做和120W高可靠HID灯电子镇流器

120W高可靠HID灯电子镇流器

高强度放电（HID）灯以其光效高、寿命长、体积小、控光性强、显色性好、光利用率高等特点，已成为近代照明的主流产品之一。HID灯正从特殊用途，如投影仪、汽车头灯等，向通用领域扩展。由于HID灯的特性，其镇流器也比较复杂。首先，HID灯需要数千伏的高压脉冲来点火，因此要专门设计点火电路。另外，HID灯在高频电源供电情况下极易产生声谐振现象，对外表现为光强不稳、电弧闪烁、扭曲等。此时可出现灯电压和电流起伏，并伴随有与激励源同频率的声波，严重时可能熄弧，甚至造成灯管损坏，所以还需要采用专门的抑制 声共振 的电路。

镇流器基本结构

本文介绍的HID灯镇流器内部结构如图1所示。220V交流电经过整流、滤波，送到降压开关电路。驱动脉冲发生器检测电感的电流过零信号，驱动降压开关工作在电流准连续状态。在此模式下，降压开关每次开通的电流都从零开始上升，所以是零电流开通，有效地减小了开关噪声。在开关管关断期间，续流二极管的电流已经降低到零，所以没有反向恢复问题，减小了反向恢复损耗。全桥驱动电路采用Philips公司的UBA2030T。该全桥驱动电路采用24脚封装，集成了自举电路，能直接驱动高压端N沟道MOSFET，使用比较方便。由单片机来的驱动信号经过电平转换送到UBA2030T，可以方便地改变输出频率。

图1 HID灯镇流器框图

谐振点火电路是这样工作的：在点火期间，单片机控制继电器，使一个附加的谐振LC接入主电路，同时驱动逆变器输出与谐振频率相同的激励，使主电路谐振，产生交流高压，再经过倍压整流产生约800V直流电压，击穿放电管实现点火。单片机采用Microchip公司的PIC16F73，内部带8位A/D转换器，D/A转换器则有单片的PORTC口加R-2R电阻络来实现，成本低廉。

降压DC/DC工作在电流准连续状态

电流准连续状态下，降压开关每次都是零电流开通，而且续流二极管也结束续流，不会有反向恢复电流。在输入电压比较高（300V直流）的情况下，如果续流二极管没有结束续流，降压开关就再次开通，会有一个峰值很大的 反向恢复 电流流过续流二极管和降压开关管，造成能量损耗并产生很强的传导和辐射干扰。

1 电路构成

图2 简化的电流准连续控制原理图

图2是简化的 电流准连续 控制电路，主要工作波形如图3所示。降压开关VT1、续流二极管VD1及电感L1构成典型的降压电路。VD1中串联了一个电流检测电阻（0.1 ），用来检测续流电流。电感L1中增加了一个辅助绕组，用来得到过零信号。N1B（1/2个LM556）用来构成一个单稳态振荡器，产生启动脉冲，同时也起到最低频率限制的作用，防止降压电路产生可闻噪声。过零脉冲发生电路在检测到L1的辅助绕组送来的过零信号时发出一个负脉冲，触发N1A（另外1/2个LM556）输出高电平，通过隔离变压器驱动VT1。放大器N2将VD1中的电流信号放大后加到N1A的2脚。下面详述工作原理。

2 工作原理

上电后，单稳振荡器电路给出第一个脉冲，加到N1A的6脚（TRIGGER端），使N1A的5脚输出高电平，驱动VT1导通，开始第一个周期。电感辅助绕组输出的电压幅度正比于输入电压，通过VD2、R5对C3充电。C3上电压达到N1的3脚电压时，5脚变成低电平，结束VT1的开通过程，VD1开始续流。VD1中的电流信号经过反向放大加到N1的2脚，从而保证2脚在二极管续流期间为高电平，5脚为低电平，防止下一次开通在续流结束之前到来。电流信号的加入起到了在续流期间封闭N1A的作用，即使有干扰信号使 过零触发电路 误动作，也不会使5脚给出驱动信号。保证了电路的安全可靠。

续流接近结束，N1的2脚（THRESHOLD端）的电压低于1/2控制电压（N1的3脚电压）。一旦有 过零 负脉冲来到N1的触发端（6脚，TRIGGER端），则5脚输出为高，VT1再次开通。这样就实现了电感电流的准连续模式。

在电路刚刚开始工作的时候，输出电压从零开始上升，输出电压比较低，二极管续流时间比较长，可能工作频率会降低到可闻频率（ 20kHz）。为了避免出现这种情况，设置了最低频率限制电路，这个电路同时也是最初的启动电路。把最低频率限制在20kHz以上，不等到续流结束VT1就再次开通，续流电流已经下降到比较低，而且这种情况只在启动初期的几十毫秒内出现，一旦灯电压上升到20V以上，就不再会出现这种情况。

3 电感计算

图3 主要工作波形

由于降压电路工作在电流准连续状态，电流波形为过零的三角波（见图3）。峰值电流由式（1）给出：

iPK=PO/VO 2 (1)

PO＝120W，VO＝100V，所以最大电感电流为2.4A。稳态时，降压开关开通期间的电流上升量与关断期间的下降量相等，所以有：

Vi/L TON=VO/L Toff＝iPK (2)

降压开关最低工作频率为20kHz，输入电压最低200V，根据式（2），关断时间Toff=33 s，电感量L=1389 H，取1.4mH。

图4 启动过程的续流二极管电流

HID灯恒功率控制

VT1开通期间，电感辅助绕组感应电压通过电阻R5对电容器C3充电。由于辅助绕组感应电压（Vf）比C3上的电压高得多，所以充电电流约为Vf/R5。电容器上的电压Vx由下式给出：

(3)

当Vx达到控制电压VC时，开通结束，开通时间TON为

Ton=(VxC3R5)/Vf=C3R5NVc/(Vin-Vo) (4)

其中，N为电感主绕组与辅助绕组的变比。

主开关关断时，续流电流经过放大，加在LM556的2端，使它不能立即再开通，避免误动作。续流结束后，触发电路使LM556立即再次开通。开关峰值电流为

Ipk=(Vin-Vo)*Ton/L (5)

输出电流平均值Iav为电感电流电子万能实验机与液压万能实验机均属于资料力学检测仪器峰值的1/2，结合式（4）和（5），有：

Iav=1/2Ipk=C3R5NVc/2L (6)

可见，理想情况下输出电流与控制电压成正比。

降压DC/DC输出平均电流实际上就是灯电流。HID灯的功率为Iav与DC/DC输出电压的乘积，P0=IavVo。根据式（6）可得：电路参数确定以后，单片机只要给出控制电压，就给出了灯电流。因此，单片机不需要采样脉动的灯电流，只要采样DC/DC输出电压（也即灯电压），给出合适的控制电压，就相当于给定了输出功率。而单片机也不需要进行复杂的计算，只要事先制作一张表格，采样了灯电压（例如：塑料薄膜、纤维丝等试样的夹具夹持面,）拉力实验机夹具体1般采取优良中碳钢、合金结构钢，就可查表得出对应的控制电压。实验证明这个方法简单有效。在镇流器的生产线上，也可以利用自动测试设备得到每个镇流器的传输特性曲线，生成表格，写入单片机，从而给每个镇流器量身订做一个包含表格的控制程序，对于消除电路离散性十分有效。

谐振升压点火电路

启动过程会影响灯的光效和寿命。根据HID灯的特点，灯管温度低的时候，点火电压大约需要3kV，而在点灯一段时间后，灯管温度比较高，如果需要熄灯后再次点灯，则需要更高的电压才能点火成功。这种情况下如果等待一段时间，比如1分钟，使灯管温度降低一些再点火，就比较容易成功。由于本电路输出比较高的点火电压，所以只需要等待比较短的时间。采取的策略是：每次点火时，单片机试探点火1.6s，如果不成功，则延时20s再点火1.6s，如此反复5次不成功就放弃，认为灯管损坏或者灯管没有安装。需要注意的是，应当避免未装灯的情况下启动镇流器，此时点火电路输出的高压脉冲对点火变压器的绝缘层构成威胁。

图5 点火电路及变压器原边点火脉冲电压波形

图5是与点火相关的电路。点火期间，单片机给出的逆变桥驱动频率为62kHz，远高于正常工作的频率，继电器K1处于断开状态，C3、C4、L1、L2构成谐振环路，在C4上产生约600V的交流高压，经过VD1、VD2、C1、C2倍压整流，产生直流高压击穿VD3（800V放电管）。由于VD3的负阻抗特性，C1、C2中储存的能量会以脉冲的形式释放到点火变压器T1的原边，在副边感应出约8kV的脉冲电压，使得灯管内部击穿电离。一旦点火成功，灯电阻立即下降，谐振条件被破坏，电路不再产生谐振高压。

点火成功后灯电阻下降。由于前端DC/DC电路工作在限流状态，因此点火成功的标志是灯电压比较低（ 20V）。如果点火成功后立即改为低频（90Hz）工作，由于灯阻抗比较低，容易出现过流的现象。降压DC/DC电路在输出电压接近零的情况下不能很完美地实现恒流的功能。解决的办法是，点火成功后继电器K1并不立即闭合，在此后的100ms里，单片机给出的逆变频率是20kHz，不满足谐振条件，因而不会点火。在此频率下，C3、L2与灯串联，增加了负载阻抗，使得DC/DC电路不至于出现过流。这个阶段可以称为 维持电弧期 。灯电压上升到20V以上之后，逆变频率降低到90Hz，同时继电器K1闭合，进入正常工作状态。这样的控制策略使得启动过程十分平顺，不会出现电流冲击，提高了镇流器的可靠性，同时也有利于延长通过选用不同类型、不同浓度的电解液灯的寿命。

控制程序流程

图6 主程序流程及T0中断服务程序

程序流程如图6所示。程序首先判断是否有开机命令，有则判断输入电压是否高于200V，是就开始点火。点火期间逆变桥输出62kHz激励，主电路谐振，产生高压击穿气体放电管，经过T1给出高压脉冲激励灯管产生电弧。接下来程序控制逆变频率为20kHz，用于维持电弧，等待灯电压上升，然后控制逆变频率为90Hz，进入正常点灯状态。单片机以中断方式给出逆变器驱动该公司两年前就开始生产PET预成型模信号，即每隔5.5ms中断一次，在中断服务程序中给出逆变器驱动脉冲，执行A/D转换，查表求出当前应该给出的控制电压，输出到DAC。其中，A/D转换程序采用了多次采样求平均的做法，消除偶然的干扰。

HID灯从点火成功到稳定工作需要一段时间。为了快速进入到稳定工作状态，控制程序在点灯最初的90s里将激励功率从额定值提高10%，90s预热结束后返回到额定功率。另外，在逆变桥换流时间内，单片机控制降压DC/DC降低输出电压，降低了逆变桥MOSFET开关应力。实现的方法是：在T0中断服务程序即将给出逆变桥驱动脉冲之前，将DC/DC控制电压降低，在脉冲给出之后恢复。

结论

本文所讨论的HID灯镇流器采用电流准连续DC/DC，既降低了开关应力，增加了可靠性，又提高了效率。谐振点火电路能输出高达8kV的点火电压，可以在熄灯后快速再次点灯。单片机控制程序降低了逆变桥的开关应力，而采用查表的方式实现恒功率控制，避免了复杂的计算，程序代码短，稳定可靠。