文獻標識碼： B
在嚴峻的能源供給形勢下，新型環保節能的產品成為關注的熱點。相對于傳統的白熾燈，在輸出相同的光效情況下，熒光燈的節電效能可達到70%~80%，因而被稱為“綠色照明”。隨著對更高生活品質的追求，人們對照明環境的體感舒適度要求越來越高，可調光的熒光燈照明系統就是這種更加人性化的具體實現，而且調光節能燈不僅可以使燈的光輸出更適合人們的需要，還可以最大限度地節能[1]。
當前，可調光的熒光燈照明系統大體可分為兩類：分離式電子鎮流器驅動的熒光燈系統與調光型一體化節能燈。由于分離式系統的布線比較復雜而且需要較大的安裝空間，所以該系統在一些應用環境中存在局限性。而從安裝便利、有限空間利用以及整體美觀的角度來看，可調光型一體化節能燈具有其獨特性和先進性。
傳統的可調光節能燈，大多采用磁環驅動和分立器件的設計方法，具有電路簡單、成本低廉的優勢。但該類系統同時具有較明顯的離散性和溫度依賴性，其性能、可靠性較差；又由于其在落后的調光技術和有限空間的熱管理方面的局限性，使得產品應用還大多停留在低壓小功率(120 V)或高壓較大功率(220 V~240 V)的照明系統中。為了克服傳統一體化節能燈的不足，本文介紹一種新的技術解決方案，即采用基于集成芯片的優化設計和熱管理技術，實現低壓大功率的小尺寸、高性能、低成本的可控硅調光型節能燈[1]。
1 技術方案
設計要求：前/后沿切角的可控硅調光器，供電系統120 V/50~60 Hz，滿載功率輸出>40 W，調光范圍5%~100%，整機滿載效率>85%，壽命>10 000小時，FCC Class B民用級電磁兼容，UL安全認證、燈光無閃爍、低噪聲<20 dB、尺寸小、成本低。
技術平臺[3]：可控硅調光器+濾波整流+集成芯片+閉環反饋控制+滯環控制+故障安全保護。平臺核心采用英飛凌公司的寬功率負載集成芯片ICB1FL02G[2]。該芯片具有CCM模式的有源功率校正(APFC)升壓調節，半橋頻控驅動、壓控振蕩器、過壓過流及故障保護功能。技術方案中調光功能是通過外部預置電壓信號控制芯片的壓控振蕩器(VCO)，并由VCO線性地產生所對應的半橋驅動頻率，由該頻率驅動LC串聯諧振來進行可控的燈光輸出調節，實現通過預設電壓產生連續可控的調光輸出。技術平臺基本實現如圖1所示。
2 主要功能
系統的基本工作信號流[3]如圖2所示。在120 V/50~60 Hz低壓供電系統中，輸入電壓Vin經前/后沿切角的可控硅調光器后得到包含切角信號Φ的電壓V1(Φ)，V1(Φ)濾波整流后的電壓為V2，V2再經過APFC(Boost升壓拓撲)電路升壓轉化為后級負載所需要的母線電壓V4。V4通過高頻半橋驅動LCR(ω)負載（R為燈負載），使R獲得與半橋頻率對應的電壓電流并以光的方式輸出，并且光亮度與頻率成反比。同時，V2經過采樣電路得到與調光器切角Φ相對應的預設調光電壓信號V3[4]，V3通過VCO線性地產生相應的頻率信號ω來驅動半橋的負載，從而實現以旋轉調光器的切角調節不同亮度的光輸出。
為了得到高安全可靠性，系統采用相關的過壓/過流保護和負載故障保護，即當系統檢測到過壓/過流時，APFC電路將停止工作，直至過壓/過流狀態消失后電路重新恢復工作。過壓/過流保護設計確保了后級母線電壓V4及電源輸入電流不出現異常破壞性的升高；當系統檢測到燈負載故障(漏氣燈、進入整流態的燈)時，系統將停止工作，直至故障消失。
燈負載的閉環控制實現了預設調光信號V3對燈反饋信號V5的校正。當偏差信號ΔV趨于零即V5=V3時，閉環控制實現了光輸出完全唯一地跟隨預設調光信號，從而可得到穩定、可控的燈光輸出。
為了提高燈的使用壽命，需要給燈絲合適的能量。燈在點亮之前，燈絲需獲得預熱能量以避免輝光的產生；在整個調光過程中，燈絲需要維持相應的能量（級）以確保熒光沖擊電子的發射。本方案采用輔助的燈絲預熱控制電路，使燈的壽命周期達到10 kh以上。燈使用壽命的提高直接降低了產品使用成本，同時也間接減少了產品過早失效廢棄而產生的環境成本。
3 主要功能模塊
3.1 有源功率校正(APFC)
采用Boost升壓拓撲，將反映調光器切角?準的低壓脈動直流電壓V2升壓至系統負載所需要的高壓低脈動直流母線電壓V4，以使得輸出級負載在啟動時獲得足夠的擊穿電壓并在連續工作時具有合適的相位裕量。普通的調光節能燈大多無APFC電路，不能將低輸入電壓提升到與負載相適應的等級，而且在輸入電壓的波谷甚至波峰時，負載回路不能獲得足夠相位裕角，嚴重限制了低壓大功率節能燈的運用。相反，本方案由于APFC的引入，使得在整個調光器的切角范圍內獲得連續穩定的后級母線電壓，并實現低壓大功率設計。
3.2 壓控振蕩器(VCO)與半橋負載驅動
VCO將輸入的預設調光信號V3轉化為對應的負載半橋驅動頻率信號ω，而且電壓V3與頻率ω成反向關聯：V3越大，ω越小；V3越小，ω越大。如圖3為V3與ω間的關系。V3為為調光設定電壓， ω為半橋(負載）驅動頻率。
獲得的頻率ω將直接控制半橋負載驅動，半橋輸出的方波電壓V(ω)通過LCR(ω)負載將能量傳遞給燈負載R，實現預設電壓V3的變化，以改變燈輸出的亮度。而且電壓V3與燈光輸出成正向關聯：V3越大，燈光越亮；V3越小，燈光越暗。V(ω)與燈負載回路的能量傳遞關系如圖4所示。
3.3 深度調光的滯環控制
由于可控硅調光器直接與輸入電源Vin串聯[5]，并將切角后的電壓信號V1(Φ)經過濾波整流電壓信號V2作為調光采樣的信號源。由信號源V2采樣而來的預設調光信號V3在深度調光狀態時具有如下特點：當V3處于燈剛剛熄滅的臨界值時，由于輸入電源的波動造成V3跟隨波動，使得V3在臨界值附近上下波動，最終造成燈光的時滅時亮，產生燈光閃爍[6]現象。為了避免這種由于輸入電壓波動造成的燈閃爍，可以在深度調光時采用信號滯環控制電路來設置合適的滯回值ΔV_1來加以解決。具體的滯回值ΔV_1根據圖5所示電路參數設定。
3.3.1 開通時的V_1對應的V_1(1)值
同時，由于熒光燈的電化學特性，在調光的過程中，燈的光輸出會出現“模態”現象：同一個頻率點對應2個不同的功率點（不同的燈光輸出），會引起視覺上的燈閃爍現象。為了解決這種由于燈本身特性出現的“模態”問題而造成的燈閃爍，可以采用由C2、C3、R6構成合適的RCC頻率特性補償電路和燈光輸出的閉環反饋回路組合結構來實現。這種耦合了頻率響應特性的燈光輸出閉環回路將使得光輸出(近似于燈電流)始終跟隨預設定值。最終實現調光過程中的“模態”現象被矯正，從而避免燈光輸出的閃爍。組合結構的具體電路如圖6所示。
4 調光性能的實驗分析
調光輸出曲線反映了連續平滑的輸出流明（調光亮度）與調光器切角深度的關系，如圖7所示。切角越大，調光深度越大，燈光輸出越暗。
本方案滿足了108 V~132 V寬輸入電壓波動時也能獲得比較理想的調光性能，使調光深度與調光器切角近乎成線性關系，在最小和最大切角附近時調光曲線近似“飽和”。實現了采用可控硅調光器的低壓大功率可調光節能燈的設計(理論上可達到最大70 W的設計能力)，獲得了比較理想的調光性能和非常高的性價比。在5%~100%調光范圍，整個過程中燈光無閃爍，且具有低成本、低噪音、小尺寸、高可靠性、長壽命、綠色環保的特點，適合人們實現更高生活品質的目標要求。
參考文獻
[1] 李先栗.我國緊湊型熒光燈技術的新進展[J].中國照明電器，2009(3)：11-15.
[2] ICB1FL02G V1.2，smart ballast control IC for fluorescent lamp ballasts[OL].Infineon Technologies AG，2006：1-36. Http://www.infineon.com/dgdl/Datasheet-ICB1FL02G-V1- 2.pdf?folderId=db3a304412b407950112b408e8c90004&fileId=db3a304412b407950112b436658d6610.
[3] Philips Lighting Electronics.Budget dimmable ballast.Technical platform for triac dimmer[M]，2004.
[4] 范穆爾斯 J.使用雙向可控硅調光器進行調光的方法和電路[P].皇家飛利浦電子，2006.
[5] 王曉.相位控制可調光CFL[J].燈與照明，2000，24(2)：24-26.
[6] 余希湖，蔣涌潮.光源閃爍對視覺影響的研究[J].照明工程學報，1996，7(2)：22-26.