一种新型智能电子镇流器的设计

张健

（常熟中等专业学校，江苏 常熟 215500）

1 概述

随着节能问题越来越得到关注，高性能高质量的荧光灯电子镇流器的普及成为必然趋势。本文对荧光灯电子镇流器进行了研究，并提出了一种新型智能电子镇流器。该镇流器以PIC12F675 单片机为主控电路，与桥式全波整流电路、EMI 滤波电路、无源PFC电路、高频开关电路、电压电流取样电路、稳压直流电源组成智能电子镇流器系统。

2 硬件系统设计（图1）

图1 系统硬件框图

2.1 桥式全波整流电路的选择

桥式全波整流电路的作用是将50 Hz 交流电变成100 Hz 正弦半波脉动直流电。如图2 所示，D1～D4 组成桥式整流器，本设计采用1A/1000V 的1N4007 型二极管作为整流二极管，其最大正向压降为1.1V，较小的正向导通压降可以减小损耗、提高效率。

图2 EMI 滤波电路和整流电路

2.2 EMI 滤波电路的选择

本设计中EMI 滤波器选用电感输入式T 型滤波器及线滤波器，前者可去除差模噪声，后者对共模噪声具有高阻抗，两种滤波器的组合使用，不仅可以有效减少镇流器对电网的干扰，而且可以防止外部设备对镇流器的干扰。

如图2 所示，EMI 滤波器由C1、C2、CY1、CY2 和共模电感L1、L2、L3 组成，其中C1、C2 跨接在电源线上，用以抑制差模干扰，CY1、CY2 接在电源进线与大地之间，用以抑制共模电压干扰。各元件的参数规格为：C1=C2=0.1uF，CY1=CY2=1nF，L1=L2=1.2mH，L3=35 mH。

2.3 功率因数电路的选择

本设计采用了一种高性能的高频反馈泵式无源功率因数校正电路，其作用是将输出端的高频能量反馈回输入端，以再生利用。如图3 所示，电路工作后，交流电源经过桥式整流后，通过D5、D8 向C8、C9 充电，当输入交流电压瞬时值高于输入电压峰值的一半时，充电一直进行，且充电时间较长，当交流电源电压低于C8、C9 上的电压时，停止充电。由于采用高频反馈泵式技术，故在灯管点亮后输出端的高频电流经整流、滤波后形成辅助直流电压，其值约为60 V，并通过谐振与桥式全波整流后的100 Hz 正弦半波脉动直流电压叠加，从而形成波峰系数较小的直流电压。该无源功率因数校正电路由于增加了输入电流的导通时间，所以电源电流的波形更接近于电压的正弦波形，从而使电流的波形失真大大减小，同时还大大减小了输入电流与输入电压之间的相位差。各元件的选用规格为：C8、C9 选用10uF /400V的大容量电解电容，D5、D8选用FR107 型二极管，D6、D7 选用1N4007 型二极管。经测试，通过无源PFC 电路校正后的输入电流波形为近似正弦的波形。

图3 无源PFC 电路

2.4 高频开关电路的设计

高频开关电路的设计如图4 所示，其作用是将VDC用单片机输出的可控高频开关脉冲进行高频切割转换成高频开关电压，再作为灯管的供电电压。其中，功率场效应管G1，G2 选用IRF830， 滤 波 电 容 取C11=560pF ，C12= 1.5nF。

图4 中，当高频开关脉冲为低电平0 时，其中的VT1 截止、VT2 导通，此时VDC对C10 充电使得G1 导通、G2 截止，Vout=VDC，V灯管=-VDC/2；当高频开关脉冲为高电平1 时，Vout=0，V灯管=+VDC/2；如此反复即产生了高频开关电压，从而给灯管供电。当高频开关脉冲恒为低电平时，C10 会较快充满电，满电后无电流通过，G1、G2 随之截止，从而使灯管停止工作。此外，电路中的滤波电容C11、C12 可以消除电压尖峰，C14 和L 可将流过灯管的高频电流整形为正弦波电流。

图4 高频开关电路

2.5 其他电路的选择

本设计中为了获取电网电压值和灯管电流值，设计了电压取样电路和电流取样电路，单片机电路根据采集到的取样信号可以进行异常保护、变频控制等实时控制。为了给5 V 单片机和9 V 高频开关电路提供稳定的工作电压，本设计采用了可控稳压直流电源，其供电由单片机中的GP0 和GP2 引脚控制。灯管点亮前，此时GP0=GP2=0，单片机和高频开关电路的工作电压由输入端电源经整流、滤波、稳压后来提供；灯管点亮后，此时GP0=GP2=1，单片机和高频开关电路的工作电压由输出端灯管高频电流经过电感耦合、半波整流、滤波、稳压后来提供；异常保护期间，此时GP0=0, GP2=1，单片机工作电压由输入端提供，高频开关电路工作电压由输出端提供。本设计中，通过在灯管点亮后再生利用输出端的高频能量来进行供电，既减小了电路的功耗，又提高了效率。

3 系统的软件设计

系统软件设计方案为：

3.1 初始化工作：单片机上电复位后，先初始化PIC 芯片，即设置GP0、GP2、GP4 为输出，并使GP0=0，GP2=0，设置GP1 为A/D 输入通道。

3.2 灯管工作频率控制：灯管工作频率值由GP4 引脚输出的开关脉冲频率值决定，系统通过实时检测电网电压来设置GP4 输出值，如果电压在正常工作范围内，则根据电压值设置相应的GP4 输出频率值，即灯管工作频率值，并输出预热启辉频率串。

3.3 可控稳压直流电源供电控制：灯管点亮前，设置GP0=GP2=0，控制稳压直流电源使得单片机和高频开关电路的工作电压都由输入端提供；灯管点亮后，设置GP0=GP2=1，控制稳压直流电源使得单片机和高频开关电路的工作电压都由输出端提供，节省功耗。

3.4 异常保护功能：系统轮回检测电网电压和灯管电流，若电压和电流都在正常工作范围，则根据电压的波动调整灯管的工作频率，若电压或电流超出正常工作范围，则异常保护，此时设置GP0=0, GP2=1，控制稳压直流电源使得单片机工作电压由输入端提供，高频开关电路工作电压由输出端提供，如果异常保护超过了5 次则程序终止。本程序中设定连续5 次检测到的电网电压值都在相同范围内才能调整灯管的工作频率，这样可避免电网的瞬时干扰。

4 测试分析

在电网电压175～270 V、灯管40 W 的工作条件下，测试得到表1 所示的主要电性能参数测试结果。

表1 主要电性能参数测试数据表

结果表明：在175V～270V 输入电压范围内，镇流器的功率因数均能保持0.987 的高水平，完全达到电子镇流器的高性能标准；灯管电流波峰系数小于1.7，达到标准；输入电流谐波含量小于10%，远低于国标GB/T15144 的规定值；效率（灯管功率与电源功率的比）为0.89 左右，节能效果显著；灯管功率相对稳定，随电网电压的波动不大，不会引起灯管较大的明暗变化。

5 结论

本文设计的高性能电子镇流器工作电压范围宽、功率因数高、节能效率显著，具备异常保护功能，使用过程中灯丝预热效果好、灯管功率稳定、灯管使用寿命长，具有很大的市场应用价值。