CN101447737A - 恒功率输出直流变换电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及恒功率输出直流变换电路。传统电路体积大、成本高。本发明包括单片机控制电路、PWM功率驱动电路、单端反激式变换电路、输出取样电路、信号调理电路。本发明中单片机产生100kHz的PWM控制脉冲，经驱动电路后控制单端反激式变换电路的MOS管通断，高频变压器副边产生的高频交流电压经二极管整流后，形成直流电压为负载供电，经电阻取样后，通过信号调理电路，反馈至单片机的A/D输入通道，由单片机对直流输出电压和电流进行运算，根据输出功率的大小调节PWM值，达到输出恒功率控制之目的。本发明具有输出开路、输出短路、输出过流、输入欠压和输入过压等多种保护功能，以及软启动能力，具有较高的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于电路，涉及一种恒功率输出直流变换电路，主要用于小功率高强度气体放电灯电子镇流器的灯恒功率控制。
背景技术
小功率高强度气体放电灯(以下简称HID灯)是继白炽灯和荧光灯之后的第三代高效节能绿色光源，HID的发光效率是卤钨灯的4倍、寿命是卤钨灯的10倍以上，并且显色性更好，因此是替代传统卤钨灯的理想光源。同其它传统的荧光灯一样，HID灯具有负阻效应，因此使用时必须配镇流器才能工作，传统使用的都是电感式镇流器，它不仅体积大、重量重，而且效率极低，并且不能实现瞬时快速启动。
为了延长HID灯的使用寿命，以及提高HID灯的显色性，一般要求对HID灯进行恒功率驱动。传统电子镇流器为了确保HID灯的恒功率输出，往往在电子镇流器的输入部分加一级BOOST功率因数校正及稳压电路，这种方法可以达到灯恒功率输出之目的，但是增加了电路成本和体积；另外当负载发生故障时，也不能及时切断较高的输出电压，从而增加了电路损耗，也降低了电子镇流器的可靠性。
发明内容
本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供一种新型的HID灯电子镇流器恒功率控制电路。
本发明包括单片机控制电路、PWM功率驱动电路、单端反激式变换电路、输出取样电路、信号调理电路。
单片机控制电路包括单片机IC1、三端稳压器V1、第一输入电压取样电阻R1、第二输入电压取样电阻R2、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2、第三滤波电容C3、第四滤波电容C4和滤波电感L1。三端稳压器V1的1脚通过滤波电感L1与直流输入电压12V正极，2脚接地，3脚为+5V电源输出端，通过第四滤波电容C4与2脚连接；滤波电感L1的两端分别与第一滤波电容C1的一端和第二滤波电容C2的一端连接；第一输入电压取样电阻R1的一端与三端稳压器V1的1脚连接，另一端与第二输入电压取样电阻R2的一端和第三滤波电容C3的一端连接，第一滤波电容C1、第二滤波电容C2和第三滤波电容C3的另一端接地。单片机IC1的3脚与三端稳压器V1的3脚连接、5脚与第一输入电压取样电阻R1的另一端连接、4脚接地。
PWM功率驱动电路包括驱动电路IC2和栅极限流电阻R6。驱动电路IC2的7脚与三端稳压器V1的1脚连接，4脚与单片机IC1的6脚连接，6脚与栅极限流电阻R6的一端连接，2脚、3脚和5脚接地。
单端反激式变换电路包括高频变压器T1、功率MOS管M1、整流二极管D1、高频滤波电容C10、吸收电容C9。高频变压器T1原边的一端与三端稳压器V1的1脚连接、另一端与功率MOS管M1的漏极连接，高频变压器T1副边的一端与整流二极管D1的正极连接，另一端接地；功率MOS管M1的栅极与栅极限流电阻R6的另一端连接、源极接地；吸收电容C9的一端与功率MOS管M1的漏极连接、另一端接地；高频滤波电容C10的一端与整流二极管D1的负极连接、另一端接地。
输出取样电路包括第一输出电压取样电阻R7、第二输出电压取样电阻R8、第三输出电压取样电阻R9、第四输出电压取样电阻R10和电流取样电阻R11。第一输出电压取样电阻R7、第二输出电压取样电阻R8和第三输出电压取样电阻R9依次串联后的一端与整流二极管D1的负极连接、另一端与第四输出电压取样电阻R10的一端连接，第四输出电压取样电阻R10的另一端和电流取样电阻R11的一端接地。
信号调理电路包括运算放大器IC3、同相输入端电阻R3、反相输入端电阻R4、反馈电阻R5、第五滤波电容C5、第六滤波电容C6、第七滤波电容C7和第八滤波电容C8。运算放大器IC3接+5V电源、4脚接地。第五滤波电容C5的一端分别与单片机IC1的6脚、反馈电阻R5的一端、运算放大器IC3的1脚连接，第五滤波电容C5的另一端接地；反相输入端电阻R4的一端分别与反馈电阻R5的另一端和运算放大器IC3的2脚连接，反相输入端电阻R4的另一端接地；同相输入端电阻R3的一端与电流取样电阻R11的另一端连接，同相输入端电阻R3的另一端分别与第六滤波电容C6的一端和运算放大器IC3的3脚连接，第六滤波电容C6的另一端接地；第七滤波电容C7的一端分别与运算放大器IC3的6脚、7脚以及单片机IC1的7脚连接，第七滤波电容C7的另一端接地；第八滤波电容C8的一端分别与运算放大器IC3的5脚以及第四输出电压取样电阻R10的一端连接，第八滤波电容C8的另一端接地。
本发明中的单片机IC1、驱动电路IC2、运算放大器IC3、功率MOS管M1、整流二极管D1均采用成熟的现有产品，可以通过购买方式取得。如单片机IC1采用MC9S08SH4、驱动电路IC2采用UC3843、运算放大器IC3采用LM258、功率MOS管M1采用IRF540、整流二极管D1采用HFA8TB60。
本发明中，由单片机IC1产生频率为100KHZ的PWM脉冲，脉冲经驱动电路IC2放大后，控制单端反激式变换电路工作。在HID灯启动前，单端反激式变换电路的直流输出电压控制在380V左右，此时由单片机IC1连续检测12V直流输入电压、单端反激式变换电路的直流输出电压和输出电流，如发现输入电压小于9V或大于16V，或者输出电流过大，或者在单端反激式变换电路开始工作10mS后，其输出电压仍大于300V，则单片机IC1立即停止产生I00KHZ的PWM脉冲，结束单端反激式变换电路的第一次HID灯启动；如第一次HID灯启动失败，则可进入第二次启动，如第二次HID灯启动仍失败，则可进入第三次启动，如第三次仍失败，则关闭变换电路，直止电路重新上电。由上可知，这种电路具有一定的智能，另一个优点是单端反激式变换电路的直流输出电压始终控制在400V以下，因此HID灯电子镇流器的后级全桥逆变电路可选用价格较低、耐压为400V的功率MOS管。
如HID灯启动成功，则单片机IC1进入HID灯启动过渡过程控制和稳态过程控制，通过单端反激式变换电路输出电流和输出电压的实时采样，再经单片机IC1乘法运算后，根据HID灯功率控制曲线，实时调节单端反激式变换电路的PWM控制脉冲宽度，从而达到稳态时的恒功率输出控制目的。
附图说明
图1是本发明的电路图。
具体实施方式
恒功率输出直流变换电路包括有单片机控制电路、PWM功率驱动电路、单端反激式变换电路、输出取样电路、信号调理电路。
如图1所示，单片机控制电路包括单片机IC1、三端稳压器V1、第一输入电压取样电阻R1、第二输入电压取样电阻R2、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2、第三滤波电容C3、第四滤波电容C4和滤波电感L1。三端稳压器V1的1脚通过滤波电感L1与直流输入电压12V正极，2脚接地，3脚为+5V电源输出端，通过第四滤波电容C4与2脚连接，滤波电感L1的两端分别与第一滤波电容C1的一端和第二滤波电容C2的一端连接；第一输入电压取样电阻R1的一端与三端稳压器V1的1脚连接，另一端与第二输入电压取样电阻R2的一端和第三滤波电容C3的一端连接，第一滤波电容C1、第二滤波电容C2和第三滤波电容C3的另一端接地。单片机IC1的3脚与三端稳压器V1的3脚连接、5脚与第一输入电压取样电阻R1的另一端连接、4脚接地。C1、C2和L1构成滤波网络，对+12V输入电源进行滤波；R1、R2和C3构成直流输入电压取样电路；三端稳压器V1的作用为单片机IC1及信号调理电路提供+5V电源。
PWM驱动电路包括驱动电路IC2和栅极限流电阻R6。驱动电路IC2的7脚与三端稳压器V1的1脚连接，4脚与单片机IC1的6脚连接，6脚与栅极限流电阻R6的一端连接，2脚、3脚和5脚接地。驱动电路的作用是是对单片机IC1产生的脉冲信号进行电压和电流放大，从而减少功率MOS管M1的开关损耗；电阻R6起栅极限流作用，保护MOS管M1和驱动电路IC2因瞬间过流而损坏。
单端反激式变换电路包括高频变压器T1、功率MOS管M1、整流二极管D1、高频滤波电容C10、吸收电容C9。高频变压器T1原边的一端与三端稳压器V1的1脚连接、另一端与功率MOS管M1的漏极连接，高频变压器T1副边的一端与整流二极管D1的正极连接，另一端接地；功率MOS管M1的栅极与栅极限流电阻R6的另一端连接、源极接地；吸收电容C9的一端与功率MOS管M1的漏极连接、另一端接地；高频滤波电容C10的一端与整流二极管D1的负极连接、另一端接地。C9跨接在MOS管M1的D、S两端，避免MOS管M1开关瞬间被击穿；高频变压器T1的原副边匝比可取1∶7。
输出取样电路包括第一输出电压取样电阻R7、第二输出电压取样电阻R8、第三输出电压取样电阻R9、第四输出电压取样电阻R10和电流取样电阻R11。第一输出电压取样电阻R7、第二输出电压取样电阻R8和第三输出电压取样电阻R9依次串联后的一端与整流二极管D1的负极连接、另一端与第四输出电压取样电阻R10的一端连接，第四输出电压取样电阻R10的另一端和电流取样电阻R11的一端接地。R7、R8、R9、R10串联分压后，用于输出电压取样，电阻R11用于输出电流取样。
信号调理电路包括运算放大器IC3、同相输入端电阻R3、反相输入端电阻R4、反馈电阻R5、第五滤波电容C5、第六滤波电容C6、第七滤波电容C7和第八滤波电容C8。运算放大器IC3接+5V电源、4脚接地。第五滤波电容C5的一端分别与单片机IC1的6脚、反馈电阻R5的一端、运算放大器IC3的1脚连接，第五滤波电容C5的另一端接地；反相输入端电阻R4的一端分别与反馈电阻R5的另一端和运算放大器IC3的2脚连接，反相输入端电阻R4的另一端接地；同相输入端电阻R3的一端与电流取样电阻R11的另一端连接，同相输入端电阻R3的另一端分别与第六滤波电容C6的一端和运算放大器IC3的3脚连接，第六滤波电容C6的另一端接地；第七滤波电容C7的一端分别与运算放大器IC3的6脚、7脚以及单片机IC1的7脚连接，第七滤波电容C7的另一端接地；第八滤波电容C8的一端分别与运算放大器IC3的5脚以及第四输出电压取样电阻R10的一端连接，第八滤波电容C8的另一端接地。运算放大器IC3中一路放大器构成射极电压跟随器；另一路放大器和电阻R4、R5构成同相放大器，对输出电流取样信号进行放大。
本发明电路的工作过程：
12V电源接通后，由带A/D转换器和PWM模块的单片机IC1产生100KHZ的PWM控制脉冲，经功率驱动电路IC2后控制单端反激式变换器的MOS管M1通断，高频变压器副边产生的高频交流电压经二极管D1整流后，形成直流电压为负载供电，而输出直流电压和电流经电阻取样后，经过信号调理电路，反馈至单片机IC1的A/D输入通道，然后由单片机IC1对直流输出电压和电流进行乘法运算，根据此输出功率的大小调节PWM值，从而达到输出恒功率控制之目的。另外这种直流变换电路具有输出开路、输出短路、输出过流、输入欠压和输入过压等多种保护功能，以及软启动能力，具有较高的可靠性。
Claims (1)
1、恒功率输出直流变换电路，包括单片机控制电路、PWM功率驱动电路、单端反激式变换电路、输出取样电路、信号调理电路，其特征在于：
单片机控制电路包括单片机IC1、三端稳压器V1、第一输入电压取样电阻R1、第二输入电压取样电阻R2、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2、第三滤波电容C3、第四滤波电容C4和滤波电感L1；三端稳压器V1的1脚通过滤波电感L1与直流输入电压12V正极，2脚接地，3脚为+5V电源输出端，3脚通过第四滤波电容C4与2脚连接；滤波电感L1的两端分别与第一滤波电容C1的一端和第二滤波电容C2的一端连接；第一输入电压取样电阻R1的一端与三端稳压器V1的1脚连接，另一端与第二输入电压取样电阻R2的一端和第三滤波电容C3的一端连接，第一滤波电容C1、第二滤波电容C2和第三滤波电容C3的另一端接地；单片机IC1的3脚与三端稳压器V1的3脚连接、5脚与第一输入电压取样电阻R1的另一端连接、4脚接地；
PWM功率驱动电路包括驱动电路IC2和栅极限流电阻R6；驱动电路IC2的7脚与三端稳压器V1的1脚连接，4脚与单片机IC1的6脚连接，6脚与栅极限流电阻R6的一端连接，2脚、3脚和5脚接地；
单端反激式变换电路包括高频变压器T1、功率MOS管M1、整流二极管D1、高频滤波电容C10、吸收电容C9；高频变压器T1原边的一端与三端稳压器V1的1脚连接、另一端与功率MOS管M1的漏极连接，高频变压器T1副边的一端与整流二极管D1的正极连接，另一端接地；功率MOS管M1的栅极与栅极限流电阻R6的另一端连接、源极接地；吸收电容C9的一端与功率MOS管M1的漏极连接、另一端接地；高频滤波电容C10的一端与整流二极管D1的负极连接、另一端接地；
输出取样电路包括第一输出电压取样电阻R7、第二输出电压取样电阻R8、第三输出电压取样电阻R9、第四输出电压取样电阻R10和电流取样电阻R11；第一输出电压取样电阻R7、第二输出电压取样电阻R8和第三输出电压取样电阻R9依次串联后的一端与整流二极管D1的负极连接、另一端与第四输出电压取样电阻R10的一端连接，第四输出电压取样电阻R10的另一端和电流取样电阻R11的一端接地；
信号调理电路包括运算放大器IC3、同相输入端电阻R3、反相输入端电阻R4、反馈电阻R5、第五滤波电容C5、第六滤波电容C6、第七滤波电容C7和第八滤波电容C8；运算放大器IC3接+5V电源、4脚接地；第五滤波电容C5的一端分别与单片机IC1的6脚、反馈电阻R5的一端、运算放大器IC3的1脚连接，第五滤波电容C5的另一端接地；反相输入端电阻R4的一端分别与反馈电阻R5的另一端和运算放大器IC3的2脚连接，反相输入端电阻R4的另一端接地；同相输入端电阻R3的一端与电流取样电阻R11的另一端连接，同相输入端电阻R3的另一端分别与第六滤波电容C6的一端和运算放大器IC3的3脚连接，第六滤波电容C6的另一端接地；第七滤波电容C7的一端分别与运算放大器IC3的6脚、7脚以及单片机IC1的7脚连接，第七滤波电容C7的另一端接地；第八滤波电容C8的一端分别与运算放大器IC3的5脚以及第四输出电压取样电阻R10的一端连接，第八滤波电容C8的另一端接地。
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