金鹵燈電子鎮(zhèn)流器Buck電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)

　0 引言

　　金鹵燈(MHL)作為一種綠色照明光源在室內(nèi)外照明領(lǐng)域中逐漸得到了廣泛的應(yīng)用，然而，在使用這種綠色照明光源時(shí)，與之配套的金鹵燈電子鎮(zhèn)流器則是實(shí)現(xiàn)綠色金鹵燈照明的關(guān)鍵所在。Buck電路是金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的重要組成部分，主要用于在金鹵燈穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的恒功率供電。因此，Buck電路的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)電子鎮(zhèn)流器的性能有非常重要的影響。

　　1 金鹵燈電子鎮(zhèn)流器

　　金鹵燈是HID燈中性能最為優(yōu)越的一種電光源，具有光效高、壽命長(zhǎng)、顯色性好等優(yōu)點(diǎn)，因而具有廣闊的發(fā)展前景。金鹵燈的伏安特性呈負(fù)阻特性，由于具有負(fù)阻特性的氣體放電燈是不能直接接人恒定電壓的電網(wǎng)上去的，所以必須配備鎮(zhèn)流器才能正常工作。由于金鹵燈在高頻下工作容易產(chǎn)生聲諧振，而低頻方波點(diǎn)燈的方案可以有效克服金屬鹵化物燈(MHL)聲諧振，因此本文采用低頻方波點(diǎn)燈的方案。傳統(tǒng)的低頻方波點(diǎn)燈方案是典型的三級(jí)低頻方波電路，其電路原理框圖如圖1所示。一般來(lái)說(shuō)，其第一級(jí)PFC電路通常采用Boost PFC電路，主要功能是提高功率因數(shù)，同時(shí)把50 Hz／220 V交流電轉(zhuǎn)變成直流電(本文中為400 V直流電)；第二級(jí)DC／DC采用Buck降壓電路，主要功能是控制輸出電壓和電流的大小，把400 V的直流電壓降低到85 V；第三級(jí)為低頻全橋逆變電路，用于將直流電轉(zhuǎn)換為低頻方波給金鹵燈供電，以避免金鹵燈工作在直流狀態(tài)下時(shí)影響燈的壽命，同時(shí)也可避免金鹵燈在高頻下發(fā)生聲諧振現(xiàn)象。這種三級(jí)低頻方波電路中的點(diǎn)火電路用于完成金鹵燈的啟動(dòng)和正常供電，控制和保護(hù)電路則可實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路的協(xié)調(diào)工作，包括金鹵燈的啟動(dòng)控制、電流功率控制及金鹵燈的保護(hù)控制等。本文主要討論70 W金鹵燈電子鎮(zhèn)流器中新型Buck電路的設(shè)計(jì)方法。

　　2 Buck電路的設(shè)計(jì)

　　Buck電路是金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的中間部分，本文采用電流峰值控制芯片UC3843來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM的驅(qū)動(dòng)控制，它通過(guò)檢測(cè)Buck回路中的電流，也就是通過(guò)檢測(cè)采樣電阻R兩端的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)MOS管的控制。在燈擊穿前，Buck電路的輸出會(huì)維持某個(gè)固定電壓值，這個(gè)電壓稱為空載輸出電壓，它的取值主要由APFC的輸出電壓決定。一般情況下，空載輸出電壓有兩個(gè)作用：第一是給點(diǎn)火電路提供輸入電壓，較高的空載電壓可以減小點(diǎn)火電路中變壓器的匝比；第二，由于空載電壓可決定輸出電容在金鹵燈啟動(dòng)前的儲(chǔ)能，而金鹵燈在擊穿以后，Buck變換器的響應(yīng)速度還不足以提供能量給金鹵燈，因此，輸出電容的儲(chǔ)能將在這一短暫的時(shí)間內(nèi)向金鹵燈提供能量。Buck電路的主要功能是實(shí)現(xiàn)金鹵燈的穩(wěn)態(tài)控制，即恒功率控制。所謂恒功率控制，就是在保證金鹵燈正常工作時(shí)，保持其輸出功率不變，從而實(shí)現(xiàn)良好的照明效果。

　　圖2所示是傳統(tǒng)和改進(jìn)型Buck電路示意圖。在傳統(tǒng)的Buck電路中，MOS管的柵極和源極位于高電位側(cè)，UC3843輸出端不能直接驅(qū)動(dòng)MOS管，而需要通過(guò)隔離電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)，隔離電路通常采用光耦隔離和變壓器隔離兩種方法，光耦隔離需要引入另一組隔離電源，這將增加電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，而變壓器隔離會(huì)引入電磁干擾，也會(huì)引起驅(qū)動(dòng)波形的失真，同時(shí)將明顯增大電路的體積。

　　基于傳統(tǒng)Buck電路的上述缺點(diǎn)。本文提出了一種新的改進(jìn)型Buck電路，其電路如圖2(b)該電路是Buck傳統(tǒng)電路的變形。雖然該電路中元件的位置發(fā)生了變化，但由于電路的拓?fù)潢P(guān)系沒(méi)變，故其輸入輸出電壓關(guān)系沒(méi)變。圖2(b)中將MOS開(kāi)關(guān)管和電感置于靠近直流電源的地端，這樣UC3843就可以直接驅(qū)動(dòng)MOS管，而不需要驅(qū)動(dòng)隔離電路，從而減少了驅(qū)動(dòng)波形的失真，提高了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性，簡(jiǎn)化了電路，減小了電路體積，降低了成本，同時(shí)，由于該Buck電路的輸出高電位側(cè)與Buck電路輸入的高電位側(cè)是等電位連接，因而也減少了干擾。

　　本設(shè)計(jì)使Buck電路工作在斷續(xù)模式下，因?yàn)閿嗬m(xù)模式下所需的電感量比電流連續(xù)工作模式下的電感量要求要小，同時(shí)也可減小續(xù)流二極管因反向恢復(fù)而引起的損耗。對(duì)于70 W的金鹵燈，在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，若其Buck輸出電壓VO為85 V，輸出電流IO為0.824 A(70 W／85 V)，Buck輸入電壓VIN為400 V，MOS管的工作頻率偽50 kHz，MOS管的工作周期T為20μs。那么，該電路在臨界狀態(tài)下的電感量為：

　　代人數(shù)據(jù)計(jì)算可得L為812μH。

　　為了保證Buck電路始終工作在斷續(xù)模式下，設(shè)計(jì)時(shí)可選擇L的值為650μH。而MOS管導(dǎo)通時(shí)的占空比為：

　　計(jì)算可得，當(dāng)L為650μH時(shí)，D為0.194。

　　若Buck電路工作在50 kHz的開(kāi)關(guān)頻率下，那么，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的浪涌電流和開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的浪涌電壓對(duì)Buck電路將形成較強(qiáng)的電磁干擾。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，MOSFET在開(kāi)關(guān)過(guò)程中毛刺較大，這是由開(kāi)關(guān)瞬間電路中的電流變化率比較大所導(dǎo)致的，這個(gè)毛刺對(duì)Buck的其他電路會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)在MOS管兩端加RC緩沖電路的方法來(lái)減小毛刺，同時(shí)在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，應(yīng)盡量降低電源線和地線的阻抗。因電源線、地線和其它印刷線都有阻抗，當(dāng)電源電流變化較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大壓降，而地線壓降是形成公共阻抗干擾的重要因素，所以應(yīng)盡量縮短地線，并應(yīng)盡量加寬電源線和地線。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　基于上述鎮(zhèn)流器的整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和對(duì)BUCK電路的分析，筆者設(shè)計(jì)了一臺(tái)70 W的三級(jí)低頻方波電子鎮(zhèn)流器，該電路的PFC輸出電壓為400 V，Buck工作頻率為50 kHz，輸出負(fù)載為70 W金鹵燈。當(dāng)金鹵燈穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，實(shí)測(cè)的Buck輸出電壓約為85 V，其輸出電壓波形如圖3所示。圖中，電壓波形有較小的紋波，它與輸出電壓的要求基本一致。圖4為Buck電路的驅(qū)動(dòng)電壓波形，從圖中可知，其占空比為0.2，該數(shù)據(jù)與上述的理論計(jì)算基本一致。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文提出了金鹵燈三級(jí)低頻方波電子鎮(zhèn)流器中Buck電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，該方案用UC3843來(lái)直接驅(qū)動(dòng)MOS管，從而為金鹵燈點(diǎn)火啟動(dòng)時(shí)提供空載高電壓，最終實(shí)現(xiàn)了金鹵燈穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的恒功率供電。與傳統(tǒng)的Buck電路相比，新型Buck電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、所用器件少、成本低、可靠性高。