《电子技术应用》

8位单片机在镇流器和功率因数校正中的应用

2012/2/7 14:30:09

  在设计用于荧光灯或高强度气体放电灯(HID)的电子镇流器时,除了要满足通常的成本、可靠性和长寿命要求以外,设计人员还必须提供增强的最终用户功能,例如,远程调光控制,同时还必须满足严格的国内和国际照明法规要求。传统的分立模拟设计技术仍然可以满足许多此类新要求。然而,新一代低成本8位闪存单片机为实现满足照明法规要求的低成本高分辨率数字电子镇流器控制设计提供了许多系统优点。在考虑此类设计之前,我们先回顾一下典型电子镇流器控制应用的构建模块。

图1电子镇流器控制框图

 

  电子镇流器控制

  图1示出的是目前大多数镇流器控制应用中的基本构建模块。主要模块包括一个电磁干扰(EMI)滤波器、一个全波整流器、一个有源功率因数校正(PFC)前端、一个数字控制部分和一个谐振输出级。

  EMI滤波器阻止镇流器产生的噪声馈送到交流电源线上。全波整流器将交流电转换为其它模块可以控制的直流电。通常还会采用某种形式的PFC电路来控制正弦输入电流和生成稳定的直流总线电压。镇流器控制部分为传统RLC型的谐振输出电路,提供频率调制控制(通常是脉冲宽度调制),完成灯的预热、点亮和镇流功能。

  RLC谐振输出级可容易地适应多种不同的灯

 

管类型。如果设计的数字控制部分采用了基于嵌入式单片机的电路,那么就可以为完成闭环调光、灯管故障检测、关闭和自动重启提供所需要的电路和软件。目前的嵌入式单片机还可方便地连接到标准通信接口,如数字可寻址照明接口(DALI)、或其它RS-232类型,或同步串行接口总线,如I2C或SPI,从而实现远程控制和监测(参考文献1)。

  请注意在图1中,当灯关闭时,荧光灯管中没有电流流过,因此从镇流控制器端看过去,灯管的阻抗几乎是无限大。要点亮灯管,电极上的电压必须足够高,才能使高度离子化的混合气体在灯管两端之间放电。这一最大电压称为点火电压(Vstrike)。一旦灯管开始导电,电压就应降低到更低的稳定电压(VNOM)。

  为更好地理解这一镇流器控制电路,先回顾一下为典型低压荧光灯管供电都需要哪些功能。电子镇流器电路必须完成的基本功能如下。

  ● 在灯电极间提供足够高的点火电压;
  ● 当灯点亮后,电路必须在稳定工作状态下维持一个恒定的电流;
  ● 电子控制器必须能够补偿逆变器电路直流总线电压的波动和故障情况。这样可以保证稳定的灯光输出,并可帮助延长灯管的寿命;
  ● 镇流器电路还必须满足国内和国际照明法规要求。

  基于单片机的数字镇流可以提供更多功能,如调光、寿命终点监测、启动故障检测或灯管更换指示等。不同的灯管需要不同的设置,可以容易地利用存储在单片机非易性存储器中的软件实现。单片机还可调整所需要的灯具设置,从而在其整个生命周期中保证最大的效率。例如,点火电压可能需要提高,或者在稳定状态下的工作电压需要稍微有些变化。

  本文关于数字电子镇流器中单片机的应用主要集中于两个方面:数字逆变器控制,以及如何在单片机中集成PFC功能来代替分立且成本更高的PFC器件。

 

  数字逆变器控制

  荧光灯或HID灯管电极上的电压是由半桥功率逆变器和RCL谐振储能电路控制的。更精确地控制驱动逆变器MOSFET的脉宽调制信号能够更好地控制输出电压。因此,设计工程师要求PWM模块能够提供更高或更精确的分辨率,同时具有更好的线性频率控制,特别是在40kHz~120kHz范围内。这样就既可以保证在启动时提供足够的电压点亮荧光或HID灯管,同时又可在稳定状态时提供稳定的工作电压。

  多数针对此类应用的8位单片机都集成有10位硬件PWM模块,并且可以通过软件实现实时的配置。这些PWM模块的最大问题是其工作频率范围很宽,从而限制了在40kHz~120kHz频率范围内的精度或频率分辨率。通过简单的软件控制频率抖动技术,利用10位硬件PWM外设也可以实现更精细的频率步进幅度,提高频率分辨率。此外,利用单片机实现的动态软件频率抖动控制能够更好地控制数字电子镇流器的调光功能。

  精确的频率控制一方面可用于寻找点亮灯管所需要的点火电压,同时还可用于在稳定工作状态,甚至发生某些线路故障时维持恒定的电流。集成了不同硬件外设(如PWM或软件可配置的模拟比较器)的8位单片机非常适用此类应用。

  8位嵌入式单片机

  低成本8位嵌入式单片机在电子镇流控制中应用的两个新领域是PFC模块和电子镇流器功率逆变器,可以实现更好的动态频率控制。

  大多数8位单片机集成了模拟比较器和多通道ADC等模拟外设,同时还集成了数字PWM模块等数字外设。所有这些电路都可以软件进行控制,比传统的纯模拟反馈环控制系统有很大优势,在实现控制功能的同时,仍然可以完成高速模拟反馈环控制。

  许多嵌入式单片机还集成了增强型通用同步异步收发器(EUSART)、主串行同步端口(MSSP),这样在电子镇流器中可 实现不同类型的通信接口,用于实现远程站点监控或分布式电路板设计。

 

  获得更高PWM分辨率

  功率逆变器的精确时序控制对于电子镇流器的功能非常关键。通过一些简单的软件技巧,就可使所有PIC单片机上的PWM模块支持不同类型的应用,包括几个占空比必须恒定且输出频率只能以非常小的增量变化的照明应用(参考文献2)。

  例如,在荧光和HID电子镇流器中,利用频率变化来控制与灯管串联的电感(镇流器)的阻抗。为保持镇流器电感较小(降低成本和尺寸),开关频率必须非常高,通常在40kHz~120kHz。为更好地控制流过灯管的电流,频率只能以小增量变化,并且还要保持固定的50%占空比。

图2简化的PWM框图


  图2给出的是典型PIC单片机捕捉/比较/PWM模块和增强型捕捉/比较/PWM模块(分别对应CCP和ECCP)的框图。每当8位定时器值(TMR2)等于周期寄存器值(PR2)时,一个新周期就开始了,PWM输出置位(输出高),定时器复位。每当8位定时器值(TMR2)等于CCP占空比寄存器(CCPRxH)值时,PWM输出清零(输出为低)。因此控制PWM频率所需要的灵活性主要由Timer2模块提供。

表1100kHz时CCP/ECCP频率分辨率


  表1是1

 

00kHz左右可以达到的典型输出频率,以及PR2寄存器值对实际PWM周期的影响。不幸的是,如果在可调光电子镇流器中采用10位PWM模块,那么其分辨率不足以提供平滑调光效果,特别是在照明亮度范围的低端,因为此时人眼更为敏感。

  为了利用数字PWM外设提供约60Hz(一个常用的参考数值)的步进值,时钟频率需要提高约16倍。而实现这一点在成本和技术上都非常具有挑战性。一种更为简单并且成本更低的解决方案是采用与CCP/ECCP模块相关的定时器中断机制,只需外加几行软件代码。

  基本的思路是将16个PWM周期视为一组,并在两个不同频率值间来回切换(对应PR2寄存器的两个值)。例如,8个周期PR2=100,8个周期PR2=99,则可得到平均频率100,500Hz。通过采用其它比率,1:16、2:16、3:16...15:16,我们可以获得14个中间频率,在100,000Hz和101,010Hz之间相邻间隔大约64Hz。在照明应用中,人眼会自然地对光输出进行积分,感觉到整体的分辨率好像是提高了16倍。

  最简单的办法是用一个计数器来实现,如图3所示,图中比率为5:16,较低的频率(T1)占对应的几个周期,而较高频率(T2)则占16个一组中的其它几个周期。为了获得平均分布的周期数,使用了一个4位累加器,每个周期,累加器输出增加一个对应的分数值(1...15)。如果产生进位,下一个周期将被扩展(T1)。否则,将保持基本值(T2)。

 

图3以16个PWM周期为一组的频率交替


  结合基本的软件定时器中断技巧以及许多单片机中都有的10位硬件PWM模块,可以很容易地产生高分辨率的可变频率数字信号。利用CCP模块中内建的中断机制,可以在100kHz附近获得以64Hz为步进增量的可调节频率信号,同时仅需要占用很少的单片机指令周期。

  数字控制下的模拟电压缩放

  现在回到关于PFC的讨论,我们明确了需要为连续电流模式方案生成一个与输入交流电源正弦电压同相的参考波形。实现这一点的一种方法是利用PWM模块产生一个模拟电压(PWM输出驱动一个低通滤波器,如图4所示),然后再根据单片机中存储的查找表来改变输出频率和幅度。但这种产生模拟参考信号的方法非常耗费资源,因此将这一方法作为动态软件反馈环的一部分比较困难。

图4PWM生成模拟电压信号


  控制线性信号的另一种方法是用数字方式对模拟信号的幅度进行缩放。例如,PFC电路通过比例缩小输入交流主电源波形为逆变器的初始升压部分,生成一个参考信号。这种按比例缩放保证了对交流电源的负载与电压成比例,逆变器看起来是阻性的。在电子镇流器应用中,逆变器必须根据其输出的中间电压数值来缩放参考值,因此实现PFC时需要一种方法来缩放PFC用做参考的交流信号(参考文献3)。

  数字分压器是实现输入信号比例缩放的最简单方法。然而,对于低频率的模拟系统,如电子镇流器的交流电源,可采用基于CCP的另一种方法。

  这一方法采用了一个简单的低通RC滤波器,一个MOSFET晶体管和一个数字PWM输出,如图5所示。低通滤波器的转折频率必须是模拟功率信号最大频率的100倍左右,这样滤波器的响应特性才不会影响到信号的幅度或相位。同样,PWM频率必须是RC滤波器转折频率的约200倍,这样PWM频率就不会超过滤波器能量限制。

图5利用PWM模块实现模拟信号幅度缩放


  图5的电路利用PWM信号调制Q1 MOSFET,从而对输入信号进行了“短接”。此外,这一电路仅允许原始模拟信号的一个特定百分比通过滤波器输出。允许通过滤波器的输入信号百分比由PWM占空比决定,而这一占空比受单片机的软件控制。然后,一个一阶低通滤波器(由R2和C1组成)滤除PWM信号中的调频成份,并将信 号平滑为原始正弦信号波形。结果就构成了一个简单的模拟交流输入电压比例缩放电路,仅采用了几个无源器件、一个晶体管和一个常见的数字PWM外设。

  然而,需要注意这一技巧存在一些局限。

  ● 模拟信号的最大频率谐波必须小于RC滤波器的转折频率,才能防止信号失真;
  ● 相对于RC滤波器的转折频率,PWM频率越高,滤波器对PWM频率的衰减越大;
  ● 由于滤波器中电阻器分为两个(R1和R2),PWM信号所感受到的实际转折频率是模拟信号感受到频率的两倍。

 

  软件闭环控制

  本设计中还需要的一部分是功率逆变器输出和电子镇流器PFC部分之间的反馈环。利用一个ADC通道测量直流总线输出电压,然后再将此信息馈送到PWM控制器,在PFC模块内确定模拟传感器的比率,这样就可以实现这一反馈。如图6所示。

图6通过数字控制模拟缩放方法实现PFC连续电流控制

图7利用8位单片机的电子镇流器控制


  其它参数,如灯管的总电流消耗,可以利用单片机上的ADC通道采样获得。过去,仅仅是利用输出电压以及生成这一输出电压的模拟参考信号之间的直接比例相关,现在则可以将ADC测量结果送到更精密的软件PID环滤波器,这样可以获得更好更平滑的闭环控制。

  图7给出了完整的设计,

 

其中集成的嵌入式单片机同时用于PFC控制、电流控制反馈环和功率逆变输入频率控制(频率增量最小为64Hz)。

 


  PIC16F88X采样PFC模块输出,并确定需要的频率调整量,因为PWM输出驱动数字/模拟比例缩放电路。应用中也使用了ECCP模块的中断机制驱动半桥功率逆变器,利用简单的软件抖动方法获得更精细的步进值。

  本设计中不再需要分立的PFC器件,只需要少量低成本无源外部元件和一个集成的模拟比较器。结合简单的软件和硬件技巧,不需要采用更昂贵的解决方案(如带有更高分辨率PWM模块的器件或者外部专用PWM控制器),利用集成的10位PWM模块就可以获得更好的频率分辨率控制。

  结论

  充分利用8位嵌入式单片机中集成的模拟和数字电路,可以很容易地提高照明镇流器系统的总体性能并增加更多功能,同时还可以满足更严格的政府法规要求。

参考文献
[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.

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