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8位单片机在镇流器和功率因数校正中的应用

发布时间:2020-06-30 17:13:09 阅读: 来源:PPA厂家

在设计用于荧光灯或高强度气体放电灯(HID)的电子镇流器时,除了要满足通常的成本、可靠性和长寿命要求以外,设计人员还必须提供增强的最终用户功能,例如,远程调光控制,同时还必须满足严格的国内和国际照明法规要求。传统的分立模拟设计技术仍然可以满足许多此类新要求。然而,新一代低成本8位闪存单片机为实现满足照明法规要求的低成本高分辨率数字电子镇流器控制设计提供了许多系统优点。在考虑此类设计之前,我们先回顾一下典型电子镇流器控制应用的构建模块。

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电子镇流器控制图1示出的是目前大多数镇流器控制应用中的基本构建模块。主要模块包括一个电磁干扰(EMI)滤波器、一个全波整流器、一个有源功率因数校正(PFC)前端、一个数字控制部分和一个谐振输出级。EMI滤波器阻止镇流器产生的噪声馈送到交流电源线上。全波整流器将交流电转换为其它模块可以控制的直流电。通常还会采用某种形式的PFC电路来控制正弦输入电流和生成稳定的直流总线电压。镇流器控制部分为传统RLC型的谐振输出电路,提供频率调制控制(通常是脉冲宽度调制),完成灯的预热、点亮和镇流功能。RLC谐振输出级可容易地适应多种不同的灯

管类型。如果设计的数字控制部分采用了基于嵌入式单片机的电路,那么就可以为完成闭环调光、灯管故障检测、关闭和自动重启提供所需要的电路和软件。目前的嵌入式单片机还可方便地连接到标准通信接口,如数字可寻址照明接口(DALI)、或其它RS-232类型,或同步串行接口总线,如I2C或SPI,从而实现远程控制和监测(参考文献1)。请注意在图1中,当灯关闭时,荧光灯管中没有电流流过,因此从镇流控制器端看过去,灯管的阻抗几乎是无限大。要点亮灯管,电极上的电压必须足够高,才能使高度离子化的混合气体在灯管两端之间放电。这一最大电压称为点火电压(Vstrike)。一旦灯管开始导电,电压就应降低到更低的稳定电压(VNOM)。为更好地理解这一镇流器控制电路,先回顾一下为典型低压荧光灯管供电都需要哪些功能。电子镇流器电路必须完成的基本功能如下。●在灯电极间提供足够高的点火电压;●当灯点亮后,电路必须在稳定工作状态下维持一个恒定的电流;●电子控制器必须能够补偿逆变器电路直流总线电压的波动和故障情况。这样可以保证稳定的灯光输出,并可帮助延长灯管的寿命;●镇流器电路还必须满足国内和国际照明法规要求。基于单片机的数字镇流可以提供更多功能,如调光、寿命终点监测、启动故障检测或灯管更换指示等。不同的灯管需要不同的设置,可以容易地利用存储在单片机非易性存储器中的软件实现。单片机还可调整所需要的灯具设置,从而在其整个生命周期中保证最大的效率。例如,点火电压可能需要提高,或者在稳定状态下的工作电压需要稍微有些变化。本文关于数字电子镇流器中单片机的应用主要集中于两个方面:数字逆变器控制,以及如何在单片机中集成PFC功能来代替分立且成本更高的PFC器件。

数字逆变器控制荧光灯或HID灯管电极上的电压是由半桥功率逆变器和RCL谐振储能电路控制的。更精确地控制驱动逆变器MOSFET的脉宽调制信号能够更好地控制输出电压。因此,设计工程师要求PWM模块能够提供更高或更精确的分辨率,同时具有更好的线性频率控制,特别是在40kHz~120kHz范围内。这样就既可以保证在启动时提供足够的电压点亮荧光或HID灯管,同时又可在稳定状态时提供稳定的工作电压。多数针对此类应用的8位单片机都集成有10位硬件PWM模块,并且可以通过软件实现实时的配置。这些PWM模块的最大问题是其工作频率范围很宽,从而限制了在40kHz~120kHz频率范围内的精度或频率分辨率。通过简单的软件控制频率抖动技术,利用10位硬件PWM外设也可以实现更精细的频率步进幅度,提高频率分辨率。此外,利用单片机实现的动态软件频率抖动控制能够更好地控制数字电子镇流器的调光功能。精确的频率控制一方面可用于寻找点亮灯管所需要的点火电压,同时还可用于在稳定工作状态,甚至发生某些线路故障时维持恒定的电流。集成了不同硬件外设(如PWM或软件可配置的模拟比较器)的8位单片机非常适用此类应用。

8位嵌入式单片机低成本8位嵌入式单片机在电子镇流控制中应用的两个新领域是PFC模块和电子镇流器功率逆变器,可以实现更好的动态频率控制。大多数8位单片机集成了模拟比较器和多通道ADC等模拟外设,同时还集成了数字PWM模块等数字外设。所有这些电路都可以软件进行控制,比传统的纯模拟反馈环控制系统有很大优势,在实现控制功能的同时,仍然可以完成高速模拟反馈环控制。许多嵌入式单片机还集成了增强型通用同步异步收发器(EUSART)、主串行同步端口(MSSP),这样在电子镇流器中可 实现不同类型的通信接口,用于实现远程站点监控或分布式电路板设计。

获得更高PWM分辨率功率逆变器的精确时序控制对于电子镇流器的功能非常关键。通过一些简单的软件技巧,就可使所有PIC单片机上的PWM模块支持不同类型的应用,包括几个占空比必须恒定且输出频率只能以非常小的增量变化的照明应用(参考文献2)。例如,在荧光和HID电子镇流器中,利用频率变化来控制与灯管串联的电感(镇流器)的阻抗。为保持镇流器电感较小(降低成本和尺寸),开关频率必须非常高,通常在40kHz~120kHz。为更好地控制流过灯管的电流,频率只能以小增量变化,并且还要保持固定的50%占空比。

图2给出的是典型PIC单片机捕捉/比较/PWM模块和增强型捕捉/比较/PWM模块(分别对应CCP和ECCP)的框图。每当8位定时器值(TMR2)等于周期寄存器值(PR2)时,一个新周期就开始了,PWM输出置位(输出高),定时器复位。每当8位定时器值(TMR2)等于CCP占空比寄存器(CCPRxH)值时,PWM输出清零(输出为低)。因此控制PWM频率所需要的灵活性主要由Timer2模块提供。

表1是100kHz左右可以达到的典型输出频率,以及PR2寄存器值对实际PWM周期的影响。不幸的是,如果在可调光电子镇流器中采用10位PWM模块,那么其分辨率不足以提供平滑调光效果,特别是在照明亮度范围的低端,因为此时人眼更为敏感。为了利用数字PWM外设提供约60Hz(一个常用的参考数值)的步进值,时钟频率需要提高约16倍。而实现这一点在成本和技术上都非常具有挑战性。一种更为简单并且成本更低的解决方案是采用与CCP/ECCP模块相关的定时器中断机制,只需外加几行软件代码。基本的思路是将16个PWM周期视为一组,并在两个不同频率值间来回切换(对应PR2寄存器的两个值)。例如,8个周期PR2=100,8个周期PR2=99,则可得到平均频率100,500Hz。通过采用其它比率,1:16、2:16、3:16...15:16,我们可以获得14个中间频率,在100,000Hz和101,010Hz之间相邻间隔大约64Hz。在照明应用中,人眼会自然地对光输出进行积分,感觉到整体的分辨率好像是提高了16倍。最简单的办法是用一个计数器来实现,如图3所示,图中比率为5:16,较低的频率(T1)占对应的几个周期,而较高频率(T2)则占16个一组中的其它几个周期。为了获得平均分布的周期数,使用了一个4位累加器,每个周期,累加器输出增加一个对应的分数值(1...15)。如果产生进位,下一个周期将被扩展(T1)。否则,将保持基本值(T2)。电子镇流器相关文章:电子镇流器工作原理

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