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电阻网络来实现，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（0.1Ω），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=33μs，电感量L=1389μH，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，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。