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1、智能调光大功率电子镇流器的设计 摘要基于调光镇流器IR21592的智能调光大功率电子镇流器设计，用AT20C51单片机系统控制21592调光控制电压输入端DIM，系统还加入有源功率因素校正模块，使其镇流器性能达到高功因电子镇流器的性能指标，并具有能根据自然光线强弱自动调光、能按设定时间长短进行调光、人工手控调光三种调光模式，三种调光模式可根据需要相互切换。该设计填补了我国在智能型、大功率节能灯的空白。关键字 镇流器、智能调光、单片机、IR21592、AT2051 、matlab1.引言在我国，缺电和照明落后成为制约经济发展的瓶颈，大部分的家庭、企事业、公用设施仍以白炽灯为主体，而在大功率的照明
2、场所，如城市街道、广场、隧道、厂房等地方，也都采用电感式镇流器的高压钠灯、汞灯等，其具有能耗大、光色单一，显色性差、热辐射高等缺点。荧光灯（电子节能灯）由于具有节能、光效高、光色可选择范围广、热辐射小、寿命长等优点，所以被称为照明中的“绿色照明工程”。我国也已将 “绿色照明工程”列为重点推广项目和节能产业跨世纪战略。目前节能灯我国已形成了一定的产业规模，但其中的具有智能可调光特点的电子节能灯的研制和开发以国外相比较为落后，主要表现在产品大多数性能指标不高，且主要应用于小功率节能灯，其原因在于节能灯及其镇流器不能采用简便的电压调节方式进行调光，而智能调光应用在大功率节能灯上我国还等于空白，因为大
3、功率还易带来镇流器性能指标低、可靠性与稳定性差、使用寿命短等问题。本设计在大功率电子镇流器及其大功率节能灯的基础上，进行反复比较、测试及实验，设计了具有较高性能指标的智能型大功率可调光电子镇流器。该设计智能调光大功率电子镇流器能根据使用场所的需求，可分别使用光控、定时程控、手控三种调光模式。光控调光，即能根据自然光线强弱自动调光。该模式可适用于如企业生产车间等场所的照明，当光线强时，节能灯关闭，当光线稍暗些时，节能灯开启，以最大功率的20或40照明，光线再暗时，节能灯输出功率进一步增大，天全暗时，节能灯功率达100。定时程控调光，即按时间设定程序进行调光，这一模式可适用于城市街道、广场等处的照
4、明，如天黑后，街道、广场的照明节能灯能以满功率照明，当23时以后，夜深人静，可按预先所设定的程序控制一部分灯具关闭或使节能灯按50左右功率照明。手控调光，即为采用人工手工控制调光，以满足另二种模式不宜控制的场合。三种调光模式可相互切换。智能调光大功率电子镇流器，将为节能照明产品带来更广泛的发展空间，进一步提高大功率照明的节能效率。2设计要求实际消耗功率与额定功率之差不得大于额定功率的15% ，最大输出功率要在85W左右。镇流器要达到国内外高性能电子镇流器的技术指标要求，即功率因素98。振荡频率不在34KHz 38KHz,该频率段为接受红外线频率，所以要尽量避开这段频率从而减少干扰等。. 具有智
5、能调光功能，即具有根据光线强弱自动调光、按时间设定程序自动调光、人工手控调光这三种调光模式，三种调光模式可根据需求相互切换。. 调光范围在最大功率的10100可调。. 管耗要尽量小，产品具备灯触发失败、灯丝失效、热过载和欠电压等多种保护和自动重新启动等功能。3IR21592镇流器的工作原理与分析目前市场上的电子节能灯和常规的独立式电子镇流器，还很多都是由分立元件组成。分立元件的组合系统是由各种单个元件联接起来的电子电路，这种电路功率开关管的开关时间过长，造成开关损耗过大，特别对电磁感应灯，工作频率往往要求较高，开关损耗可能成为镇流器损耗最大的一部分，且分立元件的组合系统所用的元件很多，过于复杂
6、。而集成芯片是相对于分立电路而言的，就是把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分割的整体，打破了分立元件和分立电路的设计方法，实现了材料、元件和电路的相统一。集成芯片与晶体管等分立元件联成的电路比较，体积更小，重量轻，功耗更小，从加工工艺上，减少了电路的焊接，所以芯片的性价比远远超出大量分立元件组成的电路。所以该设计我们选用IR公司生产的可调光镇流器芯片21592。IR21592是IR公司于2004年推出的一种新型可调光电子镇流器控制驱动芯片，该芯片集成了全调光镇流器控制器和600V半桥驱动器。可实现无变压器灯功率检测，闭环灯功率控制和预热电流控制，预热
7、时间和预热电流可编程，灯触发检测，触发到调光时间和最低频率可编程，0.55V的调光控制输入,最小和最大功率可调,内置电流检测消隐电路,灯故障保护,DC总线电压过低保护,自动重新启动,微功率启动和引脚VCC被内部15.6V的齐纳二极管钳位等。 IR21592引脚及其各引脚功能如表3-1所示 表3-1 IR21592 引脚功能（来源于文献8）3.1相位控制为理解相位控制，图3-1给出一个镇流器输出端的简单模型。灯和灯丝由电阻间的灯电阻Rlamp及电阻R1，R2，R3和R4来代替。在预热和点燃期间，电路是一个高Q值的LC串联回路，在谐振频率上输入电流对输入电压有+90度到-90度的相移。在预热和点燃
8、期间，由于运行频率稍高于谐振频率，相移是固定在-90度的。在调光工作状态下，电路是电感L和并联的RC串联，大功率时相位差不大而小功率时相位是倒置的。 图3-1 调光镇流器输出级（来源于文献8）在时域上，预热点燃阶段，输入电流相位滞后半桥输入电压90度，点燃结束运行阶段，相位差在090度之间。零相位差对应最大功率。相位对应于灯功率的关系如图3-2所示，调光曲线是线性的。甚至在特别低的灯功率下，阻抗在量级上的改变仍符合此结论。 图3-2 灯功率对输出级相位关系图（来源于文献8）3.2欠压输出锁定 IR21592欠压输出锁定的设计得到了一个很低的小于200uA的静态电流，同时保证IC在高低侧输出驱动
9、激活前是全功能的。图3-3显示了一种高效的电源电压，该电源和一个整流器输出级的电荷泵一起使用IR21592的启动电流。流入IC的启动电流中的部分电流通过电阻R给启动电容C充电。在低线电压时的最坏情况下，该电阻被用来提供2倍的最大启动电流以保证正常启动。一旦电容电压达到启动阈值，并且VDC脚的电压在5.1V以上（详见灯熄灭保护部分），IC开启且HO和IO开始振荡输出。当IC工作电流上升的时候，该电容开始放电（图3-4）。在放电过程中，来自电荷泵的整流电流给电容充电到 图3-3 典型启动电路（来源于文献8）高于器件的最小工作电压，同时电荷泵和内部15.6V的齐纳管钳位IC的电源电压。启动电容和缓冲
10、电容的选取必须保证满足IC的最坏工作条件。自举二极管D3和电源电容C3组成高侧驱动电路的电源。为保证在HO脚第一个输出脉冲前高侧电源充电完毕，LO脚首先输出脉冲使得低侧管导通。在欠压模式下，高低侧驱动输出均为低电平，VCO脚由IC内部电路上拉到5V使启动频率复位至最大值，CPH脚被内部电路短接至地，复位预热时间。 图3-4启动电容的电压（来源于文献8）3.3灯熄灭保护VCC脚电压达到启动阈值的时候，VDC脚电压同时必须超过5.1V以使HO/LO交替导通，输出信号。从整流过的AC线电压接到VDC脚的电压驱动（R3，RVDC）检测输入镇流器的整流AC线电压并设置开启和关断的线电压值。滤波电容CVD
11、C也连在VDC脚，在选取时要保证满足：纹波足够低，并且在正常的线电压下不和关断下的阈值（3V）有交叠。这个检测十分必要，因为在低线电压下IC正常复位前，灯可能熄灭。若灯熄灭，DC总线电压可能下降到储能电路保持必要的灯电压所需的最小值以下，这个检测确保在DC总线电压下降至过低值之前有一个明确的关断操作，这样，当线电压再次恢复时IC能正确复位至预热模式。3.4预热IR21592在VCC超过UVLO上阈值且VDC超过5.1V时进入预热模式。预热电路如图3-5所示。HO和LO开始以最大工作频率50%的占空比、内设2uS的死区时间振荡。CPH脚从COM断开，此时芯片内部1uA的电流源开始给外接于CPH脚
12、的计时电容线性充电。片内集成的1uA的电流源缓慢地给外接于VCO脚的电容放电，同时VCO的电压开始下降。这使得频率开始下降，这个工作频率高于谐振频率，同时负载电 图3-5IR21592预热电路（来源于文献8）流上升。当CS脚靠检测分压电阻上的电流所检测到的峰值电压超过IPH脚的电压，片内集成的一个60uA的电流源便通过VCO脚给电容充电（该感知电阻Rcs外接）。这样，频率开始上升，负载电流下降。当CS脚的电压下降到低于IPH，60uA的电流源断开，频率再度下降。这个反馈使得峰值预热电流可以由用户通过控制IPH来限定，从而定制预热时间。片内集成电流源通过IPH脚接到片外的电阻，设置一个用于峰值预
13、热电流控制的电压基准。预热过程持续到CPH脚的电压超过5V为止。3.5点燃在CPH脚电压超过5V时，IR21592进入点燃模式。用户在IPH设定的用于峰值电流控制的基准电压此时断开，而由一个较高的内部的1.6V的门限电压给出该基准电压。随着接至VCO脚的电容通过集成的1uA的电流源线性放电，振荡频率开始向谐振点下降。频率线性下降至高Q值的整流输出的谐振频率，使灯电压和负载电流上升。频率将持续下降直到灯点燃或电路达到过流电流。若达到过流电流，IR21592将进入错误模式。1.6V的门限电压和CS脚所接的外部电流感知电阻共同决定了最大的点燃电流（也决定了最大点燃电压）。峰值点燃电流不能超过输出端M
14、OSFET或IGBT的最大允许电流值，同时，在任何时候，谐振电感均不能饱和。为防止在低调光设置下灯的闪烁，点燃检测电路检测CS脚电压，且和IPH脚电压比较。在点燃的上升过程IPH脚的电压比预热时上升20%。当CS脚的电压超过这个值，IPH脚的电压下降至10%，点燃检测电路开始激活（图3-6）。当灯点燃，CS脚的电压将下降至IPH脚电压之下，IC进入调光模式，相控环闭合。为点燃检测电路正确运行，为使IC进入调光模式，CS脚的电压必须首先升至高于VIPH20%，以便在点燃过程激活电路，在点燃后下降至低于VIPH10%。 图3-6 IR21592点燃检测（来源于文献8）3.6点燃到调光当IR2159
15、2进入调光模式，相控环闭合，负载电流的相与用户在DIM加的输入控制相反。为控制调光设置从最大亮度到用户设定值的转换速率（点燃到调光时间，图3-7），在IR21592进入调光模式时，DIM脚由片内电路接至CPH脚。CPH脚的电容通过DIM脚接的电阻（RDIM）放电，直至达到用户设定电 图3-7IR21592点燃过程示意图（来源于文献8）压值对应的亮度。电阻的选择要使得灯点燃后可见的闪烁存在时间最短，或产生一个足够长的时间使得亮度平滑过渡至设定值。若点燃至调光时间过短，闭环响应可能会比灯的电离形成更快，从而造成过冲。这使得振荡频率比最小的亮度频率高，会造成灯的熄灭。CPH脚的电容有多个作用：设定预
16、热时间，和电阻RDIM共同决定点燃后的亮度转换速率，在调光阶段作为滤波电容，增加抗高频噪声能力，从而在最大程度上减少了元件数目，简化了外围电路。3.7调光 为控制灯功率，参考相位和输出级电流的实际相位的差别使得VCO控制频率朝正确方向变化，由于受输出级转移函数的控制，该差别被迫置0。在调光阶段，片内集成的15A的电流源给给VCO电容放电，同时降低频率至设定值。一旦达到设定值，相位检测对一个漏极开路的PMOS输出脉冲，通过集成的电阻RFB给VCO电容充电，该动作在每次错误出现时发生（图3-8）。该动作推动VCO输入端的积分器工作，从而使输出端电流的相位准确切合参考相位。IR21592含一个对灯管
17、功率进行模拟控制的调光接 图3-8 相位控制时序图（来源于文献8）口。DIM脚要求输入一个0.55V的直流电压，5V对应于最小相移（最大灯功率）。调光接口的输出是MIN脚的电压，该电压和集成的计时电容CT的电压相比较产生一个独立频率的数字参考相位。计时电容CT从1V到5.1V的充电时间决定输出高低侧驱动的开启时间，并对应负载电流可能的-180度相移（减去死区时间）。对于使用管脚MIN和MAX在0-90度的范围调光时，管脚MIN的电压在1V和3V之间。MAX脚的外接电阻设定了对应于DIM脚电压为5V时的最小参考相移（最大灯功率），同时MIN脚的外接电阻给出了对应于DIM脚0.5V时的最大参考相移
18、（最小灯功率）。3.8电流感知在调光阶段，电流感知电路（图3-9）检测在硬开关过程（见错误模式部分）出现的过流，同时完成总负载电流的相位的过零检测。为抑制在低侧MOFET或IGBT开启时的开关噪声，管脚LO变高电平时，集成的电流感知屏蔽数字电路屏蔽来自过零检测比较器的最初400ns的信号。 图3-9电流检测电路（来源于文献8） 该集成的屏蔽时间轻微地减小了调光范围，在工作于最小相移（最大灯功率）时。MAX脚地外接电阻地选取要使得最小相移离屏蔽时间有一个安全的空白区域。当Rcs上的压降低于-0.7V时，串联电阻Ri。用于限制CS脚流出的电流值。CS脚要接一个滤波电容防止整流器中其他可能的异步噪声
19、源的干扰。3.9错误模式在调光阶段，预热和点燃时被禁止的峰值电流控制电路被激活。若半桥输出级出现非零电压开关，将会造成一个很大的电流穿刺。灯丝失效，灯寿命结束，灯被移除或死区时间短于电流反向所需时间都可能引起硬开关。在调光阶段，若操作不当，IR21592会进入保护模式，使灯熄灭。在调光阶段的任何时刻，当CS脚的峰值电压超过1.6V时，IR21592就会进入错误工作模式，高低侧驱动输出同时关断。降低Vcc电压或管脚SD电压，可以复位IR21592进入预热模式。4.智能调光大功率电子镇流器的系统设计4.1系统总设计如图4-1为系统设计总框图EMI滤波器整流器功率校正电路IR21592镇流器输出接灯
20、管单片机AT2051控制器 图4-1 系统设计总框图各模块的作用：EMI滤波器：EMI信号滤波器是用在各种信号线（包括直流电源线）上的低通滤波器。它的作用是滤除导线上各种工作所不需要的高频干扰成份。抑制因辐射和传导所引起的电磁干扰，要求由外界来的电磁干扰不影响电子镇流器的工作。使设备能够满足电磁兼容标准中对传导发射和传导敏感度的要求，同时 EMI电源滤波器能防止设备本身产生的干扰进人电源线，同时防止电源线上的干扰进人设备常用的电源滤波器都是由电感和电容构成的无源低通滤波器，按照构成方式的不同分为 L 型、 T 型和 型滤波器三类。L型滤波器：由一个电感器和一个电容器组成。T型滤波器：这种滤波器
21、包括两个电感器和一个电容器。型滤波器：型滤波器由一个电感器两个电容器构成。整流器：通过二极管的单向导通的特性将电平在零点上下浮动的交流电转换为单向的直流电，通常电源中采用的整流桥由四个二极管实现的。功率校正电路：以往的电源整流电路是将工频电压通过整流二极管直接对大容量电解电容充电以获得高压直流供电电压。这种电路的缺点是输入电流只在电源电压的峰值时流入电路，它含有极高的谐波分量，电能浪费严重，且对系统产生电磁干扰。而在电路中加入功率校正电路，减小输入电压与输入电流的相位差，从而提高镇流器的功率因素。IR21592：IR21592镇流器控制驱动芯片的功能甚多，可实现无变压器灯功率检测，闭环灯功率控
22、制和预热电流控制，预热时间和预热电流可编程，灯触发检测，触发到调光时间和最低频率可编程，0.55V的调光控制输入,最小和最大功率可调,内置电流检测消隐电路,灯故障保护,DC总线电压过低保护,自动重新启动,微功率启动和引脚VCC被内部15.6V的齐纳二极管钳位等。单片机AT2051控制器：用AT20C51单片机系统控制21592调光控制电压输入端DIM。根据控制脉冲PWM宽度的调节，使AT2051控制器输出0.5V5V的电压，把该输出的电压接入IR21592的DIM脚从而达到调光效果。且通过2051控制器使得系统具有手动控制、智能光控、定时等功能。4.2单片机智能控制设计如图4-2为智能调光镇流
23、器的单片机AT2051智能调光控制电路，图中以单片机AT2051芯片为核心，具有根据光线强弱自动调光、按时间设定程序自动调光、人工手控调光这三种调光模式。其中根据光线强弱自动调光模式，采集光强弱的传感器采用光敏电阻。根据光敏电阻在不同光线时的阻值不一样得到不同状态。通过比较器LM339工作原理所产生的电压可看成高低电平，从而达到模数转换。单片机AT2051智能调光软件的设计，通过单片机的中断和定时来达到所需的要求，程序见附录（附单片机程序）。 图4-2 单片机AT2051智能调光电路 4.3 IR21592电路的设计及参数的设置4.3.1 IR21592的典型连接和应用电路图4-3以IR215
24、92芯片为核心的镇流器电路，其中包括EMI滤波电路、整流电路、功率校正电路、IR21592镇流电路、输出接灯管电路。4.3.2 理论参数的设置 因为21592要确定的参数较多且在设计过程中不易直接调试，所以我们从原有大功率的基础上进行理论的计算和分析，先确定谐振电感值L和谐振电容值C，再确定其它的重要参数。然后根据理论计算的参数在实际中进行有规律的调试。4.3.1.1镇流器输出级L和C的选择对于给定的谐振电感值L、谐振电容值C和DC总线电压VDC，预热期间的灯管电流Iph，这边的VDC根据总电路图4-3，二极管镇流后经过6561功率因素校正可测得VDC400V；而预热期间的灯管电流Iph可通过
25、图4-4的流程图来测得， 电源调压器所测灯管灯泡电流表 图4-4 测预热电管电流根据图4-4连接电路，电压从0V往上调，当观察所测灯管的灯丝刚好发红时，此时从电流表中所读到的电流即为预热期间的灯管电流Iph，该设计大功率镇流器采用的85W的灯管，测得Iph=0.6mA ，此种方法简单，但有一定的误差，如：用肉眼观察灯丝是否发红，这很容易产生误差，所以要进行多次测试，尽量减小误差。在VDC=400V，Iph=0.6mA，触发电压Vigh我们取值为1500V的情况下，可依次由公式(1)到公式(6)计算出灯管电压Vph、预热频率fph、触发频率fign、触发电流Iign、满载下的工作频率fmax和在
26、1亮度灯功率上的阴极预热电流Icath(1%)。 图4-3 IR21592芯片为核心的镇流器电路（来源于文献8） （来源于文献9）在计算参数时，因为计算量过大，虽然IR公司有提供计算参数的计算软件，但由于IR公司提供的软件比较适合小功率镇流器的参数，而对于大功率镇流器所计算出来的参数跟实际调试中能正常工作的参数相比误差较大，所以在这我们不选用IR公司的计算软件，我们采用Matlab软件，Matlab算法易编写，也大大简化了计算量。程序见附录（附计算IR21592芯片参数的Matlab程序）。根据公式(1)到公式(5)，在谐振电感L和电容C变动的情况下，用Matlab软件，计算出各个参数进行比较
27、，数据如表4-1所列。表4-1：电感L（mH）电容C（Nf）Vph(v)fph(kHz)Fign(kHZ)Iign(A)Fmax(kHz)1011340.061555.864.91012378.859536.062128.2534.262584.558129.0505.359564.8571212424.053485.554166.2705.756553.643169.0599.1504840144 为防止预热期间点火，要求Vph5 kHz。为避免电感器饱和，要求Iignfign fmin=fign;else fmin=fmax;endRfmin=(2.5000e-005)-(fmin-100
28、00)*(1.000e-010)/(fmin-10000)*(2.000e-014)Rcs=3.2/IignRiph=1.414*Rfmin*Rcs*IphRmin=Rfmin*(1-an/45)/4Rmax=0.86*Rfmin*Rmin/(4*Rmin-Rfmin*(1-am/45)附单片机程序：;*;可调光大功率电子镇流器 ;*PWM_GZ EQU 30H ;高电平输出脉宽的定时值PWM_DZ EQU 31H ;低电平输出脉宽的定时值,MSJ EQU 32H ;模式键,=1调节PWM,=2调节定时时间DINGSHIZ EQU 33H ;定时初值DINGSHI_ZG EQU 34H ;定时
29、的高位DINGSHI_ZD EQU 35H ;定时的低位ORG 0000HSJMP MAINORG 0003H ;外部中断INTO的入口AJMP SERVE1ORG 0013H ;外部中断INT1的入口AJMP SERVE2MAIN: MOV SP, #60H MOV 32H, #00H ;模式键初值 MOV 33H, #00H LCALL XIANSHI MOV 30H, #00H ;定时初值，使得一开始输出高电平5V MOV IE, #85H ;允许外部中断INTO和INT1 SETB IT0 SETB IT1;*;高电平输出;*MASCC:MOV TMOD, #11h ;置T0为方式2，定时工作方式MOV TL0, 30H ;置初值MOV TH0, #0FFHSETB TR0 ;启动定时器T0JNB tf0,$ ;判断溢出CLR tf0 ;清标志位CLR tr0 ;*;低电平输出;*CLR P3.7 ;输出低电平MOV TMOD, #11h ;置T0为方式2，定时工作方式MOV A, #0FFHSUBB A, 30H ;总的脉宽-高电平的脉宽=低电平的脉宽MOV
