使用PIC16F1885x CIP設計可通訊調光的大功率植物補光金鹵燈電子鎮流器

1.系統結構

數字化鎮流器硬件組成包括 EMI 濾波電路、整流及功率因數校正電路、高頻逆變器、 LCC 串并聯諧振電路和以單片機為核心的數字控制電路。

圖1-1 系統框圖

2.有源功率因數校正電路

電子鎮流器本身實際上是一種 AC/DC/AC 的特種電源，采用二極管整流、電容濾波的 AC/DC 整流環節會引起輸入電流嚴重畸變，功率因數較低，大量使用時對電網將造成嚴重的諧波污染和無功負擔。本設計采用MC33262完成功率因數校正環節。

3.橋式逆變電路和負載諧振電路

大功率金屬鹵化物燈工作于高頻的交流狀態，這就需要一個電路將前級功率因數校正電路環節得到的直流電壓轉換成高頻的交流電壓，因此，橋式逆變電路是電子鎮流器電路中最基本同時也是最關鍵的組成部分。

圖3-3 串并聯負載諧振變換電路

全橋 LCC串并聯諧振電路如圖3-3（a）所示，串并聯諧振具有帶通特性，能有效衰減方波VAB的高次諧波分量，串聯電容Cs 能夠濾除電源電壓中的直流分量。

圖3-4 全橋工作模態

大功率金屬鹵化物燈工作于高頻的交流狀態，為保證燈的壽命和有效工作，金屬鹵化物燈的兩個電極應該交替工作，以避免其中一個電極的過渡消耗。所以兩個電極工作的時間應該保持一致，并且在燈電流中不能存在直流成分。基于以上這些要求，本文所研究的數字化大功率金屬鹵化物燈電子鎮流器后級采用了全橋逆變LCC串并聯諧振電路的設計。基本的全橋逆變電路如圖3-4所示，本設計中，LCC諧振變換器的一個工作周期里，上下半橋的驅動信號的占空比應該盡可能相同，而且為了避免電流過零時可能出現的熄弧現象，驅動信號的占空比應該接近 50%。假定 LCC 諧振變換器中所有的器件都工作在理想狀態，在全橋逆變LCC 諧振電路的一個高頻工作周期中，共有四種工作模態如圖3-4所示。首先 Q1、Q4導通，Q2、Q3關斷，諧振網絡和金屬鹵化物燈由電源母線提供能量。在半個工作周期結束后，電感通過Q2、Q3 的寄生體二極管續流，然后Q2、Q3導通，Q1、Q4 關斷，諧振網絡和金屬鹵化物燈再由電源母線提供能量，電感通過 Q1、Q4 的寄生體二極管續流。

4.啟動方式

基于LCC串并聯負載諧振電路的啟動方式，可以大幅降低啟動電壓，延長燈泡使用壽命。結合LCC諧振網絡的電壓傳輸特性，可以采取一種滑頻軟啟動方法。全橋逆變器的工作頻率逐漸靠近LCC網絡的固有諧振點時，施加在金鹵燈兩端的電壓隨著頻率的推移逐漸增加。這種方法可以有效降低啟動電壓對燈極的沖擊，延長燈泡壽命。

如圖 4-2所示，滑頻軟啟動過程具體為：工作頻率從工作點（1）逐漸向工作點（2）滑動，燈啟動后燈電阻從無窮大變到近似短路（3），檢測電路判斷燈亮后，直接過渡到工作點（4）。需要注意的是，當頻率到達ωr（off），而燈沒亮的時候，施加到燈兩端的電壓是非常大的，而這個電壓僅通過電感和電容的等效串聯電阻來限制，所以可能會導致不安全的情況發生。所以，在具體應用的時候，需要確定一個電壓限幅和一個頻率的最小值，以保證電路的安全。

從圖 4-3中可以看出，金鹵燈點亮之前，燈端電壓逐漸升高，電流基本為零，近似于燈端開路的情況，燈點亮之后，燈電壓迅速減小，而燈電流則迅速增大，近似于突然短路。

5.控制策略

啟動之后，金鹵燈還要經歷從啟動到穩態的預熱階段，最終達到穩態。根據大功率金鹵燈自身的電氣特性，將金鹵燈點亮以后的工作過程分為三個階段，分別為：恒頻控制階段，過渡階段和穩態工作階段，如圖 5-1所示。

圖 5-1 大功率金鹵燈分段控制策略

6.輔助控制電源

輔助電源在功率因數校正電路中提供+12V的直流工作電源，在全橋逆變器的驅動電路中，需要給單片機提供+5V 的直流工作電源。本文采用UC3844和外圍元器件組成降壓電路來提供鎮流器所需的+12V 輔助電源，并通過線性穩壓器MCP1703A轉換為+5V 電源為全橋逆變器的控制電路提供電源。

7.通訊調光電路

通訊采用485總線，MODBUS通訊協議，通過調節全橋電路頻率來改變輸出功率，達到調光效果，通過不同的光譜針對植物的不同作用，找到調節點，繼而達到不同植物或不同時間段的補光效果。485通訊采用常規RS485 接口芯片，MOSBUS協議包含CRC校驗，運行穩定可靠，可實現遠端PC機針對多組金鹵燈植物補光燈的控制調節。

8.軟件設計

1、程序流程圖：

圖8-1 主程序流程圖圖8-5 485_MODBUS通訊調光子函數流程圖

2、通過Microchip PIC16F18854 CIP外設NCO+CWG輸出互補方波，ADC針對直流母線及負載燈管電流電壓采集，實現針對全橋變頻電路的閉環功率輸出控制。

CIP（Core Independent Peripherals，獨立于內核的外圍設備）

為什么使用CIP？：減少CPU開銷、硬件級執行速度、可從CPU卸載程序任務、釋放CPU以集中處理應用算法、降低功耗、CPU可以更低的速度運行、CPU有時可進入休眠模式、降低系統硬件的復雜性。

1、NCO（Numerically Controlled Oscillator，數控振蕩器）新硬件模塊是一個定時器，該定時器在所選的輸入時鐘源作用下以一個16位的固定遞增值向一個20位的累加器進行遞增，引起累加器周期性上溢，來對輸入時鐘源進行分頻。NCO具有真正的線性頻率控制能力。

2、CWG （Complementary Waveform Generator，互補波形發生器）新硬件模塊，從選擇的一個輸入源生成一個兩路輸出帶死區延時和自動關斷功能的互補波形。CWG模塊具有時鐘源選擇、產生互補輸出波形的輸入源選擇、輸出使能和極性控制、上升和下降沿死區控制、自動關斷/重啟控制等特性。