基于單片機的金鹵燈電子鎮(zhèn)流器研制

0 引 言
    隨著科技的迅猛發(fā)展，世界自然資源也以同樣的迅猛速度消耗著，節(jié)能已經(jīng)成為各國科研計劃中的重要項目。照明節(jié)能越來越引起人們的關注，并逐漸上升到保護資源和環(huán)境的高度。近年來，得益于電力電子學的發(fā)展，節(jié)能型電光源配套設備也得到了迅速發(fā)展。與傳統(tǒng)的電感鎮(zhèn)流器相比，電子鎮(zhèn)流器自身能耗大為降低，性能參數(shù)大大提高，體積和重量大大減小，使用壽命延長，并且改善了照明質量。
    金鹵燈作為一種新型節(jié)能高強度放電燈，其顯色性好，光色接近于太陽光，而且發(fā)光效率高，廣泛應用于廣場、碼頭、車間等室內外照明中。因此，與其配套的電子鎮(zhèn)流器也成為近幾年研究的熱點。降低金鹵燈及電子鎮(zhèn)流器的成本，縮小其體積則成為研究的關鍵。

1 硬件電路設計
1．1 金鹵燈電子鎮(zhèn)流器技術指標
    功率因數(shù)大于等95％；電流畸變系數(shù)小于等于10％；電流波峰系數(shù)小于等于1．7；使用壽命大于等于10 000 h；啟動時間小于等于1 min；有過壓、過流及異常狀態(tài)保護功能。
1．2 電子鎮(zhèn)流器的工作原理
    該電子鎮(zhèn)流器的基本結構框圖如圖1所示，它主要由整流及功率因數(shù)校正電路、恒功率控制電路、高頻逆變電路、點火電路及控制電路幾部分構成。該電路的輸入為50／60 Hz，220 V的工頻交流電，在電源接通而燈未點燃時，經(jīng)LC諧振電路諧振后能產(chǎn)生3 kV以上的高壓把燈點亮；而燈穩(wěn)定工作以后，燈兩端電壓約為85 V，維持金鹵燈的正常點燃。

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1．2．1 整流與功率因數(shù)校正電路
    本電路的整流濾波是采用橋式整流電容濾波電路來實現(xiàn)的，通過EMI濾波器得到310 V的直流電壓送到APFC電路。而APFC是用功率因數(shù)控制芯片L6561完成的。其電路圖如圖2所示。

    APFC的基本工作原理如下：主回路的輸出電壓Vo。和基準電壓VREF比較后，輸入給電壓誤差放大器EA，整流電壓檢測值VM1和誤差放大器的輸出電壓信號Verr共同加到乘法器M的輸入端，乘法器M的輸出作為電流反饋控制的基準信號。電流誤差放大器CA的輸出與電感零電流檢測器(ZCD)的輸出作為開關管VG驅動器的輸入信號，控制開關管的開通和關斷，保證電感電流的峰值跟蹤整流電壓，從而使輸入電流(電感電流的平均值)與輸入電壓的波形基本一致，提高輸入端功率因數(shù)，降低電流畸變程度。
1．2．2 恒功率控制電路
    金鹵燈在使用壽命期間，燈電壓會隨著燈管的不斷老化而升高，而傳統(tǒng)的電感鎮(zhèn)流器具有恒流特性，導致燈功率不斷增大，從而加速燈管老化。本文采用了具有限流限壓功能的近似恒功率控制方案，具有成本低，性能穩(wěn)定的特點，在電網(wǎng)電壓波動以及燈管老化等因素造成燈電壓變化時，均能自動實現(xiàn)恒功率輸出。其電路原理圖如圖3所示。

    該電路可以將系統(tǒng)的功率因數(shù)λ提高到0．99以上，有效地抑制輸入電源電流iin的波形失真，達到GB15144所要求的低于L級畸變指數(shù)，確保HID燈管的電流波峰系數(shù)小于1．7。
    在Buck電路輸入端串聯(lián)接入檢測電阻Rs，然后通過電阻R1進行濾波，得到平均電壓信號，從L2端檢測到燈的電壓信號，二者經(jīng)過EA放大電壓信號，得到的輸出電壓作為反饋信號經(jīng)過比較強輸入到PWM控制器，PWM控制器根據(jù)輸入的反饋電壓信號輸出一個控制信號Vf來控制Buck電路的開關S2的占空比。適當?shù)剡x擇R1，R2，R3，就可以很好地控制輸出功率Po。
1．2．3 全橋逆變電路
    鎮(zhèn)流器中的低頻方波輸出是通過全橋逆變電路來實現(xiàn)的，如圖4所示。全橋由4個MOSFET構成，在全橋控制器的控制下，兩對MOS管交替導通，在穩(wěn)定工作情況下輸出400 Hz的方波。

1．2．4 啟動電路
    由LC構成諧振啟動電路。在啟動前，燈相當于開路，L，C組成串聯(lián)諧振電路。點燈時，利用全橋輸出方波電壓正負跳變時的少量高頻分量，使L，C發(fā)生諧振，在C兩端產(chǎn)生高電壓將燈點燃。此啟動電路點火電壓的位置有利于燈啟動后電弧的穩(wěn)定，而當燈工作于穩(wěn)態(tài)時，點火電路對燈并無影響。

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2 軟件設計
    單片機主要完成燈啟動過程控制、穩(wěn)態(tài)時的恒功率控制以及過壓欠壓和開路、短路等異常狀態(tài)保護。其主程序流程如圖5所示。

3 實驗結果
    電路有關工作波形如圖6所示。

4 結 語
    基于單片機控制的金鹵燈電子鎮(zhèn)流器，能自動完成故障檢測、高壓點火、異常狀態(tài)保護及穩(wěn)態(tài)時的恒功率控制。所設計的電子鎮(zhèn)流器通過了高溫80℃、低溫-40℃、異常狀態(tài)保護及工作時間試驗。從研究結果可以看到，樣機開發(fā)是成功的，這無疑為數(shù)字控制電子鎮(zhèn)流器早日推向市場打下了良好的基礎。