在設(shè)計(jì)用于熒光燈或高強(qiáng)度氣體放電燈(HID)的電子鎮(zhèn)流器時(shí)，除了要滿足通常的成本、可靠性和長(zhǎng)壽命要求以外，設(shè)計(jì)人員還必須提供增強(qiáng)的最終用戶功能，例如，遠(yuǎn)程調(diào)光控制，同時(shí)還必須滿足嚴(yán)格的國(guó)內(nèi)和國(guó)際照明法規(guī)要求。傳統(tǒng)的分立模擬設(shè)計(jì)技術(shù)仍然可以滿足許多此類新要求。然而，新一代低成本8位閃存單片機(jī)為實(shí)現(xiàn)滿足照明法規(guī)要求的低成本高分辨率數(shù)字電子鎮(zhèn)流器控制設(shè)計(jì)提供了許多系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)。在考慮此類設(shè)計(jì)之前，我們先回顧一下典型電子鎮(zhèn)流器控制應(yīng)用的構(gòu)建模塊。

　　電子鎮(zhèn)流器控制

　　圖1示出的是目前大多數(shù)鎮(zhèn)流器控制應(yīng)用中的基本構(gòu)建模塊。主要模塊包括一個(gè)電磁干擾(EMI)濾波器、一個(gè)全波整流器、一個(gè)有源功率因數(shù)校正(PFC)前端、一個(gè)數(shù)字控制部分和一個(gè)諧振輸出級(jí)。

　　EMI濾波器阻止鎮(zhèn)流器產(chǎn)生的噪聲饋送到交流電源線上。全波整流器將交流電轉(zhuǎn)換為其它模塊可以控制的直流電。通常還會(huì)采用某種形式的PFC電路來(lái)控制正弦輸入電流和生成穩(wěn)定的直流總線電壓。鎮(zhèn)流器控制部分為傳統(tǒng)RLC型的諧振輸出電路，提供頻率調(diào)制控制(通常是脈沖寬度調(diào)制)，完成燈的預(yù)熱、點(diǎn)亮和鎮(zhèn)流功能。

　　RLC諧振輸出級(jí)可容易地適應(yīng)多種不同的燈

管類型。如果設(shè)計(jì)的數(shù)字控制部分采用了基于嵌入式單片機(jī)的電路，那么就可以為完成閉環(huán)調(diào)光、燈管故障檢測(cè)、關(guān)閉和自動(dòng)重啟提供所需要的電路和軟件。目前的嵌入式單片機(jī)還可方便地連接到標(biāo)準(zhǔn)通信接口，如數(shù)字可尋址照明接口(DALI)、或其它RS-232類型，或同步串行接口總線，如I2C或SPI，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)(參考文獻(xiàn)1)。

　　請(qǐng)注意在圖1中，當(dāng)燈關(guān)閉時(shí)，熒光燈管中沒(méi)有電流流過(guò)，因此從鎮(zhèn)流控制器端看過(guò)去，燈管的阻抗幾乎是無(wú)限大。要點(diǎn)亮燈管，電極上的電壓必須足夠高，才能使高度離子化的混合氣體在燈管兩端之間放電。這一最大電壓稱為點(diǎn)火電壓(Vstrike)。一旦燈管開(kāi)始導(dǎo)電，電壓就應(yīng)降低到更低的穩(wěn)定電壓(VNOM)。

　　為更好地理解這一鎮(zhèn)流器控制電路，先回顧一下為典型低壓熒光燈管供電都需要哪些功能。電子鎮(zhèn)流器電路必須完成的基本功能如下。

　　● 在燈電極間提供足夠高的點(diǎn)火電壓；
　　● 當(dāng)燈點(diǎn)亮后，電路必須在穩(wěn)定工作狀態(tài)下維持一個(gè)恒定的電流；
　　● 電子控制器必須能夠補(bǔ)償逆變器電路直流總線電壓的波動(dòng)和故障情況。這樣可以保證穩(wěn)定的燈光輸出，并可幫助延長(zhǎng)燈管的壽命；
　　● 鎮(zhèn)流器電路還必須滿足國(guó)內(nèi)和國(guó)際照明法規(guī)要求。

　　基于單片機(jī)的數(shù)字鎮(zhèn)流可以提供更多功能，如調(diào)光、壽命終點(diǎn)監(jiān)測(cè)、啟動(dòng)故障檢測(cè)或燈管更換指示等。不同的燈管需要不同的設(shè)置，可以容易地利用存儲(chǔ)在單片機(jī)非易性存儲(chǔ)器中的軟件實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)還可調(diào)整所需要的燈具設(shè)置，從而在其整個(gè)生命周期中保證最大的效率。例如，點(diǎn)火電壓可能需要提高，或者在穩(wěn)定狀態(tài)下的工作電壓需要稍微有些變化。

　　本文關(guān)于數(shù)字電子鎮(zhèn)流器中單片機(jī)的應(yīng)用主要集中于兩個(gè)方面：數(shù)字逆變器控制，以及如何在單片機(jī)中集成PFC功能來(lái)代替分立且成本更高的PFC器件。

　　數(shù)字逆變器控制

　　熒光燈或HID燈管電極上的電壓是由半橋功率逆變器和RCL諧振儲(chǔ)能電路控制的。更精確地控制驅(qū)動(dòng)逆變器MOSFET的脈寬調(diào)制信號(hào)能夠更好地控制輸出電壓。因此，設(shè)計(jì)工程師要求PWM模塊能夠提供更高或更精確的分辨率，同時(shí)具有更好的線性頻率控制，特別是在40kHz～120kHz范圍內(nèi)。這樣就既可以保證在啟動(dòng)時(shí)提供足夠的電壓點(diǎn)亮熒光或HID燈管，同時(shí)又可在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)提供穩(wěn)定的工作電壓。

　　多數(shù)針對(duì)此類應(yīng)用的8位單片機(jī)都集成有10位硬件PWM模塊，并且可以通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的配置。這些PWM模塊的最大問(wèn)題是其工作頻率范圍很寬，從而限制了在40kHz～120kHz頻率范圍內(nèi)的精度或頻率分辨率。通過(guò)簡(jiǎn)單的軟件控制頻率抖動(dòng)技術(shù)，利用10位硬件PWM外設(shè)也可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的頻率步進(jìn)幅度，提高頻率分辨率。此外，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)軟件頻率抖動(dòng)控制能夠更好地控制數(shù)字電子鎮(zhèn)流器的調(diào)光功能。

　　精確的頻率控制一方面可用于尋找點(diǎn)亮燈管所需要的點(diǎn)火電壓，同時(shí)還可用于在穩(wěn)定工作狀態(tài)，甚至發(fā)生某些線路故障時(shí)維持恒定的電流。集成了不同硬件外設(shè)(如PWM或軟件可配置的模擬比較器)的8位單片機(jī)非常適用此類應(yīng)用。

　　8位嵌入式單片機(jī)

　　低成本8位嵌入式單片機(jī)在電子鎮(zhèn)流控制中應(yīng)用的兩個(gè)新領(lǐng)域是PFC模塊和電子鎮(zhèn)流器功率逆變器，可以實(shí)現(xiàn)更好的動(dòng)態(tài)頻率控制。

　　大多數(shù)8位單片機(jī)集成了模擬比較器和多通道ADC等模擬外設(shè)，同時(shí)還集成了數(shù)字PWM模塊等數(shù)字外設(shè)。所有這些電路都可以軟件進(jìn)行控制，比傳統(tǒng)的純模擬反饋環(huán)控制系統(tǒng)有很大優(yōu)勢(shì)，在實(shí)現(xiàn)控制功能的同時(shí)，仍然可以完成高速模擬反饋環(huán)控制。

　　許多嵌入式單片機(jī)還集成了增強(qiáng)型通用同步異步收發(fā)器(EUSART)、主串行同步端口(MSSP)，這樣在電子鎮(zhèn)流器中可 實(shí)現(xiàn)不同類型的通信接口，用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程站點(diǎn)監(jiān)控或分布式電路板設(shè)計(jì)。

　　獲得更高PWM分辨率

　　功率逆變器的精確時(shí)序控制對(duì)于電子鎮(zhèn)流器的功能非常關(guān)鍵。通過(guò)一些簡(jiǎn)單的軟件技巧，就可使所有PIC單片機(jī)上的PWM模塊支持不同類型的應(yīng)用，包括幾個(gè)占空比必須恒定且輸出頻率只能以非常小的增量變化的照明應(yīng)用(參考文獻(xiàn)2)。

　　例如，在熒光和HID電子鎮(zhèn)流器中，利用頻率變化來(lái)控制與燈管串聯(lián)的電感(鎮(zhèn)流器)的阻抗。為保持鎮(zhèn)流器電感較小(降低成本和尺寸)，開(kāi)關(guān)頻率必須非常高，通常在40kHz～120kHz。為更好地控制流過(guò)燈管的電流，頻率只能以小增量變化，并且還要保持固定的50%占空比。

　　圖2給出的是典型PIC單片機(jī)捕捉/比較/PWM模塊和增強(qiáng)型捕捉/比較/PWM模塊(分別對(duì)應(yīng)CCP和ECCP)的框圖。每當(dāng)8位定時(shí)器值(TMR2)等于周期寄存器值(PR2)時(shí)，一個(gè)新周期就開(kāi)始了，PWM輸出置位(輸出高)，定時(shí)器復(fù)位。每當(dāng)8位定時(shí)器值(TMR2)等于CCP占空比寄存器(CCPRxH)值時(shí)，PWM輸出清零(輸出為低)。因此控制PWM頻率所需要的靈活性主要由Timer2模塊提供。

　　表1是1

00kHz左右可以達(dá)到的典型輸出頻率，以及PR2寄存器值對(duì)實(shí)際PWM周期的影響。不幸的是，如果在可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器中采用10位PWM模塊，那么其分辨率不足以提供平滑調(diào)光效果，特別是在照明亮度范圍的低端，因?yàn)榇藭r(shí)人眼更為敏感。

　　為了利用數(shù)字PWM外設(shè)提供約60Hz(一個(gè)常用的參考數(shù)值)的步進(jìn)值，時(shí)鐘頻率需要提高約16倍。而實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)在成本和技術(shù)上都非常具有挑戰(zhàn)性。一種更為簡(jiǎn)單并且成本更低的解決方案是采用與CCP/ECCP模塊相關(guān)的定時(shí)器中斷機(jī)制，只需外加幾行軟件代碼。

　　基本的思路是將16個(gè)PWM周期視為一組，并在兩個(gè)不同頻率值間來(lái)回切換(對(duì)應(yīng)PR2寄存器的兩個(gè)值)。例如，8個(gè)周期PR2=100，8個(gè)周期PR2=99，則可得到平均頻率100,500Hz。通過(guò)采用其它比率，1:16、2:16、3:16...15:16，我們可以獲得14個(gè)中間頻率，在100,000Hz和101,010Hz之間相鄰間隔大約64Hz。在照明應(yīng)用中，人眼會(huì)自然地對(duì)光輸出進(jìn)行積分，感覺(jué)到整體的分辨率好像是提高了16倍。

　　最簡(jiǎn)單的辦法是用一個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示，圖中比率為5:16，較低的頻率(T1)占對(duì)應(yīng)的幾個(gè)周期，而較高頻率(T2)則占16個(gè)一組中的其它幾個(gè)周期。為了獲得平均分布的周期數(shù)，使用了一個(gè)4位累加器，每個(gè)周期，累加器輸出增加一個(gè)對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)值(1...15)。如果產(chǎn)生進(jìn)位，下一個(gè)周期將被擴(kuò)展(T1)。否則，將保持基本值(T2)。

　　結(jié)合基本的軟件定時(shí)器中斷技巧以及許多單片機(jī)中都有的10位硬件PWM模塊，可以很容易地產(chǎn)生高分辨率的可變頻率數(shù)字信號(hào)。利用CCP模塊中內(nèi)建的中斷機(jī)制，可以在100kHz附近獲得以64Hz為步進(jìn)增量的可調(diào)節(jié)頻率信號(hào)，同時(shí)僅需要占用很少的單片機(jī)指令周期。

　　數(shù)字控制下的模擬電壓縮放

　　現(xiàn)在回到關(guān)于PFC的討論，我們明確了需要為連續(xù)電流模式方案生成一個(gè)與輸入交流電源正弦電壓同相的參考波形。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的一種方法是利用PWM模塊產(chǎn)生一個(gè)模擬電壓(PWM輸出驅(qū)動(dòng)一個(gè)低通濾波器，如圖4所示)，然后再根據(jù)單片機(jī)中存儲(chǔ)的查找表來(lái)改變輸出頻率和幅度。但這種產(chǎn)生模擬參考信號(hào)的方法非常耗費(fèi)資源，因此將這一方法作為動(dòng)態(tài)軟件反饋環(huán)的一部分比較困難。

　　控制線性信號(hào)的另一種方法是用數(shù)字方式對(duì)模擬信號(hào)的幅度進(jìn)行縮放。例如，PFC電路通過(guò)比例縮小輸入交流主電源波形為逆變器的初始升壓部分，生成一個(gè)參考信號(hào)。這種按比例縮放保證了對(duì)交流電源的負(fù)載與電壓成比例，逆變器看起來(lái)是阻性的。在電子鎮(zhèn)流器應(yīng)用中，逆變器必須根據(jù)其輸出的中間電壓數(shù)值來(lái)縮放參考值，因此實(shí)現(xiàn)PFC時(shí)需要一種方法來(lái)縮放PFC用做參考的交流信號(hào)(參考文獻(xiàn)3)。

　　數(shù)字分壓器是實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)比例縮放的最簡(jiǎn)單方法。然而，對(duì)于低頻率的模擬系統(tǒng)，如電子鎮(zhèn)流器的交流電源，可采用基于CCP的另一種方法。

　　這一方法采用了一個(gè)簡(jiǎn)單的低通RC濾波器，一個(gè)MOSFET晶體管和一個(gè)數(shù)字PWM輸出，如圖5所示。低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率必須是模擬功率信號(hào)最大頻率的100倍左右，這樣濾波器的響應(yīng)特性才不會(huì)影響到信號(hào)的幅度或相位。同樣，PWM頻率必須是RC濾波器轉(zhuǎn)折頻率的約200倍，這樣PWM頻率就不會(huì)超過(guò)濾波器能量限制。

　　圖5的電路利用PWM信號(hào)調(diào)制Q1 MOSFET，從而對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行了“短接”。此外，這一電路僅允許原始模擬信號(hào)的一個(gè)特定百分比通過(guò)濾波器輸出。允許通過(guò)濾波器的輸入信號(hào)百分比由PWM占空比決定，而這一占空比受單片機(jī)的軟件控制。然后，一個(gè)一階低通濾波器(由R2和C1組成)濾除PWM信號(hào)中的調(diào)頻成份，并將信 號(hào)平滑為原始正弦信號(hào)波形。結(jié)果就構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬交流輸入電壓比例縮放電路，僅采用了幾個(gè)無(wú)源器件、一個(gè)晶體管和一個(gè)常見(jiàn)的數(shù)字PWM外設(shè)。

　　然而，需要注意這一技巧存在一些局限。

　　● 模擬信號(hào)的最大頻率諧波必須小于RC濾波器的轉(zhuǎn)折頻率，才能防止信號(hào)失真；
　　● 相對(duì)于RC濾波器的轉(zhuǎn)折頻率，PWM頻率越高，濾波器對(duì)PWM頻率的衰減越大；
　　● 由于濾波器中電阻器分為兩個(gè)(R1和R2)，PWM信號(hào)所感受到的實(shí)際轉(zhuǎn)折頻率是模擬信號(hào)感受到頻率的兩倍。

　　軟件閉環(huán)控制

　　本設(shè)計(jì)中還需要的一部分是功率逆變器輸出和電子鎮(zhèn)流器PFC部分之間的反饋環(huán)。利用一個(gè)ADC通道測(cè)量直流總線輸出電壓，然后再將此信息饋送到PWM控制器，在PFC模塊內(nèi)確定模擬傳感器的比率，這樣就可以實(shí)現(xiàn)這一反饋。如圖6所示。

　　其它參數(shù)，如燈管的總電流消耗，可以利用單片機(jī)上的ADC通道采樣獲得。過(guò)去，僅僅是利用輸出電壓以及生成這一輸出電壓的模擬參考信號(hào)之間的直接比例相關(guān)，現(xiàn)在則可以將ADC測(cè)量結(jié)果送到更精密的軟件PID環(huán)濾波器，這樣可以獲得更好更平滑的閉環(huán)控制。

　　圖7給出了完整的設(shè)計(jì)，

其中集成的嵌入式單片機(jī)同時(shí)用于PFC控制、電流控制反饋環(huán)和功率逆變輸入頻率控制(頻率增量最小為64Hz)。

　　PIC16F88X采樣PFC模塊輸出，并確定需要的頻率調(diào)整量，因?yàn)镻WM輸出驅(qū)動(dòng)數(shù)字/模擬比例縮放電路。應(yīng)用中也使用了ECCP模塊的中斷機(jī)制驅(qū)動(dòng)半橋功率逆變器，利用簡(jiǎn)單的軟件抖動(dòng)方法獲得更精細(xì)的步進(jìn)值。

　　本設(shè)計(jì)中不再需要分立的PFC器件，只需要少量低成本無(wú)源外部元件和一個(gè)集成的模擬比較器。結(jié)合簡(jiǎn)單的軟件和硬件技巧，不需要采用更昂貴的解決方案(如帶有更高分辨率PWM模塊的器件或者外部專用PWM控制器)，利用集成的10位PWM模塊就可以獲得更好的頻率分辨率控制。

　　結(jié)論

　　充分利用8位嵌入式單片機(jī)中集成的模擬和數(shù)字電路，可以很容易地提高照明鎮(zhèn)流器系統(tǒng)的總體性能并增加更多功能，同時(shí)還可以滿足更嚴(yán)格的政府法規(guī)要求。

參考文獻(xiàn)
[1] Microchip Technology Application Note AN809, “Digitally-Addressable DALI Dimming Ballast,” Ross Fosler, Microchip Technology Inc.; Cecilia Contenti and Tom Ribareich, International Rectifier.
[2]“A Technique to Increase the Frequency Resolution of PIC? MCU PWM Modules,” by Lucio Di Jasio, Microchip Technology Inc.
[3]“Bit Bashing,” by Keith Curtis, Microchip Technology’s microSolutions e-Newsletter, Nov. 2006.