金鹵燈電子鎮(zhèn)流器Buck電路的優(yōu)化設計

　0 引言

　　金鹵燈(MHL)作為一種綠色照明光源在室內外照明領域中逐漸得到了廣泛的應用，然而，在使用這種綠色照明光源時，與之配套的金鹵燈電子鎮(zhèn)流器則是實現(xiàn)綠色金鹵燈照明的關鍵所在。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)工作時的恒功率供電。因此，Buck電路的設計對整個電子鎮(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、顯色性好等優(yōu)點，因而具有廣闊的發(fā)展前景。金鹵燈的伏安特性呈負阻特性，由于具有負阻特性的氣體放電燈是不能直接接人恒定電壓的電網上去的，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生聲諧振，而低頻方波點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燈的方案。傳統(tǒng)的低頻方波點燈方案是典型的三級低頻方波電路，其電路原理框圖如圖1所示。一般來說，其第一級PFC電路通常采用Boost PFC電路，主要功能是提高功率因數，同時把50 Hz／220 V交流電轉變成直流電(本文中為400 V直流電)；第二級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；第三級為低頻全橋逆變電路，用于將直流電轉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)下時影響燈的壽命，同時也可避免金鹵燈在高頻下發(fā)生聲諧振現(xiàn)象。這種三級低頻方波電路中的點火電路用于完成金鹵燈的啟動和正常供電，控制和保護電路則可實現(xiàn)整個電路的協(xié)調工作，包括金鹵燈的啟動控制、電流功率控制及金鹵燈的保護控制等。本文主要討論70 W金鹵燈電子鎮(zhèn)流器中新型Buck電路的設計方法。

　　2 Buck電路的設計

　　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來實現(xiàn)PWM的驅動控制，它通過檢測Buck回路中的電流，也就是通過檢測采樣電阻R兩端的電壓來實現(xiàn)對MOS管的控制。在燈擊穿前，Buck電路的輸出會維持某個固定電壓值，這個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作用：第一是給點火電路提供輸入電壓，較高的空載電壓可以減小點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前的儲能，而金鹵燈在擊穿以后，Buck變換器的響應速度還不足以提供能量給金鹵燈，因此，輸出電容的儲能將在這一短暫的時間內向金鹵燈提供能量。Buck電路的主要功能是實現(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，保持其輸出功率不變，從而實現(xiàn)良好的照明效果。

　　圖2所示是傳統(tǒng)和改進型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，UC3843輸出端不能直接驅動MOS管，而需要通過隔離電路來實現(xiàn)對開關管的驅動，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，這將增加電路設計的復雜性，而變壓器隔離會引入電磁干擾，也會引起驅動波形的失真，同時將明顯增大電路的體積。

　　基于傳統(tǒng)Buck電路的上述缺點。本文提出了一種新的改進型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，但由于電路的拓撲關系沒變，故其輸入輸出電壓關系沒變。圖2(b)中將MOS開關管和電感置于靠近直流電源的地端，這樣UC3843就可以直接驅動MOS管，而不需要驅動隔離電路，從而減少了驅動波形的失真，提高了驅動電路的可靠性，簡化了電路，減小了電路體積，降低了成本，同時，由于該Buck電路的輸出高電位側與Buck電路輸入的高電位側是等電位連接，因而也減少了干擾。

　　本設計使Buck電路工作在斷續(xù)模式下，因為斷續(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，同時也可減小續(xù)流二極管因反向恢復而引起的損耗。對于70 W的金鹵燈，在穩(wěn)態(tài)工作時，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：

　　代人數據計算可得L為812μH。

　　為了保證Buck電路始終工作在斷續(xù)模式下，設計時可選擇L的值為650μH。而MOS管導通時的占空比為：

　　計算可得，當L為650μH時，D為0.194。

　　若Buck電路工作在50 kHz的開關頻率下，那么，開關導通時的浪涌電流和開關斷開時的浪涌電壓對Buck電路將形成較強的電磁干擾。實驗發(fā)現(xiàn)，MOSFET在開關過程中毛刺較大，這是由開關瞬間電路中的電流變化率比較大所導致的，這個毛刺對Buck的其他電路會產生嚴重干擾。設計時可以通過在MOS管兩端加RC緩沖電路的方法來減小毛刺，同時在設計印刷電路板時，應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，當電源電流變化較大時，會產生較大壓降，而地線壓降是形成公共阻抗干擾的重要因素，所以應盡量縮短地線，并應盡量加寬電源線和地線。

　　3 實驗結果

　　基于上述鎮(zhèn)流器的整體拓撲結構和對BUCK電路的分析，筆者設計了一臺70 W的三級低頻方波電子鎮(zhèn)流器，該電路的PFC輸出電壓為400 V，Buck工作頻率為50 kHz，輸出負載為70 W金鹵燈。當金鹵燈穩(wěn)態(tài)運行時，實測的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電路的驅動電壓波形，從圖中可知，其占空比為0.2，該數據與上述的理論計算基本一致。

　　4 結束語

　　本文提出了金鹵燈三級低頻方波電子鎮(zhèn)流器中Buck電路的優(yōu)化設計方案，該方案用UC3843來直接驅動MOS管，從而為金鹵燈點火啟動時提供空載高電壓，最終實現(xiàn)了金鹵燈穩(wěn)態(tài)工作時的恒功率供電。與傳統(tǒng)的Buck電路相比，新型Buck電路的結構簡單、所用器件少、成本低、可靠性高。