CN110580076B - 一种用于超高压汞灯的降压电路及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于超高压汞灯的降压电路及控制方法，包括降压电路、补偿电路、软启动电压限幅电路、PFM调制控制电路及谷底检测电路；所述降压电路为BUCK电路，所述软启动电压限幅电路包括两个电阻及三极管，本发明通过简易电路检测电压、电流及开关管谷底电压等信息，实现降压电路的软启动和输出限幅，利用PFM电路快速调制占空比，实现降压电路谷底导通，降低开关损耗及元器件发热。
Description
技术领域
本发明属于超高压汞灯驱动控制领域，具体涉及一种用于超高压汞灯的降压电路及控制方法。
背景技术
超高压汞灯是一种利用水银蒸汽导电的具有负阻特性的气体放电灯，此类特殊负载对供电电源要求极高，同时考虑到实际应用需求，供电装置镇流器需要满足以下要求：1.具备能够提供合适点火功率的高压点火电路。点火电压和点火功率不足时难以触发点火；而点火功率过大和点火电压太高又会缩短灯泡使用寿命。2.供电电源拥有可靠的限流措施，防止电流雪崩现象。3.能够抑制高频能量驱动下超高压汞灯所出现的放电不稳定。4.应拥有较强的非线性负载适应能力，可以应对从启动到稳定工作的过渡过程。具备功率闭环调节能力，可以对超高压汞灯的发光稳定性和一致性进行控制，以满足生产实践需求。6.具有一定的故障诊断和保护措施。
因此，在超高压汞灯启动时，要求电子镇流器的降压电路能够提供合适的电压，并保持稳定，以保证后级谐振电路的正常工作，若电压过高，则降压电路容易进入不稳定工作状态，且要求使用电压等级更高的功率元件，若电压过低，则后级谐振电路需要达到更高的增益，同样提升了后级电路的工作频率和元器件要求，而后级电路输出的脉冲电压过高会引起灯的阴极溅射，影响灯的寿命，过低难以正常启动。
超高压汞灯启动之后，两极之间的阻抗由兆欧级别骤减为几欧至几十欧，降压电路需要通过电路电流判断超高压汞灯是否被点亮，此时灯体表现出负阻特性，等效阻抗很小，无法承受过高的功率，若此时以额定功率运行，则会造成灯体快速损坏。在过渡过程中，功率的提升速度，最低功率的设置都会对超高压汞灯的稳定运行和寿命造成影响。
超高压汞灯最终工作在恒功率状态，此时汞灯维持在出厂额定功率，通常情况下，超高压汞灯与镇流器电路被放置在防水防尘的密闭机箱，这对降压电路的工作损耗和发热情况提出了很高的要求，在这种工作环境下，要尽量使电路拥有更高的工作效率和更低的工作温度。由于降压电路长时间工作在断续模式，每周期续流二极管电流降为零时，电路中的直流电感与开关管、续流二极管的寄生电容共同构成振荡回路，电路出现衰减振荡，振荡频率往往远大于降压电路开关频率，由于续流二极管的限幅作用，振幅不会太大，但振荡的基波和高次谐波会对电路及外围系统产生不利影响，同时会对变换器效率产生影响，谐振的产生使得开关管两端在关断期间产生电流，此时开关管两端电压往往较大，导致了巨大的损耗和发热。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明的首要目的是提供一种用于超高压汞灯的降压电路；
本发明的另一个目提供一种用于超高压汞灯的降压电路的控制方法。
本发明采用如下技术方案：
一种用于超高压汞灯的降压电路，包括降压电路、补偿电路、软启动电压限幅电路、PFM调制控制电路及谷底检测电路；
所述降压电路为BUCK电路，包括开关管Q1，所述开关管Q1的漏极与市电输入信号连接，栅极与PFM调制控制电路连接，源极分别与谷底检测电路、二极管D1的阴极及电感L1的一端连接，所述二极管D1的阳极与电阻R1的一端连接，R1为电流采样电阻，所述电阻R1的另一端及电感L1的另一端跨接在电容C1的两端；
所述软启动电压限幅电路包括电阻R2、电阻R3及三极管Q2，所述电阻R2及电阻R3串联后跨接在电容C1的两端，所述三极管Q2的发射极与电阻R2及电阻R3之间连接，所述三极管Q2的基级与PFM调制控制电路连接，所述三极管Q2的集电极与补偿电路连接，所述补偿电路与PFM调制控制电路连接。
所述谷底检测电路包括电阻Rg1、二极管Dg1及电容Cg1，所述电阻Rg1与二极管Dg1并联后，再与电容Cg1串联，电容Cg1与二极管D1的阴极连接。
所述PFM调制控制电路包括单片机及PFM调制单元，所述PFM调制单元将调制信号输入单片机，所述PFM调制单元包括比较器Q5、电容C2、电阻R7、电阻R8及电阻R10，所述电阻R7、电阻R8及电阻R10串联，所述电阻R7一端与5V电压连接，所述电阻R10一端与接地端连接，所述比较器Q5的反相端与电阻R7的另一端连接，所述比较器Q5的反相端通过电容C2与接地端连接，所述电阻R10的另一端与开关管Q1的栅极连接，所述比较器Q5的同相端与补偿电路连接。
所述补偿电路包括电阻R9、电容C4、运算放大器Q3、电阻R4、电阻R5及电阻R6；
所述电阻R9与电容C4串联在运算放大器Q3的反相端与比较器Q5的同相端之间，所述电阻R4一端采集降压电路输出电流，其另一端分别与运算放大器Q3的反相端及三极管Q2的集电极连接，所述运算放大器的同相端分别与电阻R5及电阻R6连接，所述电阻R5的另一端接地，所述电阻R6的另一端与单片机连接。
所述开关管Q1为NMOS管，三极管Q2为PNP型管。
所述电阻R2电阻值为66K欧，电阻R3的电阻值为2.4K欧。
所述市电信号经过功率因数校正电路处理后得到。
一种超高压汞灯的降压电路的控制方法，具体包括在超高压汞灯点亮之前，降压电路的初始控制方式为恒流控制，电流设定值为2A，输出电压由限幅电路限至170V，降压电路工作在电流断续模式，此时采用双环控制达到电压限幅作用；三极管Q2及补偿电路实现软启动功能；
点亮汞灯时，降压电路检测点亮是否成功，若成功，则进入低恒功率控制阶段，否则降压电路仍工作在恒流模式；
汞灯点亮后首先进入低恒功率阶段，然后进入升功率阶段，降压电路根据采样的信息提高设定功率，直至功率达到额定功率并维持恒功率；
降压电路进入额定恒功率阶段，谷底检测电路开始工作，PFM调制控制电路及单片机根据谷底检测电路检测结果，决定开关管Q1的开通、关断时机，降低开关损耗，此时，降压电路由电流断续模式切换到电流临界连续模式。
所述电压限幅实现过程为：当降压电路输出端电压分压到三极管Q2的发射极电压小于5.7V时，三极管Q2关断，电路处在纯电流闭环；当降压电路输出端电压分压到三极管Q2发射极大于5.7V，三极管Q2导通，使补偿电路负端升高，拉低占空比，则输出电压被限制在：所述软启动功能实现过程为：
降压电路开启前，三极管Q2基极电平为0V，使得运算放大器Q3的反相端电压一直高于同相端电压，PFM调制单元处于关闭状态，抑制占空比的产生，降压电路启动时，将三极管Q2基极上升为5V，三极管Q2关闭，P7点电压不再影响电流环，此时将产生占空比，所述P7点为电阻R2及电阻R3的采样点。由于Q2的关闭不是瞬时完成的，利用这个过渡过程可以使占空比逐渐增大，起到软启动的功能。
本发明的有益效果：
(1)本发明的降压电路采集电压及电流等信息并进行电路补偿，实现降压电路的软启动、输出限幅及功率控制；
(2)利用PFM电路快速调制占空比，搭建谷底检测电路检测开关管微分信号，实现降压电路谷底导通，降低开关损耗及元器件发热；
(3)本发明实现了点火阶段的限压恒流控制，过渡阶段的升功率控制，以及正常运行时的恒功率控制，发热表现良好，灯光亮度稳定。
附图说明
图1是本发明的电路示意图；
图2是本发明降压电路功率变化示意图；
图3是本发明降压电路的等效拓扑图；
图4是本发明的信号流向图；
图5是本发明启用谷底导通电路及未启用谷底导通电路的工作波形对比图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1-图5所示，一种用于超高压汞灯的降压电路，利用设计的简易电路采集电压、电流等信息并进行电路补偿，实现降压电路的软启动、输出限幅，以及功率控制，利用PFM电路快速调制占空比，搭建谷底检测电路检测开关管微分信号，实现降压电路谷底导通，降低开关损耗及元器件发热，以上这些模块都需要与AVR单片机配合实现。本发明实现了点火阶段的限压恒流控制，过渡阶段的升功率控制，以及正常运行时的恒功率控制，发热表现良好，灯光亮度稳定。
具体包括降压电路、补偿电路、软启动电压限幅电路、PFM调制控制电路及谷底检测电路。
本实施例中降压电路采用Buck降压电路，具体拓扑结构如图3所示，包括-开关管Q1，所述开关管Q1的漏极与市电输入信号连接，栅极与PFM调制控制电路连接，源极分别与谷底检测电路、二极管D1的阴极及电感L1的一端连接，所述二极管D1的阳极与电阻R1的一端及接地端连接，R1为电流采样电阻，所述电阻R1的另一端及电感L1的另一端跨接在电容C1的两端。
由于灯泡在启动前阻抗为无穷，相当于输出电压只加载在了假负载R2和R3上。其中假负载的大小为约为80K欧，也就是说用很小的电流就能使电压达到与前级电压380V近似的电压，但过小的启动电流并不利于谐振阶段启动灯泡，而过高的BUCK输出电压则给电容的选取和谐振峰值控制带来麻烦。
所述软启动电压限幅电路包括电阻R2、电阻R3及三极管Q2，所述电阻R2及电阻R3串联后跨接在电容C1的两端，所述三极管Q2的发射极与电阻R2及电阻R3之间连接，所述三极管Q2的基级与单片机IO端口连接，所述三极管Q2的集电极与补偿电路连接，所述补偿电路与PFM调制控制电路连接。
所述谷底检测电路包括电阻Rg1、二极管Dg1及电容Cg1，所述电阻Rg1与二极管Dg1并联后，再与电容Cg1串联，电容Cg1与二极管D1的阴极连接。
所述PFM调制控制电路包括单片机及PFM调制单元，所述PFM调制单元将调制信号输入单片机，所述PFM调制单元包括比较器Q5、电容C2、电阻R7、电阻R8及电阻R10，所述电阻R7、电阻R8及电阻R10串联，所述电阻R7一端与5V电压连接，所述电阻R10一端与接地端连接，所述比较器Q5的反相端与电阻R7的另一端连接，所述比较器Q5的反相端通过电容C2与接地端连接，所述电阻R10的另一端与开关管Q1的栅极连接，所述比较器Q5的同相端与补偿电路连接。
所述补偿电路包括电阻R9、电容C4、运算放大器Q3、电阻R4、电阻R5及电阻R6；
所述电阻R9与电容C4串联在运算放大器Q3的反相端与比较器Q5的同相端之间，所述电阻R4一端采集降压电路输出电流，其另一端分别与运算放大器Q3的反相端及三极管Q2的集电极连接，所述运算放大器的同相端分别与电阻R5及电阻R6连接，所述电阻R5的另一端接地，所述电阻R6的另一端与单片机连接。
本实施例中电阻R2的电阻值为66K欧，电阻R3的电阻值为2.4K欧。
所述开关管Q1为NMOS管，三极管Q2为PNP型管。
如图2所示，本发明的控制过程如下：
系统连接AC-220V市电，系统外部功率因数校正模块输出380V直流电压，作为降压电路输入，降压电路同时为后级谐振电路提供能量。
在超高压汞灯点亮之前，降压电路的初始控制方式为恒流控制，电流设定值为2A，输出电压由限幅电路限至170V，降压电路工作在电流断续模式，此时采用双环控制达到电压限幅作用；三极管Q2及补偿电路实现软启动功能；
点亮汞灯时，降压电路检测点亮是否成功，若成功，则进入低恒功率控制阶段，否则降压电路仍工作在恒流模式；
汞灯点亮后首先进入低恒功率阶段，然后进入升功率阶段，降压电路根据采样的信息提高设定功率，直至功率达到额定功率并维持恒功率；
降压电路进入额定恒功率阶段，谷底检测电路开始工作，PFM调制控制电路及单片机根据谷底检测电路检测结果，决定开关管Q1的开通、关断时机，降低开关损耗，此时，降压电路由电流断续模式切换到电流临界连续模式。
图2展示了本发明所描述的降压电路功率变化过程，其中实线表示降压电路输出功率，虚线表示灯体等效电阻，降压电路首先工作在2安培恒流模式，随后开始120W低功率运行，随着灯体温度上升，超高压汞灯的等效电阻缓慢上升(图中表现为V-I曲线斜率变缓)，控制电路逐渐提升给定功率，直至到达330W额定功率后，开始恒功率运行。
本发明电压限幅的实现过程为：当降压电路输出端电压分压到三极管Q2的发射极电压小于5.7V时，三极管Q2关断，电路处在纯电流闭环；当降压电路输出端电压分压到三极管Q2发射极大于5.7V，三极管Q2导通，使补偿电路负端升高，拉低占空比，则输出电压被限制在：通过调整R2和R3的比值，可以调整电压的限幅值。
所述软启动功能实现过程为：
降压电路开启前，三极管Q2基极电平为0V，使得运算放大器Q3的反相端电压一直高于同相端电压，PFM调制单元处于关闭状态，抑制占空比的产生，降压电路启动时，将三极管Q2基极上升为5V，三极管Q2关闭，P7点电压不再影响电流环，此时将产生占空比，所述P7点为电阻R2及电阻R3的采样点。由于Q2的关闭不是瞬时完成的，利用这个过渡过程可以使占空比逐渐增大，由于电容C4与电阻R9的充放电有一定时间常数，将会导致BUCK电路的软启动，起到软启动的功能。
附图1所示，开关管Q1的占空比由PFM模块根据补偿后的电流偏差调制得到。正常情况下，降压电路工作在电流断续模式，为解决背景技术中所提到的电流过零谐振问题，本发明采用图1中所展示的谷底检测电路对谐振波形进行检测。同时，附图5分别展示了谷底检测电路的应用前后波形图。可以将本发明所使用的谷底检测电路看作带电压限幅的微分电路，脉冲强度过大时，微分后得到的电压脉冲会被稳压二极管钳位在与单片机输入电压匹配的电位，当电流过零，谐振产生时，检测电路产生脉冲信号，最终触发单片机占空比模块工作，开关管Q1开通，电流上升。
值得注意的是，微分脉冲不仅仅在电流过零时产生，在二极管关断时也会产生微分脉冲，本发明通过设置单片机的调制模式，使得单片机仅在PFM信号为低电平时，检测微分器是否有脉冲输出，并只响应第一个正向脉冲。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于超高压汞灯的降压电路，其特征在于，包括降压电路、补偿电路、软启动电压限幅电路、PFM调制控制电路及谷底检测电路；
所述降压电路为BUCK电路，包括开关管Q1，所述开关管Q1的漏极与市电输入信号连接，栅极与PFM调制控制电路连接，源极分别与谷底检测电路、二极管D1的阴极及电感L1的一端连接，所述二极管D1的阳极与电阻R1的一端连接，R1为电流采样电阻，所述电阻R1的另一端及电感L1的另一端跨接在电容C1的两端；
所述软启动电压限幅电路包括电阻R2、电阻R3及三极管Q2，所述电阻R2及电阻R3串联后跨接在电容C1的两端，所述三极管Q2的发射极与电阻R2及电阻R3之间连接，所述三极管Q2的基级与PFM调制控制电路连接，所述三极管Q2的集电极与补偿电路连接，所述补偿电路与PFM调制控制电路连接；
所述谷底检测电路包括电阻Rg1、二极管Dg1及电容Cg1，所述电阻Rg1与二极管Dg1并联后，再与电容Cg1串联，电容Cg1与二极管D1的阴极连接；
所述PFM调制控制电路包括单片机及PFM调制单元，所述PFM调制单元将调制信号输入单片机，所述PFM调制单元包括比较器Q5、电容C2、电阻R7、电阻R8及电阻R10，所述电阻R7、电阻R8及电阻R10串联，所述电阻R7一端与5V电压连接，所述电阻R10一端与接地端连接，所述比较器Q5的反相端与电阻R7的另一端连接，所述比较器Q5的反相端通过电容C2与接地端连接，所述比较器Q5的输出端与单片机连接，所述电阻R10的另一端与开关管Q1的栅极连接，所述比较器Q5的同相端与补偿电路连接；
所述补偿电路包括电阻R9、电容C4、运算放大器Q3、电阻R4、电阻R5及电阻R6；
所述电阻R9与电容C4串联在运算放大器Q3的反相端与比较器Q5的同相端之间，所述电阻R4一端采集降压电路输出电流，其另一端分别与运算放大器Q3的反相端及三极管Q2的集电极连接，所述运算放大器Q3的同相端分别与电阻R5及电阻R6连接，所述运算放大器Q3的输出端分别与比较器Q5的同相端连接，所述电阻R5的另一端接地，所述电阻R6的另一端与单片机连接。
2.根据权利要求1所述的用于超高压汞灯的降压电路，其特征在于，所述开关管Q1为NMOS管，三极管Q2为PNP型管。
3.根据权利要求1所述的用于超高压汞灯的降压电路，其特征在于，所述电阻R2电阻值为66K欧，电阻R3的电阻值为2.4K欧。
4.根据权利要求1所述的用于超高压汞灯的降压电路，其特征在于，市电信号经过功率因数校正电路处理后得到。
5.一种基于权利要求1所述用于超高压汞灯的降压电路的控制方法，其特征在于，包括：
在超高压汞灯点亮之前，降压电路的初始控制方式为恒流控制，电流设定值为2A，输出电压由限幅电路限至170V，降压电路工作在电流断续模式，此时采用双环控制达到电压限幅作用；三极管Q2及补偿电路实现软启动功能；
点亮汞灯时，降压电路检测点亮是否成功，若成功，则进入低恒功率控制阶段，否则降压电路仍工作在恒流模式；
汞灯点亮后首先进入低恒功率阶段，然后进入升功率阶段，降压电路根据采样的信息提高设定功率，直至功率达到额定功率并维持恒功率；
降压电路进入额定恒功率阶段，谷底检测电路开始工作，PFM调制控制电路及单片机根据谷底检测电路检测结果，决定开关管Q1的开通、关断时机，降低开关损耗，此时，降压电路由电流断续模式切换到电流临界连续模式；
当降压电路输出端电压分压到三极管Q2的发射极电压小于5.7V时，三极管Q2关断，电路处在纯电流闭环；当降压电路输出端电压分压到三极管Q2发射极大于5.7V，三极管Q2导通，使补偿电路负端升高，拉低占空比，则输出电压被限制在：
降压电路开启前，三极管Q2基极电平为0V，使得运算放大器Q3的反相端电压一直高于同相端电压，PFM调制单元处于关闭状态，抑制占空比的产生，降压电路启动时，将三极管Q2基极上升为5V，三极管Q2关闭，P7点电压不再影响电流环，此时将产生占空比，所述P7点为电阻R2及电阻R3的采样点，由于Q2的关闭不是瞬时完成的，利用这个过渡过程可以使占空比逐渐增大，起到软启动的功能。
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