毕业论文节能型数字镇流器论文

1、 节能型数字镇流器设计 肖雄 李坤 林乐华 蔡雷义 指导老师：李春树 （湖南科技学院 电子工程系）摘要：本设计是在传统电子镇流器的基础上加以改进，通过对电路的调整设计，来实现节能的效果，增加微处理器，用以实现对整个照明系统进行整体控制。运用了DALI协议，是专用的照明控制协议，不能用于其他控制系统中。研究选用了Microchip公司的PIC16F877单片机作为微控制器，此微处理器开发容易，周期短、高速、功耗低。以及加人调光芯片IR21592/IR21593，该芯片包括灯点燃失败保护、灯丝失效保护、过温保护、灯在正常工作过程中熄灭的保护以及自动重启功能。在电网污染，电磁干扰，和以及开关控制器上

2、都作出了更好的的改进。使得能源日益紧张的现状下，有效地提高了电能利用率，以及对镇流器实现了更加科学化，数字化控制。【关键词】微处理器 调光芯片 镇流器 IR21592Abstract: The design is based on the conventional electronic ballast to be improved, through the adjustment of the circuit design to achieve energy-saving effect, increasing the microprocessor to achieve the overall c

3、ontrol of the entire lighting system. Use of the DALI protocol, is a dedicated lighting control protocol, can not be used for other control systems. Research company selected Microchip PIC16F877 microcontroller as microcontroller, microprocessor development of this easy, short cycle, Low power consu

4、mption. And the addition of dimming chip IR21592/IR21593, the chip includes light lit failure protection, filament failure protection, over temperature protection, lights out in the normal course of their work in the protection and automatic restart function. Pollution in the power grid, electromagn

5、etic interference, and the switch controller and have made a better improvement. Makes the energy status of the increasingly tense, the more effectively to improve the energy efficiency, as well as ballast to achieve 。 目 录一、作品的实际应用价值和现实指导意义3二、节能型数字镇流器设计基本原理及总体框图4三、各分模块方案设计和论证5四、国内外电子镇流器发展 .17五、作品研究方

6、法及进度18  六、设计体会与总结20七、参考文献21一、作品的实际应用价值和现实指导意义据估算，中国目前每年照明用电约为2000亿kWh,占总发电量的12%。1997年10月1日，我国绿色明工程正式启动。如果绿色照明推广成功，那么每年就可节约用电300亿kWh，意味着可为国家节约200多亿元。故研制和大力推广应用电子镇流器具有可观的经济效益和社会效益。所谓“绿色照明”，是指大力发展和推广高效照明器具，淘汰和替代传统的低效照明电光源，节约照明用电，减少发电产生的S02、C02、N02等废气、尘埃或核废料，建立优质高效、经济舒适、安全可靠、有益环境和改善人们生活质量、提高工作效率、保护

7、人民身心健康的照明环境，以满足国民经济各部门和人民群众日益增长的对照明质量、照明环境和减少环境污染的需要。我国对电子镇流器的研究开发起步较晚技术起点又非常低，直到90年代初才真正开始。自“绿色照明”工程正式启动开始，电子镇流器的开发和生产水平有了迅速的发展和提高，但是与国外相比仍有很大的差距。目前市场上销售的荧光灯镇流器中电子镇流器仅占30% 其中还有1/5是普通型电子镇流器。普通型是淘汰型，其性能比电感镇流器还差，高功率因数电子镇流器占3/5 高性能电子镇流器只占1/5。当前国内也有单位研制出可调光电子镇流器，主要是分立元件构成的以电子变压器型和脉冲调频型为主，结构复杂很难实现1%100%的

8、宽范围调光，没有预热功能，故障保护功能也不完备，对延长灯管寿命和系统安全也很不利，也难以组成群控系统。因此国内至今仍未有单位研制出大型照明单位的调光控制系统。随着国民经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，照明在人们的日常生活、工作中的作用也显得更加重要，对照明控制的智能化、绿色化和节能等都提出了重要的要求。照明的智能化控制、网络化控制，已引起人们的注意，有着很好的发展前景。本课题真是基于这样一种要求而展开的，基于DALI协议设计的寻址可调光节能镇流器。二、节能型数字镇流器设计基本原理及总体框图 本设计是在传统电子镇流器的基础上加以改进，通过对电路的调整设计，以实现节能的最终效果。本作品研究出

9、来的镇流器和以往的镇流器相比，在电网污染，电磁干扰，和以及开关，加入了控制器上。都作出了更好的的改进，在能源日益紧张的现状下，更加有效地提高了电能利用率，以及对镇流器实现了更加科学的，数字的控制。（1）选择合适的EMI滤波电路，消除电磁干扰，减小对电网的污染。（2）采用电荷泵和二极管箝位技术实现功率因数校正。（3）用软开关脉宽调制技术代替硬开关脉宽调制技术，降低功率器件的开关损耗。（4）采用微控制器，通信实现数字控制，满足DALI协议。（5）设计调光电路，并编制相应的程序。（6）外围运用传感器实时传输感应终端光环境及用户需求三、各分模块方案设计和论证1、EMI滤波电路的选取和分析 EMI滤波器

10、将来自电网的电磁干扰滤除，同时防止镇流器电路产生的电磁干扰进入电网。经功率因数校正后提供给高频逆变电路，通过谐振电路除给荧光灯供电谐振电路除输出电功率外，还要完成灯丝预热灯管工作状态信号取样反馈和阻抗匹配变换等功能，控制电路根据取回的灯管工作状态信号完成逆变电路开关器件的控制。EMI 滤波器的拓扑分析a)C型滤波器 b）T型滤波器C）型滤波器 d）实用线性滤波器 常用的滤波器有电感输入式滤波器，电容输入式滤波器，还有电阻输入式滤波器。电感滤波电容滤波倒L 型LC 滤波是滤波器的基本形式，将几种基本滤波电路进行组合使用往往能在镇流器中达到最好的滤波效果。 图b 为常用的噪声滤波，是为去除差模噪声

11、设计的滤波器电容C4 对差模干扰有旁路作用L1 L2呈现高阻抗C4为低阻抗当L1 L2使用共模电感时对于对称和非对称噪声都是有效的。图c所示为常用的型滤波器，它对差模噪声有抑制作用。 图d 所示是实用的线滤波器电感为共模电感它对共模噪声具有高阻抗。在交流输入侧加入的线滤波器是一个低通滤波器，它允许通过50Hz到400Hz的低频信号对于20kHz-20MHz 频带范围有足够的衰减量。实际的滤波器特性不像理想的那样陡峭，同时在频率继续升高时特性下落,这时滤波效果就差了。 因此选择图c和图d两种滤波器组合起来使用滤波效果比较好，能够相互搭配实现很好的效果。2、电荷泵进行功率因数校正 普通电子镇流器拓

12、扑，由带无源LC滤波器的桥式整流电路和高频逆变器组成，它已不能满足电网的严格要求，如线路输入端的功率因数要高，电网电流的THD要低等。电荷泵式电子镇流器，采用充电电容和高频交流源，以实现功率因数校正（PFC），这已成为荧光灯镇流器中极有吸引力的电路拓扑。系统的功率因数可以达到0.99 电流总谐波畸变也能控制在10%以下。但普通的电荷泵电路还存在一些问题，如输入电流的THD值高，灯电流的波峰比（CF）高。 典型电荷泵电子镇流电路基本电路的波形如图(a)  ua波 形     (b)  uc波 形 在实际电路中，输入电流经整流电路会发生畸变，造成电

13、流的不连续。由于C2的调制作用，输出电压Ua有明显的100HZ的纹波。C1两端的电压Uc也不能跟随输入电压，为得到良好的输入功率因数，应该滤平Ua的包络。可以采用二极管箝位技术，来滤平ua的包络。电路图如图 即在原来电路的基础上增加一个箝位二极管D10。当电源电压高于直流电压时电源通过D5对C1进行充电，低于直流电压时，D5截止，电源对C2进行充电，从而保持输入电流的连续，减小输入电流的畸变。直流电压经大电容C1的滤波作用变得比较平直，再经逆变电路和谐振电路产生谐振电压。当A点电压高于直流电压时，D10导通,A点电压就会被箝位在直流电压上，而A谐振电压的负半周会被D11旁路，所以A点电压是被消

14、去负半周和正半周顶部的近似梯形的波形，器包络线比较平直，有效改善灯电流的波峰比。3、运用软开关脉宽调制技术 近十几年来，由于电路简单和控制方便，脉宽调制(PWM)技术已经成为功率电子技术中DC/AC逆变器的一个重要的选择。PWMDC/AC变换器在不间断电源(UPS)、电机驱动、感应加热等领域得到了广泛的应用。然而，由于开关损耗和半导体器件额定电流的限制，使得逆变器中的开关频率只工作在大约几个千赫兹，逆变器的功率也只有几个千瓦。众所周知，随着开关频率的提高，逆变器的功率密度和性能将会得到很大的改善。当然，开关频率的提高要受到以下因素的影响：在功率开关开通和关断过渡期间的开关应力(很高的电压和电流

15、峰值)，将会导致器件的安全工作区(SOA)加大；开关损耗；会产生电磁干扰(EMI)。3 软开关相对硬开关的优势： 与PWM硬开关电路相反，在谐振软开关电路中，开关器件在零电压或零电流条件下切换，理论上开关损耗为零。因此，与硬开关电路相比，在采用同一类型开关器件的条件下，谐振软开关电路可以很轻松地在高出一个或几个数量级的开关频率下工作。高的开关频率使谐振软开关电路具有许多明显的优点，如低噪音，低电磁干扰(EMI)，输出波形的谐波成分少；另外，由于开关器件在零电压或零电流条件下动作，开关器件的动态过程大为改观，这使得缓冲电路成为多余，散热器尺寸明显减小，从而使设备尺寸及重量也随之大量减小，开关器件

16、可在高可靠性和高效率条件下工作。总而言之，人们过去在硬开关PWM电路设计中追求的许多目标，在软开关条件下都很容易实现。t0硬开关的开通过程b）硬开关的关断过程图1 硬开关的开关过程uiP0uituuiiP00uiP0uitt0uiP0uitt0a）软开关的开通过程b）软开关的关断过程图72 软开关的开关过程1）软开关分类： 1）零电压开关：使开关开通前其两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声，这种开通方式称为零电压开通，简称零电压开关。 2）零电流开关：使开关关断前其电流为零，则开关关断时也不会产生损耗和噪声，这种关断方式称为零电流关断，简称零电流开关。准谐振电路原理图零电压开通和零电

17、流关断要靠电路中的谐振来实现。 零电压关断：与开关并联的电容能使开关关断后电压上升延缓，从而降低关断损耗，有时称这种关断过程为零电压关断。零电流开通：与开关相串联的电感能使开关开通后电流上升延缓，降低了开通损耗，有时称之为零电流开通。简单的利用并联电容实现零电压关断和利用串联电感实现零电流开通一般会给电路造成总损耗增加、关断过电压增大等负面影响，因此是得不偿失的。2）移相全桥型零电压开关PWM电路移相全桥电路时目前应用最广泛的软开关电路之一，它的特点是电路简单，同硬开关电路相比，并没有增加辅助开关等元件，而是仅仅增加了一个谐振电感，就使电路中四个开关器件都在零电压的条件下开通。移相全桥电路的控

18、制方式的特点：1）在一个开关周期Ts内，每一个开关导通的时间都略小于Ts/2，而关断的时间都略大于Ts/2。2）同一个板桥中，上下两个开关不能同时处于通态，每一个开关关断到另一个开关开通都要经过一定的死区时间。3）比较互为对角的两队开关的开关函数的波形，S1的波形比S4超前0到Ts/2时间，而S2的波形比S3超前0到Ts/2时间，因此称S2和S2为超前的峭壁，而称S3和S4为滞后的桥臂。4. 调光电路以及调光芯片IR21592/IR21593是IR公司于2004年推出的一款新型可调光电子镇流器控制驱动器IC。该芯片集成了全调光镇流器控制器和600V半桥驱动器，可实现无变压器灯功率感知相位控制，

19、简化了从不可调光到可调光镇流器需做的改动。外部可控参数包括：预热时间和电流，点燃到凋光时间，和全调光接口等。该芯片包括灯点燃失败保护、灯丝失效保护、过温保护、灯在正常工作过程中熄灭的保护以及自动重启功能。该控制IC的核心压控振荡器可以由外部元件设定其最低工作频率。IR21592IR21593有DIP16和SOIC16两种封装形式。IR21592同IR21593两种型号主要区别在死区时间和频率范围的数值上。引脚号引脚名称引脚功能1VDC电压检测输入2VCO压控振荡器输入3CPH预热定时输入4DIM0.5V到5V调光控制输入5MAX最大灯功率设定MIN最小灯功率设定FMIN最小频率设定IPH基准峰

20、值预热电流SD关断输入CS电流检测输入LO低端门级驱动输出COMIC功率地和信号地VCC逻辑电路和低侧驱动电路电源VB高端门级驱动浮动供电VS高压浮动返回端HO高侧驱动输出IR21592引脚功能表1）IR21592的主要特点如下：1、 集镇流器控制与半桥驱动器于一体2、 无需使用变压器就可以检测到灯的功率3、闭环灯功率控制4、闭环预热电流控制5、可预置预热时间和预热电流6、可预置灯触发到可进行灯光亮度调整的过渡时间7、调光控制信号输入范围 0.55V8、通过外接电阻可调节灯的最小和最大发光功率9、可设定灯最小工作频率10、 非常完善的灯故障自保护11、 退出故障保护模式后的自动重启动功能12、

21、 过热保护IR21592典型应用路2）IR21592的工作模式:1、 预热模式当VCC超过低压锁定门限电压12.5V且VDC超过5.1V时，II也1592的Ho和LO端开始输出振荡信号，HO和LO输出信号的占空比均为50，为防止上下MOS管导通时间重叠，芯片内部设定了1.8uS的死区时间。压控振荡器以最高的工作频率起振。同时，一个1uA的内部电流源对CPH脚上的外部定时电容线性充电。从开始充电到CPH脚上电压超过5.1V的这段时间就是预热时间，预热时间可通过调整CPH端外接电容的大小来设定。2、触发模式当CPH脚电压超过51V，IR21592进入触发工作阶段，此时，芯片内部预热电流参考电压输入

22、端不再与IPH脚的预置电阻相连，而是连接到内部的16V的门限电压。灯被触发后，振荡频率继续降低直到Vco脚电压降到最低值，该值由FMIN脚外接电阻的大小决定，此时的压控振荡器工作频率则为最低工作频率。为确保可靠触发，尽量减少启辉时的灯闪烁，设定的电阻值要使最低工作频率比触发频率或对应100亮度的频率低5kHz。触发阶段结束后IR21592进入调光工作模式。3、调光模式当VCO脚电压降低到调光模式压控振荡器门限电压时，IR2l 592进入调光模式。相位闭环控制形成，负载电流的相位开始按照用户在DIM端的控制输入进行调整。进入调光模式后，DIM脚在芯片内部同CPH脚相连，CPH脚上的电容放电，放电

23、的过程就是灯从最大亮度变化到用户设定值的过程。CPH脚上的电容具有多种功能，一是设定预热时间；二是调整从灯点亮过渡到用户设定值之间的时间；三是滤除DIM脚高频噪声。IR21592的DIM脚为模拟量输入的灯功率控制端，输入电压范围是O.5V5V。DIM脚上的电压与内部定时电容上的电压进行比较，比较结果为与频率无关的独立的数字参考相位。参考相位与输出电流相位之间的相位差迫使压控振荡器的频率改变以使相位差为零，最终将输出电流的相位锁定在参考相位上。不通的DIM电压，决定了不通的参考相位及相应的输出功率。DIM为5V，对应于最小相移，最大输出功率；DIM为05v，对应于最大相移，最小的输出功率。MAx

24、脚上的电阻设定为DIM为5v时的最小相移角，决定了灯最大输出功率值；MIN脚上的电阻设定为DIM为O.5V时最大相移角，决定了灯的最小输出功率值。5）DALI协议及优势1）智能照明智能照明系统一般由传感（如光线感应器，移动检测传感器，面板开关）执行器（如调光电子镇流器）各种照明灯具，网络通讯单元（路由器，中继器）以及辅助单元等组成。遵循统一的网络协议，借助各种不同的“预设”控制方式和控制元件，对不同时间不同光亮度进行精确设置和精确管理。智能照明的应用解决了传统方式控制相对分散和无法有效管理等问题，旨在为人们的办公和生活提供舒服高效的照明环境。在建筑物种采用只能照明系统不仅操作简单，管理维护方便

25、，还可以满足工作、生活的需求，而且能够达到有效的节能目的。2）DALI技术简略介绍DALI是英文Digital Addressable Lighting Interface的缩写，意思为“数字可寻址照明接口”。 DALI最早问世于上世纪90 年代中期，商业化的应用开始于1998 年。DALI是专用的照明控制协议，不能用于其他控制系统。然而，DALI系统特别适用于场景控制、光源故障状态反馈，而且DALI可以很容易与楼宇自动控制系统（BAS）相连接。DALI系统中每个元件有其独立的地址，因此在一对双绞线上，DALI系统可以控制几组设备，通过主机发出指令控制灯的开关，并能接受到照明电路反馈的信号。D

26、ALI系统接收照明装置的反馈信号包括：灯的状态，即灯是开还是关？预置的照明水平以及镇流器的状态。DALI在节能方面具有很大的优势，主机能够控制每一个独立的数字镇流器，利用串联的电子镇流器可以实现不同效率光源调光，和开关的策略，这样能耗可降低30%到60%，在最大负荷最大阶段是还可以设置不同负载的调光点来降低有效负荷，实现能耗的进一步降低。此外每个镇流器都会将性能数据返回给中央计算机包括能量信息，灯和镇流器的故障信息，当处理庞大的照明组时，照明网络所产生的能量信息可用来验证能耗的节省，生成负载分布内部账单以及单位产品的照明成本。根据智能照明的要求，在外围电路中加入光线感应器，红外检测器，移动检测

27、器，将传感器直接与控制电路微处理器相连接，通过向微处理器传输数据，微处理器接收信息进行处理，控制调光芯片IR21592进行自动调光。红外检测器能够检测到人体发出的红外线，通过程序控制可以做到一段时间内检测不到红外源，自动熄灯进入休眠模式，做到人走灯熄的效果。通过光线感应器的传输信息可以根据不同的天气，时间自动调节室内光线强度，为人们的生活、办公提供良好的光线条件。6）微控制模块微控制器是整个镇流器电路的大脑，存储着镇流器的大量信息。选用Microchip公司的PIC16F877单片机作为微控制器。PIC16F877共有5个I/O端口，除了通用I/O功能外,这些端口还具有各自不同的专用功能,例如

28、PWM输出、计数器输入、外部电平中断、I2C总线接口等。 PIC16F87X是微芯公司的中档产品。它采用14位的类RISC指令系统，在保持低价格的前提下，增加了A/D转换器、内部E2PROM存储器、比较输出、捕捉输入、PWM输出（加上简单的滤波电路后还可以作为D/A输出）、I2C总线和SPI总线接口电路、异步串行通信（USART）接口电路、模拟电压比较器、LCD驱动、FLASH程序存储器等许多功能。1、PIC16F877的特点：1）开发容易，周期短：由于PIC采用类RISC指令集，指令数目少（PIC16F87X 仅35条指令），且全部为单字长指令，易学易用；相对于采用CISC（复杂指

29、令集）结构的单片机可节省30 %以上的开发时间、2倍以上的程序空间。2）高速：PIC采用哈佛总线和类精简指令集，逐步建立了一种新的工业标准，指令的执行速度比一般的单片机要快45倍。3）低功耗：PIC采用CMOS电路设计，结合了诸多的节电特性，使其功耗很低；100 %的静态设计可进入休眠（Sleep）省电状态，而不会影响激活后的正常运行。微芯公司的单片机是各类单片机中低功耗设计最好的产品之一。2、PIC16F877在本设计中主要实现以下功能：1）接收和发送DALI命令，主机发送给本机的DALI命令，经隔离后送到微处理器，使其进行数据处理产生中断，将命令送出。2）产生调光信号，响应主机发出的调光命

30、令或接收外部传感传送的数据后，微处理器发出PWM调光信号，送到调光控制芯片IR21592实现对灯光的调光。3）检测灯电压和灯电流，流过荧光灯的电流经采样电路将电流反馈到微处理器。4）经PCF电路的采样电路判别电源和PCF电路是否故障。5）存储镇流器参数。微处理器的EEPROM数据存储器中，可以保存电子镇流器的当前亮度值、能够亮度值、系统故障亮度值、最小亮度值、最大亮度值等信息。四、国内外电子镇流器发展 国内电子镇流器发展 ：我国电子镇流器起步比较晚，从80年代中期开始研制，90年年代初期才慢慢推向市场。但是从90年代后期我国电子镇流器发展迅速，人们也越来越重视节能型电子镇流器在日常生活中的作用

31、。从时间上划分，我国电子镇流器的发展大致经历了三个阶段：1）80年代中期到90年代初期。这期间，电力电子技术由低频向高频发展，APFC（有源功率因数校正）也开始起步，电子镇流器的优缺点开始显现出来。2）90年代初期到90年代中期。这期间，由于APFC技术已成熟，并推出了相关专用集成芯片。电子镇流器电路主要采用两级功率变换，第一级采用APFC（常用BOOST型PFC电路），第二级采用功率DC/AC逆变。由于它采用了PFC技术，所以PF可达0.99，THD及各次谐波指标均能满足要求。但是这种电子镇流器采取了两级高频功率变换，所以整机效率在8090，甚至更低，同时电路复杂，成本高，一时难于大范围推广

32、。3）性能上有了很大提高，有/无源滤波、有预热、异常保护功能、主要采用分立元件，性价比较高。近年来，我国电子镇流器得到了快速发展，环保、高效、节能已成为照明产品发展的主题。随着绿色照明的提出，我国已加大在公共场所，居民住宅等大型场所推广高效节能照明系统。智能照明系统也展现出广阔的发展前景，将节能镇流器与智能照明系统相结合运用到DALI系统或BAS总线中已经成为未来发展的必然趋势。国外的电子镇流器发展：1973年飞利浦公司率先提出三基色稀土细管荧光灯，立即引起西方发达国家的重视，所以国外镇流器的发展起步早，到目前为止已发展的比较成熟。国外镇流器已基本解决了谐波含量、功率因数、预热启动、异常保护、抗电网峰压、电磁兼容、可靠性和使用寿命等问题。而国外同类电子镇流器主要朝着采用新技术提高集成度，减少原件数量提高性能，降低成本，同时向全数字化发展。5、 作品研究方法及进度 1、作品研究、制作方法：（1） 进行广泛的调查，收集用户和生产商对与产品配套的数字镇流器的性能要求；（2）通过查阅资料和分析论证，获得系统最佳设计方案；（3）运用自顶向下的设计方法，对各个模块逐个细化