金鹵燈電子鎮(zhèn)流器設(shè)計與調(diào)試

http://www.2010年08月19日10:35:42      查看數(shù)：5749

摘要：以節(jié)能為主的現(xiàn)代照明中，金鹵燈以其優(yōu)良的照明效果，較高的顯色指數(shù)在商業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，目前由于電子產(chǎn)品的不穩(wěn)定性和制造工藝的制約，使該系列產(chǎn)品并未得到較為廣泛的應(yīng)用。本文是針對目前各廠碰到的一些電路結(jié)構(gòu)的分析，并結(jié)合本人在電路設(shè)計方面的經(jīng)驗所得出的一些心得體會。

以節(jié)能為主的現(xiàn)代照明中，金鹵燈以其優(yōu)良的照明效果，較高的顯色指數(shù)在商業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，目前由于電子產(chǎn)品的不穩(wěn)定性和制造工藝的制約，使該系列產(chǎn)品并未得到較為廣泛的應(yīng)用。本文是針對目前各廠碰到的一些電路結(jié)構(gòu)的分析，并結(jié)合本人在電路設(shè)計方面的經(jīng)驗所得出的一些心得體會。

　　一.金鹵燈的燈管

　　金鹵燈作為高強度氣體放電燈的一種，它包含了高壓氣體放電燈的一些典型特性，以民用70w單雙端燈泡為例：不同廠家或相同廠家的制造工藝，均有可能使燈泡的電氣參數(shù)出現(xiàn)離散。主要體現(xiàn)為管壓、管流以及金鹵丸的微量元素的差別，和色溫的誤差，其中以燈管管壓和管電流尤為明顯。

　　二．恒功率，用一個電子鎮(zhèn)流器,點不同的燈泡會出現(xiàn)不同的功率。

　　如用不同廠家的燈泡有可能會出現(xiàn)更大的參數(shù)差別。所以對于電子式金鹵燈鎮(zhèn)流器，有恒功率的要求，即同一電子鎮(zhèn)流器點不同廠家的燈泡會得到同一輸入功率。例如點不同70w金鹵燈為輸出70w，點150w負載燈泡時的輸出也為70w。鎮(zhèn)流器不會因為燈泡的差別而影響輸出功率，所以這個功能對于電子鎮(zhèn)流器優(yōu)為重要，這個功能可使不同的燈管在同一功率下能穩(wěn)定地工作。（能均恒在多支燈同時使用的場合產(chǎn)生的光線誤差并有效減少了該誤差的存在——恒功率）。

　　三.寬電壓的輸入。

　　電路結(jié)構(gòu)中的前端APFC電路,它的應(yīng)用除可以修正輸入電壓與電流的波形相位，還可以使輸出的直流電壓穩(wěn)定在直流400V，即輸入100v～260v交流變化時，電路的輸出均為400v直流，同時功率因素修整為0.99以上，對于群體使用的THD的控制更具優(yōu)勢，平均可控制電流總諧波含量在8%，如電路調(diào)試良好可控在3%以內(nèi)。APFC分為DCM和CCM二種，DCM為峰指電流型即通用常見的STL6561，SA7527,MC33262.。CCM型IR1150等。

　　DCM大部分用于450w以內(nèi)的電路結(jié)構(gòu)，由于DCM是頻率與脈寬均可調(diào)，電路結(jié)構(gòu)相對簡單，而且應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的缺點為在空載啟動時，上沖電壓較高，原則上輸出電壓會停留在400v，這個電壓是由1腳的電阻分壓采樣決定的，1腳基準電壓為2.5v，如電阻分壓超過2.5v芯片的輸入會控制輸出PWM波形寬度會減小，會使電感的儲能減少，從而減少輸出能量，降低輸出電壓。

腳為1腳基準的信號補償端，接上去耦電容，可使主電路電壓采樣的沖擊減小，3腳為輸入相位檢測輸入端，4腳為過流保護端輸入1V有效，5腳為零電流采樣端，6腳接地，7腳為信號輸出端，8腳為Vcc正極。

　1.這個部分的主要可靠性是來自于主電路的啟動沖擊電流以及MOS的導(dǎo)通角，如果采樣電流過低，4腳采樣反饋不及時，會導(dǎo)致MOS導(dǎo)通電流過大，以致電路失效。

　　2.輸出的電壓過高（啟動時），1腳與2腳去耦參數(shù)不匹配，空載電壓會上沖到450-500V以上,導(dǎo)MOS的耐壓超標導(dǎo)致電路崩潰。

　　3.在低電壓時，MOS的升壓電流更大（PWM輸出導(dǎo)通較寬）MOS溫升較高。這時可將電壓范圍設(shè)定為接近值，例如：120v～260v時同等負載測試時，可將電感的感量及匝數(shù)，按照260v時的輸入值，設(shè)定并最大可能減少次級匝數(shù)。在120v時可將輸入最低電壓設(shè)定為110v最大限度增加電感感量，使母線在110v滿載時輸出達到額定的400v。在260v時設(shè)定次級是由于輸入電壓升高，輸入電流減小會使次級電壓下降，5腳電流采樣失效，使芯片進入重新啟動（誤以為空載）母線不斷脈動的重新啟動。110V調(diào)試時感量大，可減少因輸入電壓低而導(dǎo)致的PWM頻率太高，帶來的MOS開關(guān)損耗，感量大時亦可有效減少峰值電流的值。另一減少MOS溫升的方式是并聯(lián)一路吸收網(wǎng)絡(luò)。電阻并聯(lián)高速二極管后在串聯(lián)一只電容可使MOS開關(guān)時的尖峰反向電壓得到有效吸收。（小功率無明顯優(yōu)勢）。

　　4.在110v時為加大感量后，可以加大電流采樣電阻，例：在調(diào)試70w負載，110v時可接80W負載試驗,并適當最大化這一值，以保證在低壓可有效預(yù)防啟動時沖擊電流過大（電流反饋速度更快）。

　　5.器件的選擇上有幾點需要注意：

　?、烹娙荩阂x取一些對于高頻損耗較小，耐高溫，容量誤差較小的電容。例如：去耦電容的容量誤差及隨溫度變化量的大小會決定啟動和輸出電壓的精度。（華容及法拉，較為穩(wěn)定，以經(jīng)長期驗證）。

　　⑵電阻：分壓采樣的這個精度決定母線電壓，所以要選取1%精度的金屬膜電阻，電流采樣最好采用無感（小功率無特殊要求）。

　　⑶二極管：原則上開關(guān)時間越小的二極管損耗越小，但在實際使用時未能發(fā)現(xiàn)這一趨勢，（日本新電源在大功率120v250w以上有明顯優(yōu)勢）。

　　以上是器件選擇的幾點心得。
　　
　　四、降壓式限流：

　　Buck電路在降壓電路中有著廣泛的應(yīng)用，是通過限流來降低輸出的電壓，電路比較成熟，有較多成功案例。但是，Buck比較適應(yīng)峰值電流小而平均電流較大的場合。對于HID燈來說有不少的缺點，曾經(jīng)有過的調(diào)試經(jīng)驗得出結(jié)果為100w以下的HID比較合適。150w以上不能接受，溫升太高而且越是管壓低管流大的燈負載越是明顯。

　　Buck電路目前絕大部分廠家是使用電源芯片UC3843-UC3845這類。加運放實現(xiàn)恒電流輸出，在加上母線電壓400v恒定，即實現(xiàn)恒定輸入功率。

　　但由于UC3843芯片為固定頻率調(diào)節(jié)占空比的IC，最大占空比為50%，即如果是負載差別較大時，會從20%～50%之間去調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)MOS的開關(guān)時間，減少MOS導(dǎo)通時間，在經(jīng)L，C平滑濾波來實現(xiàn)調(diào)節(jié)負載電壓這一方式。那么如果是100w負載時，50%的導(dǎo)通和25%的導(dǎo)通，25%的導(dǎo)通峰值電流會是50%的一倍，負載調(diào)整率越高越會使效率越低，溫升越高，其可靠性就越差。如圖：

原理：

UC3843為電源專用芯片各腳工作原理如下：

8腳REF5V基準電壓

7腳VCC

6腳PWM輸出

5腳接地

4腳Rt.ct.振蕩且信號輸入

3腳內(nèi)部運放輸入

2腳補償

1腳過流保護1V有效

　建議：做中大功率時采用其它功率調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，做50%占空比（固定）通過PFM式調(diào)節(jié)輸出電流或者雙管正激式，這樣在做中大功率時效果會更好。

　　雙管正激式在大功率電源以及電子逆變焊機領(lǐng)域有著較多成功應(yīng)用。值得借鑒其調(diào)整方式安全可靠，輸出電壓會更低，特別是大電流可靠性對于大功率金鹵燈的低頻驅(qū)動有著明顯優(yōu)勢。在BUCK電路各調(diào)節(jié)中，原則上頻率越高時，峰值電流越小，但開關(guān)損耗越大，所以建議頻率在30KH左右，另電流輸入中的采樣電阻盡可能大些，太小在燈負載變化大時，會采樣失敗，功率失控，以致炸機。

　　L的選擇在降壓式電路中的電感是儲能及平滑波形的作用，所以對磁材可以用鐵氧體磁芯和非晶磁環(huán)均可，感量可適當加大。感量加大可使MOS的開關(guān)波形中的余振更小，更有利于MOS的工作可減小MOS的反向承受電壓，（示波器可以測試MOS的源漏極）。器件選擇如上：（PFC電路中的選取原則）

　　五、全橋輸出：

　　目前應(yīng)用較為廣泛為IR2110-IR2153，L6569+6569，UBA2030～UBA2033。在HID全橋中以半橋的高壓吸收以及芯片排版等處理較為重要。例：在2153+2153.6569+6569的主電路中，上管的自舉電壓中輸出信號的處理有幾點經(jīng)驗：

　　1.上管的供電電壓是由芯片Vcc處12v經(jīng)外部二極管或內(nèi)部二極管在下管導(dǎo)通時中線接地后，向VB端充電。下管截上后，上管導(dǎo)通時，中線由對地OV上拉到接近400v。此時，VB端在中線上加11V（二極管減0.7v后到電容上只有11v左右）上管的驅(qū)動能量均由此電容的充電電流驅(qū)動，所以，電容的電壓決定上管工作狀態(tài)，如：容量較小在全橋驅(qū)動中，由于頻率較低向電容的充電次數(shù)沒有高頻中的次數(shù)多，所以需相應(yīng)加大此處電容容量以保證上管的驅(qū)動電壓，在向上管輸出1時，在1的后端電壓最好能高過9v。否則上管的MOS開關(guān)波形將會受損，開關(guān)損耗加大，易損壞?？蓪⑿酒腣cc提到15v可改善此項，但也要根據(jù)不同MOS調(diào)試，結(jié)果不同。

　　2.盡可能做到芯片的單點接功率管的地，此項對在驅(qū)動MOS的芯片輸出波形上較為重要，以減小外界對芯片工作時的干擾，Vb電容，RT.CT布線要短，Vcc濾波電容要盡可能靠近1和4腳。

　　3.在中線上接一只二極管并于VB電容端正端以防半橋中線振蕩時帶來的正向尖脈沖會損壞芯片懸浮地VSS，也就是電路啟動或者正常工作時（特別是在燈泡未進入穩(wěn)態(tài)的過程中）輸出波形抖動對半橋的正向尖脈沖易損壞芯片。

　　4.UBA2030-2033，這是飛利浦針對全橋驅(qū)動專業(yè)設(shè)計的芯片有HV自供電功能比較先進和簡單的電路驅(qū)動結(jié)構(gòu)。由HV降壓濾波電容，RT.CT.VB電容即可工作。如用簡單的驅(qū)動，顯然，UBA2030的絕大部分優(yōu)勢并未顯現(xiàn)。如減小低頻方波對于鎮(zhèn)流器以及電源沖擊，以及噪聲的處理，可用單片機生成PWM波對UBA2030，以及全橋IR2110-+2153實現(xiàn)接近正弦波的處理，即生成在純方波之前和之后加一高速PWM的小方波，以平滑全橋方波的前極和后極形成過渡電壓波形即可，出現(xiàn)接近正弦波可有效減小，純方波帶來的低頻噪音及對鎮(zhèn)流器周邊輻射。

　　5.全橋MOS中二個半橋?qū)Φ仉娙菀约岸O管對尖峰吸收作用根據(jù)以往的經(jīng)驗，不要太過依賴MOS中的自代的二極管，要加強全橋中的Lc吸收。

　　6.高壓點火路線由于后極母線電壓會隨燈的擊穿而降至燈電壓，所以原則只要選擇的放電管的雪崩值高于燈管電壓而低于母線空載電壓即可。一般選取230v～350v之間，有半導(dǎo)體DISC，空氣放電式，陶瓷放電式，可控硅觸發(fā)式，自耦式等多種結(jié)構(gòu)。目前以半導(dǎo)體式和自耦式居多。汽車的HID以陶瓷放電為主。

　?、虐雽?dǎo)體式放電次數(shù)較多，壽命較長。但放電能力有限，峰值電流不大,電壓精度較好。

　?、瓶諝夥烹娛绞芸諝獾臐穸扔绊戄^大，對于放電電壓要求不高的高壓場合較為適用，可用于超高壓的快速啟動的二級放電。

　?、翘沾晒軄碓从诜览坠茴I(lǐng)域，優(yōu)點順態(tài)電流可上千A，壽命不長，有效壽命在5萬-10萬次左右，（視不同廠家效果不同，最好的是西門子），壽命末期電壓值漂離較大。

　　⑷可控硅式早期由于DISC的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的不成熟而做的替代電路，由DB3的分壓決定可控硅的放電電壓，壽命較長，但電流能量較小，開關(guān)速度較慢，對于高壓鈉燈較為適用，對于金鹵燈對脈沖寬度有要求的場合不太適用，可改良結(jié)構(gòu)但成本較高放棄。

　?、勺择钍綄⑷珮虻碾娋€并聯(lián)一104-474電容.在電容中串入變壓器的初級,全橋振蕩時,電容二端電壓突變充放電流流過變壓器初級時,會在次級形成高壓輸出，升壓能力由MOS的內(nèi)阻以及電容的內(nèi)阻決定，電流大小由電容容量決定,但電容越大,充放電電流越大,對全橋造成的負擔(dān)越重,不利于長期燈工作，越小容量放電電流越弱,對長線點火不利,同一負載用自耦式104和DISC式全橋有10度左右溫差。(150Hz70w)

　　以上觀點為個人在實際工作得出的一些心得體會，歡迎各位同行之間交流指正。