1 引言
如今，工程师们在进行荧光灯或高强度放电灯(HID)使用的电子镇流器设计时，需要面对一些新的挑战：例如，除了常规要求的降低成本，提高可靠性和使用寿命等压力以外，目前所面临的主要挑战是设计师们要为产品的最终用户提高产品的功能度，诸如进行灯光亮度明暗的遥控；同时也会遇到更加严格的国内与国际照明产品组织方面相关法规的新要求制约。
传统的分立模拟设计技术(discrete analog design techniques)仍然可以适应许多新产品设计的需要，但是，如今已经面市的低成本的8-bit闪基(flash-based)微控制器(MCUs)则为实现节能灯具的低成本、高分辨力、数字电子镇流器控制设计等面临的新规则提供了许多系统优势。具体地说，就是这种微控制器技术容易实现逆变控制以及功率因数校正(PFC)。
2 电子镇流器控制
图1所示为建立在多种类型电子镇流器控制应用基础上的工作电路基本构成框图。其主要构成单元包括电磁干扰(EMI)滤波器、全波整流器、末端之前的有源功率因数校正(APFC)、数字控制组件和谐振输出级。其中，电磁干扰滤波器单元控制由镇流器产生的从传输线反回到电源线的噪声，全波整流器用作变交流电源为直流电源给设备供电，它们也可以用其它单元控制。在正常情况下，有些类型的功率因数校正(PFC)电路用正弦波输入电流控制和调节直流母线电压的产生。作为镇流器的预热控制单元，由传统的提供频率调制的R-L-C型谐振输出电路承担（通常是由脉冲宽度调制信号进行控制）。
这种R-L-C谐振输出级电路很便于与广泛使用的多种多样型号的灯管适配。如果设计的数字控制单元采用嵌入式MCUs基本电路，则它们可以提供必要的电路和软件去实施闭环调光，灯具故障的检测与排除，以及自动起动。如今，嵌入式MCUs也可以连接到诸如数字可寻址照明接口(DALI)的标准通信界面，或其它RS-232型接口，或与诸如I2C同步串联的母线接口，或与远程控制和监视的外围设备界面对接。
人们注意到，在图1中，为什么没有电流流过荧光灯管？这是因为荧光灯管断开时，从镇流控制器上可以看到其阻抗几乎是无穷大的。接通灯管时，其电极两端将达到足够高的电压，它将使高度电离的气体混合物在灯管的两端间产生电弧。这个最大的电压被称作触发电压（即Vstrike值），一旦灯管的起动实现，这一电压将降为较低一些的稳态值（Inom值）。
为了更好地理解这种镇流器的控制电路，必须评估典型的低压荧光灯需要多大数值的功率。电子镇流器控制电路必须能实现如下基本功能：首先，它们必须能为灯管电极的两端间提供足够高的触发电压，然后，在灯管被接通后，电路必须保持电流恒定，使灯管在电流完全稳定的状态下工作；其次，在直流母线供电电流流经变换器电路时，由其引起的电流波动和故障状态，电子控制器必须能够提供补偿，这样，就确保了稳定的灯光输出和灯具寿命；最后，镇流器的电路及其制造工艺必须遵守现行的国内和国际的绿色照明规则。
新型的数字节能灯镇流器的设计，包括了诸如灯光调光能力、最终寿命监测、起动故障确定或灯管脱线显示等附加性能。不同的灯管要求各自的配置，数字设计程序经软件调整存贮在非易失性存贮器中时，这将是容易被控制的。这种微控制器也能够按要求调整灯的配置，以确保在灯具的使用寿命期限内有最高的效率。例如，可以按需要提高触发电压，或在稳定状态的电压稍微发生变化时，使其达到完全稳定的工作状态。
3 数字逆变器控制
半桥功率逆变器和R-L-C谐振振荡电路是用来控制荧光灯管或高强度放电灯管(HID)两端电极之间电压的。精确地控制脉冲宽度调制(PWM)信号可以更好地控制逆变器MOSFETs的输出电压。对PWM模块的高分辨力进行分级，可以更好地控制线性频率，特别是40kHz至120kHz之间的频率。这将可以确保有足够高的电压提供给荧光灯管和高强度放电灯管的两端电极之间，用以启动灯管，同时帮助提供稳定的稳态工作电压。
大多数8-bit微控制器把具有10-bit硬件PWM模块的在线应用形式作为目标，它们可以很容易地借用软件快速地进行配置。最重要的问题是这些PWM模块具有典型的宽工作频率范围，它们可以限制如上所述的40kHz到120kHz之间的频率精度或频率等级分辨力。
精细的分级可以采用简化的软件控制驰豫技术与10-bit硬件的PWM外围设备相结合获得。微处理器可以直观地改善灯镇流器的调光特性，以此实现这种动态的软件频率驰豫控制方案。8-bit微处理器的各种集成硬件外围设备，诸如PWM外围设备或以软件配置的模拟比较器等与先进的软件技术一起，使它们为这些应用实现充分的适配。
4 功率因数校正(PFC)的实施
对于交流电源和提供给调节用的直流输出电压，功率因数校正级的输出是以阻性负载出现的，在通常情况下，它们被馈送到附加的反向变换器级。实施功率因数校正的方法之一是建立成比例关系的电流控制。这种系统工作在可变开关频率（30kHz到100kHz）连续传导的工作模式。功率因数校正控制调节系统包括2个控制回路：一个是作为控制输入电流的快速响应回路；另一个是用作控制直流输出电压的慢速响应回路。
输出电压控制器是利用微控制处理器(MCUs)和模拟—数字控制器(ADC)以数字计算的方法实现的。在微处理器控制之下，来自ADC的数据被用作调制PWM，它们的输出功率取决于瞬时输入的交流电压和要求的瞬时输入电流两者的比率。于是，要求的输入电流表现为电压并在电流控制回路中被馈送到模拟比较器中，不同的数字和模拟外围设备包括比较器和PWM控制器都安置在PIC16F8XX MCUs中，它们可以做成实现成比例的连续电流模式(CCM)控制技术。
5 微控制器(MCUs)
可以使用在电子镇流器控制中的低成本8-bit嵌入式微控制器(MCUs)的两个功能是：功率因数校正(PFC)和电子镇流器电源逆变器的精确驱动。大多数这一类的微控制器集成了模拟电路诸如模拟比较器和多通道模拟—数字控制器(analog-to-digital control-ADC)等。这类电路是与外围数字电路诸如数字PWM模块相结合的典型。所有这些电路都安置在控制硬件的下面，它们可以用来控制传统的模拟系统。
除了这些模拟单元以外，一些嵌入式微控制器(MCUs)也有增强通用的同步——异步接收机、发射机或主机串联同步端口通信外围硬件的作用。这样就提供了许多可能的通信界面，包括遥控，同时可使镇流器的设计更加模块化或更加灵活。
6 提高PWM分辨率
采用简单的软件技术就能够使所有的PIC、MCU、PWM模块保持不同的应用等级，包括占空因子必须是常数以及输出频率只允许在很小增量范围内变化的多种照明灯中应用。例如，在荧光灯和高强度放电灯使用的电子镇流器中，频率变量是被用来控制与灯管串联在一起的电感器（镇流器）阻抗的。为了保证镇流器中的电感器做到低成本和小尺寸，开关频率必须相对较高——典型值是在40kHz到120kHz之间的频率范围内。为使控制电流通过灯管时能够达到最佳值，并保持占空因子固定在50%，频率增量必须控制在很小的范围内。
图2所示的方框图是一种典型的微芯片级PIC MCU记录和比较PWM模块，以及强化记录和比较PWM模块（分别缩写为CCP和ECCP）。在记时器2(TMR2)上各个时间段的8-bit记时值等于周期记录器(PR2)上的记时值时，则一个新的周期起动，PWM输出被建立（输出高电压）和记时器重新起动。TMR2上的各个时间值等于CCP占空因子记录器(CCPRxH)上的值时，PWM的输出被清除（输出低电压）。因此，必须灵活地用TMR2模块结构提供主要的控制PWM频率。
表1所示为典型的达到大约100kHz输出频率的分辨力，它与实际的PWM周期一样影响PR2记录仪的数值。遗憾的是，如果这种10-bit PWM模块被用于可调光电子镇流器，则其分辨力将不能足够地提供平滑的调光效果，尤其是灯的光强标度在较低范围内时。
表 1  在100kHz时CCP/ECCP频率分辨率
指示数值 FSS(Hz) 梯级大小(Hz)
103
102
101
100
99
98
97 97.087
98.039
99.009
100.000
101.010
102.040
103.029 934
952
971
990
1010
1031
1052

为了提供一个通常使用的大约60Hz调光梯级的参照数值，在具有外围数字PWM模块的情况下，需要将时钟频率增加15倍，这可以说是代价昂贵的和具有挑战性技术的大胆的解决方案。简单的和较低代价的解决方案可以采用CCP/ECCP模块和仅仅几条微程序语言编码线相结合的机械化记时遮光法。其基本概念认为，时间间隔和交替的两个离散频率值（PR2指示仪上的两个邻接值）是由16个PWM周期集合组成的。例如，在PR2上的八个时间间隔等于99的情况下，PR2上交替的八个时间间隔则等于100，因此，我们得到100.5kHz的平均频率。由采用15到16的时间间隔的1到16以上的其它比率，在100kHz和100.01kHz两者之间，可以产生约由64Hz间隔的14个中介梯级。在这种照明应用中，人的眼睛自然地聚焦到发光输出处，并会察觉到实际的总的频率分辨力提高了15倍。
与实现上述机械遮光技术相适应的最简单的方法是采用计数器编码和在较低频率(T1)时用若干个周期的时间完成要求的遮光部分，然后如图3所示，在较高频率(T2)时补充周期数量。为了获得均匀的周期性时间间隔分布，使用了4-bit存贮器，同时，在每个周期中，选用了一小部分值（1到5）附加于上面。如果发生进位，下一个周期将具有T1的持续时间。另外，它是建立在T2值基础上的。
用基本的软件和10-bit硬件的PWM模块组合在一起的计时器遮光技术，对多数微控制器(MCUs)是适用的。作为高分辨率的可变频率数字信号容易产生合成频率信号导致相同的连续地变暗淡的效果。采用遮光机械构成CCP模块，100kHz的信号可以有效地调整64Hz的梯级，而采用通用MCU指示周期间隔仅占其很小百分比。
7 数字电压定标
为了实现基于成比例关系的电流控制的PFC，用来自交流电源的正弦波输入电压产生一个同相位的参照波形是必要的。进行这项工作的方法之一是使用PWM输出电压嵌入到一个低通R-C滤波器中（如图4所示），这样，基于一览表式的存储在MCUs'存贮器中变化的PWM输出电压即会产生所要求的振幅和频率。这是一种产生模拟参照信号的手段粗浅的方法。作为软件反馈回路的一部分，动态地采用这种方法也是困难的。
作为控制线性信号的一种替代方法是用计数法定标模拟信号的幅值。例如，PFC电路定标引入的交流电压波形将产生变换器初始Boost的一部分参考信号，这种定标方法保证了流经交流线路的电流与电压成正比例，同时，变换器的交流输入出现了阻力。
对于这种电子镇流器控制应用而言，变换器也必须在其输出时定标基于中间直流电压的参考值，因此，PFC的实现要求应用交流输入电压引伸出电流参考信号的方法来控制定标系数。
为了达到模拟信号数字化控制定标的目的，用数字电位计是最简单的方法。因此，对供给电子镇流器控制器的、工作在低频范围内的交流输入电压模拟系统，在MCUs' CCP两者之中选择其一的方法是可以被采用的。
这种方法是利用电阻相当于单抽头分配的，被连接到MOSFET晶体管的低通R-C滤波器。数字PWM输出驱动的MOSFET门电路见图5。低通滤波器的角频率必须大约等于模拟功率信号最大频率的100倍，这样，滤波器的频率响应特性就不会相反地影响到信号的幅度或相位。
同样，PWM的频率必须是R-C滤波器角频率的大约200倍，如此高的PWM频率将不能传递可以估算的流经滤波器的能量总和。
在图5中的电路由调制的MOSFET Q1晶体管采用PWM信号引入周期性接地信号。它具有定标通过滤波器输出的原始模拟信号的作用。定标系数是借助变化的PWM占空比调整的，动作中MCU的PWM占空比在微程序语言的控制之下。
第一序列低通滤波器部分由R2和C1组成，以其原始的正弦波形输出窄带高频PWM信号和平坦信号。其结果是交流输入电压的简单模拟定标，这种定标电路仅使用少量的无源元件——一个晶体管和一个共用的数字PWM外围设备。
但是，涉及这种技术存在的一些限制必须被注意到：首先，模拟信号的最高谐波频率必须小于R-C滤波器的角频率，以防止信号失真；其次，更高的PWM频率关系到R-C滤波器的角频率，多数滤波器都将衰减PWM的频率；第三，因为滤波器的电阻分布在R1和R2，在PWM信号中的实际角频率是所见模拟信号频率的两倍。
8 软件电压控制
这种设计的一个不完善部分是功率变换器的输出和电子镇流器控制器的PFC模块两者之间的反馈。该反馈很容易使用ADC通道之一从测量直流总线输出电压得到，然后馈送该信息反回到PWM控制器，决定反馈比率是利用PFC模块内的模拟输入电压之数字定标（见图6所示）。唯不使用输出电压和定标率两者间的直线关系，以适用于模拟输入电压要求，ADC测量值可以馈送给与成熟软件相称的整体方案回路的外存贮器。这能够更好和更平滑地进行闭合回路控制。其它诸如灯的总电流消耗等参数也可以使用MCU中的ADC通道采样。
图7示出了在电子镇流器全面设计中的重要信号，这种镇流器采用作为PFC控制的MCU，电流控制反馈回路和频率控制的功率逆变器（具有64Hz的有效分辨力）。
PIC16F88X样机的PFC模块的输出和频率调整测定，需要使用PWM输出驱动数字/模拟定标电路。这种设计中也采用ECCP组件的遮光机械装置，它们可以借助简单的软件高频振荡电路为具有小频率梯级的半桥功率逆变器调整驱动信号。
这种镇流器设计采用MCU消除需要分离的PFC控制器和仅需要几只低成本外部无源元件。也通过简单的软件和硬件技术的组合，在集成的10-bit PWM组件中的有效分辨力就被提高了。设计提供的在8-bit MCUs'里面将数字电路和模拟电路的功能集成的样品可以提高产品的功能度或者整个光照系统的性能。
参考资料
[1] Fosler， Ross， Microchip Technology Inc.; and Contenti， Cecilia， and Ribarich， Tom， International Rectifier， "Digitally Addressable DALI Dimming Ballast，" Microchip Technology Application Note AN809.
[2] Di Jasio， Lucio， "A Technique to Increase the Frequency Resolution of PIC MCU PWM Modules，" Microchip Technology Inc.
[3] Curtis， Keith， "Bit Bashing，" Microchip Technology's micro-Solutions e-Newsletter， November 2006.

（选材于www.powerelectronics.com February 2007）