基于單片機的金鹵燈電子鎮流器研制

0 引 言
　　隨著科技的迅猛發展，世界自然資源也以同樣的迅猛速度消耗著，節能已經成為各國科研計劃中的重要項目。照明節能越來越引起人們的關注，并逐漸上升到保護資源和環境的高度。近年來，得益于電力電子學的發展，節能型電光源配套設備也得到了迅速發展。與傳統的電感鎮流器相比，電子鎮流器自身能耗大為降低，性能參數大大提高，體積和重量大大減小，使用壽命延長，并且改善了照明質量。
　　金鹵燈作為一種新型節能高強度放電燈，其顯色性好，光色接近于太陽光，而且發光效率高，廣泛應用于廣場、碼頭、車間等室內外照明中。因此，與其配套的電子鎮流器也成為近幾年研究的熱點。降低金鹵燈及電子鎮流器的成本，縮小其體積則成為研究的關鍵。

1 硬件電路設計
1．1 金鹵燈電子鎮流器技術指標
　　功率因數大于等95％；電流畸變系數小于等于10％；電流波峰系數小于等于1．7；使用壽命大于等于10 000 h；啟動時間小于等于1 min；有過壓、過流及異常狀態保護功能。

1．2 電子鎮流器的工作原理
　　該電子鎮流器的基本結構框圖如圖1所示，它主要由整流及功率因數校正電路、恒功率控制電路、高頻逆變電路、點火電路及控制電路幾部分構成。該電路的輸入為50／60 Hz，220 V的工頻交流電，在電源接通而燈未點燃時，經LC諧振電路諧振后能產生3 kV以上的高壓把燈點亮；而燈穩定工作以后，燈兩端電壓約為85 V，維持金鹵燈的正常點燃。

1．2．1 整流與功率因數校正電路
　　本電路的整流濾波是采用橋式整流電容濾波電路來實現的，通過EMI濾波器得到310 V的直流電壓送到APFC電路。而APFC是用功率因數控制芯片L6561完成的。其電路圖如圖2所示。
　　APFC的基本工作原理如下：主回路的輸出電壓Vo。和基準電壓VREF比較后，輸入給電壓誤差放大器EA，整流電壓檢測值VM1和誤差放大器的輸出電壓信號Verr共同加到乘法器M的輸入端，乘法器M的輸出作為電流反饋控制的基準信號。電流誤差放大器CA的輸出與電感零電流檢測器(ZCD)的輸出作為開關管VG驅動器的輸入信號，控制開關管的開通和關斷，保證電感電流的峰值跟蹤整流電壓，從而使輸入電流(電感電流的平均值)與輸入電壓的波形基本一致，提高輸入端功率因數，降低電流畸變程度。

1．2．2 恒功率控制電路
　　金鹵燈在使用壽命期間，燈電壓會隨著燈管的不斷老化而升高，而傳統的電感鎮流器具有恒流特性，導致燈功率不斷增大，從而加速燈管老化。本文采用了具有限流限壓功能的近似恒功率控制方案，具有成本低，性能穩定的特點，在電網電壓波動以及燈管老化等因素造成燈電壓變化時，均能自動實現恒功率輸出。其電路原理圖如圖3所示。
　　該電路可以將系統的功率因數λ提高到0．99以上，有效地抑制輸入電源電流iin的波形失真，達到GB15144所要求的低于L級畸變指數，確保HID燈管的電流波峰系數小于1．7。
　　在Buck電路輸入端串聯接入檢測電阻Rs，然后通過電阻R1進行濾波，得到平均電壓信號，從L2端檢測到燈的電壓信號，二者經過EA放大電壓信號，得到的輸出電壓作為反饋信號經過比較強輸入到PWM控制器，PWM控制器根據輸入的反饋電壓信號輸出一個控制信號Vf來控制Buck電路的開關S2的占空比。適當地選擇R1，R2，R3，就可以很好地控制輸出功率Po。

1．2．3 全橋逆變電路
　　鎮流器中的低頻方波輸出是通過全橋逆變電路來實現的，如圖4所示。全橋由4個MOSFET構成，在全橋控制器的控制下，兩對MOS管交替導通，在穩定工作情況下輸出400 Hz的方波。

1．2．4 啟動電路
　　由LC構成諧振啟動電路。在啟動前，燈相當于開路，L，C組成串聯諧振電路。點燈時，利用全橋輸出方波電壓正負跳變時的少量高頻分量，使L，C發生諧振，在C兩端產生高電壓將燈點燃。此啟動電路點火電壓的位置有利于燈啟動后電弧的穩定，而當燈工作于穩態時，點火電路對燈并無影響。

2 軟件設計
　　單片機主要完成燈啟動過程控制、穩態時的恒功率控制以及過壓欠壓和開路、短路等異常狀態保護。其主程序流程如圖5所示。

3 實驗結果
　　電路有關工作波形如圖6所示。

4 結 語
　　基于單片機控制的金鹵燈電子鎮流器，能自動完成故障檢測、高壓點火、異常狀態保護及穩態時的恒功率控制。所設計的電子鎮流器通過了高溫80℃、低溫-40℃、異常狀態保護及工作時間試驗。從研究結果可以看到，樣機開發是成功的，這無疑為數字控制電子鎮流器早日推向市場打下了良好的基礎。