8位单片机在镇流器和功率因数校正中的应用

在设计用于荧光灯或高强度气体放电灯(HID)的电子镇流器时，除了要满足通常的成本、可靠性和长寿命要求以外，设计人员还必须提供增强的最终用户功能，例如，远程调光控制，同时还必须满足严格的国内和国际照明法规要求。传统的分立模拟设计技术仍然可以满足许多此类新要求。然而，新一代低成本8位闪存单片机为实现满足照明法规要求的低成本高分辨率数字电子镇流器控制设计提供了许多系统优点。在考虑此类设计之前，我们先回顾一下典型电子镇流器控制应用的构建模块。

　　电子镇流器控制

　　图1示出的是目前大多数镇流器控制应用中的基本构建模块。主要模块包括一个电磁干扰(EMI)滤波器、一个全波整流器、一个有源功率因数校正(PFC)前端、一个数字控制部分和一个谐振输出级。

　　EMI滤波器阻止镇流器产生的噪声馈送到交流电源线上。全波整流器将交流电转换为其它模块可以控制的直流电。通常还会采用某种形式的PFC电路来控制正弦输入电流和生成稳定的直流总线电压。镇流器控制部分为传统RLC型的谐振输出电路，提供频率调制控制(通常是脉冲宽度调制)，完成灯的预热、点亮和镇流功能。

　　RLC谐振输出级可容易地适应多种不同的灯

管类型。如果设计的数字控制部分采用了基于嵌入式单片机的电路，那么就可以为完成闭环调光、灯管故障检测、关闭和自动重启提供所需要的电路和软件。目前的嵌入式单片机还可方便地连接到标准通信接口，如数字可寻址照明接口(DALI)、或其它RS-232类型，或同步串行接口总线，如I2C或SPI，从而实现远程控制和监测(参考文献1)。

　　请注意在图1中，当灯关闭时，荧光灯管中没有电流流过，因此从镇流控制器端看过去，灯管的阻抗几乎是无限大。要点亮灯管，电极上的电压必须足够高，才能使高度离子化的混合气体在灯管两端之间放电。这一最大电压称为点火电压(Vstrike)。一旦灯管开始导电，电压就应降低到更低的稳定电压(VNOM)。

　　为更好地理解这一镇流器控制电路，先回顾一下为典型低压荧光灯管供电都需要哪些功能。电子镇流器电路必须完成的基本功能如下。

　　●在灯电极间提供足够高的点火电压；
　　●当灯点亮后，电路必须在稳定工作状态下维持一个恒定的电流；
　　●电子控制器必须能够补偿逆变器电路直流总线电压的波动和故障情况。这样可以保证稳定的灯光输出，并可帮助延长灯管的寿命；
　　●镇流器电路还必须满足国内和国际照明法规要求。

　　基于单片机的数字镇流可以提供更多功能，如调光、寿命终点监测、启动故障检测或灯管更换指示等。不同的灯管需要不同的设置，可以容易地利用存储在单片机非易性存储器中的软件实现。单片机还可调整所需要的灯具设置，从而在其整个生命周期中保证最大的效率。例如，点火电压可能需要提高，或者在稳定状态下的工作电压需要稍微有些变化。

　　本文关于数字电子镇流器中单片机的应用主要集中于两个方面：数字逆变器控制，以及如何在单片机中集成PFC功能来代替分立且成本更高的PFC器件。

数字逆变器控制

　　荧光灯或HID灯管电极上的电压是由半桥功率逆变器和RCL谐振储能电路控制的。更精确地控制驱动逆变器MOSFET的脉宽调制信号能够更好地控制输出电压。因此，设计工程师要求PWM模块能够提供更高或更精确的分辨率，同时具有更好的线性频率控制，特别是在40kHz～120kHz范围内。这样就既可以保证在启动时提供足够的电压点亮荧光或HID灯管，同时又可在稳定状态时提供稳定的工作电压。

　　多数针对此类应用的8位单片机都集成有10位硬件PWM模块，并且可以通过软件实现实时的配置。这些PWM模块的最大问题是其工作频率范围很宽，从而限制了在40kHz～120kHz频率范围内的精度或频率分辨率。通过简单的软件控制频率抖动技术，利用10位硬件PWM外设也可以实现更精细的频率步进幅度，提高频率分辨率。此外，利用单片机实现的动态软件频率抖动控制能够更好地控制数字电子镇流器的调光功能。

　　精确的频率控制一方面可用于寻找点亮灯管所需要的点火电压，同时还可用于在稳定工作状态，甚至发生某些线路故障时维持恒定的电流。集成了不同硬件外设(如PWM或软件可配置的模拟比较器)的8位单片机非常适用此类应用。

8位嵌入式单片机

　　低成本8位嵌入式单片机在电子镇流控制中应用的两个新领域是PFC模块和电子镇流器功率逆变器，可以实现更好的动态频率控制。

　　大多数8位单片机集成了模拟比较器和多通道ADC等模拟外设，同时还集成了数字PWM模块等数字外设。所有这些电路都可以软件进行控制，比传统的纯模拟反馈环控制系统有很大优势，在实现控制功能的同时，仍然可以完成高速模拟反馈环控制。

　　许多嵌入式单片机还集成了增强型通用同步异步收发器(EUSART)、主串行同步端口(MSSP)，这样在电子镇流器中可 实现不同类型的通信接口，用于实现远程站点监控或分布式电路板设计。