8位單片機在鎮流器和功率因數校正中的應用

在設計用于熒光燈或高強度氣體放電燈(HID)的電子鎮流器時(shí)，除了要滿(mǎn)足通常的成本、可靠性和長(cháng)壽命要求以外，設計人員還必須提供增強的最終用戶(hù)功能，例如，遠程調光控制，同時(shí)還必須滿(mǎn)足嚴格的國內和國際照明法規要求。傳統的分立模擬設計技術(shù)仍然可以滿(mǎn)足許多此類(lèi)新要求。然而，新一代低成本8位閃存單片機為實(shí)現滿(mǎn)足照明法規要求的低成本高分辨率數字電子鎮流器控制設計提供了許多系統優(yōu)點(diǎn)。在考慮此類(lèi)設計之前，我們先回顧一下典型電子鎮流器控制應用的構建模塊。

　　電子鎮流器控制

　　圖1示出的是目前大多數鎮流器控制應用中的基本構建模塊。主要模塊包括一個(gè)電磁干擾(EMI)濾波器、一個(gè)全波整流器、一個(gè)有源功率因數校正(PFC)前端、一個(gè)數字控制部分和一個(gè)諧振輸出級。

　　EMI濾波器阻止鎮流器產(chǎn)生的噪聲饋送到交流電源線(xiàn)上。全波整流器將交流電轉換為其它模塊可以控制的直流電。通常還會(huì )采用某種形式的PFC電路來(lái)控制正弦輸入電流和生成穩定的直流總線(xiàn)電壓。鎮流器控制部分為傳統RLC型的諧振輸出電路，提供頻率調制控制(通常是脈沖寬度調制)，完成燈的預熱、點(diǎn)亮和鎮流功能。

　　RLC諧振輸出級可容易地適應多種不同的燈

管類(lèi)型。如果設計的數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)調光、燈管故障檢測、關(guān)閉和自動(dòng)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，如數字可尋址照明接口(DALI)、或其它RS-232類(lèi)型，或同步串行接口總線(xiàn)，如I2C或SPI，從而實(shí)現遠程控制和監測(參考文獻1)。

　　請注意在圖1中，當燈關(guān)閉時(shí)，熒光燈管中沒(méi)有電流流過(guò)，因此從鎮流控制器端看過(guò)去，燈管的阻抗幾乎是無(wú)限大。要點(diǎn)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(chēng)為點(diǎn)火電壓(Vstrike)。一旦燈管開(kāi)始導電，電壓就應降低到更低的穩定電壓(VNOM)。

　　為更好地理解這一鎮流器控制電路，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(diǎn)火電壓；
　　●當燈點(diǎn)亮后，電路必須在穩定工作狀態(tài)下維持一個(gè)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(xiàn)電壓的波動(dòng)和故障情況。這樣可以保證穩定的燈光輸出，并可幫助延長(cháng)燈管的壽命；
　　●鎮流器電路還必須滿(mǎn)足國內和國際照明法規要求。

　　基于單片機的數字鎮流可以提供更多功能，如調光、壽命終點(diǎn)監測、啟動(dòng)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(shí)現。單片機還可調整所需要的燈具設置，從而在其整個(gè)生命周期中保證最大的效率。例如，點(diǎn)火電壓可能需要提高，或者在穩定狀態(tài)下的工作電壓需要稍微有些變化。

　　本文關(guān)于數字電子鎮流器中單片機的應用主要集中于兩個(gè)方面：數字逆變器控制，以及如何在單片機中集成PFC功能來(lái)代替分立且成本更高的PFC器件。

　　數字逆變器控制

　　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。更精確地控制驅動(dòng)逆變器MOSFET的脈寬調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(shí)具有更好的線(xiàn)性頻率控制，特別是在40kHz～120kHz范圍內。這樣就既可以保證在啟動(dòng)時(shí)提供足夠的電壓點(diǎn)亮熒光或HID燈管，同時(shí)又可在穩定狀態(tài)時(shí)提供穩定的工作電壓。

　　多數針對此類(lèi)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(guò)軟件實(shí)現實(shí)時(shí)的配置。這些PWM模塊的最大問(wèn)題是其工作頻率范圍很寬，從而限制了在40kHz～120kHz頻率范圍內的精度或頻率分辨率。通過(guò)簡(jiǎn)單的軟件控制頻率抖動(dòng)技術(shù)，利用10位硬件PWM外設也可以實(shí)現更精細的頻率步進(jìn)幅度，提高頻率分辨率。此外，利用單片機實(shí)現的動(dòng)態(tài)軟件頻率抖動(dòng)控制能夠更好地控制數字電子鎮流器的調光功能。

　　精確的頻率控制一方面可用于尋找點(diǎn)亮燈管所需要的點(diǎn)火電壓，同時(shí)還可用于在穩定工作狀態(tài)，甚至發(fā)生某些線(xiàn)路故障時(shí)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(lèi)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流控制中應用的兩個(gè)新領(lǐng)域是PFC模塊和電子鎮流器功率逆變器，可以實(shí)現更好的動(dòng)態(tài)頻率控制。

　　大多數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(shí)還集成了數字PWM模塊等數字外設。所有這些電路都可以軟件進(jìn)行控制，比傳統的純模擬反饋環(huán)控制系統有很大優(yōu)勢，在實(shí)現控制功能的同時(shí)，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)，這樣在電子鎮流器中可 實(shí)現不同類(lèi)型的通信接口，用于實(shí)現遠程站點(diǎn)監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(shí)序控制對于電子鎮流器的功能非常關(guān)鍵。通過(guò)一些簡(jiǎn)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(lèi)型的應用，包括幾個(gè)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電子鎮流器中，利用頻率變化來(lái)控制與燈管串聯(lián)的電感(鎮流器)的阻抗。為保持鎮流器電感較小(降低成本和尺寸)，開(kāi)關(guān)頻率必須非常高，通常在40kHz～120kHz。為更好地控制流過(guò)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(shí)器值(TMR2)等于周期寄存器值(PR2)時(shí)，一個(gè)新周期就開(kāi)始了，PWM輸出置位(輸出高)，定時(shí)器復位。每當8位定時(shí)器值(TMR2)等于CCP占空比寄存器(CCPRxH)值時(shí)，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100kHz左右可以達到的典型輸出頻率，以及PR2寄存器值對實(shí)際PWM周期的影響。不幸的是，如果在可調光電子鎮流器中采用10位PWM模塊，那么其分辨率不足以提供平滑調光效果，特別是在照明亮度范圍的低端，因為此時(shí)人眼更為敏感。

　　為了利用數字PWM外設提供約60Hz(一個(gè)常用的參考數值)的步進(jìn)值，時(shí)鐘頻率需要提高約16倍。而實(shí)現這一點(diǎn)在成本和技術(shù)上都非常具有挑戰性。一種更為簡(jiǎn)單并且成本更低的解決方案是采用與CCP/ECCP模塊相關(guān)的定時(shí)器中斷機制，只需外加幾行軟件代碼。

　　基本的思路是將16個(gè)PWM周期視為一組，并在兩個(gè)不同頻率值間來(lái)回切換(對應PR2寄存器的兩個(gè)值)。例如，8個(gè)周期PR2=100，8個(gè)周期PR2=99，則可得到平均頻率100,500Hz。通過(guò)采用其它比率，1:16、2:16、3:16...15:16，我們可以獲得14個(gè)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(huì )自然地對光輸出進(jìn)行積分，感覺(jué)到整體的分辨率好像是提高了16倍。

　　最簡(jiǎn)單的辦法是用一個(gè)計數器來(lái)實(shí)現，如圖3所示，圖中比率為5:16，較低的頻率(T1)占對應的幾個(gè)周期，而較高頻率(T2)則占16個(gè)一組中的其它幾個(gè)周期。為了獲得平均分布的周期數，使用了一個(gè)4位累加器，每個(gè)周期，累加器輸出增加一個(gè)對應的分數值(1...15)。如果產(chǎn)生進(jìn)位，下一個(gè)周期將被擴展(T1)。否則，將保持基本值(T2)。