在設計用于熒光燈或高強度氣體放電燈(HID)的電子鎮(zhèn)流器時,，除了要滿足通常的成本、可靠性和長壽命要求以外,，設計人員還必須提供增強的最終用戶功能,，例如，遠程調(diào)光控制,，同時還必須滿足嚴格的國內(nèi)和國際照明法規(guī)要求,。傳統(tǒng)的分立模擬設計技術(shù)仍然可以滿足許多此類新要求。然而,，新一代低成本8位閃存單片機為實現(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)流器控制設計提供了許多系統(tǒng)優(yōu)點,。在考慮此類設計之前，我們先回顧一下典型電子鎮(zhèn)流器控制應用的構(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)流器控制應用中的基本構(gòu)建模塊,。主要模塊包括一個電磁干擾(EMI)濾波器、一個全波整流器,、一個有源功率因數(shù)校正(PFC)前端,、一個數(shù)字控制部分和一個諧振輸出級。
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),，完成燈的預熱、點亮和鎮(zhèn)流功能,。
RLC諧振輸出級可容易地適應多種不同的燈
管類型,。如果設計的數(shù)字控制部分采用了基于嵌入式單片機的電路,，那么就可以為完成閉環(huán)調(diào)光、燈管故障檢測,、關閉和自動重啟提供所需要的電路和軟件,。目前的嵌入式單片機還可方便地連接到標準通信接口，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,，從而實現(xiàn)遠程控制和監(jiān)測(參考文獻1),。
請注意在圖1中，當燈關閉時,，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火電壓(Vstrike),。一旦燈管開始導電，電壓就應降低到更低的穩(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火電壓,；
● 當燈點亮后，電路必須在穩(wěn)定工作狀態(tài)下維持一個恒定的電流,；
● 電子控制器必須能夠補償逆變器電路直流總線電壓的波動和故障情況,。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,。
基于單片機的數(shù)字鎮(zhèn)流可以提供更多功能，如調(diào)光,、壽命終點監(jiān)測,、啟動故障檢測或燈管更換指示等。不同的燈管需要不同的設置,，可以容易地利用存儲在單片機非易性存儲器中的軟件實現(xiàn),。單片機還可調(diào)整所需要的燈具設置，從而在其整個生命周期中保證最大的效率。例如,，點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。
本文關于數(shù)字電子鎮(zhèn)流器中單片機的應用主要集中于兩個方面：數(shù)字逆變器控制,，以及如何在單片機中集成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諧振儲能電路控制的,。更精確地控制驅(qū)動逆變器MOSFET的脈寬調(diào)制信號能夠更好地控制輸出電壓,。因此，設計工程師要求PWM模塊能夠提供更高或更精確的分辨率,，同時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時提供足夠的電壓點亮熒光或HID燈管,，同時又可在穩(wěn)定狀態(tài)時提供穩(wěn)定的工作電壓,。
多數(shù)針對此類應用的8位單片機都集成有10位硬件PWM模塊，并且可以通過軟件實現(xiàn)實時的配置,。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技術(shù),，利用10位硬件PWM外設也可以實現(xiàn)更精細的頻率步進幅度,，提高頻率分辨率。此外,，利用單片機實現(xiàn)的動態(tài)軟件頻率抖動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亮燈管所需要的點火電壓，同時還可用于在穩(wěn)定工作狀態(tài),，甚至發(fā)生某些線路故障時維持恒定的電流,。集成了不同硬件外設(如PWM或軟件可配置的模擬比較器)的8位單片機非常適用此類應用。
8位嵌入式單片機
低成本8位嵌入式單片機在電子鎮(zhèn)流控制中應用的兩個新領域是PFC模塊和電子鎮(zhèn)流器功率逆變器,，可以實現(xiàn)更好的動態(tài)頻率控制,。
大多數(shù)8位單片機集成了模擬比較器和多通道ADC等模擬外設，同時還集成了數(shù)字PWM模塊等數(shù)字外設,。所有這些電路都可以軟件進行控制,，比傳統(tǒng)的純模擬反饋環(huán)控制系統(tǒng)有很大優(yōu)勢，在實現(xiàn)控制功能的同時,，仍然可以完成高速模擬反饋環(huán)控制,。
許多嵌入式單片機還集成了增強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 實現(xiàn)不同類型的通信接口,，用于實現(xiàn)遠程站點監(jiān)控或分布式電路板設計。
獲得更高PWM分辨率
功率逆變器的精確時序控制對于電子鎮(zhèn)流器的功能非常關鍵。通過一些簡單的軟件技巧,，就可使所有PIC單片機上的PWM模塊支持不同類型的應用,，包括幾個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用(參考文獻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單片機捕捉/比較/PWM模塊和增強型捕捉/比較/PWM模塊(分別對應CCP和ECCP)的框圖,。每當8位定時器值(TMR2)等于周期寄存器值(PR2)時,，一個新周期就開始了，PWM輸出置位(輸出高),，定時器復位,。每當8位定時器值(TMR2)等于CCP占空比寄存器(CCPRxH)值時，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左右可以達到的典型輸出頻率，以及PR2寄存器值對實際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,，因為此時人眼更為敏感。
為了利用數(shù)字PWM外設提供約60Hz(一個常用的參考數(shù)值)的步進值,，時鐘頻率需要提高約16倍,。而實現(xiàn)這一點在成本和技術(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模塊相關的定時器中斷機制,，只需外加幾行軟件代碼,。
基本的思路是將16個PWM周期視為一組，并在兩個不同頻率值間來回切換(對應PR2寄存器的兩個值),。例如,，8個周期PR2=100，8個周期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個中間頻率，在100,000Hz和101,010Hz之間相鄰間隔大約64Hz,。在照明應用中,，人眼會自然地對光輸出進行積分，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計數(shù)器來實現(xiàn),，如圖3所示，圖中比率為5:16,，較低的頻率(T1)占對應的幾個周期，而較高頻率(T2)則占16個一組中的其它幾個周期,。為了獲得平均分布的周期數(shù),，使用了一個4位累加器，每個周期,，累加器輸出增加一個對應的分數(shù)值(1...15),。如果產(chǎn)生進位，下一個周期將被擴展(T1),。否則,，將保持基本值(T2)。
結(jié)合基本的軟件定時器中斷技巧以及許多單片機中都有的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,。利用CCP模塊中內(nèi)建的中斷機制，可以在100kHz附近獲得以64Hz為步進增量的可調(diào)節(jié)頻率信號,，同時僅需要占用很少的單片機指令周期,。
數(shù)字控制下的模擬電壓縮放
現(xiàn)在回到關于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與輸入交流電源正弦電壓同相的參考波形,。實現(xiàn)這一點的一種方法是利用PWM模塊產(chǎn)生一個模擬電壓(PWM輸出驅(qū)動一個低通濾波器,，如圖4所示)，然后再根據(jù)單片機中存儲的查找表來改變輸出頻率和幅度,。但這種產(chǎn)生模擬參考信號的方法非常耗費資源,，因此將這一方法作為動態(tài)軟件反饋環(huán)的一部分比較困難。
控制線性信號的另一種方法是用數(shù)字方式對模擬信號的幅度進行縮放,。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，生成一個參考信號,。這種按比例縮放保證了對交流電源的負載與電壓成比例,，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,，因此實現(xiàn)PFC時需要一種方法來縮放PFC用做參考的交流信號(參考文獻3),。
數(shù)字分壓器是實現(xiàn)輸入信號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簡單的低通RC濾波器,，一個MOSFET晶體管和一個數(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最大頻率的100倍左右,，這樣濾波器的響應特性才不會影響到信號的幅度或相位。同樣,，PWM頻率必須是RC濾波器轉(zhuǎn)折頻率的約200倍,，這樣PWM頻率就不會超過濾波器能量限制。
圖5的電路利用PWM信號調(diào)制Q1 MOSFET,，從而對輸入信號進行了“短接”,。此外，這一電路僅允許原始模擬信號的一個特定百分比通過濾波器輸出,。允許通過濾波器的輸入信號百分比由PWM占空比決定,，而這一占空比受單片機的軟件控制。然后,，一個一階低通濾波器(由R2和C1組成)濾除PWM信號中的調(diào)頻成份,，并將信 號平滑為原始正弦信號波形。結(jié)果就構(gòu)成了一個簡單的模擬交流輸入電壓比例縮放電路,，僅采用了幾個無源器件,、一個晶體管和一個常見的數(shù)字PWM外設。
然而,，需要注意這一技巧存在一些局限,。
● 模擬信號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(R1和R2),，PWM信號所感受到的實際轉(zhuǎn)折頻率是模擬信號感受到頻率的兩倍。
軟件閉環(huán)控制
本設計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之間的直接比例相關,，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給出了完整的設計,，
其中集成的嵌入式單片機同時用于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,，因為PWM輸出驅(qū)動數(shù)字/模擬比例縮放電路。應用中也使用了ECCP模塊的中斷機制驅(qū)動半橋功率逆變器,，利用簡單的軟件抖動方法獲得更精細的步進值。
本設計中不再需要分立的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,，同時還可以滿足更嚴格的政府法規(guī)要求,。
參考文獻
[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.