关于基于现场总线的氙气灯多级调光安定器的设计与实现

0 引言

在照明领域中，高强度气体放电(High Intensity Discharge，HID)灯是用途比较广泛的节能型电光源。氙气灯是从高压钠灯、金卤灯等气体放电灯衍生出来的新光源，具有效率高、灯管寿命长、色温好和聚光能力强等优点[1-3]，成为绿色照明工程的首选产品[4-5]。

文献[6]同时采用了数字和模拟两个功率误差检测环路，设计了一种数模双环路氙气灯安定器，取得了很好的瞬态特性和进入稳态后输出功率的稳定性。对于氙气灯安定器的设计，相关学者做了大量的研究。文献[7]以小功率氙气灯(28 W)为研究目标，在传统模拟电路闭环的基础上，设计了一种基于单片机控制的氙气灯安定器，实现双重恒功率控制和直流启动交流工作的模式。

以上研究，考虑的都是氙气灯启动或者恒功率控制的稳定性，一种功率的安定器，只能使用于一种功率的氙气灯，且无法调节工作功率，无法调节氙气灯的光照强度。虽然照明效果良好，但是应用于路灯、广场、厂房等场合，当照明需求降低而又不能关闭照明时，如下半夜的路灯照明，往往会因不能调节亮度而浪费大量的电能。因此，研究一种可灵活调节输出功率的氙气灯调光系统，可大幅度节约电能。针对此需求，本文设计了一种基于现场总线的氙气灯多级调光系统，并做出样机，进行了调光实验。

1 氙气灯调光原理

1.1 氙气灯安定器架构

氙气灯在启动阶段需要23 kV以上的高压脉冲击穿灯管内的高压气体，实现放电。交流输入的安定器常见结构如图1所示，由EMI滤波电路、整流电路、功率因数校正电路、降压电路、功率反馈电路、点火器电路等组成。

1.2 APFC电路拓扑结构

本文采用有源功率因数校正(APFC)电路拓扑结构为Boost变换器，其基本电路结构如图2所示。Boost 变换器有以下优点：输入电流连续，并且在整个输入电压的正弦周期都可以调制，因此可获得很高的功率因数[3]；电感电流连续且纹波电流小，储能电感可用作滤波电感来抑制RFI和EMI噪声；功率开关管源极接地，易驱动。

1.3 降压电路拓扑结构

本文设计的降压电路采用的拓扑结构是改进型的变换器[6]，电路组成如图3所示。与传统的BUCK电路不同之处在于MOS管Q1放在靠近电路负极的低端，开路时电路输出电压为Ui(400 V)，故而在启动时能够为点火电路提供400 V的启动电压。

1.4 恒功率设计及功率调节策略

BUCK电路稳定工作时，采样电阻两端电压波形为带有间隔的三角波，MOS管导通时间即“三角”宽度即为Ton，MOS开关频率记为f，采样电阻电压最大值记为Ur，则BUCK电路理论输出功率为：

恒功率控制主要由电源芯片L6562实现。L6562是临界导电控制模式的PFC控制芯片，峰值电流模式控制器L6562[7]导通控制原理如图4，L6562芯片1号脚为误差输入，2号脚为内部误差放大器的输出(输出U2，为定值)，且U2为L6562内部乘法器的一个输入，由放大器特性知：

乘法器另一个输入端(3号脚)输入与采样电阻两端电压正相关的信号(U3)，

式(5)中，Ui为APFC电路输出电压，Ton和f由BUCK电路的电感决定，RS、R1、R3、R4、R5均为定值，故输出功率只取决于受MCU控制的比较电压Uref，改变Uref，则改变安定器的输出功率。

2 系统设计

2.1 系统结构

本文所设计的氙气灯调光系统整体框架如图5，主要由整流滤波电路、有源功率因数校正(AFPC)/Boost电路、全桥逆变电路、BUCK/恒流电路、触发器点火电路、功率控制电路、MCU电路、RS485总线电路等组成。

220 V市电经滤波电路滤波后由全桥电路进行整流，得到脉动的直流，然后由Boost构型的有源功率因数校正电路稳压在直流400 V，全桥逆变电路产生125 Hz左右的交流方波驱动氙气灯，采用串联式触发电路，开路或启动时逆变电路输出400 V的交流低频方波[8]使得点火电路能够产生23 kV左右的高压，击穿氙气灯内部的高压气体产生放电，将灯点亮。有源功率因数校正电路等效于一个恒压源[9]，故后级的BUCK电路的电压恒定，以图1虚线框为一个整体，当输出电流一定时，则输出功率恒定，因为全桥逆变电路、点火电路稳定工作时本身的损耗相对BUCK和氙气灯来说非常小[10]，故控制图1虚线框中这个回路整体的电流即控制了本系统的输出功率，即控制了氙气灯的亮度。

2.2 功率控制设计

R1与R2串联分压，R2两端的电压即为Uref，将三极管与电阻串列后并接到R2两端，利用MCU的IO口控制三极管的截止，三极管导通时，相当于将与三极管串联的电阻并联到R2两端，从而降低了R1下端电阻的阻值，故改变了参考电压Uref的电压值。

本设计采用了7组电阻-三极管，为了电路的稳定，三极管只能从右至左(并联的电阻从右至左依次增大）依次闭合，截止时也只能从左至右控制依次关闭，该控制办法的限制可以避免Uref剧烈变化，故能提高电路稳定性。

采用该控制办法，图6所示控制阵列可控制Uref有8组不同的电压值，故能实现氙气灯的8级调光。

2.3 控制流程

系统主程序流程如图7所示。系统启动初始化后，为了安全，首先切断BUCK电路输出，然后启动全桥逆变电路输出交流方波，交流方波频率在125 Hz左右。

若接收到开灯指令，MCU控制启动BUCK电路输出，然后进行点亮检测，判断氙灯是否点亮，如果点亮成功，则保持BUCK输出，氙灯持续点亮；如果点亮不成功，为了保护电路，则要切断BUCK电路输出，延时2 s后再次启动BUCK输出，如此至多循环3次，如果3次之后仍然未点亮氙气灯，说明线路或者灯管出现故障，故需要关闭BUCK电路输出，保护电路不至被烧毁。

调光程序由中断程序完成，如图8所示，当MCU串口接收到指令后，首先判断指令知否合法，若不合法则直接结束此次调节过程；若合法，则需要先解析调光指令，然后根据指令，调节Uref到指定值，然后MCU的AD接口对Uref进行采样，如果采样值与设定值相符，则调光成功，反之，则调光失败。

2.4 控制软件设计

为实现氙气灯调光系统的控制，使用vb.net语言编写了测控软件，控制软件界面如图9所示。控制软件可对氙气灯的开关和功率进行控制，同时也可实时显示交流输入的电压、电流、功率因数等，输出的电压、电流、功率，温度和光照强度，同时也可对氙气灯调光系统进行定时开灯和关灯，也能在安定器异常而过热时进行保护。

3 实验分析

3.1 调光结果

基于上述原理制作了最大输入功率160 W的基于现场总线的氙气灯多级调光系统样机。本设计功率控制部分主要芯片为L6562D，最高档位（1档）工作时频率约75 kHz，随着功率的降低，频率会升高。输入电压145~265 V，最大功率160 W，最小功率60 W。

安定器设计有8个功率档位，测试出每个档位对应的参考电压Uref、输入功率、光照强度如表1所示。

表1中参考电压Uref来源于1.4节，光照强度由照度测试仪放置于氙气灯正下方2.55 m处测试所得。根据表1的参考电压Uref和输出功率数据，绘制了参考电压Uref与输出功率的曲线，如图9所示。

图10中参考电压Uref与输出近似成线性关系，调小参考电压Uref，输出功率也随之线性降低，故该样机实验结果满足式1.5，由此验证了第1节的氙气灯调光原理。

3.2 调光稳定性

调光过程的稳定性是本调光系统的一个重要指标，针对该指标做了大量的测试。利用控制软件进行调光控制，利用系统MCU记录调光失败次数，对该系统的调光稳定性进行了数万次的测试。根据调光跨度，记录了如表2的调光失败率统计(调光导致氙气灯熄灭即为调光失败)。

表2数据表明，功率降低比提高功率时更容易导致调光失败；降低功率时，功率变化越大，越容易导致氙气灯熄灭。总之，本系统调光过程较为稳定，单次调光失败概率不超过0.04%，调光档位或功率跨度越小，失败率越低。

4 结束语

根据上述测试结果，本设计实现了氙气灯的多级调光，调光过程稳定可靠，满足了设计要求，突破了传统氙气灯安定器不能调光的局限性，使得特定功率的氙气灯能够调节亮度，为氙气灯照明提供了一种节能的控制方法，也使本氙气灯安定器能够适用于不同功率的氙气灯，提高了安定器的适用范围，提高了其使用灵活性。

本文所设计的基于现场总线的氙气灯多级调光系统已在150 W和70 W功率的氙气灯中得到验证，实际制作出的样机已持续工作超过6个月，测试中电路工作正常，调光稳定性和可靠性均得到了验证。