HID灯电子镇流器的设计.doc

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1、 本科毕业设计（论 文）HID灯电子镇流器的设计专业年级 学 号 姓 名 指导教师 评 阅 人 河 海 大 学本科毕业设计（论文）任务书、毕业设计（论文）题目： HID灯电子镇流器 、毕业设计（论文）工作内容(从综合运用知识、研究方案的设计、研究方法和手段的运用、应用文献资料、数据分析处理、图纸质量、技术或观点创新等方面详细说明)：1毕业设计目标： （1）培养综合运用知识、独立开展工程实践的能力； （2）了解和掌握HID灯电子镇流器的原理和应用； （3）掌握单片机控制和接口技术，实现单片机控制； （4）了解HID灯电子镇流器的应用背景和发展前途； （5）提高运用C语言编程水平和编程技巧； （6

2、）培养发现问题解决问题的能力，提升自己各方面的综合能力 。 2研究方法及手段应用： （1）查阅相关论文资料，学习HID灯电子镇流器系统的基本原理及实现技术方案，了解当前发展动态； （2）根据实际情况，设计并实现相应技术方案，画原理图及PCB板，焊接相关电路，并进行整体电路的调试。 3毕业设计预期效果： 实现用于35W HID灯的电子镇流器 4平台硬件设计及软件实现： 设计系统平台的基本架构，本系统由单片机为核心控制部分，外围是整流、功率因数校正、启动电路和灯网络组成，应用protel 99 软件设计硬件电路；单片机对外围器件的控制用C编程实现，采用MPLAB IDE对系统的单片机部分编译实现软

3、件设计。 5掌握研究总结和论文的基本写作要领，学会用多媒体课件言简意赅的报告研究进展。 、进度安排：12月10日12月30日：安排毕业设计任务，制订研究计划，查阅相关资料； 1月1日1月20日：专业技术知识的深入学习，技能训练； 2月25日3月15日：硬件电路设计，购买元器件，PCB制版； 3月16日4月6日：硬件系统完全实现并进行软件系统测试，记录原始数据；4月7号4月27日：迎接毕业设计中期检查，做阶段性成果报告； 5月1日5月20日： 解决遗留问题，完善设计与制作； 5月21日6月8日：准备实物验收，总结研究成果，撰写毕业论文，准备并通过毕业设计论文答辩。 、主要参考资料： 1 康华光.

4、 电子技术基础（模拟部分） 高等教育出版社 2 杨小川. PROTEL DXP 设计指导教程 清华大学出版社 3 侯振义. 直流开关电源技术及应用 电子工业出版社 4 谭浩强著. C程序设计（第二版） 清华大学出版社 5倪海东，蒋玉萍. 高频开关电源集成控制器 机械工业出版社 指导教师： ， 2 年 1 月 日学生姓名： 专业年级：通信工程 系负责人审核意见（从选题是否符合专业培养目标、是否结合科研或工程实际、综合训练程度、内容难度及工作量等方面加以审核）： 系负责人： ， 年 月 摘 要在照明领域里，HID电子镇流器一直是一个令人关注的话题。这是因为如果用它取代目前的电感镇流器，将使大功率气

5、体放电灯的综合节能潜力发掘出20%-30%以上，这无疑是极大的社会效益和经济效益。因此，它的商业价值引起了众多企业和投资者的浓厚兴趣。在上个世纪末，国内外就开始了对HID电子镇流器的研究和开发。本文介绍的是35W HID灯电子镇流器的设计。该电子镇流器的工作原理是将低频交流电通过整流转化为直流电，再经过逆变器转换成的交流电，进行功率因数的校正(PFC)和电压的调整，再经过全桥交换器为HID灯提供交流的电源。在HID灯点亮前，由LC构成点火电路，为HID灯提供点火高压电，使HID灯电极气化，点亮HID灯。当灯达到正常稳定的工作状态时，灯两端为85V,200Hz低频的方波信号。本文首先介绍了镇流器

6、的发展及未来，分析了电子镇流器设计中应注意的几个关键性问题，提出了解决这些问题的办法，详细介绍HID灯电子镇流器的一种设计方案。关键词：电子镇流器，电磁兼容，辐射干扰，功率因数校正电路，HIDAbstractIn the field of lighting, HID electronic ballasts has been a hot topic all the time. This is because if its can replace the current ICP ballasts, will enable high-power Discharge comprehensive ene

7、rgy-saving potential reaching 20 percent to 30 percent or more, this is great social and economic benefits. Therefore, its commercial value has aroused many corporation and investors great interest. In the late 1990s, at home and abroad people began to study and investigate of HID electronic ballast

8、s. This paper presents a design method of 35 W HID lamp electronic ballasts. The working principle of the electronic ballast is first make low-frequency alternating current convert into direct current through the rectifier, another inverter converts to AC, then power factor correction (PFC) and volt

9、age adjustments, through another full-bridge exchange for HID lamps to provide the power. Before HID lamps lit, the ignition circuit consists on the LC oscillator, for HID lamps provide high-voltage so that make the HID lamp electrode gasification, and then lit HID lamp. When the light works in norm

10、al and stable conditions, the electronic supply the lamp in 85 V, 200Hz low-frequency square-wave signals.This paper first introduced the development and future of the ballast, analyzing several key issues during the design of electronic ballasts, and gave some solution, then detailed present a desi

11、gn method of the electronic HID lamp ballasts.Key words: Electronic Ballast，EMC，RFI，PFC，HID目 录第一章绪论1第一节 电子镇流器的发展现状与未来1一、国外电子镀流器发展简况1二、我国电子镇流器的现状与问题2三、电子镇流器的未来发展3第二节 HID灯简介4一、氙气灯4二、 氙气灯（ HID ）的发光原理5三、 氙气灯（ HID ）的性能优点5四、光学的参数和基本概念6第三节 立题依据和实际意义6第四节 本设计的要完成的主要工作7第二章 整体系统要考虑的问题及解决方法7第一节 电磁兼容性问题8一、电子镇流器电

12、磁兼容性的特征8二、电子镇流器电磁兼容性的一般技术方案8三、解决电子镇流器电磁兼容性的关键技术和设计制造难点9第二节 声频共振问题11第三节 总谐波失真（THD）简介12一、总谐波失真解析12二、总谐波失真分类13第四节 功率因数提高问题13第三章 系统控制电路的设计14第一节控制电路的选择14一、开关电源控制集成电路芯片选择14二、高功率因数校正控制器芯片选择16三、核心控制芯片的选择17第二节 其他电路模块的设计21一、电子镇流器中变压器的选择21二、RFI和EMI滤波器电路23三、逆变电路和灯网络24四、电子镇流器异常状态保护电路24第四章 整机调试25第五章总结与展望26参考文献28致

13、谢29附录一 原理图30附录二 实物图31附录三 英文翻译32第一章 绪论在照明领域中，镇流器是气体放电灯工作时不可缺少的配套附件，其主要功能有：产生高压起辉灯管，灯管起辉后起镇流作用，使灯管正常稳定的工作。 气体放电灯都有较高的启动电压和低放电维持电压，当灯通过高压启动后，电压下降，电流加大，如不加限制，灯电流将不断加大致使灯烧毁，所以必须在放电的点灯回路中串接一个与灯类型，规格匹配的镇流器来提供使灯启动的高电压，并限制灯电流使之稳定在所规定的范围。目前广泛应用的是电感镇流器，本文介绍的是一种电子镇流器的设计方法。第一节 电子镇流器的发展现状与未来在我国的镇流器市场上，传统的电感镇流器占据了

14、大部分市场份额。国内生产的传统型电感镇流器还是自二十世纪30年代以来的老产品，由硅钢片外绕漆包铜线组成，尽管有结构简单、安全系数高、坚固耐用、价格低廉的优点，但因其噪音大、频闪高、功率损耗高(40W用于灯管的自身损耗为9W)和功率因数低等致命缺点，越来越不能适应“节能、环保”的潮流。 近年来，随着中国整个照明市场需求环境的变化，灯具市场对镇流器的需求也发生了很大的变化，节能型电感镇流器和电子镇流器开始逐步取代传统的电感镇流器，其中节能型电感镇流器因其突出的节能性、实用性，适应了目前中国市场上的“节能”和“环保”两大潮流，显露出强劲的发展势头，具有巨大的市场潜力。下面介绍国内外镇流器的发展情况。

15、一、国外电子镇流器发展简况气体放电光源放电时具有负阻特性，燃点时一定要有镇流器来稳定其工作。电感镇流器由于其简单价廉和长寿命等优点，已得到了广泛的应用。但是由于电感镇流器存在费能、费材、笨重、噪音、频闪、功率因数低、电压启动性能差等缺点所以电感镇流器并非是最理想的镇流装置。电子镇流器已日趋成熟，由于它高效、节能、节电、省材、无噪音、无频闪、功率因数高和电压启动性能好等优点，其性价比优于电感镇流器。近几年来，国外电子镇流器荧光灯发展很快，据有关资料称 ，到目前为止电子镇流器荧光灯已占点灯总数的9%并尚在迅速增加普及中，电子镇流器紧凑型稀土三基色荧光灯的迅速发展，促使了环形荧光灯和直管形荧光灯镇流

16、器的电子化，个别国家和地区已经采取行政干预措施，限制电感镇流器的生产，几年后还要限制电感镇流器的使用。日本、欧洲和美国电子镇流器发展水平具有代表性的例子。电子镇流器的体积：欧美日；长度：美日欧；重量：日欧 白 - 蓝，色温用开尔文度（K）表示。3、 光效 光效是指电能转换成光能的效率。单位：流明每瓦1M/W 4、 灯具效率 灯具效率（也叫光输出系数）是衡量灯具利用能量效率的重要标准，它是灯具输出的光能量与灯具内光源输出的光能量之间的比例。 5、 光强 一般来讲，光线都是向不同方向发射的，并且强度各异。可见光在某一特定方向角内所发射的光通量就叫做光强。 单位：坎德拉Cd6、 照度E 照度（E）是

17、光通量与被照面积的比例系数。单位：勒克司LX 7、 流明系数 BF（Ballast Factor）流明系数为被测量镇流器与基准灯配套点燃时的光输出/基准镇流器与基准配套点燃时光输出。第三节 立题依据和实际意义HID灯的优点是显而易见的，总体来说就是高亮度、高色温、高寿命、低能耗、安全性能高。HID灯的用途也非常广泛，例如车用照明、民用照明、工程照明、商用照明、景观照明等等。HID灯的优点很多用处广泛,但是在使用中应使灯的工作性能和电子镇流器的工作性能相匹配，才能使灯能工作在最佳状态，这是因为HID灯是一种具有如图4示V-I特性为负阻性的电光源,从图4可以看出，当灯电流上升时，灯管的工作电压下降

18、，但是供电电压不会下降，多出的这点电压加到灯管后会使灯电流进一步上升，如此循环，最终烧坏灯管或灯管熄灭，所以要使灯管正常工作，应配以镇流元件，用以限制和稳定灯电流电压,镇流器是日光灯、节能灯的心脏，市场更广阔。 图4 HID气体放电灯的V-I负阻特性曲线目前市面上的镇流器主要有电感镇流器和电子镇流器两种,电感镇流器由于其简单价廉和长寿命等优点，已得到了广泛的应用。由于电感式镇流器工作在工频市电频率，体积大、笨重，还需消耗大量铜和硅钢等金属材料，散热困难、工作效率低、灯发光有频闪，噪音,所以电感镇流器并非是最理想的镇流装置。电子镇流器已日趋成熟，由于它高效、节能、节电、省材、无噪音、无频闪、功率

19、因数高和电压启动性能好等优点，其性价比优于电感镇流器,所以现在一些电光源界的科技工作者纷纷寻找新的镇流方法, 国内外目前对于HID电子镇流器取代电感式镇流器的官方呼声也很高。我国在“十一五”节能中长期专项规划中的“节能的重点领域和重点工程”章节里明确地提出了在照明器具要“推广高强度气体放电灯及电子镇流器”，并在列为国家重点工程的“绿色照明工程”中指出以电子镇流器代替电感镇流器将节能20%-30%以上，这无疑是极大的社会效益和经济效益。电子镇流器有着广阔的发展前景,立题有着重要的实际意义. 第四节 本设计的要完成的主要工作在本毕业设计阶段主要完成本课题的以下工作：1研究并分析当今主流HID镇流器

20、产品的性能、工作原理和软硬件实现方案。2研究当前流行的MCU和功率因数制芯片及特点，选择合适的器件。3探索并总结在设计硬件电路，特别是PCB板布线时应当注意的问题。4. 学习HID灯的性能特点，对照明器具学习与认识。5. 初步认识了解变压器的结构参数及设计。第二章 整体系统要考虑的问题及解决方法由绪论第一节中知，我国镇流器的发展经历了三个阶段，每一个阶段设计的镇流器都有缺陷，而也正是这些缺陷引导人们进步的，每一个阶段都是前一个阶段的改进，遇到的问题也是多而复杂的。例如安全性问题、可靠性问题、干扰问题、总谐波失真、功率因数等等都需要兼顾考虑，所以需要对这些概念有所了解。第一节 电磁兼容性问题照明

21、电器电磁兼容（EMC）问题，日益受到世界各国的高度重视，我国已将该项目作强制性认证要求（3C认证），但目前照明电器行业在执行上却相对缺乏全面性共识，特别是在如何解决电子镇流器电磁兼容性（EMC）问题上，尚无成熟可靠的技术措施。电子镇流器按输入整流滤波电路的不同，目前可归纳为三种类型即：低功率因数电路（NPFC）、无源功率因数校正电路（PPFC）和有源功率因数校正电路（APFC）4。事实上无论何种电路类型，由于设计采用的主要技术与开关式（SMPS）电路基本相近，因此将不可避免的产生各类电磁干扰（EMI）。依据目前照明领域宏观技术标准要求和实际的技术水平现状，相对照明电器行业而言，当务之急，既非仅

22、是普及电子镇流器电磁干扰（EMI）的基本概念和基础理论，也非论述电磁干扰（EMI）对电气环境所造成的危害，而是需要实在的检测手段和具体技术措施。一、电子镇流器电磁兼容性的特征1 、传导干扰（conducted）电子镇流器的传导干扰主要在“电源输入线”和“大地”之间产生。这种干扰有两种类型即差模（DM）与共模（CM）；差模（DM）信号以骚扰电压的形式出现在“电源输入线”之间，而与“地”无关，共模（CM）干扰电压则在“电源输入线”与“大地”中间产生，共模信号电流从干扰源出发，通过分布电容入地，沿地线传播，再经每一电源线返回。传导干扰的主要特征集中在“路”上。相对而言，差模（DM）信号较共模（CM）

23、信号容易控制些。2 、辐射干扰（RFI）电子镇流器电路电流，通过自身磁场、电场或输入、输出导线及负载（灯管）与周边电子、电器设备间以电磁波传播形式而形成的骚扰称为辐射干扰(RFI)。辐射干扰的主要特征体现在“场”上。3 、输入电流谐波畸变低功率因数电路（NPFC）或功率因数校正电路处置不当的电子镇流器其输入电流将产生严重谐波畸变，这种畸变同辐射干扰（RFI）一样被认为是电源的污染，在解决电子镇流器EMI的同时必须同步兼顾处置。二、电子镇流器电磁兼容性的一般技术方案1 、辐射干扰的技术方案电子镇流器虽然自身产生辐射干扰，并且输出导线和灯管也产生辐射电磁干扰，但可以通过将电子镇流器装进具有接地点的

24、金属外壳，连同灯具金属壳体可靠接地的方法解决。一般说来，这种辐射电磁干扰对调幅（AM）无线电设施，例如收音机和调幅发射/接收设备影响较大，但由于灯具通常都安装在较高位置，因此在有效解决好传导干扰的基础上，辐射干扰对电子镇流器和照明灯具而言，不是解决EMI主要技术难点。需要补充说明的一点是，美国联邦通讯委员会（FCC）将电子镇流器的EMI分为“A”级（class A）和“B”级（class B），前者适用于工厂企业、商业和户外；后者适用于办公、住宅和家庭。由于办公、住宅和家庭的照明电器可能距其它电子、电器装置较近，因之更容易产生干扰，故“B”级比“A”级的电磁干扰限制更为严格。2、 传导干扰的技

25、术方案探讨电子镇流器电磁兼容性（EMC）技术方案的本质，实际就是探讨差模（DM）和共模（CM）传导干扰的抑制方法，更具体地说就是“滤波器”的设计。滤波器技术方案是抑制传导干扰最有效和最经济的手段，由于传导干扰在电源输入接口处最为严重，故EMI滤波器均插入到电子镇流器的电源输入端和整流电路之间。3、电流谐波畸变的技术方案如何提高电子镇流器的功率因数和改善输入电流谐波畸变，国内外均有大量专著介绍，积累了相当丰富的成功经验和推出了不少成熟电路。需要提出的是，电子镇流器特别是采用PPFC的电子镇流器，当插入EMI滤波器网络后，可能会在输入电流谐波总量（THD），输入功率因数（PF）和灯电流波峰比（CF

26、）等技术指标上造成一定影响，甚至是负面影响。4、 EMI传导干扰滤波器目前普遍采用的EMI滤波器有“L”型（一电感加一电容）、“T”型（二电感加一电容）、“”型（一电感加二电容）和双“”型（共轭电感加二电容）等，典型的双“”型是复合型EMI滤波器电路。关于经典EMI滤器的工作原理、设计和参数选择，注意EMI滤波器所用滤波电容由于要长期、连续地承受电源电压的作用，故宜使用“”级或“Y”级电容（方形电容），接“地”电容在故障情况下，将流过一定量的“地”电流，并且在电子镇流器耐压测试时外壳接“地”点与“电源输入线”间应能承受“2倍电源电压加500V、20mA 历时1分钟”而不击穿的试验。因此应特别注

27、意其耐压和质量。三、解决电子镇流器电磁兼容性的关键技术和设计制造难点1、 关键技术一般来说，解决电子镇流器电磁兼容性的技术并不存在关键理论问题，而是由于目前电子镇流器现状所带来的；众所周知，为了达到电子镇流器提高输入功率因数降低谐波限值，同时又不希望导致电子镇流器制造成本大幅增加的目的，目前我国大量应用和制造的电子镇流器实际都是无源功率因数校正电路（PPFC），特别是“高频泵”式电路，这种电路的一个主要技术措施就是将电子镇流器输出端的高频电流反馈到电子镇流器的输入端，从而引起电子镇流器差模（DM）和共模（CM）传导骚扰电量明显上升，再加上目前为了有效降低光源的“频闪效应”，克服照明环境“光污染

28、”，已将电子镇流器的振荡频率提高到40KHZ以上，这些均无异乎在解决电子镇流器电磁兼容性上“雪上加霜”，如果不能突破电子镇流器的这项技术关键，而脱离实际泛泛探讨电子镇流器的电磁兼容性和局限常规EMI滤波器的设计观念，要想在实际制作中可靠地解决以及监控电子镇流器的电磁兼容性问题，无疑将是“隔靴搔痒”难以解决具体问题5。2、 设计制造难点（1） 成本难点电子镇流器在我国起步较早，但起点极低，市场低价格机制业经形成，从市场经济角度出发，留给解决电子镇流器电磁兼容性的制作“成本空间”近乎为“零”，这就给照明电器行业提升电子镇流器的品质和执行“3C”认证带来了一个几乎无法逾越的障碍和形成了一个极大的“成本难题”。因此如何依靠“创新性”的技术手段以低成本实现电子镇流器的电磁兼容性，是任何一个科研设计工作者无法否认也无法回避的现实难题。（2 ）体积难点由于灯具设计的紧凑性、