8位單片機在鎮(zhèn)流器和功率因數(shù)校正中的應用

在設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計提供了許多系統(tǒng)優(yōu)點。在考慮此類設(shè)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(shè)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(guān)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(guān)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(shè)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(shè)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(guān)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(shè)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(shè)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(shè)(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(lǐng)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(shè)，同時還集成了數(shù)字PWM模塊等數(shù)字外設(shè)。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(shè)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(guān)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(guān)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100kHz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(shè)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(guān)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)。