CN104822216A - 小功率hid灯驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小功率HID灯驱动电路，其降压电路采用脉宽调制式DC-DC电路，包括运算放大器、电流控制型脉宽调制器和第一开关管。本发明通过在降压电路的运算放大器的反相输入端连接有基准电阻，此基准电阻由可调电阻与数控电阻并联后与第三电阻相串联，全桥输出电流的反馈信号流入运放的同相输入端，此反馈信号的反馈输入值只与基准电阻的阻值有关，最终可通过控制基准电阻中的数控电阻的阻值来改变电路的输出功率(灯功率)。使用者通过操作部件对单片机控制电路发出指令，单片机控制电路输出控制信号给数控电阻，控制数控电阻的阻值，从而实现人为地自由改变HID灯的输出功率、调节HID灯亮度。

Description

小功率HID灯驱动电路

技术领域

本发明涉及照明装置驱动电路，具体涉及一种小功率HID灯驱动电路。

背景技术

照明光源是人类生活中不可或缺的要素，随着人口不断的增加，人们对于照明光源之需求也日益增加。而高强度气体放电灯(HID)具有亮度高、发光效率高、不诱虫、寿命长等良好的发光特性，因而具有研究的价值。

现有的小功率HID灯，其驱动电路一般都只是采用从HID灯工作电流得到反馈进行恒功率控制，无法人为地自由改变HID灯的输出功率、调节HID灯的亮度。

现有的小功率HID灯，为了有效地避免声谐振现象，在稳态时采用低频方波驱动，这样低频方波的频率范围远低于音频共振频带，可延长HID灯的使用寿命。但如果启动时也采用低频驱动方波进行点灯，不利于HID灯在启动时电弧的形成和维持，HID灯不易点亮。

另外，现有HID灯的控制方式大部分只用有线电源开关，使用时只能通过现场手动对HID灯进行调光、定时和开关灯等操作，使用不太方便。

发明内容

本发明的目的是提供一种可人为地自由改变HID灯的输出功率、调节HID灯亮度的小功率HID灯驱动电路。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

小功率HID灯驱动电路，包括依次相连接的整流滤波电路、功率因数校正电路、降压电路和全桥逆变及点火电路，整流滤波电路的输入端连接市电电源，全桥逆变及点火电路的输出端连接负载；还包括单片机控制电路，单片机控制电路的输出端分别与功率因数校正电路、降压电路和全桥逆变及点火电路的相应控制端相连接；

降压电路包括运算放大器、电流控制型脉宽调制器和第一开关管，运算放大器的同相输入端连接至第一开关管的源极，运算放大器的反相输入端连接有基准电阻，此基准电阻包括第一电阻、第二电阻和第三电阻，第一电阻与第二电阻并联后与第三电阻相串联，第一电阻为可调电阻，第二电阻为数控电阻；运算放大器的输出端连接电流控制型脉宽调制器的输入端，电流控制型脉宽调制器的输出端连接第一开关管的栅极，第一开关管的漏极连接功率因数校正电路的输出端，第一开关管的源极为降压电路的输出端；数控电阻的控制端连接至单片机控制电路的相应输出端，且单片机控制电路以有线或无线的方式连接有用以调节数控电阻的阻值的调节部件。

上述单片机控制电路以ARM Cortex-M3内核的STM32F103作为主控芯片；上述运算放大器的型号为LM2904，上述电流控制型脉宽调制器的型号为UC3845，上述第一开关管的型号为4N60，上述数控电阻采用数字电位器X9313WSZ。

上述全桥逆变及点火电路包括第二开关管Q5、自激式全桥驱动器U4、桥式逆变电路和变压器T1，第二开关管Q5的栅极连接上述单片机控制电路的输出端，自激式全桥驱动器U4连接有调频回路，此调频回路包括电容C5、电阻R6和电容C8，电阻R6和电容C8串接于自激式全桥驱动器的RT端，电阻R6与电容C8的连接节点连接至自激式全桥驱动器U4的CT端并通过电容C5第二开关管Q5的漏极。

上述单片机控制电路的通讯接口连接有蓝牙模块或NRF模块。

采用上述方案后，本发明的小功率HID灯驱动电路，其降压电路采用脉宽调制式DC-DC电路，包括运算放大器、电流控制型脉宽调制器和第一开关管，降压电路的输出电压由电流控制型脉宽调制器的输出脉宽决定，而电流控制型脉宽调制器输出的脉宽由运算放大器进行调节。本发明通过在降压电路的运算放大器的反相输入端连接有基准电阻，此基准电阻由可调电阻与数控电阻并联后与第三电阻相串联，全桥输出电流的反馈信号流入运放的同相输入端，此反馈信号的反馈输入值只与基准电阻的阻值有关，最终可通过控制基准电阻中的数控电阻的阻值来改变电路的输出功率(灯功率)。当数控电阻的阻值越大导致反馈电阻越大，则灯功率越大；反之，数控电阻的阻值越小导致反馈电阻越小，则灯功率越小。使用者通过操作部件对单片机控制电路发出指令，单片机控制电路输出控制信号给数控电阻，控制数控电阻的阻值，从而实现人为地自由改变HID灯的输出功率、调节HID灯亮度。

本发明的小功率HID灯驱动电路，刚启动时单片机控制电路输出低电平至全桥逆变及点火电路的第二开关管Q5的栅极，第二开关管Q5截止，这时候自激式全桥驱动器U4输出的方波频率由其第三、第四脚之间的电阻R6和电容C8设定，此时方波频率较高，通过此高频方波进行点灯，有助于HID灯在启动时，有利于电弧的形成和维持，HID灯较易点亮；当HID灯进入稳态后，单片机控制电路通过输出高电平把第二开关管Q5导通，此时电容C5与电容C8并联，自激式全桥驱动器U4第三、第四脚之间的方波设置频率变小，通过此低频方波供给HID灯工作，使用低频方波驱动电路在理想情况上可以提供灯管一恒定功率，避免了在高频工作时可能发生的声谐振现象。而且，本发明中，采用高频谐振点灯只需要一组电感器和电容器，不需要其他的倍压电路，升压变压器等，所需器件少，成本较低。

本发明的小功率HID灯驱动电路，单片机控制电路的通讯接口连接有蓝牙模块或NRF模块，通过此蓝牙模块或NRF模块，配合遥控器，可对驱动电路进行远程控制，对HID灯进行调光、定时和开关灯等操作，使用很方便。

附图说明

图1为本发明的电路原理框图；

图2为图1中功率因数校正电路的电路原理图；

图3为图1中降压电路的电路原理图；

图4为图3中运算放大器与电流控制型脉宽调制器的功率控制原理图；

图5为图1中全桥逆变及点火电路的电路原理图；

图6为图1中单片机控制电路的电路原理图；

图7为本发明中数字电位器X9313的功能框图；

图8为本发明中单片机控制电路的信号处理流程图；

图9为本发明中遥控端显示屏的菜单示意图；

图10为本发明中调功电阻阻值与输出功率关系图。

具体实施方式

本发明的小功率HID灯驱动电路，如图1所示，包括EMI整流/滤波电路、功率因数校正电路、降压电路、DC/AC全桥逆变及点火电路和单片机控制电路。EMI整流/滤波电路的输入端连接市电输入电源～220V，EMI整流/滤波电路的输出端依次连接功率因数校正电路、降压电路和DC/AC全桥逆变及点火电路，DC/AC全桥逆变及点火电路的输出端连接负载，单片机控制电路的输出端分别与功率因数校正电路、降压电路和全桥逆变及点火电路的相应控制端相连接。

电磁干扰(EMI)是因电磁波造成设备、传输通道或系统性能降低的一种电磁现象。因此，在电路的输入端就要抑制电磁干扰，从而得到一个稳定的系统。为了保证HID灯驱动电路能够正常工作，本发明中，设置了EMI整流/滤波电路，市电～220V电压经过EMI共模滤波到整流桥，输出310V脉动直流电压作为整个驱动电路的供电电源。为了提高驱动电路的工作可靠性，本发明还配备有辅助电源。

交流输入经滤波和整流后，非线性负载使波形畸变，输入电流呈脉冲波形，含有大量的谐波分量，造成功率因数低。为了提高功率因数，本发明设置了功率因数校正电路。

如图2所示，功率因数校正电路主要由功率因数校正控制器U1(L6561D)、变压器T3、功率开关管Q7、二极管D4、输出电容C25及反馈网络构成。功率因数校正控制器U1使用瞬时模式技术(Transition Mode Technique)来达到使输入电流为sin波形、即电流与电压同相位的目的。电路中电阻R₁₈、R₁₉构成电压分压网络，用于检测输入电压波形和相位，经功率因数校正控制器U1的第3脚输入，作为乘法器的一输入源。升压后电压经电阻R₂₅、R₂₆分压输入功率因数校正控制器U1的第1脚与IC内部参考点位作比较后，再经第1脚与第2脚两端之间的补偿网络输出，以作为内部乘法器的另一输入源，这两个电压经乘法器乘积后，可得一比例弦波参考电压V_r(t)做为功率开关截止时机的依据。功率因数校正控制器U1的第7脚输出驱动信号，电阻R₂₂起到让功率开关管Q7慢导通快截止功能，当功率因数校正控制器U1的第7脚闸级驱动信号使功率开关管Q7导通时，电感电流依d_i/d_t斜率上升，流经电阻R₂₄，取电阻R₂₄的跨压V_R24经功率因数校正控制器U1的第4脚与参考电压V_r(t)作比较，当V_SR21>V_r(t)时，功率因数校正控制器U1的第7脚拉低电压，使功率开关管Q7截止。变压器T3初级线圈主要用作升压电感，次级线圈检测电感电流过零信号，电阻R₂₁是电感电流检测电阻。功率因数校正控制器U1有输出过压保护(OVP)功能，当输出电压过大时，过冲电流经过电阻R₂₅流进功率因数校正控制器U1的误差放大器，如果流入误差放大器的电流大于40μA，功率因数校正控制器U1将关闭驱动输出以保护电路。

通过前级的功率因数校正电路之后，可以得到一个稳定的400V直流电压，但HID灯的工作电压远低于400V，所以需要通过降压电路把400V的直流电进行降压。

本发明中采用的是脉宽调制(PWM)式DC-DC电路。如图3所示，降压电路包括运算放大器U2(LM2904)、电流控制型脉宽调制器U3(UC3845)和开关管Q6(4N60)。降压电路的输出电压由电流控制型脉宽调制器U3的输出脉宽决定，而电流控制型脉宽调制器U3输出的脉宽由运算放大器U2进行调节。运算放大器U2的同相输入端(第3脚)通过电阻R9和二极管D3连接至开关管Q6的源极，运算放大器U2的反相输入端(第2脚)连接有基准电阻，此基准电阻包括电阻R8、电阻R_X和电阻R10，电阻R8与电阻R_X并联后与电阻R10相串联，电阻R8为可调电阻，电阻R_X为数控电阻。运算放大器U2的输出端(第1脚)连接电流控制型脉宽调制器U3的输入端(第2脚)，电流控制型脉宽调制器U3的输出端(第6脚)通过变压器T2连接至开关管Q6的栅极，开关管Q6的漏极连接功率因数校正电路的输出端(直流400V电压)，开关管Q6的源极为降压电路的输出端。

运算放大器U2(LM2904)与电流控制型脉宽调制器U3(UC3845)的电路可以简化为如图4所示的功率控制图，功率的变化实质上为PWM占空比的改变，因此图4也是PWM占空比的控制图。如图4所示，电阻R₈与数控电阻R_X并联后再与电阻R₁₀串联构成基准电阻，运算放大器U2的第1脚为其输出端，电阻R₇为反馈电阻。K_II_LAMP为全桥输出电流的反馈信号，K_II_LAMP通过一个与之串联的以地为参考取样电阻R₁₅转换成电压，再过一个电阻R₉经运算放大器U2的第3脚流入运放的同相输入端。

根据图4可得基准电阻R′＝R₁₀+R₈//R_x         (1-1)

电流控制型脉宽调制器U3的误差放大器具有极高的开路增益，因此在闭合回路的情况下，同相比例运放器的输出电压会在V_REF附近做微小的变动，在误差放大器开路增益极大的情况下，可以假设同相比例运放的输出为u_O＝V_REF，由此可得到下面的关系式

       $u_O=V_{\mathrm{REF}}=(1+\frac{R_7}{R^{\′}})\·K_I{I}_{\mathrm{LAMP}}---(1-2)$

       $I_{\mathrm{LAMP}}=\frac{V_{\mathrm{REF}}}{(1+R_7/R^{\′}).K_I}---(1-3)$

灯功率P_LAMP＝V_LAMP·I_LAMP，可得到

       $P_{\mathrm{LAMP}}=\frac{V_{\mathrm{REF}}\·V_{\mathrm{LAMP}}}{(1+R_7/R^{\′}).K_I}---(1-4)$

电路在低频稳态工作时，根据HID灯的负阻特性可以得知电压V_LAMP基本保持不变。从公式1-4中可以得到P_LAMP只与R′有关，而基准电阻可由公式1-1可知只与R_X有关，所以通过控制数控电阻R_X(X9313D)来改变电路的输出功率的方法是可行的。当R_X的阻值越大导致R′越大，则P_LAMP越大；反之，R_X的阻值越小导致R′越小，则P_LAMP越小。

表2为R′值与输出功率，输入功率，效率的对照表，如表2所示，当R′阻值大约在9.8KΩ左右时，大约在半功率点20W左右，而当R′阻值约在18KΩ时，输出功率达到额定功率值。由图10可看出阻值与输出功率呈现正比例关系。

表2

      

如图4、图6所示，数控电阻R_X的控制端连接至单片机控制电路的相应输出端(数控电阻R_X的脚、脚和脚分别连接至单片机控制电路的主控芯片U5的10脚、32脚和33脚)，为了实现单片机控制电路对数控电阻的阻值调节，可在单片机控制电路的相应控制端连接有按键等调节部件，通过此调节部件对单片机控制电路进行现场控制，调节数控电阻R_X的阻值实现人为地自由改变HID灯的输出功率、调节HID灯亮度；为了方便使用，可通过无线的方式对单片机控制电路进行控制，如，通过单片机控制电路的通讯接口连接有蓝牙模块或NRF模块，配合遥控器对单片机控制电路进行远程控制，调节数控电阻R_X的阻值实现人为地自由改变HID灯的输出功率、调节HID灯亮度。采用远程控制的方式大大改善了用户的作业难度，而且能实现调功功能可以根据用户自行需求实时根据情况改变HID灯亮度节约能源。

如图9所示，根据需要实现的功能，将遥控端显示屏的Menu分为了四个一级选项，有当前状态显示，定时模式，调节功率及关闭HID灯。当前状态显示即将HID灯的系统时间和功率实时在显示屏上显示以便更好的控制；定时模式即将HID定时关闭；调节功率顾名思义就是用来调节HID灯的亮度；关闭即实时将HID灯关闭即使处于定时模式下。

如图7所示，本发明中，数控电阻R_x(数字电位器X9313WSZ)内部包含控制电路、五位二进制可逆计数器、32选1译码器、五位E²PROM及电阻阵列。电阻阵列包含有31个电阻单元，在每个单元的两个端点都有可被滑动单元访问的抽头点，它的最大电阻值为10KΩ。对滑动单元抽头点位置的访问由和三个输入端所输入的数据经五位可逆计数器计数，32选1译码器译码后控制单接点的电子开关来实现。在滑动端改变抽头位置时以“先接通后断开”的方式进行工作。X9313WSZ的分辨率为10000/31＝323Ω。表1为数字电位器X9313WSZ的引脚说明。

表1

      

如图5所示，全桥逆变及点火电路包括开关管Q5、自激式全桥驱动器U4(IRS2453)、桥式逆变电路和变压器T1。

由4个功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4组成桥式逆变电路，功率开关管Q1、Q4及功率开关管Q2、Q3分别组成两个导通回路，当功率开关管Q1、Q4导通时，功率开关管Q2、Q3断开，输入电流经功率开关管Q1、变压器T1的原绕组线圈和功率开关管Q4形成回路；同理，当功率开关管Q2、Q3导通时，功率开关管Q1、Q4断开，输入电流经功率开关管Q3、变压器T1的原绕组线圈和功率开关管Q2形成回路，两对MOS管交替导通，输出的低频方波给HID灯供电，使HID灯能够稳定的工作。

开关管Q5的栅极连接单片机控制电路的输出端，自激式全桥驱动器U4连接有调频回路，此调频回路包括电容C5、电阻R6和电容C8，电阻R6和电容C8串接于自激式全桥驱动器U4的RT端(4脚)，电阻R6与电容C8的连接节点连接至自激式全桥驱动器U4的CT端(3脚)并通过电容C5第二开关管Q5的漏极。

本发明采用高频点灯，低频稳态工作，所以电路需要一次高频转低频的动作。刚启动时单片机控制电路输出低电平至全桥逆变及点火电路的开关管Q5的栅极，开关管Q5截止，这时候自激式全桥驱动器U4输出的方波频率由其第3、第4脚之间的电阻R6和电容C8设定，频率公式为F＝1/(1.453*R6*C8)，此时方波频率较高，通过此高频方波进行点灯，有助于HID灯在启动时，有利于电弧的形成和维持，HID灯较易点亮；当HID灯进入稳态后，单片机控制电路通过输出高电平把开关管Q5导通，此时电容C5与电容C8并联，第三第四脚之间的方波设置频率变为F＝1/[1.453*R6*(C8+C5)]，自激式全桥驱动器U4第3、第4脚之间的方波设置频率变小，通过此低频方波供给HID灯工作，使用低频方波驱动电路在理想情况上可以提供灯管一恒定功率，避免了在高频工作时可能发生的声谐振现象。而且，本发明中，采用高频谐振点灯只需要一组电感器和电容器，不需要其他的倍压电路，升压变压器等，所需器件少，成本较低。

单片机控制电路如图6所示，其主控芯片U5采用以ARMCortex-M3为内核的STM32F103，接收蓝牙模块或NRF模块传送的信号，进行驱动电路的调控。主控芯片U5的最小系统电路由晶振电路、复位电路、指示灯电路组成。晶振电路的两个晶振电路各司其职，8M HSE晶振用作PLL倍频；32.768K晶振为外部低频晶振，也称时钟晶振，计时与系统待机时使用。电源模块AMS117将辅助电源的15V转化为3.3V给主控芯片U5、NRF模块、蓝牙模块、数字电位器X9313WSZ供电。

在HID灯开启，系统进入恒功率状态后，主控芯片U5就一直处于检测电路是否异常与是否有接收到信号的状态中。若有远程端发送来信号被接收后，主控芯片U5开始读取接收寄存器状态指令，状态指令为可读的情况下，读取接收指令，接收的数据以及长度，否则清空缓冲区。接下来，判断校验和与帧头，都正确后开始判断功能字。根据接收到的功能字，执行相对应的指令动作。主控芯片U5信号处理程序流程如图8所示。

通过长时间的通电实验，本发明的驱动电路在交流电170V～265V的输入电压波动情况下，HID灯驱动电路工作稳定，恒功率工作，功率因素大于0.93，工作效率约为87％，无声谐振现象。可以很好地实现对金卤灯的远程控制。实验结果表明，该电路可为公共照明的HID灯提供一种高性价比、节能的驱动电路。

Claims (4)

1.小功率HID灯驱动电路，包括依次相连接的整流滤波电路、功率因数校正电路、降压电路和全桥逆变及点火电路，整流滤波电路的输入端连接市电电源，全桥逆变及点火电路的输出端连接负载；还包括单片机控制电路，单片机控制电路的输出端分别与功率因数校正电路、降压电路和全桥逆变及点火电路的相应控制端相连接；其特征在于：

降压电路包括运算放大器、电流控制型脉宽调制器和第一开关管，运算放大器的同相输入端连接至第一开关管的源极，运算放大器的反相输入端连接有基准电阻，此基准电阻包括第一电阻、第二电阻和第三电阻，第一电阻与第二电阻并联后与第三电阻相串联，第一电阻为可调电阻，第二电阻为数控电阻；运算放大器的输出端连接电流控制型脉宽调制器的输入端，电流控制型脉宽调制器的输出端连接第一开关管的栅极，第一开关管的漏极连接功率因数校正电路的输出端，第一开关管的源极为降压电路的输出端；数控电阻的控制端连接至单片机控制电路的相应输出端，且单片机控制电路以有线或无线的方式连接有用以调节数控电阻的阻值的调节部件。

2.根据权利要求1所述的小功率HID灯驱动电路，其特征在于：上述单片机控制电路以ARM Cortex-M3内核的STM32F103作为主控芯片；上述运算放大器的型号为LM2904，上述电流控制型脉宽调制器的型号为UC3845，上述第一开关管的型号为4N60，上述数控电阻采用数字电位器X9313WSZ。

3.根据权利要求1所述的小功率HID灯驱动电路，其特征在于：上述全桥逆变及点火电路包括第二开关管Q5、自激式全桥驱动器U4、桥式逆变电路和变压器T1，第二开关管Q5的栅极连接上述单片机控制电路的输出端，自激式全桥驱动器U4连接有调频回路，此调频回路包括电容C5、电阻R6和电容C8，电阻R6和电容C8串接于自激式全桥驱动器的RT端，电阻R6与电容C8的连接节点连接至自激式全桥驱动器U4的CT端并通过电容C5第二开关管Q5的漏极。

4.根据权利要求1所述的小功率HID灯驱动电路，其特征在于：上述单片机控制电路的通讯接口连接有蓝牙模块或NRF模块。