊電流過(guò)大（電流反饋速度更快）。
 
　　5. 器件的選擇上有幾點(diǎn)需要注意：
 
　?、?電容： 要選取一些對(duì)于高頻損耗較小，耐高溫，容量誤差較小的電容。例如：去耦電容的容量誤差及隨溫度變化量的大小會(huì)決定啟動(dòng)和輸出電壓的精度。（華容及法拉，較為穩(wěn)定，以經(jīng)長(zhǎng)期驗(yàn)證）。
 
　?、?電阻 ：分壓采樣的這個(gè)精度決定母線電壓，所以要選取1%精度的金屬膜電阻，電流采樣最好采用無(wú)感（小功率無(wú)特殊要求）。
 
　?、?二極管 ：原則上開(kāi)關(guān)時(shí)間越小的二極管損耗越小，但在實(shí)際使用時(shí)未能發(fā)現(xiàn)這一趨勢(shì)，（日本新電源在大功率120v 250w 以上有明顯優(yōu)勢(shì)）。
以上是器件選擇的幾點(diǎn)心得。
　　四、降壓式限流：
　　Buck 電路在降壓電路中有著廣泛的應(yīng)用，是通過(guò)限流來(lái)降低輸出的電壓，電路比較成熟，有較多成功案例。但是，Buck 比較適應(yīng)峰值電流小而平均電流較大的場(chǎng)合。對(duì)于HID 燈來(lái)說(shuō)有不少的缺點(diǎn)，曾經(jīng)有過(guò)的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)得出結(jié)果為100w 以下的HID 比較合適。150w 以上不能接受，溫升太高而且越是管壓低管流大的燈負(fù)載越是明顯。
　　Buck 電路目前絕大部分廠家是使用電源芯片UC3843-UC3845 這類(lèi)。加運(yùn)放實(shí)現(xiàn)恒電流輸出，在加上母線電壓400v 恒定，即實(shí)現(xiàn)恒定輸入功率。
　　但由于UC3843 芯片為固定頻率調(diào)節(jié)占空比的IC，最大占空比為50%，即如果是負(fù)載差別較大時(shí)，會(huì)從20%～50%之間去調(diào)節(jié)占空比來(lái)調(diào)節(jié)MOS 的開(kāi)關(guān)時(shí)間，減少M(fèi)OS 導(dǎo)通時(shí)間，在經(jīng)L，C 平滑濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)負(fù)載電壓這一方式。那么如果是100w 負(fù)載時(shí)，50%的導(dǎo)通和25%的導(dǎo)通，25%的導(dǎo)通峰值電流會(huì)是50%的一倍，負(fù)載調(diào)整率越高越會(huì)使效率越低，溫升越高，其可靠性就越差。如圖：
   

　　原理：
　　UC3843 為電源專(zhuān)用芯片各腳工作原理如下：
　　8 腳 REF 5V 基準(zhǔn)電壓
　　7 腳 VCC
　　6 腳 PWM 輸出
　　5 腳 接地
　　4 腳 Rt.ct.振蕩且信號(hào)輸入
　　3 腳 內(nèi)部運(yùn)放輸入
　　2 腳 補(bǔ)償
　　1 腳 過(guò)流保護(hù) 1V 有效
 
　　建議：做中大功率時(shí)采用其它功率調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，做50%占空比（固定）通過(guò)PFM 式調(diào)節(jié)輸出電流或者雙管正激式，這樣在做中大功率時(shí)效果會(huì)更好。
 
　　雙管正激式在大功率電源以及電子逆變焊機(jī)領(lǐng)域有著較多成功應(yīng)用。值得借鑒其調(diào)整方式安全可靠，輸出電壓會(huì)更低，特別是大電流可靠性對(duì)于大功率金鹵燈的低頻驅(qū)動(dòng)有著明顯優(yōu)勢(shì)。在BUCK 電路各調(diào)節(jié)中，原則上頻率越高時(shí)，峰值電流越小，但開(kāi)關(guān)損耗越大，所以建議頻率在30KH 左右，另電流輸入中的采樣電阻盡可能大些，太小在燈負(fù)載變化大時(shí)，會(huì)采樣失敗，功率失控，以致炸機(jī)。
　　L 的選擇在降壓式電路中的電感是儲(chǔ)能及平滑波形的作用，所以對(duì)磁材可以用鐵氧體磁芯和非晶磁環(huán)均可，感量可適當(dāng)加大。感量加大可使MOS 的開(kāi)關(guān)波形中的余振更小，更有利于MOS 的工作可減小MOS 的反向承受電壓，（示波器可以測(cè)試MOS 的源漏極）。器件選擇如上：（PFC 電路中的選取原則）

　　五、全橋輸出：
　　目前應(yīng)用較為廣泛為IR2110-IR2153，L6569+6569，UBA2030～UBA2033。在HID 全橋中以半橋的高壓吸收以及芯片排版等處理較為重要。例：在2153+2153.6569+6569 的主電路中，上管的自舉電壓中輸出信號(hào)的處理有幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：
　　1. 上管的供電電壓是由芯片Vcc 處12v 經(jīng)外部二極管或內(nèi)部二極管在下管導(dǎo)通時(shí)中線接地后，向VB 端充電。下管截上后，上管導(dǎo)通時(shí)，中線由對(duì)地OV 上拉到接近400v。此時(shí)，VB 端在中線上加11V（二極管減0.7v 后到電容上只有11v 左右）上管的驅(qū)動(dòng)能量均由此電容的充電電流驅(qū)動(dòng)，所以，電容的電壓決定上管工作狀態(tài)，如：容量較小在全橋驅(qū)動(dòng)中，由于頻率較低向電容的充電次數(shù)沒(méi)有高頻中的次數(shù)多，所以需相應(yīng)加大此處電容容量以保證上管的驅(qū)動(dòng)電壓，在向上管輸出1 時(shí)，在1 的后端電壓最好能高過(guò)9v。否則上管的MOS 開(kāi)關(guān)波形將會(huì)受損，開(kāi)關(guān)損耗加大，易損壞?？蓪⑿酒腣cc 提到15v可改善此項(xiàng)，但也要根據(jù)不同MOS 調(diào)試，結(jié)果不同。
　　2. 盡可能做到芯片的單點(diǎn)接功率管的地，此項(xiàng)對(duì)在驅(qū)動(dòng)MOS 的芯片輸出波形上較為重要，以減小外界對(duì)芯片工作時(shí)的干擾，Vb 電容，RT.CT 布線要短，Vcc 濾波電容要盡可能靠近1 和4 腳。
　　3. 在中線上接一只二極管并于VB 電容端正端以防半橋中線振蕩時(shí)帶來(lái)的正向尖脈沖會(huì)損壞芯片懸浮地VSS，也就是電路啟動(dòng)或者正常工作時(shí)（特別是在燈泡未進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的過(guò)程中）輸出波形抖動(dòng)對(duì)半橋的正向尖脈沖易損壞芯片。
　　4. UBA2030-2033，這是飛利浦針對(duì)全橋驅(qū)動(dòng)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)的芯片有HV自供電功能比較先進(jìn)和簡(jiǎn)單的電路驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。由HV 降壓濾波電容，RT.CT.VB 電容即可工作。如用簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)，顯然，UBA2030 的絕大部分優(yōu)勢(shì)并未顯現(xiàn)。如減小低頻方波對(duì)于鎮(zhèn)流器以及電源沖擊，以及噪聲的處理，可用單片機(jī)生成PWM 波對(duì)UBA2030，以及全橋IR2110-+2153 實(shí)現(xiàn)接近正弦波的處理，即生成在純方波之前和之后加一高速PWM 的小方波，以平滑全橋方波的前極和后極形成過(guò)渡電壓波形即可，出現(xiàn)接近正弦波可有效減小，純方波帶來(lái)的低頻噪音及對(duì)鎮(zhèn)流器周邊輻射。
　　5. 全橋MOS 中二個(gè)半橋?qū)Φ仉娙菀约岸O管對(duì)尖峰吸收作用根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，不要太過(guò)依賴(lài)MOS 中的自代的二極管，要加強(qiáng)全橋中的Lc 吸收。
　　6. 高壓點(diǎn)火路線由于后極母線電壓會(huì)隨燈的擊穿而降至燈電壓，所以原則只要選擇的放電管的雪崩值高于燈管電壓而低于母線空載電壓即可。一般選取230v～350v 之間，有半導(dǎo)體DISC，空氣放電式，陶瓷放電式，可控硅觸發(fā)式，自耦式等多種結(jié)構(gòu)。目前以半導(dǎo)體式和自耦式居多。汽車(chē)的HID 以陶瓷放電為主。
　?、?半導(dǎo)體式 放電次數(shù)較多，壽命較長(zhǎng)。但放電能力有限，峰值電流不大,電壓精度較好。
　?、?空氣放電 式受空氣的濕度影響較大，對(duì)于放電電壓要求不高的高壓場(chǎng)合較為適用，可用于超高壓的快速啟動(dòng)的二級(jí)放電。
　?、?陶瓷管 來(lái)源于防雷管領(lǐng)域，優(yōu)點(diǎn)順態(tài)電流可上千A，壽命不長(zhǎng)，有效壽命在5 萬(wàn)-10 萬(wàn)次左右，（視不同廠家效果不同，最好的是西門(mén)子），壽命末期電壓值漂離較大。
　?、?可控硅式 早期由于DISC 的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的不成熟而做的替代電路，由DB3 的分壓決定可控硅的放電電壓，壽命較長(zhǎng)，但電流能量較小，開(kāi)關(guān)速度較慢，對(duì)于高壓鈉燈較為適用，對(duì)于金鹵燈對(duì)脈沖寬度有要求的場(chǎng)合不太適用，可改良結(jié)構(gòu)但成本較高放棄。
　?、?自耦式 將全橋的電線并聯(lián)一104-474 電容.在電容中串入變壓器的初級(jí),全橋振蕩時(shí),電容二端電壓突變充放電流流過(guò)變壓器初級(jí)時(shí),會(huì)在次級(jí)形成高壓輸出，升壓能力由 MOS 的內(nèi)阻以及電容的內(nèi)阻決定，電流大小由電容容量決定,但電容越大,充放電電流越大,對(duì)全橋造成的負(fù)擔(dān)越重,不利于長(zhǎng)期燈工作，越小容量放電電流越弱,對(duì)長(zhǎng)線點(diǎn)火不利,同一負(fù)載用自耦式104 和DISC 式全橋有10 度左右溫差。(150Hz 70w)