120W高可靠HID燈電子鎮(zhèn)流器

高強(qiáng)度放電（HID）燈以其光效高、壽命長、體積小、控光性強(qiáng)、顯色性好、光利用率高等特點(diǎn)，已成為近代照明的主流產(chǎn)品之一。HID燈正從特殊用途，如投影儀、汽車頭燈等，向通用領(lǐng)域擴(kuò)展。由于HID燈的特性，其鎮(zhèn)流器也比較復(fù)雜。首先，HID燈需要數(shù)千伏的高壓脈沖來點(diǎn)火，因此要專門設(shè)計(jì)點(diǎn)火電路。另外，HID燈在高頻電源供電情況下極易產(chǎn)生聲諧振現(xiàn)象，對(duì)外表現(xiàn)為光強(qiáng)不穩(wěn)、電弧閃爍、扭曲等。此時(shí)可出現(xiàn)燈電壓和電流起伏，并伴隨有與激勵(lì)源同頻率的聲波，嚴(yán)重時(shí)可能熄弧，甚至造成燈管損壞，所以還需要采用專門的抑制“聲共振”的電路。

鎮(zhèn)流器基本結(jié)構(gòu)
本文介紹的HID燈鎮(zhèn)流器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。220V交流電經(jīng)過整流、濾波，送到降壓開關(guān)電路。驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器檢測(cè)電感的電流過零信號(hào)，驅(qū)動(dòng)降壓開關(guān)工作在電流準(zhǔn)連續(xù)狀態(tài)。在此模式下，降壓開關(guān)每次開通的電流都從零開始上升，所以是零電流開通，有效地減小了開關(guān)噪聲。在開關(guān)管關(guān)斷期間，續(xù)流二極管的電流已經(jīng)降低到零，所以沒有反向恢復(fù)問題，減小了反向恢復(fù)損耗。全橋驅(qū)動(dòng)電路采用Philips公司的UBA2030T。該全橋驅(qū)動(dòng)電路采用24腳封裝，集成了自舉電路，能直接驅(qū)動(dòng)高壓端N溝道MOSFET，使用比較方便。由單片機(jī)來的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換送到UBA2030T，可以方便地改變輸出頻率。

圖1  HID燈鎮(zhèn)流器框圖

諧振點(diǎn)火電路是這樣工作的：在點(diǎn)火期間，單片機(jī)控制繼電器，使一個(gè)附加的諧振LC接入主電路，同時(shí)驅(qū)動(dòng)逆變器輸出與諧振頻率相同的激勵(lì)，使主電路諧振，產(chǎn)生交流高壓，再經(jīng)過倍壓整流產(chǎn)生約800V直流電壓，擊穿放電管實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。單片機(jī)采用Microchip公司的PIC16F73，內(nèi)部帶8位A/D轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器則有單片的PORTC口加R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，成本低廉。

降壓DC/DC工作在電流準(zhǔn)連續(xù)狀態(tài)
電流準(zhǔn)連續(xù)狀態(tài)下，降壓開關(guān)每次都是零電流開通，而且續(xù)流二極管也結(jié)束續(xù)流，不會(huì)有反向恢復(fù)電流。在輸入電壓比較高（300V直流）的情況下，如果續(xù)流二極管沒有結(jié)束續(xù)流，降壓開關(guān)就再次開通，會(huì)有一個(gè)峰值很大的“反向恢復(fù)”電流流過續(xù)流二極管和降壓開關(guān)管，造成能量損耗并產(chǎn)生很強(qiáng)的傳導(dǎo)和輻射干擾。

1 電路構(gòu)成

圖2  簡化的電流準(zhǔn)連續(xù)控制原理圖

圖2是簡化的“電流準(zhǔn)連續(xù)”控制電路，主要工作波形如圖3所示。降壓開關(guān)VT1、續(xù)流二極管VD1及電感L1構(gòu)成典型的降壓電路。VD1中串聯(lián)了一個(gè)電流檢測(cè)電阻（0.1Ω），用來檢測(cè)續(xù)流電流。電感L1中增加了一個(gè)輔助繞組，用來得到過零信號(hào)。N1B（1/2個(gè)LM556）用來構(gòu)成一個(gè)單穩(wěn)態(tài)振蕩器，產(chǎn)生啟動(dòng)脈沖，同時(shí)也起到最低頻率限制的作用，防止降壓電路產(chǎn)生可聞噪聲。過零脈沖發(fā)生電路在檢測(cè)到L1的輔助繞組送來的過零信號(hào)時(shí)發(fā)出一個(gè)負(fù)脈沖，觸發(fā)N1A（另外1/2個(gè)LM556）輸出高電平，通過隔離變壓器驅(qū)動(dòng)VT1。放大器N2將VD1中的電流信號(hào)放大后加到N1A的2腳。下面詳述工作原理。

2 工作原理
上電后，單穩(wěn)振蕩器電路給出第一個(gè)脈沖，加到N1A的6腳（TRIGGER端），使N1A的5腳輸出高電平，驅(qū)動(dòng)VT1導(dǎo)通，開始第一個(gè)周期。電感輔助繞組輸出的電壓幅度正比于輸入電壓，通過VD2、R5對(duì)C3充電。C3上電壓達(dá)到N1的3腳電壓時(shí)，5腳變成低電平，結(jié)束VT1的開通過程，VD1開始續(xù)流。VD1中的電流信號(hào)經(jīng)過反向放大加到N1的2腳，從而保證2腳在二極管續(xù)流期間為高電平，5腳為低電平，防止下一次開通在續(xù)流結(jié)束之前到來。電流信號(hào)的加入起到了在續(xù)流期間封閉N1A的作用，即使有干擾信號(hào)使“過零觸發(fā)電路”誤動(dòng)作，也不會(huì)使5腳給出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。保證了電路的安全可靠。

續(xù)流接近結(jié)束，N1的2腳（THRESHOLD端）的電壓低于1/2控制電壓（N1的3腳電壓）。一旦有“過零”負(fù)脈沖來到N1的觸發(fā)端（6腳，TRIGGER端），則5腳輸出為高，VT1再次開通。這樣就實(shí)現(xiàn)了電感電流的準(zhǔn)連續(xù)模式。

在電路剛剛開始工作的時(shí)候，輸出電壓從零開始上升，輸出電壓比較低，二極管續(xù)流時(shí)間比較長，可能工作頻率會(huì)降低到可聞?lì)l率（<20kHz）。為了避免出現(xiàn)這種情況，設(shè)置了最低頻率限制電路，這個(gè)電路同時(shí)也是最初的啟動(dòng)電路。把最低頻率限制在20kHz以上，不等到續(xù)流結(jié)束VT1就再次開通，續(xù)流電流已經(jīng)下降到比較低，而且這種情況只在啟動(dòng)初期的幾十毫秒內(nèi)出現(xiàn)，一旦燈電壓上升到20V以上，就不再會(huì)出現(xiàn)這種情況。

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3 電感計(jì)算

圖3 主要工作波形

由于降壓電路工作在電流準(zhǔn)連續(xù)狀態(tài)，電流波形為過零的三角波（見圖3）。峰值電流由式（1）給出：
iPK=PO/VO×2               (1)
PO＝120W，VO＝100V，所以最大電感電流為2.4A。穩(wěn)態(tài)時(shí)，降壓開關(guān)開通期間的電流上升量與關(guān)斷期間的下降量相等，所以有：
Vi/L×TON=VO/L×Toff＝iPK   (2)
降壓開關(guān)最低工作頻率為20kHz，輸入電壓最低200V，根據(jù)式（2），關(guān)斷時(shí)間Toff=33μs，電感量L=1389μH，取1.4mH。

圖4 啟動(dòng)過程的續(xù)流二極管電流

HID燈恒功率控制
VT1開通期間，電感輔助繞組感應(yīng)電壓通過電阻R5對(duì)電容器C3充電。由于輔助繞組感應(yīng)電壓（Vf）比C3上的電壓高得多，所以充電電流約為Vf/R5。電容器上的電壓Vx由下式給出：
      (3)
當(dāng)Vx達(dá)到控制電壓VC時(shí)，開通結(jié)束，開通時(shí)間TON為
Ton=(VxC3R5)/Vf=C3R5NVc/(Vin-Vo)                         (4)
其中，N為電感主繞組與輔助繞組的變比。
主開關(guān)關(guān)斷時(shí)，續(xù)流電流經(jīng)過放大，加在LM556的2端，使它不能立即再開通，避免誤動(dòng)作。續(xù)流結(jié)束后，觸發(fā)電路使LM556立即再次開通。開關(guān)峰值電流為
Ipk=(Vin-Vo)*Ton/L           (5)
輸出電流平均值Iav為電感電流峰值的1/2，結(jié)合式（4）和（5），有：
Iav=1/2Ipk=C3R5NVc/2L      (6)
可見，理想情況下輸出電流與控制電壓成正比。

降壓DC/DC輸出平均電流實(shí)際上就是燈電流。HID燈的功率為Iav與DC/DC輸出電壓的乘積，P0=IavVo。根據(jù)式（6）可得：電路參數(shù)確定以后，單片機(jī)只要給出控制電壓，就給出了燈電流。因此，單片機(jī)不需要采樣脈動(dòng)的燈電流，只要采樣DC/DC輸出電壓（也即燈電壓），給出合適的控制電壓，就相當(dāng)于給定了輸出功率。而單片機(jī)也不需要進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，只要事先制作一張表格，采樣了燈電壓，就可查表得出對(duì)應(yīng)的控制電壓。實(shí)驗(yàn)證明這個(gè)方法簡單有效。在鎮(zhèn)流器的生產(chǎn)線上，也可以利用自動(dòng)測(cè)試設(shè)備得到每個(gè)鎮(zhèn)流器的傳輸特性曲線，生成表格，寫入單片機(jī)，從而給每個(gè)鎮(zhèn)流器量身訂做一個(gè)包含表格的控制程序，對(duì)于消除電路離散性十分有效。

諧振升壓點(diǎn)火電路
啟動(dòng)過程會(huì)影響燈的光效和壽命。根據(jù)HID燈的特點(diǎn)，燈管溫度低的時(shí)候，點(diǎn)火電壓大約需要3kV，而在點(diǎn)燈一段時(shí)間后，燈管溫度比較高，如果需要熄燈后再次點(diǎn)燈，則需要更高的電壓才能點(diǎn)火成功。這種情況下如果等待一段時(shí)間，比如1分鐘，使燈管溫度降低一些再點(diǎn)火，就比較容易成功。由于本電路輸出比較高的點(diǎn)火電壓，所以只需要等待比較短的時(shí)間。采取的策略是：每次點(diǎn)火時(shí)，單片機(jī)試探點(diǎn)火1.6s，如果不成功，則延時(shí)20s再點(diǎn)火1.6s，如此反復(fù)5次不成功就放棄，認(rèn)為燈管損壞或者燈管沒有安裝。需要注意的是，應(yīng)當(dāng)避免未裝燈的情況下啟動(dòng)鎮(zhèn)流器，此時(shí)點(diǎn)火電路輸出的高壓脈沖對(duì)點(diǎn)火變壓器的絕緣層構(gòu)成威脅。

圖5  點(diǎn)火電路及變壓器原邊點(diǎn)火脈沖電壓波形

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圖5是與點(diǎn)火相關(guān)的電路。點(diǎn)火期間，單片機(jī)給出的逆變橋驅(qū)動(dòng)頻率為62kHz，遠(yuǎn)高于正常工作的頻率，繼電器K1處于斷開狀態(tài)，C3、C4、L1、L2構(gòu)成諧振環(huán)路，在C4上產(chǎn)生約600V的交流高壓，經(jīng)過VD1、VD2、C1、C2倍壓整流，產(chǎn)生直流高壓擊穿VD3（800V放電管）。由于VD3的負(fù)阻抗特性，C1、C2中儲(chǔ)存的能量會(huì)以脈沖的形式釋放到點(diǎn)火變壓器T1的原邊，在副邊感應(yīng)出約8kV的脈沖電壓，使得燈管內(nèi)部擊穿電離。一旦點(diǎn)火成功，燈電阻立即下降，諧振條件被破壞，電路不再產(chǎn)生諧振高壓。

點(diǎn)火成功后燈電阻下降。由于前端DC/DC電路工作在限流狀態(tài)，因此點(diǎn)火成功的標(biāo)志是燈電壓比較低（<20V）。如果點(diǎn)火成功后立即改為低頻（90Hz）工作，由于燈阻抗比較低，容易出現(xiàn)過流的現(xiàn)象。降壓DC/DC電路在輸出電壓接近零的情況下不能很完美地實(shí)現(xiàn)恒流的功能。解決的辦法是，點(diǎn)火成功后繼電器K1并不立即閉合，在此后的100ms里，單片機(jī)給出的逆變頻率是20kHz，不滿足諧振條件，因而不會(huì)點(diǎn)火。在此頻率下，C3、L2與燈串聯(lián)，增加了負(fù)載阻抗，使得DC/DC電路不至于出現(xiàn)過流。這個(gè)階段可以稱為“維持電弧期”。燈電壓上升到20V以上之后，逆變頻率降低到90Hz，同時(shí)繼電器K1閉合，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。這樣的控制策略使得啟動(dòng)過程十分平順，不會(huì)出現(xiàn)電流沖擊，提高了鎮(zhèn)流器的可靠性，同時(shí)也有利于延長燈的壽命。
                        
控制程序流程

圖6  主程序流程及T0中斷服務(wù)程序

程序流程如圖6所示。程序首先判斷是否有開機(jī)命令，有則判斷輸入電壓是否高于200V，是就開始點(diǎn)火。點(diǎn)火期間逆變橋輸出62kHz激勵(lì)，主電路諧振，產(chǎn)生高壓擊穿氣體放電管，經(jīng)過T1給出高壓脈沖激勵(lì)燈管產(chǎn)生電弧。接下來程序控制逆變頻率為20kHz，用于維持電弧，等待燈電壓上升，然后控制逆變頻率為90Hz，進(jìn)入正常點(diǎn)燈狀態(tài)。單片機(jī)以中斷方式給出逆變器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，即每隔5.5ms中斷一次，在中斷服務(wù)程序中給出逆變器驅(qū)動(dòng)脈沖，執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換，查表求出當(dāng)前應(yīng)該給出的控制電壓，輸出到DAC。其中，A/D轉(zhuǎn)換程序采用了多次采樣求平均的做法，消除偶然的干擾。

HID燈從點(diǎn)火成功到穩(wěn)定工作需要一段時(shí)間。為了快速進(jìn)入到穩(wěn)定工作狀態(tài)，控制程序在點(diǎn)燈最初的90s里將激勵(lì)功率從額定值提高10%，90s預(yù)熱結(jié)束后返回到額定功率。另外，在逆變橋換流時(shí)間內(nèi)，單片機(jī)控制降壓DC/DC降低輸出電壓，降低了逆變橋MOSFET開關(guān)應(yīng)力。實(shí)現(xiàn)的方法是：在T0中斷服務(wù)程序即將給出逆變橋驅(qū)動(dòng)脈沖之前，將DC/DC控制電壓降低，在脈沖給出之后恢復(fù)。

結(jié)論
本文所討論的HID燈鎮(zhèn)流器采用電流準(zhǔn)連續(xù)DC/DC，既降低了開關(guān)應(yīng)力，增加了可靠性，又提高了效率。諧振點(diǎn)火電路能輸出高達(dá)8kV的點(diǎn)火電壓，可以在熄燈后快速再次點(diǎn)燈。單片機(jī)控制程序降低了逆變橋的開關(guān)應(yīng)力，而采用查表的方式實(shí)現(xiàn)恒功率控制，避免了復(fù)雜的計(jì)算，程序代碼短，穩(wěn)定可靠。