基于单片机的金卤灯电子镇流器研制

0 引 言
    随着科技的迅猛发展，世界自然资源也以同样的迅猛速度消耗着，节能已经成为各国科研计划中的重要项目。照明节能越来越引起人们的关注，并逐渐上升到保护资源和环境的高度。近年来，得益于电力电子学的发展，节能型电光源配套设备也得到了迅速发展。与传统的电感镇流器相比，电子镇流器自身能耗大为降低，性能参数大大提高，体积和重量大大减小，使用寿命延长，并且改善了照明质量。
    金卤灯作为一种新型节能高强度放电灯，其显色性好，光色接近于太阳光，而且发光效率高，广泛应用于广场、码头、车间等室内外照明中。因此，与其配套的电子镇流器也成为近几年研究的热点。降低金卤灯及电子镇流器的成本，缩小其体积则成为研究的关键。

1 硬件电路设计
1．1 金卤灯电子镇流器技术指标
    功率因数大于等95％；电流畸变系数小于等于10％；电流波峰系数小于等于1．7；使用寿命大于等于10 000 h；启动时间小于等于1 min；有过压、过流及异常状态保护功能。
1．2 电子镇流器的工作原理
    该电子镇流器的基本结构框图如图1所示，它主要由整流及功率因数校正电路、恒功率控制电路、高频逆变电路、点火电路及控制电路几部分构成。该电路的输入为50／60 Hz，220 V的工频交流电，在电源接通而灯未点燃时，经LC谐振电路谐振后能产生3 kV以上的高压把灯点亮；而灯稳定工作以后，灯两端电压约为85 V，维持金卤灯的正常点燃。

1．2．1 整流与功率因数校正电路
    本电路的整流滤波是采用桥式整流电容滤波电路来实现的，通过EMI滤波器得到310 V的直流电压送到APFC电路。而APFC是用功率因数控制芯片L6561完成的。其电路图如图2所示。

    APFC的基本工作原理如下：主回路的输出电压Vo。和基准电压VREF比较后，输入给电压误差放大器EA，整流电压检测值VM1和误差放大器的输出电压信号Verr共同加到乘法器M的输入端，乘法器M的输出作为电流反馈控制的基准信号。电流误差放大器CA的输出与电感零电流检测器(ZCD)的输出作为开关管VG驱动器的输入信号，控制开关管的开通和关断，保证电感电流的峰值跟踪整流电压，从而使输入电流(电感电流的平均值)与输入电压的波形基本一致，提高输入端功率因数，降低电流畸变程度。
1．2．2 恒功率控制电路
    金卤灯在使用寿命期间，灯电压会随着灯管的不断老化而升高，而传统的电感镇流器具有恒流特性，导致灯功率不断增大，从而加速灯管老化。本文采用了具有限流限压功能的近似恒功率控制方案，具有成本低，性能稳定的特点，在电网电压波动以及灯管老化等因素造成灯电压变化时，均能自动实现恒功率输出。其电路原理图如图3所示。

    该电路可以将系统的功率因数λ提高到0．99以上，有效地抑制输入电源电流iin的波形失真，达到GB15144所要求的低于L级畸变指数，确保HID灯管的电流波峰系数小于1．7。
    在Buck电路输入端串联接入检测电阻Rs，然后通过电阻R1进行滤波，得到平均电压信号，从L2端检测到灯的电压信号，二者经过EA放大电压信号，得到的输出电压作为反馈信号经过比较强输入到PWM控制器，PWM控制器根据输入的反馈电压信号输出一个控制信号Vf来控制Buck电路的开关S2的占空比。适当地选择R1，R2，R3，就可以很好地控制输出功率Po。
1．2．3 全桥逆变电路
    镇流器中的低频方波输出是通过全桥逆变电路来实现的，如图4所示。全桥由4个MOSFET构成，在全桥控制器的控制下，两对MOS管交替导通，在稳定工作情况下输出400 Hz的方波。

1．2．4 启动电路
    由LC构成谐振启动电路。在启动前，灯相当于开路，L，C组成串联谐振电路。点灯时，利用全桥输出方波电压正负跳变时的少量高频分量，使L，C发生谐振，在C两端产生高电压将灯点燃。此启动电路点火电压的位置有利于灯启动后电弧的稳定，而当灯工作于稳态时，点火电路对灯并无影响。

2 软件设计
    单片机主要完成灯启动过程控制、稳态时的恒功率控制以及过压欠压和开路、短路等异常状态保护。其主程序流程如图5所示。

3 实验结果
    电路有关工作波形如图6所示。

4 结 语
    基于单片机控制的金卤灯电子镇流器，能自动完成故障检测、高压点火、异常状态保护及稳态时的恒功率控制。所设计的电子镇流器通过了高温80℃、低温-40℃、异常状态保护及工作时间试验。从研究结果可以看到，样机开发是成功的，这无疑为数字控制电子镇流器早日推向市场打下了良好的基础。