STC单片机控制金卤灯电子镇流器的设计方案

引言
金属卤化物灯 （MHL） 作为高压气体放电灯 （HID） 的典型代表，以其高光效、高显色性、寿命长等优点而被称为最理想的光源之一。而作为一种气体放电灯，金卤灯具有负阻特性，所以必须使用镇流器来保证其稳定工作。目前相关行业领域中研究最为广泛的是电子式镇流器，与传统的电感式镇流器相比，电子式镇流器体积更小、重量更轻、效率更高且能有效消除工作噪音。制约电子式镇流器发展的主要问题在于其控制复杂。基于模拟器件的控制电路结构将十分繁杂，成本较高且稳定性不能得到保证。而由于单片机控制电路可以简化电子式镇流器的结构并显著提高其性能。本文介绍了一种基于 STC单片机控制的三级式恒功率金卤灯电子镇流器，详细分析了其控制策略并设计了相应的软件流程及硬件控制电路。
1 电子式镇流器的基本拓扑结构
目前相关领域已经提出了多种电子镇流器的控制思想，其共同点是寻求在保证金卤灯稳定工作的同时，避免声谐振现象的发生。声谐振现象是指 HID 灯在高频工作时出现电弧不稳定现象，其会严重影响灯具的照明效果，甚至可能导致灯具的损毁。为了避免声谐振，必须调节灯的工作频率以使其远离声谐振频带。实践表明，低频方波驱动金卤灯的方案是消除声谐振现象最有效的解决方法。
低频方波驱动金卤灯方案应用最为广泛的是三级式电子镇流器，其基本构成如图 1 所示。第一级功率因数校正电路 （ 即 APFC 电路 ） ，可在减小电流谐波，提高功率因数的同时，为其后的功率控制级电路提供恒定的直流母线电压。本设计采用 Boost 电路结构形式来提供较高的母线电压，以利于产生驱动金卤灯的高压点火脉冲。第二级功率控制电路为 Buck 电路，用于实现金卤灯的稳态控制，主要是指恒功率控制。所谓的恒功率控制就是保证金卤灯在正常工作时，输出功率保持不变。恒功率下金卤灯的光输出及相关色温指数均会十分稳定，不仅可以保证照明质量，同时也可以延长金卤灯的使用寿命。在稳态工作时， Buck 电路会将金卤灯工作电流调整为一稳定值，同时， APFC 电路会输出恒定直流母线电压，从而实现金卤灯的恒功率控制。第三级电路为全桥逆变电路，它可将 Buck 电路的输出电压逆变为低频方波来驱动 HID 灯，从而避免声谐振现象的发生。金卤灯的启动需要通过高压脉冲点火来实现，图 1 中的点火电路主要利用 LC 谐振的方式来产生高达数千伏的高压脉冲，从而完成金卤灯的启动。图 1 中的单片机控制与保护电路的功能主要是完成金卤灯的启动控制以及金卤灯稳定工作时的监测和保护，确保整个系统的正常运行。

2 金卤灯控制策略及软件程序流程
金卤灯的启动过程通常比较复杂，启动过程中的伏安特性曲线如图 2 所示。为了简化控制，设计时可采用分段匹配金卤灯负载特性的线性控制策略，即将启动过程及稳态运行整体分为高压触发、过渡阶段、恒功率运行三个阶段进行相应的控制，其控制策略的程序流程如图 3 所示。


在高压触发阶段， Buck 电路将保持较高的稳定空载输出电压，以利于点火电路产生高压脉冲去启动金卤灯。由于从系统上电到这个 Buck 空载输出电压的建立需要一段时间，因此，需要控制电路检测 Buck 输出电压以免过早点火，当检测到该电压低于一限定低电压值时，控制电路将认为电路故障，并命令系统进入待机状态；而当检测到其大于一设定高电压值时，则由单片机控制全桥输出低频方波，对金卤灯进行点火。
由金卤灯特性曲线可知其点火成功后会进入一个过渡阶段。过渡阶段可分为两个阶段，第一个阶段为低压维持阶段，灯两端电压会骤降并维持在一个较低的水平；而在第二个阶段，灯两端电压开始逐渐升高直至其稳态工作电压。所以，开始产生全桥驱动信号后，控制电路将继续检测 Buck 输出电压，并当检测到该电压小于某一设定值时，认为金卤灯点火成功，镇流器可通过改变全桥工作频率来减少其输出电压中的脉冲尖峰干扰。当控制电路检测到 Buck 输出电压开始上升至相应设定值时，系统将再次设定全桥工作频率为稳定工作频率。
金卤灯两端电压上升并稳定至其稳态工作电压时，电路即进入恒功率运行阶段。在这个阶段，控制电路将对系统性能参数进行检测以保证装置的稳定运行，这主要是对系统温度以及 Buck 输出电压两个参数进行检测。控制电路通过热敏电阻来检测系统温度，若温度过高，则单片机控制镇流器将停止工作；只有当系统温度再次低于一定温度时，装置才重新恢复工作。同样，控制电路在稳态运行时它将始终保持对 Buck 输出电压的检测，若该电压发生异常，则使装置停止工作并等待检查。
工作中若出现没有接金卤灯或者灯坏等情况，系统会出现不停的点火。另外，当金卤灯过热时，其启动需求电压会从原来的 3 ～ 5 千伏升至两万多伏，此时镇流器输出的高压脉冲不足以点亮金卤灯，也会出现不断点火的现象。长时间过高的电压脉冲对电子镇流器和灯都有危险。为了保证电路安全，必须避免这种情况的发生。因此，若点火不成功的话，可判断电子镇流器开路、灯出现故障或者灯管过热。若是灯管过热，则可延迟一段时间后，等到灯管冷却下来再进行下一轮的点火，如此点火预定次数后，若点火仍不成功，则可判断电子镇流器处于开路状态或灯出现故障，此时便可通过单片机发出控制信号使电子镇流器停止工作以等待维修。
3 硬件控制电路设计
由前面电子镇流器控制策略的分析以及控制流程图所给出的硬件控制电路功能框图如图 4 所示，控制芯片选用宏晶 STC 12C 5410AD 单片机来实现信号检测与电路控制功能。

STC 12C 5410AD 单片机采用 +5 V 电源，本设计中利用 Boost APFC 级功率电路中电感的副边辅助绕组来提供单片机的芯片供电电压。当镇流器控制电路检测到系统运行故障时，它会进入待机状态。控制电路对镇流器运行参数的检测是将其转化为电压采样信号后通过 STC 12C 5410AD 单片机内部 A ／ D 模块进行 A ／ D 转换后再进行处理。 STC 12C 5410AD 单片机有 8 路 10 位高速 A ／ D 转换通道，速度均可达到 100 kHz（10 万次／秒 ） ，完全可满足镇流器的时序控制要求。本设计中，镇流器运行参数的检测主要是对工作环境温度与 Buck 输出电压的检测，环境温度检测信号通过热敏电阻分压获得， Buck 输出电压检测信号也可通过恒值电阻分压获得。另外，由于 STC 12C 5410AD 单片机进行 A ／ D 转换时的参考基准电压为其芯片供电电压，所以，为了避免供电电压产生波动对系统造成影响，必须在 A ／ D 转换前对供电电压进行检测，以使 A ／ D 转换器的转换结果与实际信号电压值相一致。
设计中的全桥电路采用两个半桥驱动芯片?IR2103 来为全桥逆变电路中的四个 MOSFET 提供两路互补方波驱动信号。 IR2103 为高压高速大功率 MOS 管及 IGBT 驱动器，它拥有独立的高、低参考电平输出通道，驱动设计逻辑十分简单，易于软件程序流程设计，十分适用于低成本的电子镇流器。每一片 IR2103 可分别驱动全桥的一对上、下桥臂，其半桥驱动电路结构如图 5 所示。 IR2103 所需的 PWM 控制信号可由 STC 12C 5410AD 单片机提供。

4 实验结果及分析
根据以上的分析，笔者研制了一种 70 W 三级式恒功率金卤灯电子镇流器，并对其进行了测试以验证其性能。该电子镇流器的设计要求如下：
输入范围： 170 ～ 250 VAC ／ 50 Hz ，工作电压变化之下，输出电压变化小于± 2 ％；
功率因数 PF》0.95 ；
电流总谐波 （THD） 值 《15 ％；
输出功率： 70 ～ 76 W 。
通过采用 FLUKFA34 龟能质量分析仪对该镇流器 （ 进入稳态时 ） 的输入端进行测量，所得到的输入电压为 220 V（AC） ，有功功率为 0.07 kW ，无功功率为 0.01 kVA ，视在功率为 0.07KVAR ，功率因数 PF 为 0.98 ，电流总谐波畸变 THD 为 11.1 ％。当交流输入电压在 170VAC ～ 250VAC 之间变化时，经作者测试，该金卤灯的工作电压基本不变，可满足设计要求。
5 结束语
本文介绍了一种基于单片机控制的恒功率金卤灯电子镇流器的设计方案，分析了其硬件结构及软件程序流程，并依此研制了 70 W 电子镇流器样品。测试结果显示：这种镇流器能够安全有效地驱动金卤灯，且成本较低，可靠性高，有着较好的市场前景.