金卤灯电子镇流器Buck电路的优化设计
时间：12-08
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1 引言
金卤灯(MHL)作为一种绿色照明光源在室内外照明领域中逐渐得到了广泛的应用，然而，在使用这种绿色照明光源时，与之配套的金卤灯电子镇流器则是实现绿色金卤灯照明的关键所在。Buck电路是金卤灯电子镇流器的重要组成部分，主要用于在金卤灯稳态工作时的恒功率供电。因此，Buck电路的设计对整个电子镇流器的性能有非常重要的影响。
2 金卤灯电子镇流器
金卤灯是HID灯中性能最为优越的一种电光源，具有光效高、寿命长、显色性好等优点，因而具有广阔的发展前景。金卤灯的伏安特性呈负阻特性，由于具有负阻特性的气体放电灯是不能直接接人恒定电压的电网上去的，所以必须配备镇流器才能正常工作。由于金卤灯在高频下工作容易产生声谐振，而低频方波点灯的方案可以有效克服金属卤化物灯(MHL)声谐振，因此本文采用低频方波点灯的方案。传统的低频方波点灯方案是典型的三级低频方波电路，其电路原理框图如图1所示。一般来说，其第一级PFC电路通常采用Boost PFC电路，主要功能是提高功率因数，同时把50 Hz／220 V交流电转变成直流电(本文中为400 V直流电)；第二级DC／DC采用Buck降压电路，主要功能是控制输出电压和电流的大小，把400 V的直流电压降低到85 V；第三级为低频全桥逆变电路，用于将直流电转换为低频方波给金卤灯供电，以避免金卤灯工作在直流状态下时影响灯的寿命，同时也可避免金卤灯在高频下发生声谐振现象。这种三级低频方波电路中的点火电路用于完成金卤灯的启动和正常供电，控制和保护电路则可实现整个电路的协调工作，包括金卤灯的启动控制、电流功率控制及金卤灯的保护控制等。本文主要讨论70 W金卤灯电子镇流器中新型Buck电路的设计方法。
3 Buck电路的设计
Buck电路是金卤灯电子镇流器的中间部分，本文采用电流峰值控制芯片UC3843来实现PWM的驱动控制，它通过检测Buck回路中的电流，也就是通过检测采样电阻R两端的电压来实现对MOS管的控制。在灯击穿前，Buck电路的输出会维持某个固定电压值，这个电压称为空载输出电压，它的取值主要由APFC的输出电压决定。一般情况下，空载输出电压有两个作用：第一是给点火电路提供输入电压，较高的空载电压可以减小点火电路中变压器的匝比；第二，由于空载电压可决定输出电容在金卤灯启动前的储能，而金卤灯在击穿以后，Buck变换器的响应速度还不足以提供能量给金卤灯，因此，输出电容的储能将在这一短暂的时间内向金卤灯提供能量。Buck电路的主要功能是实现金卤灯的稳态控制，即恒功率控制。所谓恒功率控制，就是在保证金卤灯正常工作时，保持其输出功率不变，从而实现良好的照明效果。
图2所示是传统和改进型Buck电路示意图。在传统的Buck电路中，MOS管的栅极和源极位于高电位侧，UC3843输出端不能直接驱动MOS管，而需要通过隔离电路来实现对开关管的驱动，隔离电路通常采用光耦隔离和变压器隔离两种方法，光耦隔离需要引入另一组隔离电源，这将增加电路设计的复杂性，而变压器隔离会引入电磁干扰，也会引起驱动波形的失真，同时将明显增大电路的体积。
基于传统Buck电路的上述缺点。本文提出了一种新的改进型Buck电路，其电路如图2(b)该电路是Buck传统电路的变形。虽然该电路中元件的位置发生了变化，但由于电路的拓扑关系没变，故其输入输出电压关系没变。图2(b)中将MOS开关管和电感置于靠近直流电源的地端，这样UC3843就可以直接驱动MOS管，而不需要驱动隔离电路，从而减少了驱动波形的失真，提高了驱动电路的可靠性，简化了电路，减小了电路体积，降低了成本，同时，由于该Buck电路的输出高电位侧与Buck电路输入的高电位侧是等电位连接，因而也减少了干扰。
本设计使Buck电路工作在断续模式下，因为断续模式下所需的电感量比电流连续工作模式下的电感量要求要小，同时也可减小续流二极管因反向恢复而引起的损耗。对于70 W的金卤灯，在稳态工作时，若其Buck输出电压VO为85 V，输出电流IO为0.824 A(70 W／85 V)，Buck输入电压VIN为400 V，MOS管的工作频率伪50 kHz，MOS管的工作周期T为20μs。那么，该电路在临界状态下的电感量为：
代人数据计算可得L为812μH。
为了保证Buck电路始终工作在断续模式下，设计时可选择L的值为650μH。而MOS管导通时的占空比为：
计算可得，当L为650μH时，D为0.194。
若Buck电路工作在50 kHz的开关频率下，那么，开关导通时的浪涌电流和开关断开时的浪涌电压对Buck电路将形成较强的电磁干扰。实验发现，MOSFET在开关过程中毛刺较大，这是由开关瞬间电路中的电流变化率比较大所导致的，这个毛刺对Buck的其他电路会产生严重干扰。设计时可以通过在MOS管两端加RC缓冲电路的方法来减小毛刺，同时在设计印刷电路板时，应尽量降低电源线和地线的阻抗。因电源线、地线和其它印刷线都有阻抗，当电源电流变化较大时，会产生较大压降，而地线压降是形成公共阻抗干扰的重要因素，所以应尽量缩短地线，并应尽量加宽电源线和地线。
金卤灯(MHL)作为一种绿色照明光源在室内外照明领域中逐渐得到了广泛的应用，然而，在使用这种绿色照明光源时，与之配套的金卤灯电子镇流器则是实现绿色金卤灯照明的关键所在。Buck电路是金卤灯电子镇流器的重要组成部分，主要用于在金卤灯稳态工作时的恒功率供电。因此，Buck电路的设计对整个电子镇流器的性能有非常重要的影响。
2 金卤灯电子镇流器
金卤灯是HID灯中性能最为优越的一种电光源，具有光效高、寿命长、显色性好等优点，因而具有广阔的发展前景。金卤灯的伏安特性呈负阻特性，由于具有负阻特性的气体放电灯是不能直接接人恒定电压的电网上去的，所以必须配备镇流器才能正常工作。由于金卤灯在高频下工作容易产生声谐振，而低频方波点灯的方案可以有效克服金属卤化物灯(MHL)声谐振，因此本文采用低频方波点灯的方案。传统的低频方波点灯方案是典型的三级低频方波电路，其电路原理框图如图1所示。一般来说，其第一级PFC电路通常采用Boost PFC电路，主要功能是提高功率因数，同时把50 Hz／220 V交流电转变成直流电(本文中为400 V直流电)；第二级DC／DC采用Buck降压电路，主要功能是控制输出电压和电流的大小，把400 V的直流电压降低到85 V；第三级为低频全桥逆变电路，用于将直流电转换为低频方波给金卤灯供电，以避免金卤灯工作在直流状态下时影响灯的寿命，同时也可避免金卤灯在高频下发生声谐振现象。这种三级低频方波电路中的点火电路用于完成金卤灯的启动和正常供电，控制和保护电路则可实现整个电路的协调工作，包括金卤灯的启动控制、电流功率控制及金卤灯的保护控制等。本文主要讨论70 W金卤灯电子镇流器中新型Buck电路的设计方法。
3 Buck电路的设计
Buck电路是金卤灯电子镇流器的中间部分，本文采用电流峰值控制芯片UC3843来实现PWM的驱动控制，它通过检测Buck回路中的电流，也就是通过检测采样电阻R两端的电压来实现对MOS管的控制。在灯击穿前，Buck电路的输出会维持某个固定电压值，这个电压称为空载输出电压，它的取值主要由APFC的输出电压决定。一般情况下，空载输出电压有两个作用：第一是给点火电路提供输入电压，较高的空载电压可以减小点火电路中变压器的匝比；第二，由于空载电压可决定输出电容在金卤灯启动前的储能，而金卤灯在击穿以后，Buck变换器的响应速度还不足以提供能量给金卤灯，因此，输出电容的储能将在这一短暂的时间内向金卤灯提供能量。Buck电路的主要功能是实现金卤灯的稳态控制，即恒功率控制。所谓恒功率控制，就是在保证金卤灯正常工作时，保持其输出功率不变，从而实现良好的照明效果。
图2所示是传统和改进型Buck电路示意图。在传统的Buck电路中，MOS管的栅极和源极位于高电位侧，UC3843输出端不能直接驱动MOS管，而需要通过隔离电路来实现对开关管的驱动，隔离电路通常采用光耦隔离和变压器隔离两种方法，光耦隔离需要引入另一组隔离电源，这将增加电路设计的复杂性，而变压器隔离会引入电磁干扰，也会引起驱动波形的失真，同时将明显增大电路的体积。
基于传统Buck电路的上述缺点。本文提出了一种新的改进型Buck电路，其电路如图2(b)该电路是Buck传统电路的变形。虽然该电路中元件的位置发生了变化，但由于电路的拓扑关系没变，故其输入输出电压关系没变。图2(b)中将MOS开关管和电感置于靠近直流电源的地端，这样UC3843就可以直接驱动MOS管，而不需要驱动隔离电路，从而减少了驱动波形的失真，提高了驱动电路的可靠性，简化了电路，减小了电路体积，降低了成本，同时，由于该Buck电路的输出高电位侧与Buck电路输入的高电位侧是等电位连接，因而也减少了干扰。
本设计使Buck电路工作在断续模式下，因为断续模式下所需的电感量比电流连续工作模式下的电感量要求要小，同时也可减小续流二极管因反向恢复而引起的损耗。对于70 W的金卤灯，在稳态工作时，若其Buck输出电压VO为85 V，输出电流IO为0.824 A(70 W／85 V)，Buck输入电压VIN为400 V，MOS管的工作频率伪50 kHz，MOS管的工作周期T为20μs。那么，该电路在临界状态下的电感量为：
代人数据计算可得L为812μH。
为了保证Buck电路始终工作在断续模式下，设计时可选择L的值为650μH。而MOS管导通时的占空比为：
计算可得，当L为650μH时，D为0.194。
若Buck电路工作在50 kHz的开关频率下，那么，开关导通时的浪涌电流和开关断开时的浪涌电压对Buck电路将形成较强的电磁干扰。实验发现，MOSFET在开关过程中毛刺较大，这是由开关瞬间电路中的电流变化率比较大所导致的，这个毛刺对Buck的其他电路会产生严重干扰。设计时可以通过在MOS管两端加RC缓冲电路的方法来减小毛刺，同时在设计印刷电路板时，应尽量降低电源线和地线的阻抗。因电源线、地线和其它印刷线都有阻抗，当电源电流变化较大时，会产生较大压降，而地线压降是形成公共阻抗干扰的重要因素，所以应尽量缩短地线，并应尽量加宽电源线和地线。