專利名稱：電磁感應燈數字化智能型電源的制作方法
技術領域：
本發明涉及電光源的控制技術領域，是專為電磁感應燈 提供電源的 一種電磁感應燈數字化智能型電源。背景技術：
電》茲感應燈作為一種當代新型高效節能型電光源，因 其發光效率高、顯色性好、壽命長、節能高效、綠色環保等顯著優點， 已得到廣泛的應用。電磁感應燈是采用電磁感應原理，使等離子體與電 路磁力線耦合，將外部的電能轉化為燈內部工作所需要的能量。套在燈 管外面的 一對軟磁環的作用猶如變壓器的初級線圈，而閉合的燈管的作 用猶如變壓器的次級線圈。在4妄通電源后，電源會產生210 250k工作頻 率的交變電流，從而在放電區產生交變磁場。根據法拉第電磁感應定 律，變化的磁場會在燈管內產生感應電流，從而使低壓汞和隋性氣體的 混合蒸氣產生放電，輻射出253. 7nm的紫外線，再通過熒光粉轉化為可見 光。由于沒有電極，燈管部分不存在易損元件，整個系統的壽命主要^取 決于電源，所以這類燈的壽命可以啦支得非常長，即達到100，000小時以 上。與其它產品相比，使用壽命相當于普通節能燈的10-15倍、高強度氣 體放電燈的10-12倍，節能效果比普通節能燈省電50。/。、比鈉燈、金卣燈 省電75%、比普通白熾燈省電90%。但是目前的電磁感應燈是采用模擬電 路構成的電子鎮流器提供電源，由于受傳統模擬控制原理的限制，它的 硬件電路復雜，保護功能不完善，控制方式單一。曰
發明內容
本發明的目的就是要克服現有電子鎮流器硬件電路復 雜，保護功能不完善，控制方式單一的問題，專為電磁感應燈提供一種 電磁感應燈數字化智能型電源。本發明電源是根據電磁感應燈的工作原理，應用單片機數字控制技 術，基于數字可尋址照明接口 (DALI)，開發設計的一款可靠性高、壽 命長、效率高(內耗小)、體積小、不易仿冒的電源。它具備有方案級實時操控能力的硬件和軟件平臺，通itA機交互界面(PC機或控制面 板)，以數字信號作為基本控制源，通過傳輸路由，使用該信號驅動相 應的數字模塊，由數字模塊完成操作動作，從而根據需要定量地或實時 地自動改變或調整電》茲感應燈(單個、多個、分組)的工作狀態，并具 備完善的保護體制。本發明的具體方案是電磁感應燈數字化智能型電源，包括有依 次電連接的電磁兼容電路、整流濾波電路、有源功率因數校正電路、 半橋驅動功率輸出電路，其特征在于增設了數字控制單片機分別連 接有源功率因數校正電路與半橋驅動功率輸出電路，與單片機通過接 口電路還連接有人機交互界面，并與單片機連接有傳感器組。本發明電路中還配設有過電流、過(欠)電壓、過溫度、防雷 擊、重復點火、無負載保護電路。本發明所述有源功率因數校正電路，主要由功率開關管Q1、升壓 電感器L1、升壓二極管D1、輸出濾波電容C2及反々赍環;洛所組成。率開關Q2、 Q3及配套電if各組成。本發明所述接口電路包括DALI、觸摸按鍵、紅外遙控控制接口。 本發明所述數字控制單片機具有8000字節FLASH (程序存儲器)、 5U字節EEPR0M (可擦寫存儲器)，5U字節SRAM (數據存儲器)，三 個定時器，IO位AD采樣精度。兩個12位高速專用功率級控制器PSC,集 成DALI協議，自動;險測"SWISS"或0-10伏亮度調節信號。本發明電源通過使用現代照明技術實現了能耗的降低，同時提高 了系統的靈活性并降低了維護的成本。便利并且用戶化的調光控制可 用于滿足主流的條件(最大負荷、能耗比率、可見光、位置、任務類 型)和局部的需求。日光的強度、最大的調光要求以及傳感器對于節 能的作用是不言而喻的。它包括了靜態的部件(根據時段編程好的調 光或開關)和動態的部件(根據檢測到的狀況和周圍的光線亮度進行開關或調光)，可以實現不同效率光源、調光和開關的策略(傳感器、 已編制的開關切換、日光的吸收、最大調光負荷)，這樣能耗可降低30%到60%。在負荷最大的階段，還可通過設置不同負載的調光點來降 低有效的負荷，從而實現能耗的進一步降低。本發明電源提供了一個開放的環境，在這個環境下，電源可以實 現任意分組并根據特定的任務要求、傳感器的參數選擇以及空間的改 變以多種方式進行控制，可以由個人獨立控制調光或增加工作間的燈光 亮度，從而實現根據任務和工作者的年齡來實現最佳的光線調節。此 外，當空間需要重新布置或任務發生改變，也不一定要將燈移動和重 新布線。相反，在許多情況下，只需要對電源進行重新配置和編程就 可實現最優化的照明條件。本發明電源的相關信號持續向中央計算機提供信息，包括能量信 息、燈和電源的故障信號。當處理龐大的照明設備組時，照明網絡所 產生的能量信息可用來驗證能耗的節省，生成負載分布、內部帳單以 及單位產品的照明成本，甚至還可以通過輔助計量來提供準確的信 息。當監視到整個照明網絡中的異常狀況，需要立即替換燈和電源或 需要排除故障時將發出警報并可以指示需要替換哪種類型的元件(燈 或電源)以及哪種類型的燈和電源所在的位置。卿
圖l是本發明電路結構方框圖；圖2是本發明的總體電3各圖；圖3是本發明功率因數校正電路圖；圖4是本發明半橋驅動功率輸出電路圖；圖5是本發明DALI接口電路圖；圖6是本發明單片機QM-CPU1示意圖。ffi)
具體實施例方式本發明電源主要由高性能的電磁兼容電路(EMC采用常規電磁兼容電路)、整流濾波電路(采用常規整流濾波電路)、極穩定的有源功率因數校正電路(APFC)、半橋驅動及功率輸出電路、單片機數字控 制電路、信號接口電路、傳感器組、人機交互界面以及過電流、過電 壓、欠電壓、過溫度、防雷擊、重復點火、無負載保護電路等其它輔 助電路組成。參見圖1電路結構方框圖及圖2電路圖。交流電源經防雷擊保護電路后連接EMC電磁兼容電路，再連接整流 濾波電路，整流濾波電路的直流輸出連接APFC有源功率因數校正電 路。功率因數校正電路用來減少輸入電流的諧波，提高功率因數，減 少對電網的污染，同時還給后級提供穩定的輸入電壓，使輸出的電壓不受電網電壓變化的影響，使燈能在較大的電網電壓變化范圍內正常 啟動和工作。APFC電路(參見圖3)主要由功率開關管Q1、升壓電感器L1、升壓 二極管D1、輸出濾波電容C2及反饋環路所組成。APFC的工作原理基于 升壓電感L1電流與電壓之間的物理關系。在Q1導通時，升壓二^1管D1 則截止，濾波電容C2通過負載放電。當Q1由導通多夭變為關斷時，Ll產 生的突變電勢使D1正向偏置而導通，L1中的儲能經D1釋放，對C2充 電。由于Q1和D1交替導通，使整流器輸出電流經L1連續流動，從而產 生穩定的輸出電壓。輸出電壓一般為400V。如圖二所示。Ll副繞組提 供的零電流采樣信號可實現過零開通，有效減小電路中開關管的損 耗。電流采樣、電壓采樣信號經過單片機處理輸出功率因數校正 (PFC)控制信號經驅動電路送入功率開關管Q1實現輸出的恒壓、恒功 率以及電路的開路保護和短路保護。半橋驅動及功率輸出電路(參見圖4)主要由IC2和Q2、 Q3組成。 IC2為我公司自主開發的電磁感應燈數字化智能型電源專用半橋驅動芯 片QM-IC2，該芯片具有芯片體積小(D I P 8 )、集成度高(可同時 驅動同一橋臂的上、下兩只開關器件)、動態響應快、驅動能力強、 工作頻率高等特點。該芯片的邏輯輸入能與標準的CMOS或TTL輸出電路兼容，完全可以由單片機產生的信號來直接驅動。單片機輸出的功率級控制高電平(PSC-H)、功率級控制^^電平(PSC-L)控制信號經 過IC2使其輸出的驅動波形可以直接驅動半橋功率輸出電路的上下兩個 大功率M0S管，從而簡化了電路，使控制筒單又方便。單片機輸出不同 的脈寬調制(PWM)信號達到功率調節的目的，實現無級調光。電流、 電壓采樣信號及其它的傳感器信號被接入單片機，實現過電流、過(欠)電壓、負載開路保護功能，使整個電路的工作穩定而可靠。 接口電路包括DALI、觸摸按鍵、紅外遙控等控制方式的接口。 DALI接口主要用高速光耦實現DALI對單片機的隔離，參見圖5 。數字控制以單片機為核心。從人機交互界面(P C機或控制面 板)發出的數據通過接口電路發送到單片機，單片機解釋指令和發送 相應信號到半橋驅動器。半橋驅動器通過功率輸出電路來控制燈，完 成燈的點火、運行及其相關控制。同時單片機又將各種相關數據反饋 到DALI。單片機也能根據傳感器信號(如光敏、溫度、活動傳感器)進 行自動處理(如根據環境照度自動調節、人體自動感應)并進行故障 檢測，如果故障出現(如過溫度)，將禁止電源工作。單片機數字控制電路IC1為我公司自主開發的電磁感應燈數字化智 能型電源專用控制單片機QM-CPU1,它具有8000字節FLASH， 512字節 EEPR0M， 512字節SRAM,三個定時器，IO位AD采樣精度，尤其是具有二 個12位高速專用功率級控制器(PSC)，帶功率因數校正功能，自帶死 區時間的反向互補的變頻P麗功能方便燈光的調節控制，集成DALI協 議，自動檢測"Swiss"或0-IO伏亮度調節信號，從而簡化了硬件電 路，輕松實現可編程點燃燈管、可高精度數字調光、按對數少見律調 光、診斷和故障保護、光隔離通訊、低功耗待機模式等功能。管腳功 能參見圖6。本發明軟件設計的關鍵是根據電磁感應燈從啟動到正常工作各個 階段的不同控制模式，確定模式轉換或控制變量變化的轉折點，選擇合理的控制量，使得電源的輸出特性與電》茲感應燈的動態特性相匹 配。燈觸發前，必須為燈提供一定的開路電壓，其控制模式為電壓反 饋控制。設定一個電壓基準變量值，可根據需要控制開路電壓大小。判斷燈是否觸發最重要的標志是燈動態電流的變化，可通過"^:定電流 門坎來判別。當低溫狀態一次觸發不成功，數字控制器將作適當延時 后再次觸發。重復點火若千次以后，觸發不成功將進入故障狀態，禁 止電源工作。 一旦才全測燈已經觸發，數字控制器開始調節燈電流，此 階段燈電流的大小決定燈到達穩定狀態的時間。這個期間還可根據燈 電壓變化設定不同的控制電流和功率。燈進入穩態工作時，設定功率 基準，進行功率反饋模式，使燈保持在恒功率下工作。上電復位后，單片機開始工作。單片才;U全測錯誤并獲得接口電路 進入的數據。如果接收的是有效數據，而且地址匹配，說明是本電源 的數據；如果是組匹配，則確定組關系。 一旦獲得正確指令，程序立 即執行相應子程序。這些指令包括控制指令、配置指令、請求指令、 廣播指令等。控制指令產生相應的信號送到驅動器，控制相關工作狀 態，通過P麗調整燈光等級等；配置指令用于設置電源，包括設置最小 和最大照明門限、衰減時間和速率、分組等級等。這些數據一般存儲在EEPR0M中，開機時可直接從EEPROM中讀取，而不用再設置；請求指 令用于反饋電源狀態，所有設置都能請求，包括衰減、燈管、 一般故 障和功率；廣播指令是免除地址的，所以全部電源對廣播指令都相應，所有功能與電源地址無關。單片機初始化完成以后，根據指令的需要采用中斷的方式產生互 補的兩個p麗方波，經半橋驅動器進行隔離去驅動功率輸出電路，從而 達到控制和調節電f茲感應燈的目的。同時，電f茲感應燈的相關參數和 相關信號也直接或間接地反饋到單片機，單片機對這些參數和信號進行再處理。通常這里使用數字PID算法。數字PID算法是一種線性控 制，它根據給定值與實際輸出值構成控制偏差，將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構成控制量，單片機再把這個控制量，按照一定 的格式從P麗口輸出，去驅動功率輸出電路，這樣整個就構成一個閉環 回路實現對燈體的數字控制。由于要根據采樣時刻的偏差值計算控制量，所以需要進行離散化處理。具體方法如下令eOt)為調節器的輸出控制重，^為比例系數，^為積分時間常數，則采用的其萬躭形式的PI差分方程為-七 ^"0t) = 、 x順+ 2 = e(O x ， w("為k時刻輸出的控制量，^)為歷改偏差信號，可以是電壓，電流，功率值的偏差，為第k改采樣偏差量，T為采樣周期，式中積分系數^ =工。。以恒壓PI控制為例，首先設定電壓參考值，即控制的目標值，用 16進制數來表示，接著單片機采樣輸出的燈端電壓值，將采樣的電壓 值與參考值進行比較，得到的結果即為e(k),同時還必須累計保存在 這之前的每次偏差值Ze(i)中，選擇根據實驗得到的Kp、 Ki的值代入 上述^^式即得到第K時刻輸出的控制量u (k)。DALI作為數字化可尋址照明接口，執行標準是IEC929，在歐洲^艮 多國家采取這個標準。用一個2線系統定義數字通訊協議，用以發送和 接收指令。它包括l個開始位、8個地址位、8個數據位和2個停止位。 在通訊周期內，上升沿定義為開始位，開始位后每個周期的上升沿定 義為l，下降沿定義為O,結束位是兩個周期的高電平。8個地址位允許 一次與16個電源組或64個電源通訊。下傳和上傳信息的8個lt據位完成 控制功能，包括的功能有接通/關斷、調光等級和衰弱時間等。舉例說明例如利用電磁感應燈數字化智能型電源對一道路路燈 進行系統控制，路燈共有100盞。根據數字可尋址照明接口 (DALI)協議，我們可以對其進行地址分配，可分為二組，每組50盞。這樣每盞路燈都有一個唯一且不同的地址了 。系統控制中可根據需要進行定時開關(如晚上8 : oo開燈、早上6 : oo熄滅)、定階,更調節(如晚上 20: oo——24 : oo全功率工作、24 : oo——6 : oo半功率工作)，在此 基礎上還可根據環境亮度、氣候影響(有無月光)等的不同作自適應 適當調節。若4^^盞燈ioo瓦，ioo盞燈io千瓦，晚上20: oo—一次日 6 : oo全功率工作共需電量ioo千瓦時，而使用數字化智能型電源按上述方案使用只需電量70千瓦時，這樣又至少多節電30。/。以上。若系統中 采用PC控制，可利用單片機在線自編程技術進行方案的修改，如根據季節變化調整工作時間、特殊路段特定時間的方案修改等。若配備相關設備可實現電能計量、電力監測等功能。若出現問題可立即在PC上 反映出來是哪一盞燈的問題。如顯示"2380"，可一見為第二組第38號 燈的燈管出現問題。這樣操作將更顯方便、快捷。電磁感應燈數字化智能型電源非常適用于以下場合1. 道路照明，大型公共場所如車站、碼頭、機場、地鐵，根據不 同的照明方案來調整照明；2. 車間或廠房，根據不同的時間或照度來調整照明；3. 小型和開放的辦公室，用戶可自行控制照明；4. ^i義室和教室，需要不同的照明方案來實現不同類型的用途；5. 超市和某些零售店，這些場所的商品銷售和布局經常發生改變；6. 需要適應時間、事件和功能的酒店大堂和會漢室；7. ，，需要根據時間來調整照明(從早餐到午餐再到晚餐)。 綜上所述，電磁感應燈數字化智能型電源采用數字控制方式，基于數字可尋址照明接口 (DALI),利用單片機實現燈的啟動過程和穩 態運行的控制，使電源與燈不同階段的負載特性相配合，并且能實現 燈的異常狀態保護，與傳統的模擬控制相比，電路更筒單，故障率更 低、控制更靈活，節能效果更好，具有十分廣闊市場應用前景。
權利要求
1. 一種電磁感應燈數字化智能型電源，包括有依次電連接的電磁兼容電路、整流濾波電路、有源功率因數校正電路、半橋驅動功率輸出電路，其特征在于增設了數字控制單片機分別連接有源功率因數校正電路與半橋驅動功率輸出電路，與單片機通過接口電路還連接有人機交互界面，并與單片機連接有傳感器組。
2. 沖艮據權利要求l所述的一種電磁感應燈數字化智能型電源，其特 征是配設有過電流、過電壓、欠電壓、過溫度、防雷擊、重復點 火、無負載保護電路。
3. 沖艮據權利要求l所述的一種電磁感應燈數字化智能型電源，其特 征是所述有源功率因數校正電路，主要由功率開關管Q1、升壓電感 器L1、升壓二極管D1、輸出濾波電容C2及反饋環路所組成。
4. 根據權利要求l所述的一種電磁感應燈數字化智能型電源，其特 征是所述半驅動功率輸出電路主要由半橋驅動芯片IC2和兩個功率開 關Q2、 Q3及配套電if各組成。
5. 根據權利要求l所述的一種電磁感應燈數字化智能型電源，其特 征是所述接口電路包括DALI、觸摸按鍵、紅外遙控控制接口。
6. 根據權利要求l所述的一種電磁感應燈數字化智能型電源，其特 征是所述數字控制單片機具有8000字節FLASH、 512字節EEPROM, 512 字節SRAM，三個定時器，IO位AD采樣精度，兩個12位高速專用功率級 控制器PSC,集成DALI協議，自動檢測"SWISS"或0-10伏亮度調節信號。
全文摘要
本發明涉及電光源的控制技術，是專為電磁感應燈提供電源的一種電磁感應燈數字化智能型電源，它包括有依次電連接的電磁兼容電路、整流濾波電路、有源功率因數校正電路、半橋驅動功率輸出電路，特別是增設了數字控制單片機分別連接有源功率因數校正電路與半橋驅動功率輸出電路，與單片機通過接口電路還連接有人機交互界面，并與單片機連接有傳感器組；本發明電源簡化了硬件電路，控制方式靈活、保護系統完善、故障率低、電能轉化效率高、節能效果更顯著。
文檔編號H05B41/36GK101272653SQ200710051690
公開日2008年9月24日 申請日期2007年3月19日 優先權日2007年3月19日
發明者余啟發 申請人:余啟發