0 引言
金屬鹵化物燈 （MHL） 作為高壓氣體放電燈 （HID） 的典型代表，以其高光效、高顯色性、壽命長等優點而被稱為最理想的光源之一。而作為一種氣體放電燈，金鹵燈具有負阻特性，所以必須使用鎮流器來保證其穩定工作。目前相關行業領域中研究最為廣泛的是電子式鎮流器，與傳統的電感式鎮流器相比，電子式鎮流器體積更小、重量更輕、效率更高且能有效消除工作噪音。制約電子式鎮流器發展的主要問題在于其控制復雜。基于模擬器件的控制電路結構將十分繁雜，成本較高且穩定性不能得到保證。而由于單片機控制電路可以簡化電子式鎮流器的結構并顯著提高其性能。本文介紹了一種基于 STC 單片機控制的三級式恒功率金鹵燈電子鎮流器，詳細分析了其控制策略并設計了相應的軟件流程及硬件控制電路。
1 電子式鎮流器的基本拓撲結構
目前相關領域已經提出了多種電子鎮流器的控制思想，其共同點是尋求在保證金鹵燈穩定工作的同時，避免聲諧振現象的發生。聲諧振現象是指 HID 燈在高頻工作時出現電弧不穩定現象，其會嚴重影響燈具的照明效果，甚至可能導致燈具的損毀。為了避免聲諧振，必須調節燈的工作頻率以使其遠離聲諧振頻帶。實踐表明，低頻方波驅動金鹵燈的方案是消除聲諧振現象最有效的解決方法。
低頻方波驅動金鹵燈方案應用最為廣泛的是三級式電子鎮流器，其基本構成如圖 1 所示。第一級功率因數校正電路 （ 即 APFC 電路 ） ，可在減小電流諧波，提高功率因數的同時，為其后的功率控制級電路提供恒定的直流母線電壓。本設計采用 Boost 電路結構形式來提供較高的母線電壓，以利于產生驅動金鹵燈的高壓點火脈沖。第二級功率控制電路為 Buck 電路，用于實現金鹵燈的穩態控制，主要是指恒功率控制。所謂的恒功率控制就是保證金鹵燈在正常工作時，輸出功率保持不變。恒功率下金鹵燈的光輸出及相關色溫指數均會十分穩定，不僅可以保證照明質量，同時也可以延長金鹵燈的使用壽命。在穩態工作時， Buck 電路會將金鹵燈工作電流調整為一穩定值，同時， APFC 電路會輸出恒定直流母線電壓，從而實現金鹵燈的恒功率控制。第三級電路為全橋逆變電路，它可將 Buck 電路的輸出電壓逆變為低頻方波來驅動 HID 燈，從而避免聲諧振現象的發生。金鹵燈的啟動需要通過高壓脈沖點火來實現，圖 1 中的點火電路主要利用 LC 諧振的方式來產生高達數千伏的高壓脈沖，從而完成金鹵燈的啟動。圖 1 中的單片機控制與保護電路的功能主要是完成金鹵燈的啟動控制以及金鹵燈穩定工作時的監測和保護，確保整個系統的正常運行。
2 金鹵燈控制策略及軟件程序流程
金鹵燈的啟動過程通常比較復雜，啟動過程中的伏安特性曲線如圖 2 所示。為了簡化控制，設計時可采用分段匹配金鹵燈負載特性的線性控制策略，即將啟動過程及穩態運行整體分為高壓觸發、過渡階段、恒功率運行三個階段進行相應的控制，其控制策略的程序流程如圖 3 所示。
在高壓觸發階段， Buck 電路將保持較高的穩定空載輸出電壓，以利于點火電路產生高壓脈沖去啟動金鹵燈。由于從系統上電到這個 Buck 空載輸出電壓的建立需要一段時間，因此，需要控制電路檢測 Buck 輸出電壓以免過早點火，當檢測到該電壓低于一限定低電壓值時，控制電路將認為電路故障，并命令系統進入待機狀態；而當檢測到其大于一設定高電壓值時，則由單片機控制全橋輸出低頻方波，對金鹵燈進行點火。
由金鹵燈特性曲線可知其點火成功后會進入一個過渡階段。過渡階段可分為兩個階段，第一個階段為低壓維持階段，燈兩端電壓會驟降并維持在一個較低的水平；而在第二個階段，燈兩端電壓開始逐漸升高直至其穩態工作電壓。所以，開始產生全橋驅動信號后，控制電路將繼續檢測 Buck 輸出電壓，并當檢測到該電壓小于某一設定值時，認為金鹵燈點火成功，鎮流器可通過改變全橋工作頻率來減少其輸出電壓中的脈沖尖峰干擾。當控制電路檢測到 Buck 輸出電壓開始上升至相應設定值時，系統將再次設定全橋工作頻率為穩定工作頻率。
金鹵燈兩端電壓上升并穩定至其穩態工作電壓時，電路即進入恒功率運行階段。在這個階段，控制電路將對系統性能參數進行檢測以保證裝置的穩定運行，這主要是對系統溫度以及 Buck 輸出電壓兩個參數進行檢測。控制電路通過熱敏電阻來檢測系統溫度，若溫度過高，則單片機控制鎮流器將停止工作；只有當系統溫度再次低于一定溫度時，裝置才重新恢復工作。同樣，控制電路在穩態運行時它將始終保持對 Buck 輸出電壓的檢測，若該電壓發生異常，則使裝置停止工作并等待檢查。
工作中若出現沒有接金鹵燈或者燈壞等情況，系統會出現不停的點火。另外，當金鹵燈過熱時，其啟動需求電壓會從原來的 3 ～ 5 千伏升至兩萬多伏，此時鎮流器輸出的高壓脈沖不足以點亮金鹵燈，也會出現不斷點火的現象。長時間過高的電壓脈沖對電子鎮流器和燈都有危險。為了保證電路安全，必須避免這種情況的發生。因此，若點火不成功的話，可判斷電子鎮流器開路、燈出現故障或者燈管過熱。若是燈管過熱，則可延遲一段時間后，等到燈管冷卻下來再進行下一輪的點火，如此點火預定次數后，若點火仍不成功，則可判斷電子鎮流器處于開路狀態或燈出現故障，此時便可通過單片機發出控制信號使電子鎮流器停止工作以等待維修。
0 引言
金屬鹵化物燈 （MHL） 作為高壓氣體放電燈 （HID） 的典型代表，以其高光效、高顯色性、壽命長等優點而被稱為最理想的光源之一。而作為一種氣體放電燈，金鹵燈具有負阻特性，所以必須使用鎮流器來保證其穩定工作。目前相關行業領域中研究最為廣泛的是電子式鎮流器，與傳統的電感式鎮流器相比，電子式鎮流器體積更小、重量更輕、效率更高且能有效消除工作噪音。制約電子式鎮流器發展的主要問題在于其控制復雜。基于模擬器件的控制電路結構將十分繁雜，成本較高且穩定性不能得到保證。而由于單片機控制電路可以簡化電子式鎮流器的結構并顯著提高其性能。本文介紹了一種基于 STC 單片機控制的三級式恒功率金鹵燈電子鎮流器，詳細分析了其控制策略并設計了相應的軟件流程及硬件控制電路。
1 電子式鎮流器的基本拓撲結構
目前相關領域已經提出了多種電子鎮流器的控制思想，其共同點是尋求在保證金鹵燈穩定工作的同時，避免聲諧振現象的發生。聲諧振現象是指 HID 燈在高頻工作時出現電弧不穩定現象，其會嚴重影響燈具的照明效果，甚至可能導致燈具的損毀。為了避免聲諧振，必須調節燈的工作頻率以使其遠離聲諧振頻帶。實踐表明，低頻方波驅動金鹵燈的方案是消除聲諧振現象最有效的解決方法。
低頻方波驅動金鹵燈方案應用最為廣泛的是三級式電子鎮流器，其基本構成如圖 1 所示。第一級功率因數校正電路 （ 即 APFC 電路 ） ，可在減小電流諧波，提高功率因數的同時，為其后的功率控制級電路提供恒定的直流母線電壓。本設計采用 Boost 電路結構形式來提供較高的母線電壓，以利于產生驅動金鹵燈的高壓點火脈沖。第二級功率控制電路為 Buck 電路，用于實現金鹵燈的穩態控制，主要是指恒功率控制。所謂的恒功率控制就是保證金鹵燈在正常工作時，輸出功率保持不變。恒功率下金鹵燈的光輸出及相關色溫指數均會十分穩定，不僅可以保證照明質量，同時也可以延長金鹵燈的使用壽命。在穩態工作時， Buck 電路會將金鹵燈工作電流調整為一穩定值，同時， APFC 電路會輸出恒定直流母線電壓，從而實現金鹵燈的恒功率控制。第三級電路為全橋逆變電路，它可將 Buck 電路的輸出電壓逆變為低頻方波來驅動 HID 燈，從而避免聲諧振現象的發生。金鹵燈的啟動需要通過高壓脈沖點火來實現，圖 1 中的點火電路主要利用 LC 諧振的方式來產生高達數千伏的高壓脈沖，從而完成金鹵燈的啟動。圖 1 中的單片機控制與保護電路的功能主要是完成金鹵燈的啟動控制以及金鹵燈穩定工作時的監測和保護，確保整個系統的正常運行。
2 金鹵燈控制策略及軟件程序流程
金鹵燈的啟動過程通常比較復雜，啟動過程中的伏安特性曲線如圖 2 所示。為了簡化控制，設計時可采用分段匹配金鹵燈負載特性的線性控制策略，即將啟動過程及穩態運行整體分為高壓觸發、過渡階段、恒功率運行三個階段進行相應的控制，其控制策略的程序流程如圖 3 所示。
在高壓觸發階段， Buck 電路將保持較高的穩定空載輸出電壓，以利于點火電路產生高壓脈沖去啟動金鹵燈。由于從系統上電到這個 Buck 空載輸出電壓的建立需要一段時間，因此，需要控制電路檢測 Buck 輸出電壓以免過早點火，當檢測到該電壓低于一限定低電壓值時，控制電路將認為電路故障，并命令系統進入待機狀態；而當檢測到其大于一設定高電壓值時，則由單片機控制全橋輸出低頻方波，對金鹵燈進行點火。
由金鹵燈特性曲線可知其點火成功后會進入一個過渡階段。過渡階段可分為兩個階段，第一個階段為低壓維持階段，燈兩端電壓會驟降并維持在一個較低的水平；而在第二個階段，燈兩端電壓開始逐漸升高直至其穩態工作電壓。所以，開始產生全橋驅動信號后，控制電路將繼續檢測 Buck 輸出電壓，并當檢測到該電壓小于某一設定值時，認為金鹵燈點火成功，鎮流器可通過改變全橋工作頻率來減少其輸出電壓中的脈沖尖峰干擾。當控制電路檢測到 Buck 輸出電壓開始上升至相應設定值時，系統將再次設定全橋工作頻率為穩定工作頻率。
金鹵燈兩端電壓上升并穩定至其穩態工作電壓時，電路即進入恒功率運行階段。在這個階段，控制電路將對系統性能參數進行檢測以保證裝置的穩定運行，這主要是對系統溫度以及 Buck 輸出電壓兩個參數進行檢測。控制電路通過熱敏電阻來檢測系統溫度，若溫度過高，則單片機控制鎮流器將停止工作；只有當系統溫度再次低于一定溫度時，裝置才重新恢復工作。同樣，控制電路在穩態運行時它將始終保持對 Buck 輸出電壓的檢測，若該電壓發生異常，則使裝置停止工作并等待檢查。
工作中若出現沒有接金鹵燈或者燈壞等情況，系統會出現不停的點火。另外，當金鹵燈過熱時，其啟動需求電壓會從原來的 3 ～ 5 千伏升至兩萬多伏，此時鎮流器輸出的高壓脈沖不足以點亮金鹵燈，也會出現不斷點火的現象。長時間過高的電壓脈沖對電子鎮流器和燈都有危險。為了保證電路安全，必須避免這種情況的發生。因此，若點火不成功的話，可判斷電子鎮流器開路、燈出現故障或者燈管過熱。若是燈管過熱，則可延遲一段時間后，等到燈管冷卻下來再進行下一輪的點火，如此點火預定次數后，若點火仍不成功，則可判斷電子鎮流器處于開路狀態或燈出現故障，此時便可通過單片機發出控制信號使電子鎮流器停止工作以等待維修。
3 硬件控制電路設計
由前面電子鎮流器控制策略的分析以及控制流程圖所給出的硬件控制電路功能框圖如圖 4 所示，控制芯片選用宏晶 STC 12C 5410AD 單片機來實現信號檢測與電路控制功能。
STC 12C 5410AD 單片機采用 +5 V 電源，本設計中利用 Boost APFC 級功率電路中電感的副邊輔助繞組來提供單片機的芯片供電電壓。當鎮流器控制電路檢測到系統運行故障時，它會進入待機狀態。控制電路對鎮流器運行參數的檢測是將其轉化為電壓采樣信號后通過 STC 12C 5410AD 單片機內部 A ／ D 模塊進行 A ／ D 轉換后再進行處理。 STC 12C 5410AD 單片機有 8 路 10 位高速 A ／ D 轉換通道，速度均可達到 100 kHz（10 萬次／秒 ） ，完全可滿足鎮流器的時序控制要求。本設計中，鎮流器運行參數的檢測主要是對工作環境溫度與 Buck 輸出電壓的檢測，環境溫度檢測信號通過熱敏電阻分壓獲得， Buck 輸出電壓檢測信號也可通過恒值電阻分壓獲得。另外，由于 STC 12C 5410AD 單片機進行 A ／ D 轉換時的參考基準電壓為其芯片供電電壓，所以，為了避免供電電壓產生波動對系統造成影響，必須在 A ／ D 轉換前對供電電壓進行檢測，以使 A ／ D 轉換器的轉換結果與實際信號電壓值相一致。
設計中的全橋電路采用兩個半橋驅動芯片 IR2103 來為全橋逆變電路中的四個 MOSFET 提供兩路互補方波驅動信號。 IR2103 為高壓高速大功率 MOS 管及 IGBT 驅動器，它擁有獨立的高、低參考電平輸出通道，驅動設計邏輯十分簡單，易于軟件程序流程設計，十分適用于低成本的電子鎮流器。每一片 IR2103 可分別驅動全橋的一對上、下橋臂，其半橋驅動電路結構如圖 5 所示。 IR2103 所需的 PWM 控制信號可由 STC 12C 5410AD 單片機提供。
4 實驗結果及分析
根據以上的分析，筆者研制了一種 70 W 三級式恒功率金鹵燈電子鎮流器，并對其進行了測試以驗證其性能。該電子鎮流器的設計要求如下：
輸入范圍： 170 ～ 250 VAC ／ 50 Hz ，工作電壓變化之下，輸出電壓變化小于± 2 ％；
功率因數 PF》0.95 ；
電流總諧波 （THD） 值 《15 ％；
輸出功率： 70 ～ 76 W 。
通過采用 FLUKFA34 龜能質量分析儀對該鎮流器 （ 進入穩態時 ） 的輸入端進行測量，所得到的輸入電壓為 220 V（AC） ，有功功率為 0.07 kW ，無功功率為 0.01 kVA ，視在功率為 0.07KVAR ，功率因數 PF 為 0.98 ，電流總諧波畸變 THD 為 11.1 ％。當交流輸入電壓在 170VAC ～ 250VAC 之間變化時，經作者測試，該金鹵燈的工作電壓基本不變，可滿足設計要求。
5 結束語
本文介紹了一種基于單片機控制的恒功率金鹵燈電子鎮流器的設計方案，分析了其硬件結構及軟件程序流程，并依此研制了 70 W 電子鎮流器樣品。測試結果顯示：這種鎮流器能夠安全有效地驅動金鹵燈，且成本較低，可靠性高，有著較好的市場前景.