0 引言
金屬鹵化物燈 （MHL） 作為高壓氣體放電燈 （HID） 的典型代表，以其高光效、高顯色性、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)而被稱為最理想的光源之一。而作為一種氣體放電燈，金鹵燈具有負(fù)阻特性，所以必須使用鎮(zhèn)流器來(lái)保證其穩(wěn)定工作。目前相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域中研究最為廣泛的是電子式鎮(zhèn)流器，與傳統(tǒng)的電感式鎮(zhèn)流器相比，電子式鎮(zhèn)流器體積更小、重量更輕、效率更高且能有效消除工作噪音。制約電子式鎮(zhèn)流器發(fā)展的主要問(wèn)題在于其控制復(fù)雜?；谀M器件的控制電路結(jié)構(gòu)將十分繁雜，成本較高且穩(wěn)定性不能得到保證。而由于單片機(jī)控制電路可以簡(jiǎn)化電子式鎮(zhèn)流器的結(jié)構(gòu)并顯著提高其性能。本文介紹了一種基于 STC 單片機(jī)控制的三級(jí)式恒功率金鹵燈電子鎮(zhèn)流器，詳細(xì)分析了其控制策略并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件流程及硬件控制電路。
1 電子式鎮(zhèn)流器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
目前相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)提出了多種電子鎮(zhèn)流器的控制思想，其共同點(diǎn)是尋求在保證金鹵燈穩(wěn)定工作的同時(shí)，避免聲諧振現(xiàn)象的發(fā)生。聲諧振現(xiàn)象是指 HID 燈在高頻工作時(shí)出現(xiàn)電弧不穩(wěn)定現(xiàn)象，其會(huì)嚴(yán)重影響燈具的照明效果，甚至可能導(dǎo)致燈具的損毀。為了避免聲諧振，必須調(diào)節(jié)燈的工作頻率以使其遠(yuǎn)離聲諧振頻帶。實(shí)踐表明，低頻方波驅(qū)動(dòng)金鹵燈的方案是消除聲諧振現(xiàn)象最有效的解決方法。
低頻方波驅(qū)動(dòng)金鹵燈方案應(yīng)用最為廣泛的是三級(jí)式電子鎮(zhèn)流器，其基本構(gòu)成如圖 1 所示。第一級(jí)功率因數(shù)校正電路 （ 即 APFC 電路 ） ，可在減小電流諧波，提高功率因數(shù)的同時(shí)，為其后的功率控制級(jí)電路提供恒定的直流母線電壓。本設(shè)計(jì)采用 Boost 電路結(jié)構(gòu)形式來(lái)提供較高的母線電壓，以利于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)金鹵燈的高壓點(diǎn)火脈沖。第二級(jí)功率控制電路為 Buck 電路，用于實(shí)現(xiàn)金鹵燈的穩(wěn)態(tài)控制，主要是指恒功率控制。所謂的恒功率控制就是保證金鹵燈在正常工作時(shí)，輸出功率保持不變。恒功率下金鹵燈的光輸出及相關(guān)色溫指數(shù)均會(huì)十分穩(wěn)定，不僅可以保證照明質(zhì)量，同時(shí)也可以延長(zhǎng)金鹵燈的使用壽命。在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)， Buck 電路會(huì)將金鹵燈工作電流調(diào)整為一穩(wěn)定值，同時(shí)， APFC 電路會(huì)輸出恒定直流母線電壓，從而實(shí)現(xiàn)金鹵燈的恒功率控制。第三級(jí)電路為全橋逆變電路，它可將 Buck 電路的輸出電壓逆變?yōu)榈皖l方波來(lái)驅(qū)動(dòng) HID 燈，從而避免聲諧振現(xiàn)象的發(fā)生。金鹵燈的啟動(dòng)需要通過(guò)高壓脈沖點(diǎn)火來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖 1 中的點(diǎn)火電路主要利用 LC 諧振的方式來(lái)產(chǎn)生高達(dá)數(shù)千伏的高壓脈沖，從而完成金鹵燈的啟動(dòng)。圖 1 中的單片機(jī)控制與保護(hù)電路的功能主要是完成金鹵燈的啟動(dòng)控制以及金鹵燈穩(wěn)定工作時(shí)的監(jiān)測(cè)和保護(hù)，確保整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
2 金鹵燈控制策略及軟件程序流程
金鹵燈的啟動(dòng)過(guò)程通常比較復(fù)雜，啟動(dòng)過(guò)程中的伏安特性曲線如圖 2 所示。為了簡(jiǎn)化控制，設(shè)計(jì)時(shí)可采用分段匹配金鹵燈負(fù)載特性的線性控制策略，即將啟動(dòng)過(guò)程及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行整體分為高壓觸發(fā)、過(guò)渡階段、恒功率運(yùn)行三個(gè)階段進(jìn)行相應(yīng)的控制，其控制策略的程序流程如圖 3 所示。
在高壓觸發(fā)階段， Buck 電路將保持較高的穩(wěn)定空載輸出電壓，以利于點(diǎn)火電路產(chǎn)生高壓脈沖去啟動(dòng)金鹵燈。由于從系統(tǒng)上電到這個(gè) Buck 空載輸出電壓的建立需要一段時(shí)間，因此，需要控制電路檢測(cè) Buck 輸出電壓以免過(guò)早點(diǎn)火，當(dāng)檢測(cè)到該電壓低于一限定低電壓值時(shí)，控制電路將認(rèn)為電路故障，并命令系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；而當(dāng)檢測(cè)到其大于一設(shè)定高電壓值時(shí)，則由單片機(jī)控制全橋輸出低頻方波，對(duì)金鹵燈進(jìn)行點(diǎn)火。
由金鹵燈特性曲線可知其點(diǎn)火成功后會(huì)進(jìn)入一個(gè)過(guò)渡階段。過(guò)渡階段可分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段為低壓維持階段，燈兩端電壓會(huì)驟降并維持在一個(gè)較低的水平；而在第二個(gè)階段，燈兩端電壓開(kāi)始逐漸升高直至其穩(wěn)態(tài)工作電壓。所以，開(kāi)始產(chǎn)生全橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，控制電路將繼續(xù)檢測(cè) Buck 輸出電壓，并當(dāng)檢測(cè)到該電壓小于某一設(shè)定值時(shí)，認(rèn)為金鹵燈點(diǎn)火成功，鎮(zhèn)流器可通過(guò)改變?nèi)珮蚬ぷ黝l率來(lái)減少其輸出電壓中的脈沖尖峰干擾。當(dāng)控制電路檢測(cè)到 Buck 輸出電壓開(kāi)始上升至相應(yīng)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)將再次設(shè)定全橋工作頻率為穩(wěn)定工作頻率。
金鹵燈兩端電壓上升并穩(wěn)定至其穩(wěn)態(tài)工作電壓時(shí)，電路即進(jìn)入恒功率運(yùn)行階段。在這個(gè)階段，控制電路將對(duì)系統(tǒng)性能參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)以保證裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，這主要是對(duì)系統(tǒng)溫度以及 Buck 輸出電壓兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。控制電路通過(guò)熱敏電阻來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)溫度，若溫度過(guò)高，則單片機(jī)控制鎮(zhèn)流器將停止工作；只有當(dāng)系統(tǒng)溫度再次低于一定溫度時(shí)，裝置才重新恢復(fù)工作。同樣，控制電路在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)它將始終保持對(duì) Buck 輸出電壓的檢測(cè)，若該電壓發(fā)生異常，則使裝置停止工作并等待檢查。
工作中若出現(xiàn)沒(méi)有接金鹵燈或者燈壞等情況，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)不停的點(diǎn)火。另外，當(dāng)金鹵燈過(guò)熱時(shí)，其啟動(dòng)需求電壓會(huì)從原來(lái)的 3 ～ 5 千伏升至兩萬(wàn)多伏，此時(shí)鎮(zhèn)流器輸出的高壓脈沖不足以點(diǎn)亮金鹵燈，也會(huì)出現(xiàn)不斷點(diǎn)火的現(xiàn)象。長(zhǎng)時(shí)間過(guò)高的電壓脈沖對(duì)電子鎮(zhèn)流器和燈都有危險(xiǎn)。為了保證電路安全，必須避免這種情況的發(fā)生。因此，若點(diǎn)火不成功的話，可判斷電子鎮(zhèn)流器開(kāi)路、燈出現(xiàn)故障或者燈管過(guò)熱。若是燈管過(guò)熱，則可延遲一段時(shí)間后，等到燈管冷卻下來(lái)再進(jìn)行下一輪的點(diǎn)火，如此點(diǎn)火預(yù)定次數(shù)后，若點(diǎn)火仍不成功，則可判斷電子鎮(zhèn)流器處于開(kāi)路狀態(tài)或燈出現(xiàn)故障，此時(shí)便可通過(guò)單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)使電子鎮(zhèn)流器停止工作以等待維修。
0 引言
金屬鹵化物燈 （MHL） 作為高壓氣體放電燈 （HID） 的典型代表，以其高光效、高顯色性、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)而被稱為最理想的光源之一。而作為一種氣體放電燈，金鹵燈具有負(fù)阻特性，所以必須使用鎮(zhèn)流器來(lái)保證其穩(wěn)定工作。目前相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域中研究最為廣泛的是電子式鎮(zhèn)流器，與傳統(tǒng)的電感式鎮(zhèn)流器相比，電子式鎮(zhèn)流器體積更小、重量更輕、效率更高且能有效消除工作噪音。制約電子式鎮(zhèn)流器發(fā)展的主要問(wèn)題在于其控制復(fù)雜?；谀M器件的控制電路結(jié)構(gòu)將十分繁雜，成本較高且穩(wěn)定性不能得到保證。而由于單片機(jī)控制電路可以簡(jiǎn)化電子式鎮(zhèn)流器的結(jié)構(gòu)并顯著提高其性能。本文介紹了一種基于 STC 單片機(jī)控制的三級(jí)式恒功率金鹵燈電子鎮(zhèn)流器，詳細(xì)分析了其控制策略并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件流程及硬件控制電路。
1 電子式鎮(zhèn)流器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
目前相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)提出了多種電子鎮(zhèn)流器的控制思想，其共同點(diǎn)是尋求在保證金鹵燈穩(wěn)定工作的同時(shí)，避免聲諧振現(xiàn)象的發(fā)生。聲諧振現(xiàn)象是指 HID 燈在高頻工作時(shí)出現(xiàn)電弧不穩(wěn)定現(xiàn)象，其會(huì)嚴(yán)重影響燈具的照明效果，甚至可能導(dǎo)致燈具的損毀。為了避免聲諧振，必須調(diào)節(jié)燈的工作頻率以使其遠(yuǎn)離聲諧振頻帶。實(shí)踐表明，低頻方波驅(qū)動(dòng)金鹵燈的方案是消除聲諧振現(xiàn)象最有效的解決方法。
低頻方波驅(qū)動(dòng)金鹵燈方案應(yīng)用最為廣泛的是三級(jí)式電子鎮(zhèn)流器，其基本構(gòu)成如圖 1 所示。第一級(jí)功率因數(shù)校正電路 （ 即 APFC 電路 ） ，可在減小電流諧波，提高功率因數(shù)的同時(shí)，為其后的功率控制級(jí)電路提供恒定的直流母線電壓。本設(shè)計(jì)采用 Boost 電路結(jié)構(gòu)形式來(lái)提供較高的母線電壓，以利于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)金鹵燈的高壓點(diǎn)火脈沖。第二級(jí)功率控制電路為 Buck 電路，用于實(shí)現(xiàn)金鹵燈的穩(wěn)態(tài)控制，主要是指恒功率控制。所謂的恒功率控制就是保證金鹵燈在正常工作時(shí)，輸出功率保持不變。恒功率下金鹵燈的光輸出及相關(guān)色溫指數(shù)均會(huì)十分穩(wěn)定，不僅可以保證照明質(zhì)量，同時(shí)也可以延長(zhǎng)金鹵燈的使用壽命。在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)， Buck 電路會(huì)將金鹵燈工作電流調(diào)整為一穩(wěn)定值，同時(shí)， APFC 電路會(huì)輸出恒定直流母線電壓，從而實(shí)現(xiàn)金鹵燈的恒功率控制。第三級(jí)電路為全橋逆變電路，它可將 Buck 電路的輸出電壓逆變?yōu)榈皖l方波來(lái)驅(qū)動(dòng) HID 燈，從而避免聲諧振現(xiàn)象的發(fā)生。金鹵燈的啟動(dòng)需要通過(guò)高壓脈沖點(diǎn)火來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖 1 中的點(diǎn)火電路主要利用 LC 諧振的方式來(lái)產(chǎn)生高達(dá)數(shù)千伏的高壓脈沖，從而完成金鹵燈的啟動(dòng)。圖 1 中的單片機(jī)控制與保護(hù)電路的功能主要是完成金鹵燈的啟動(dòng)控制以及金鹵燈穩(wěn)定工作時(shí)的監(jiān)測(cè)和保護(hù)，確保整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
2 金鹵燈控制策略及軟件程序流程
金鹵燈的啟動(dòng)過(guò)程通常比較復(fù)雜，啟動(dòng)過(guò)程中的伏安特性曲線如圖 2 所示。為了簡(jiǎn)化控制，設(shè)計(jì)時(shí)可采用分段匹配金鹵燈負(fù)載特性的線性控制策略，即將啟動(dòng)過(guò)程及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行整體分為高壓觸發(fā)、過(guò)渡階段、恒功率運(yùn)行三個(gè)階段進(jìn)行相應(yīng)的控制，其控制策略的程序流程如圖 3 所示。
在高壓觸發(fā)階段， Buck 電路將保持較高的穩(wěn)定空載輸出電壓，以利于點(diǎn)火電路產(chǎn)生高壓脈沖去啟動(dòng)金鹵燈。由于從系統(tǒng)上電到這個(gè) Buck 空載輸出電壓的建立需要一段時(shí)間，因此，需要控制電路檢測(cè) Buck 輸出電壓以免過(guò)早點(diǎn)火，當(dāng)檢測(cè)到該電壓低于一限定低電壓值時(shí)，控制電路將認(rèn)為電路故障，并命令系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；而當(dāng)檢測(cè)到其大于一設(shè)定高電壓值時(shí)，則由單片機(jī)控制全橋輸出低頻方波，對(duì)金鹵燈進(jìn)行點(diǎn)火。
由金鹵燈特性曲線可知其點(diǎn)火成功后會(huì)進(jìn)入一個(gè)過(guò)渡階段。過(guò)渡階段可分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段為低壓維持階段，燈兩端電壓會(huì)驟降并維持在一個(gè)較低的水平；而在第二個(gè)階段，燈兩端電壓開(kāi)始逐漸升高直至其穩(wěn)態(tài)工作電壓。所以，開(kāi)始產(chǎn)生全橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，控制電路將繼續(xù)檢測(cè) Buck 輸出電壓，并當(dāng)檢測(cè)到該電壓小于某一設(shè)定值時(shí)，認(rèn)為金鹵燈點(diǎn)火成功，鎮(zhèn)流器可通過(guò)改變?nèi)珮蚬ぷ黝l率來(lái)減少其輸出電壓中的脈沖尖峰干擾。當(dāng)控制電路檢測(cè)到 Buck 輸出電壓開(kāi)始上升至相應(yīng)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)將再次設(shè)定全橋工作頻率為穩(wěn)定工作頻率。
金鹵燈兩端電壓上升并穩(wěn)定至其穩(wěn)態(tài)工作電壓時(shí)，電路即進(jìn)入恒功率運(yùn)行階段。在這個(gè)階段，控制電路將對(duì)系統(tǒng)性能參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)以保證裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，這主要是對(duì)系統(tǒng)溫度以及 Buck 輸出電壓兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)?？刂齐娐吠ㄟ^(guò)熱敏電阻來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)溫度，若溫度過(guò)高，則單片機(jī)控制鎮(zhèn)流器將停止工作；只有當(dāng)系統(tǒng)溫度再次低于一定溫度時(shí)，裝置才重新恢復(fù)工作。同樣，控制電路在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)它將始終保持對(duì) Buck 輸出電壓的檢測(cè)，若該電壓發(fā)生異常，則使裝置停止工作并等待檢查。
工作中若出現(xiàn)沒(méi)有接金鹵燈或者燈壞等情況，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)不停的點(diǎn)火。另外，當(dāng)金鹵燈過(guò)熱時(shí)，其啟動(dòng)需求電壓會(huì)從原來(lái)的 3 ～ 5 千伏升至兩萬(wàn)多伏，此時(shí)鎮(zhèn)流器輸出的高壓脈沖不足以點(diǎn)亮金鹵燈，也會(huì)出現(xiàn)不斷點(diǎn)火的現(xiàn)象。長(zhǎng)時(shí)間過(guò)高的電壓脈沖對(duì)電子鎮(zhèn)流器和燈都有危險(xiǎn)。為了保證電路安全，必須避免這種情況的發(fā)生。因此，若點(diǎn)火不成功的話，可判斷電子鎮(zhèn)流器開(kāi)路、燈出現(xiàn)故障或者燈管過(guò)熱。若是燈管過(guò)熱，則可延遲一段時(shí)間后，等到燈管冷卻下來(lái)再進(jìn)行下一輪的點(diǎn)火，如此點(diǎn)火預(yù)定次數(shù)后，若點(diǎn)火仍不成功，則可判斷電子鎮(zhèn)流器處于開(kāi)路狀態(tài)或燈出現(xiàn)故障，此時(shí)便可通過(guò)單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)使電子鎮(zhèn)流器停止工作以等待維修。
3 硬件控制電路設(shè)計(jì)
由前面電子鎮(zhèn)流器控制策略的分析以及控制流程圖所給出的硬件控制電路功能框圖如圖 4 所示，控制芯片選用宏晶 STC 12C 5410AD 單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)與電路控制功能。
STC 12C 5410AD 單片機(jī)采用 +5 V 電源，本設(shè)計(jì)中利用 Boost APFC 級(jí)功率電路中電感的副邊輔助繞組來(lái)提供單片機(jī)的芯片供電電壓。當(dāng)鎮(zhèn)流器控制電路檢測(cè)到系統(tǒng)運(yùn)行故障時(shí)，它會(huì)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)?？刂齐娐穼?duì)鎮(zhèn)流器運(yùn)行參數(shù)的檢測(cè)是將其轉(zhuǎn)化為電壓采樣信號(hào)后通過(guò) STC 12C 5410AD 單片機(jī)內(nèi)部 A ／ D 模塊進(jìn)行 A ／ D 轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行處理。 STC 12C 5410AD 單片機(jī)有 8 路 10 位高速 A ／ D 轉(zhuǎn)換通道，速度均可達(dá)到 100 kHz（10 萬(wàn)次／秒 ） ，完全可滿足鎮(zhèn)流器的時(shí)序控制要求。本設(shè)計(jì)中，鎮(zhèn)流器運(yùn)行參數(shù)的檢測(cè)主要是對(duì)工作環(huán)境溫度與 Buck 輸出電壓的檢測(cè)，環(huán)境溫度檢測(cè)信號(hào)通過(guò)熱敏電阻分壓獲得， Buck 輸出電壓檢測(cè)信號(hào)也可通過(guò)恒值電阻分壓獲得。另外，由于 STC 12C 5410AD 單片機(jī)進(jìn)行 A ／ D 轉(zhuǎn)換時(shí)的參考基準(zhǔn)電壓為其芯片供電電壓，所以，為了避免供電電壓產(chǎn)生波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)造成影響，必須在 A ／ D 轉(zhuǎn)換前對(duì)供電電壓進(jìn)行檢測(cè)，以使 A ／ D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果與實(shí)際信號(hào)電壓值相一致。
設(shè)計(jì)中的全橋電路采用兩個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)芯片 IR2103 來(lái)為全橋逆變電路中的四個(gè) MOSFET 提供兩路互補(bǔ)方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 IR2103 為高壓高速大功率 MOS 管及 IGBT 驅(qū)動(dòng)器，它擁有獨(dú)立的高、低參考電平輸出通道，驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)邏輯十分簡(jiǎn)單，易于軟件程序流程設(shè)計(jì)，十分適用于低成本的電子鎮(zhèn)流器。每一片 IR2103 可分別驅(qū)動(dòng)全橋的一對(duì)上、下橋臂，其半橋驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。 IR2103 所需的 PWM 控制信號(hào)可由 STC 12C 5410AD 單片機(jī)提供。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
根據(jù)以上的分析，筆者研制了一種 70 W 三級(jí)式恒功率金鹵燈電子鎮(zhèn)流器，并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試以驗(yàn)證其性能。該電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)要求如下：
輸入范圍： 170 ～ 250 VAC ／ 50 Hz ，工作電壓變化之下，輸出電壓變化小于± 2 ％；
功率因數(shù) PF》0.95 ；
電流總諧波 （THD） 值 《15 ％；
輸出功率： 70 ～ 76 W 。
通過(guò)采用 FLUKFA34 龜能質(zhì)量分析儀對(duì)該鎮(zhèn)流器 （ 進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí) ） 的輸入端進(jìn)行測(cè)量，所得到的輸入電壓為 220 V（AC） ，有功功率為 0.07 kW ，無(wú)功功率為 0.01 kVA ，視在功率為 0.07KVAR ，功率因數(shù) PF 為 0.98 ，電流總諧波畸變 THD 為 11.1 ％。當(dāng)交流輸入電壓在 170VAC ～ 250VAC 之間變化時(shí)，經(jīng)作者測(cè)試，該金鹵燈的工作電壓基本不變，可滿足設(shè)計(jì)要求。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了一種基于單片機(jī)控制的恒功率金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)方案，分析了其硬件結(jié)構(gòu)及軟件程序流程，并依此研制了 70 W 電子鎮(zhèn)流器樣品。測(cè)試結(jié)果顯示：這種鎮(zhèn)流器能夠安全有效地驅(qū)動(dòng)金鹵燈，且成本較低，可靠性高，有著較好的市場(chǎng)前景.