在設(shè)計(jì)用于熒光燈或高強(qiáng)度氣體放電燈(HID)的電子鎮(zhèn)流器時(shí),,除了要滿足通常的成本,、可靠性和長壽命要求以外,,設(shè)計(jì)人員還必須提供增強(qiáng)的最終用戶功能,例如,,遠(yuǎn)程調(diào)光控制,,同時(shí)還必須滿足嚴(yán)格的國內(nèi)和國際照明法規(guī)要求。傳統(tǒng)的分立模擬設(shè)計(jì)技術(shù)仍然可以滿足許多此類新要求,。然而,,新一代低成本8位閃存單片機(jī)為實(shí)現(xiàn)滿足照明法規(guī)要求的低成本高分辨率數(shù)字電子鎮(zhèn)流器控制設(shè)計(jì)提供了許多系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)。在考慮此類設(shè)計(jì)之前,,我們先回顧一下典型電子鎮(zhèn)流器控制應(yīng)用的構(gòu)建模塊,。
電子鎮(zhèn)流器控制
圖1示出的是目前大多數(shù)鎮(zhèn)流器控制應(yīng)用中的基本構(gòu)建模塊。主要模塊包括一個(gè)電磁干擾(EMI)濾波器,、一個(gè)全波整流器,、一個(gè)有源功率因數(shù)校正(PFC)前端、一個(gè)數(shù)字控制部分和一個(gè)諧振輸出級(jí),。
EMI濾波器阻止鎮(zhèn)流器產(chǎn)生的噪聲饋送到交流電源線上,。全波整流器將交流電轉(zhuǎn)換為其它模塊可以控制的直流電。通常還會(huì)采用某種形式的PFC電路來控制正弦輸入電流和生成穩(wěn)定的直流總線電壓,。鎮(zhèn)流器控制部分為傳統(tǒng)RLC型的諧振輸出電路,,提供頻率調(diào)制控制(通常是脈沖寬度調(diào)制),完成燈的預(yù)熱,、點(diǎn)亮和鎮(zhèn)流功能,。
RLC諧振輸出級(jí)可容易地適應(yīng)多種不同的燈
管類型。如果設(shè)計(jì)的數(shù)字控制部分采用了基于嵌入式單片機(jī)的電路,,那么就可以為完成閉環(huán)調(diào)光,、燈管故障檢測、關(guān)閉和自動(dòng)重啟提供所需要的電路和軟件,。目前的嵌入式單片機(jī)還可方便地連接到標(biāo)準(zhǔn)通信接口,,如數(shù)字可尋址照明接口(DALI)、或其它RS-232類型,,或同步串行接口總線,,如I2C或SPI,,從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(參考文獻(xiàn)1),。
請注意在圖1中,當(dāng)燈關(guān)閉時(shí),,熒光燈管中沒有電流流過,,因此從鎮(zhèn)流控制器端看過去,燈管的阻抗幾乎是無限大,。要點(diǎn)亮燈管,,電極上的電壓必須足夠高,,才能使高度離子化的混合氣體在燈管兩端之間放電。這一最大電壓稱為點(diǎn)火電壓(Vstrike),。一旦燈管開始導(dǎo)電,,電壓就應(yīng)降低到更低的穩(wěn)定電壓(VNOM)。
為更好地理解這一鎮(zhèn)流器控制電路,,先回顧一下為典型低壓熒光燈管供電都需要哪些功能,。電子鎮(zhèn)流器電路必須完成的基本功能如下。
● 在燈電極間提供足夠高的點(diǎn)火電壓,;
● 當(dāng)燈點(diǎn)亮后,,電路必須在穩(wěn)定工作狀態(tài)下維持一個(gè)恒定的電流;
● 電子控制器必須能夠補(bǔ)償逆變器電路直流總線電壓的波動(dòng)和故障情況,。這樣可以保證穩(wěn)定的燈光輸出,,并可幫助延長燈管的壽命;
● 鎮(zhèn)流器電路還必須滿足國內(nèi)和國際照明法規(guī)要求,。
基于單片機(jī)的數(shù)字鎮(zhèn)流可以提供更多功能,,如調(diào)光、壽命終點(diǎn)監(jiān)測,、啟動(dòng)故障檢測或燈管更換指示等,。不同的燈管需要不同的設(shè)置,可以容易地利用存儲(chǔ)在單片機(jī)非易性存儲(chǔ)器中的軟件實(shí)現(xiàn),。單片機(jī)還可調(diào)整所需要的燈具設(shè)置,,從而在其整個(gè)生命周期中保證最大的效率。例如,,點(diǎn)火電壓可能需要提高,,或者在穩(wěn)定狀態(tài)下的工作電壓需要稍微有些變化。
本文關(guān)于數(shù)字電子鎮(zhèn)流器中單片機(jī)的應(yīng)用主要集中于兩個(gè)方面:數(shù)字逆變器控制,,以及如何在單片機(jī)中集成PFC功能來代替分立且成本更高的PFC器件,。
數(shù)字逆變器控制
熒光燈或HID燈管電極上的電壓是由半橋功率逆變器和RCL諧振儲(chǔ)能電路控制的。更精確地控制驅(qū)動(dòng)逆變器MOSFET的脈寬調(diào)制信號(hào)能夠更好地控制輸出電壓,。因此,,設(shè)計(jì)工程師要求PWM模塊能夠提供更高或更精確的分辨率,同時(shí)具有更好的線性頻率控制,,特別是在40kHz~120kHz范圍內(nèi),。這樣就既可以保證在啟動(dòng)時(shí)提供足夠的電壓點(diǎn)亮熒光或HID燈管,同時(shí)又可在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)提供穩(wěn)定的工作電壓,。
多數(shù)針對此類應(yīng)用的8位單片機(jī)都集成有10位硬件PWM模塊,,并且可以通過軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的配置。這些PWM模塊的最大問題是其工作頻率范圍很寬,,從而限制了在40kHz~120kHz頻率范圍內(nèi)的精度或頻率分辨率,。通過簡單的軟件控制頻率抖動(dòng)技術(shù),,利用10位硬件PWM外設(shè)也可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的頻率步進(jìn)幅度,提高頻率分辨率,。此外,,利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)軟件頻率抖動(dòng)控制能夠更好地控制數(shù)字電子鎮(zhèn)流器的調(diào)光功能。
精確的頻率控制一方面可用于尋找點(diǎn)亮燈管所需要的點(diǎn)火電壓,,同時(shí)還可用于在穩(wěn)定工作狀態(tài),,甚至發(fā)生某些線路故障時(shí)維持恒定的電流。集成了不同硬件外設(shè)(如PWM或軟件可配置的模擬比較器)的8位單片機(jī)非常適用此類應(yīng)用,。
8位嵌入式單片機(jī)
低成本8位嵌入式單片機(jī)在電子鎮(zhèn)流控制中應(yīng)用的兩個(gè)新領(lǐng)域是PFC模塊和電子鎮(zhèn)流器功率逆變器,,可以實(shí)現(xiàn)更好的動(dòng)態(tài)頻率控制。
大多數(shù)8位單片機(jī)集成了模擬比較器和多通道ADC等模擬外設(shè),,同時(shí)還集成了數(shù)字PWM模塊等數(shù)字外設(shè),。所有這些電路都可以軟件進(jìn)行控制,比傳統(tǒng)的純模擬反饋環(huán)控制系統(tǒng)有很大優(yōu)勢,,在實(shí)現(xiàn)控制功能的同時(shí),,仍然可以完成高速模擬反饋環(huán)控制。
許多嵌入式單片機(jī)還集成了增強(qiáng)型通用同步異步收發(fā)器(EUSART),、主串行同步端口(MSSP),,這樣在電子鎮(zhèn)流器中可 實(shí)現(xiàn)不同類型的通信接口,用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程站點(diǎn)監(jiān)控或分布式電路板設(shè)計(jì),。
獲得更高PWM分辨率
功率逆變器的精確時(shí)序控制對于電子鎮(zhèn)流器的功能非常關(guān)鍵,。通過一些簡單的軟件技巧,就可使所有PIC單片機(jī)上的PWM模塊支持不同類型的應(yīng)用,,包括幾個(gè)占空比必須恒定且輸出頻率只能以非常小的增量變化的照明應(yīng)用(參考文獻(xiàn)2),。
例如,在熒光和HID電子鎮(zhèn)流器中,,利用頻率變化來控制與燈管串聯(lián)的電感(鎮(zhèn)流器)的阻抗,。為保持鎮(zhèn)流器電感較小(降低成本和尺寸),開關(guān)頻率必須非常高,,通常在40kHz~120kHz,。為更好地控制流過燈管的電流,頻率只能以小增量變化,,并且還要保持固定的50%占空比,。
圖2給出的是典型PIC單片機(jī)捕捉/比較/PWM模塊和增強(qiáng)型捕捉/比較/PWM模塊(分別對應(yīng)CCP和ECCP)的框圖。每當(dāng)8位定時(shí)器值(TMR2)等于周期寄存器值(PR2)時(shí),,一個(gè)新周期就開始了,,PWM輸出置位(輸出高),,定時(shí)器復(fù)位,。每當(dāng)8位定時(shí)器值(TMR2)等于CCP占空比寄存器(CCPRxH)值時(shí),,PWM輸出清零(輸出為低)。因此控制PWM頻率所需要的靈活性主要由Timer2模塊提供,。
表1是1
00kHz左右可以達(dá)到的典型輸出頻率,,以及PR2寄存器值對實(shí)際PWM周期的影響。不幸的是,,如果在可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器中采用10位PWM模塊,,那么其分辨率不足以提供平滑調(diào)光效果,特別是在照明亮度范圍的低端,,因?yàn)榇藭r(shí)人眼更為敏感,。
為了利用數(shù)字PWM外設(shè)提供約60Hz(一個(gè)常用的參考數(shù)值)的步進(jìn)值,時(shí)鐘頻率需要提高約16倍,。而實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)在成本和技術(shù)上都非常具有挑戰(zhàn)性,。一種更為簡單并且成本更低的解決方案是采用與CCP/ECCP模塊相關(guān)的定時(shí)器中斷機(jī)制,只需外加幾行軟件代碼,。
基本的思路是將16個(gè)PWM周期視為一組,,并在兩個(gè)不同頻率值間來回切換(對應(yīng)PR2寄存器的兩個(gè)值)。例如,,8個(gè)周期PR2=100,,8個(gè)周期PR2=99,則可得到平均頻率100,500Hz,。通過采用其它比率,,1:16、2:16,、3:16...15:16,,我們可以獲得14個(gè)中間頻率,在100,000Hz和101,010Hz之間相鄰間隔大約64Hz,。在照明應(yīng)用中,,人眼會(huì)自然地對光輸出進(jìn)行積分,感覺到整體的分辨率好像是提高了16倍,。
最簡單的辦法是用一個(gè)計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn),,如圖3所示,圖中比率為5:16,,較低的頻率(T1)占對應(yīng)的幾個(gè)周期,,而較高頻率(T2)則占16個(gè)一組中的其它幾個(gè)周期。為了獲得平均分布的周期數(shù),,使用了一個(gè)4位累加器,,每個(gè)周期,累加器輸出增加一個(gè)對應(yīng)的分?jǐn)?shù)值(1...15)。如果產(chǎn)生進(jìn)位,,下一個(gè)周期將被擴(kuò)展(T1),。否則,將保持基本值(T2),。
結(jié)合基本的軟件定時(shí)器中斷技巧以及許多單片機(jī)中都有的10位硬件PWM模塊,,可以很容易地產(chǎn)生高分辨率的可變頻率數(shù)字信號(hào)。利用CCP模塊中內(nèi)建的中斷機(jī)制,,可以在100kHz附近獲得以64Hz為步進(jìn)增量的可調(diào)節(jié)頻率信號(hào),,同時(shí)僅需要占用很少的單片機(jī)指令周期。
數(shù)字控制下的模擬電壓縮放
現(xiàn)在回到關(guān)于PFC的討論,,我們明確了需要為連續(xù)電流模式方案生成一個(gè)與輸入交流電源正弦電壓同相的參考波形,。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的一種方法是利用PWM模塊產(chǎn)生一個(gè)模擬電壓(PWM輸出驅(qū)動(dòng)一個(gè)低通濾波器,如圖4所示),,然后再根據(jù)單片機(jī)中存儲(chǔ)的查找表來改變輸出頻率和幅度,。但這種產(chǎn)生模擬參考信號(hào)的方法非常耗費(fèi)資源,因此將這一方法作為動(dòng)態(tài)軟件反饋環(huán)的一部分比較困難,。
控制線性信號(hào)的另一種方法是用數(shù)字方式對模擬信號(hào)的幅度進(jìn)行縮放,。例如,PFC電路通過比例縮小輸入交流主電源波形為逆變器的初始升壓部分,,生成一個(gè)參考信號(hào),。這種按比例縮放保證了對交流電源的負(fù)載與電壓成比例,逆變器看起來是阻性的,。在電子鎮(zhèn)流器應(yīng)用中,,逆變器必須根據(jù)其輸出的中間電壓數(shù)值來縮放參考值,因此實(shí)現(xiàn)PFC時(shí)需要一種方法來縮放PFC用做參考的交流信號(hào)(參考文獻(xiàn)3),。
數(shù)字分壓器是實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)比例縮放的最簡單方法,。然而,對于低頻率的模擬系統(tǒng),,如電子鎮(zhèn)流器的交流電源,,可采用基于CCP的另一種方法。
這一方法采用了一個(gè)簡單的低通RC濾波器,,一個(gè)MOSFET晶體管和一個(gè)數(shù)字PWM輸出,,如圖5所示。低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率必須是模擬功率信號(hào)最大頻率的100倍左右,,這樣濾波器的響應(yīng)特性才不會(huì)影響到信號(hào)的幅度或相位,。同樣,PWM頻率必須是RC濾波器轉(zhuǎn)折頻率的約200倍,,這樣PWM頻率就不會(huì)超過濾波器能量限制,。
圖5的電路利用PWM信號(hào)調(diào)制Q1 MOSFET,,從而對輸入信號(hào)進(jìn)行了“短接”。此外,,這一電路僅允許原始模擬信號(hào)的一個(gè)特定百分比通過濾波器輸出,。允許通過濾波器的輸入信號(hào)百分比由PWM占空比決定,而這一占空比受單片機(jī)的軟件控制,。然后,,一個(gè)一階低通濾波器(由R2和C1組成)濾除PWM信號(hào)中的調(diào)頻成份,,并將信 號(hào)平滑為原始正弦信號(hào)波形,。結(jié)果就構(gòu)成了一個(gè)簡單的模擬交流輸入電壓比例縮放電路,僅采用了幾個(gè)無源器件,、一個(gè)晶體管和一個(gè)常見的數(shù)字PWM外設(shè),。
然而,需要注意這一技巧存在一些局限,。
● 模擬信號(hào)的最大頻率諧波必須小于RC濾波器的轉(zhuǎn)折頻率,,才能防止信號(hào)失真;
● 相對于RC濾波器的轉(zhuǎn)折頻率,,PWM頻率越高,,濾波器對PWM頻率的衰減越大;
● 由于濾波器中電阻器分為兩個(gè)(R1和R2),,PWM信號(hào)所感受到的實(shí)際轉(zhuǎn)折頻率是模擬信號(hào)感受到頻率的兩倍,。
軟件閉環(huán)控制
本設(shè)計(jì)中還需要的一部分是功率逆變器輸出和電子鎮(zhèn)流器PFC部分之間的反饋環(huán)。利用一個(gè)ADC通道測量直流總線輸出電壓,,然后再將此信息饋送到PWM控制器,,在PFC模塊內(nèi)確定模擬傳感器的比率,這樣就可以實(shí)現(xiàn)這一反饋,。如圖6所示,。
其它參數(shù),如燈管的總電流消耗,,可以利用單片機(jī)上的ADC通道采樣獲得,。過去,僅僅是利用輸出電壓以及生成這一輸出電壓的模擬參考信號(hào)之間的直接比例相關(guān),,現(xiàn)在則可以將ADC測量結(jié)果送到更精密的軟件PID環(huán)濾波器,,這樣可以獲得更好更平滑的閉環(huán)控制。
圖7給出了完整的設(shè)計(jì),,
其中集成的嵌入式單片機(jī)同時(shí)用于PFC控制,、電流控制反饋環(huán)和功率逆變輸入頻率控制(頻率增量最小為64Hz)。
PIC16F88X采樣PFC模塊輸出,,并確定需要的頻率調(diào)整量,,因?yàn)镻WM輸出驅(qū)動(dòng)數(shù)字/模擬比例縮放電路,。應(yīng)用中也使用了ECCP模塊的中斷機(jī)制驅(qū)動(dòng)半橋功率逆變器,利用簡單的軟件抖動(dòng)方法獲得更精細(xì)的步進(jìn)值,。
本設(shè)計(jì)中不再需要分立的PFC器件,,只需要少量低成本無源外部元件和一個(gè)集成的模擬比較器。結(jié)合簡單的軟件和硬件技巧,,不需要采用更昂貴的解決方案(如帶有更高分辨率PWM模塊的器件或者外部專用PWM控制器),,利用集成的10位PWM模塊就可以獲得更好的頻率分辨率控制。
結(jié)論
充分利用8位嵌入式單片機(jī)中集成的模擬和數(shù)字電路,,可以很容易地提高照明鎮(zhèn)流器系統(tǒng)的總體性能并增加更多功能,,同時(shí)還可以滿足更嚴(yán)格的政府法規(guī)要求。
參考文獻(xiàn)
[1] Microchip Technology Application Note AN809, “Digitally-Addressable DALI Dimming Ballast,” Ross Fosler, Microchip Technology Inc.; Cecilia Contenti and Tom Ribareich, International Rectifier.
[2]“A Technique to Increase the Frequency Resolution of PIC? MCU PWM Modules,” by Lucio Di Jasio, Microchip Technology Inc.
[3]“Bit Bashing,” by Keith Curtis, Microchip Technology’s microSolutions e-Newsletter, Nov. 2006.