基于相位調制的HID燈高頻驅動電路的制作方法

本實用新型涉及HID燈領域，具體是HID燈的高頻驅動電路。

背景技術：

隨著電子科技的飛速發展以及人類對照明光源需求的不斷增加，高強度氣體放電(High Intensity Discharge，HID)燈由于具有無閃爍、不誘蟲、燈光亮度大、穿透力強、使用壽命長、鎮流器體積小、燈功率與光色彩可控等優勢，得到了廣泛應用。但由于其本身存在負阻的性質，需要采用高頻電子驅動器來驅動。而高頻驅動時也會引起了HID燈工作的最大難題，即聲諧振現象，該現象會引起工作中的HID燈工作不穩定，亮度發生明顯跳動，再強烈的表現就是燈管炸裂。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種基于相位調制的HID燈高頻驅動電路，其可有效避免HID燈高頻驅動下聲諧振及其相關現象出現。

為了實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案：

基于相位調制的HID燈高頻驅動電路，包括EMI濾波電路、整流電路、APFC電路、半橋逆變電路、點火電路和控制保護電路；EMI濾波電路的輸入端連接交流電，輸出端連接整流電路的輸入端，由整流電路輸出的直流電為APFC電路、半橋逆變電路和控制保護電路供電；APFC電路的輸出端連接半橋逆變電路的輸入端，金鹵燈連接于半橋逆變電路的輸出端，控制保護電路的各輸出端分別連接APFC電路、半橋逆變電路和點火電路的相應控制端，點火電路的輸出端連接于金鹵燈的點火控制端；

控制保護電路包括PWM控制電路和電流檢測模塊，PWM控制電路的輸出端連接于半橋逆變電路的控制端；電流檢測模塊串聯在半橋逆變電路中，用以檢測半橋逆變電路中電流周期性的變化；PWM控制電路包括PWM發生電路、白噪聲發生電路和乘法器，白噪聲發生電路的輸出端分別連接至乘法器的兩個輸入端，PWM發生電路的第一、第二輸出端分別對應連接于乘法器的兩個輸入端，乘法器的輸出端連接至半橋逆變電路的控制端。

所述白噪聲發生電路的芯片采用MM5837N數字噪聲源集成電路芯片。

采用上述方案后，本實用新型的基于相位調制的HID燈高頻驅動電路，利用PWM發生電路產生40kHz左右的PWM波，并在其兩個輸出端對波形進行捕捉；利用白噪聲發生電路產生穩定的白噪聲作為調制信號，將白噪聲與PWM波經過模擬乘法器相乘，實現白噪聲對PWM波的調制，將調制后的信號輸入到半橋驅動電路。本實用新型采用相位調制的方式，將HID燈的功率頻譜限制到不穩定臨界值以下，有效避免了聲諧振現象的出現，使得每個頻率點上的亮度保持穩定，頻率值不會發生明顯變化,實驗中也不會出現電弧閃爍、跳動等不穩定現象。此外，通過調整諧振頻率還可實現對HID燈的調光。實驗表明，白噪聲調制對HID在高頻驅動的聲諧振的抑制是有效的。

附圖說明

圖1為本實用新型的電路原理框圖；

圖2為本實用新型的電路原理圖；

圖3為本實用新型中PWM控制電路的控制原理框圖；

圖4為本實用新型中PWM控制電路的控制原理圖；

圖5為本實用新型中乘法器的實驗波形；

圖6為本實用新型中白噪聲調制后的電路系統的主要參數波形圖；

圖7為本實用新型中功率、效率與電壓變化關系曲線圖。

圖8為本實用新型中頻率、功率關系曲線圖。

具體實施方式

本實用新型的基于相位調制的HID燈高頻驅動電路，如圖1-2所示，包括EMI濾波電路、整流電路、APFC電路、半橋逆變電路、點火電路和控制保護電路；EMI濾波電路的輸入端連接交流電，輸出端連接整流電路的輸入端，由整流電路輸出的直流電為APFC電路、半橋逆變電路和控制保護電路供電；APFC電路的輸出端連接半橋逆變電路的輸入端，金鹵燈連接于半橋逆變電路的輸出端，控制保護電路的各輸出端分別連接APFC電路、半橋逆變電路和點火電路的相應控制端，點火電路的輸出端連接于金鹵燈的點火控制端。

控制保護電路包括PWM控制電路和電流檢測模塊，PWM控制電路的輸出端連接于半橋逆變電路的控制端；電流檢測模塊串聯在半橋逆變電路中，用以檢測半橋逆變電路中電流周期性的變化。

如圖3所示，PWM控制電路包括PWM發生電路、白噪聲發生電路和乘法器，白噪聲發生電路的輸出端分別連接至乘法器的兩個輸入端，PWM發生電路的兩個輸出端(OUTA、OUTB)分別對應連接于乘法器的兩個輸入端，乘法器的輸出端連接至半橋逆變電路的控制端。

工作時，175V-265V交流電經過EMI濾波電路濾波，再通過整流電路轉變為波紋較小的平滑穩定直流電壓，為APFC電路、半橋逆變電路和控制保護電路供電，然后讓直流電經過APFC電路，APFC電路的控制芯片使交流輸出電流波形跟蹤交流輸入電壓波形，迫使輸出電流接近正弦波，并與交流輸入電壓同步，實現高功率因數，最后再通過半橋逆變電路，MOS管Q1、Q2在PWM控制電路的控制下交互導通和斷開，電容C_S與電感L、MOS管Q1、MOS管Q2構成的半橋電路將直流電轉化為高頻電流，由點火電路產生電壓為3-5kV，脈寬為1微秒左右的高壓脈沖，驅動金鹵燈燈管，使之點亮并正常工作。

考慮到金鹵燈工作時可能出現的異常情況，如金鹵燈因老化問題無法正常工作，而點火電路不斷地對其施加高壓脈沖，此時就會導致電火花出現，繼而影響整個電路系統；或當出現燈絲熔斷，燈管漏氣，或輸出短路，而輸入電源未切斷時，就會引起電路溫度過高，甚至起火燃燒。因此，本實用新型中設計了上述控制保護電路。

本實用新型中，可用的穩定的角度調制方式包括正弦波角度調制，PWM波角度調制以及鋸齒波(對稱掃描波)角度調制。考慮到實驗中PWM波在調制時，具有頻譜密度分布有規則，頻譜特性良好以及所需帶寬適中且容易獲取等優點，本實用新型采取的實驗方式為PWM波調制。鑒于相位調制與頻率調制的頻譜具有相似性，為了獲取調制指數較高的光譜特性，只需考慮頻率調制的頻譜即可。

聲諧振是在高頻條件下驅動金鹵燈時，在一定頻率范圍內出現的特有現象。在高頻條件下驅動金鹵燈時，管內壓力波會在燈管內壁來回反射，當其相位與高頻電流達到相同時，燈管與管壁會產生諧振現象。該現象會使電弧出現電弧彎曲、翻滾、搖晃，甚至引起電弧管爆裂。因此在設計金鹵燈驅動電路時，為了能讓金鹵燈在穩定安全的狀態下工作，我們必須考慮到聲諧振現象的存在并且通過一定方式將其消除。解決聲諧振問題的根本在于對聲諧振的如下共識：驅動電路對金鹵燈所提供的能量，在燈泡自身的某些聲諧振特征頻率點上的分量大于閥值能量，從而激發了聲諧振。本實用新型應用白噪聲調制方波的技術，使金鹵燈驅動電路提供給燈在產生聲諧振的頻率點上的能量小于聲諧振閥值能量，徹底消除高頻點燈的聲諧振問題。

當使用白噪聲做為調制信號時，角度調制之間的主要差異體現于離散載波項的有無，在采用相位調制時，在頻率為0時，噪聲頻譜會迅速消失且會殘留部分載波項，此時噪聲頻譜的特征函數即為調頻頻譜中的載波項。白噪聲的信號頻譜通常會服從高斯分布。因此在本實用新型中，調頻信號的頻譜分布與高斯分布成正比。

本實用新型利用PWM發生器產生40kHz左右的方波，并在PWM發生器的OUTPUTA與OUTPUTB兩個輸出端對波形進行捕捉；利用白噪聲發生電路產生穩定的白噪聲作為調制信號，將白噪聲與PWM波經過模擬乘法器相乘，實現白噪聲對PWM波的調制，將調制后的信號輸入到半橋驅動電路。本實用新型采用相位調制的方式，將HID燈的功率頻譜限制到不穩定臨界值以下，有效避免了聲諧振現象的出現，使得每個頻率點上的亮度保持穩定，頻率值不會發生明顯變化,實驗中也不會出現電弧閃爍、跳動等不穩定現象。此外，通過調整諧振頻率還可實現對HID燈的調光。實驗表明，白噪聲調制對HID在高頻驅動的聲諧振的抑制是有效的。

如圖4所示，本實用新型中，采用了單片集成控制芯片來構造PWM發生電路。該芯片具有性能優良、功能齊全、通用性強等特點。它簡單可靠，使用方便靈活，輸出驅動為推拉輸出形式，增加了驅動能力；內部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM鎖存器，有過流保護功能，頻率可調，同時能限制最大占空比。其電路構造如圖4中的IC1(SG3525)部分所示。本實用新型中，采用MM5837N數字噪聲源集成電路芯片為主要芯片來構成白噪聲發生電路，MM5837N數字噪聲源集成電路芯片是一種MOS型偽隨機數字序列發生器，能產生可應用于音頻信號的寬帶白噪聲信號。不同于傳統的半導體噪聲源，MM5837N所產生的噪聲具有其獨特的品質與輸出幅值，且用其構成的信號發生器具有電路結構簡單，外圍器件少等特點。白噪聲發生電路如圖4中IC4部分所示。

本文中采用雙輸入單輸出模擬乘法器電路，其電路圖原理如圖4中的IC2(MC1496)與IC3(MC1496)部分所示。實驗中乘法器對兩信號相乘后輸出的調制信號波形如圖5所示。其中：波形1為乘法器CarrierInput端輸入的PWM波信號。波形2為乘法器SignalInput端輸入的白噪聲信號。波形3為乘法器將二者進行相乘后的輸出信號。從圖中可看出調制后驅動方波明顯疊加隨機噪聲信號。

測試結果：

在實驗中采用控制變量法，對實驗電路系統數據中的某一項進行控制然后獲取相關實驗數據。實驗中電路系統的輸入電壓、輸入功率、功率因素、輸入電流由IT9121數字功率計測量所得，輸出功率、輸出電壓、輸出電流由WT210數字功率計測量所得。實驗中所用到的250W金鹵燈主要參數為上海亞明JLZ250KN·U4K·PS。

電路系統的主要參數波形如圖6所示。其中：波形1為與波形2為經過白噪聲調制后的PWM控制電路的輸出波形。波形3為250W金鹵燈的燈電壓波形。波形4為250W金鹵燈的燈電流波形。從圖中可看出，白噪聲實現了對PWM波的調制，同時HID燈的燈電壓與燈電流波形并未發生改變，說明電路系統中各個功能電路之間配合良好，燈管能穩定工作。

表1為輸入電壓變化時，驅動電路的各項數據。從表中可看出輸入交流電壓變化在265V到160V時，電路的輸出功率基本穩定在250W左右，電路能穩定工作。

表1控制輸入電壓時的主要參數

表2為當驅動頻率壓變化時，驅動電路的各項數據。從表中可看出驅動頻率變化在39K到63K時，電路的輸出功率可以從250W到150W變化，為HID調光創造條件。

表2控制驅動頻率時的主要參數

圖7為輸入功率、輸出功率、電路效率與電壓變化關系曲線圖。從圖中可以看出，輸入電壓在265V～175V范圍內輸出功率、輸入功率基本保持穩定，當輸入電壓低于170V時，輸出功率會明顯下降。對于整個電路效率基本上能穩定在90％以上。

圖8為功率、頻率關系曲線圖，顯示了當驅動頻率升高時，電路系統的高頻變壓器壓降增大，HID燈兩端電壓減小，由于HID燈的穩態阻抗近似不變，輸出功率降低，燈管亮度減弱，可以利用來對照明的光通量進行調整，以節省能源。