本實(shí)用新型涉及HID燈領(lǐng)域，具體是HID燈的高頻驅(qū)動(dòng)電路。

背景技術(shù)：

隨著電子科技的飛速發(fā)展以及人類對(duì)照明光源需求的不斷增加，高強(qiáng)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(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、鎮(zhèn)流器體積小、燈功率與光色彩可控等優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛應(yīng)用。但由于其本身存在負(fù)阻的性質(zhì)，需要采用高頻電子驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)。而高頻驅(qū)動(dòng)時(shí)也會(huì)引起了HID燈工作的最大難題，即聲諧振現(xiàn)象，該現(xiàn)象會(huì)引起工作中的HID燈工作不穩(wěn)定，亮度發(fā)生明顯跳動(dòng)，再?gòu)?qiáng)烈的表現(xiàn)就是燈管炸裂。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種基于相位調(diào)制的HID燈高頻驅(qū)動(dòng)電路，其可有效避免HID燈高頻驅(qū)動(dòng)下聲諧振及其相關(guān)現(xiàn)象出現(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：

基于相位調(diào)制的HID燈高頻驅(qū)動(dòng)電路，包括EMI濾波電路、整流電路、APFC電路、半橋逆變電路、點(diǎn)火電路和控制保護(hù)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(hù)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(hù)電路的各輸出端分別連接APFC電路、半橋逆變電路和點(diǎn)火電路的相應(yīng)控制端，點(diǎn)火電路的輸出端連接于金鹵燈的點(diǎn)火控制端；

控制保護(hù)電路包括PWM控制電路和電流檢測(cè)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(cè)模塊串聯(lián)在半橋逆變電路中，用以檢測(cè)半橋逆變電路中電流周期性的變化；PWM控制電路包括PWM發(fā)生電路、白噪聲發(fā)生電路和乘法器，白噪聲發(fā)生電路的輸出端分別連接至乘法器的兩個(gè)輸入端，PWM發(fā)生電路的第一、第二輸出端分別對(duì)應(yīng)連接于乘法器的兩個(gè)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(fā)生電路的芯片采用MM5837N數(shù)字噪聲源集成電路芯片。

采用上述方案后，本實(shí)用新型的基于相位調(diào)制的HID燈高頻驅(qū)動(dòng)電路，利用PWM發(fā)生電路產(chǎn)生40kHz左右的PWM波，并在其兩個(gè)輸出端對(duì)波形進(jìn)行捕捉；利用白噪聲發(fā)生電路產(chǎn)生穩(wěn)定的白噪聲作為調(diào)制信號(hào)，將白噪聲與PWM波經(jīng)過模擬乘法器相乘，實(shí)現(xiàn)白噪聲對(duì)PWM波的調(diào)制，將調(diào)制后的信號(hào)輸入到半橋驅(qū)動(dòng)電路。本實(shí)用新型采用相位調(diào)制的方式，將HID燈的功率頻譜限制到不穩(wěn)定臨界值以下，有效避免了聲諧振現(xiàn)象的出現(xiàn)，使得每個(gè)頻率點(diǎn)上的亮度保持穩(wěn)定，頻率值不會(huì)發(fā)生明顯變化,實(shí)驗(yàn)中也不會(huì)出現(xiàn)電弧閃爍、跳動(dòng)等不穩(wěn)定現(xiàn)象。此外，通過調(diào)整諧振頻率還可實(shí)現(xiàn)對(duì)HID燈的調(diào)光。實(shí)驗(yàn)表明，白噪聲調(diào)制對(duì)HID在高頻驅(qū)動(dòng)的聲諧振的抑制是有效的。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的電路原理框圖；

圖2為本實(shí)用新型的電路原理圖；

圖3為本實(shí)用新型中PWM控制電路的控制原理框圖；

圖4為本實(shí)用新型中PWM控制電路的控制原理圖；

圖5為本實(shí)用新型中乘法器的實(shí)驗(yàn)波形；

圖6為本實(shí)用新型中白噪聲調(diào)制后的電路系統(tǒng)的主要參數(shù)波形圖；

圖7為本實(shí)用新型中功率、效率與電壓變化關(guān)系曲線圖。

圖8為本實(shí)用新型中頻率、功率關(guān)系曲線圖。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型的基于相位調(diào)制的HID燈高頻驅(qū)動(dòng)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(diǎn)火電路和控制保護(hù)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(hù)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(hù)電路的各輸出端分別連接APFC電路、半橋逆變電路和點(diǎn)火電路的相應(yīng)控制端，點(diǎn)火電路的輸出端連接于金鹵燈的點(diǎn)火控制端。

控制保護(hù)電路包括PWM控制電路和電流檢測(cè)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(cè)模塊串聯(lián)在半橋逆變電路中，用以檢測(cè)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(fā)生電路、白噪聲發(fā)生電路和乘法器，白噪聲發(fā)生電路的輸出端分別連接至乘法器的兩個(gè)輸入端，PWM發(fā)生電路的兩個(gè)輸出端(OUTA、OUTB)分別對(duì)應(yīng)連接于乘法器的兩個(gè)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(shí)，175V-265V交流電經(jīng)過EMI濾波電路濾波，再通過整流電路轉(zhuǎn)變?yōu)椴y較小的平滑穩(wěn)定直流電壓，為APFC電路、半橋逆變電路和控制保護(hù)電路供電，然后讓直流電經(jīng)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(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)，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(dǎo)通和斷開，電容C_S與電感L、MOS管Q1、MOS管Q2構(gòu)成的半橋電路將直流電轉(zhuǎn)化為高頻電流，由點(diǎn)火電路產(chǎn)生電壓為3-5kV，脈寬為1微秒左右的高壓脈沖，驅(qū)動(dòng)金鹵燈燈管，使之點(diǎn)亮并正常工作。

考慮到金鹵燈工作時(shí)可能出現(xiàn)的異常情況，如金鹵燈因老化問題無法正常工作，而點(diǎn)火電路不斷地對(duì)其施加高壓脈沖，此時(shí)就會(huì)導(dǎo)致電火花出現(xiàn)，繼而影響整個(gè)電路系統(tǒng)；或當(dāng)出現(xiàn)燈絲熔斷，燈管漏氣，或輸出短路，而輸入電源未切斷時(shí)，就會(huì)引起電路溫度過高，甚至起火燃燒。因此，本實(shí)用新型中設(shè)計(jì)了上述控制保護(hù)電路。

本實(shí)用新型中，可用的穩(wěn)定的角度調(diào)制方式包括正弦波角度調(diào)制，PWM波角度調(diào)制以及鋸齒波(對(duì)稱掃描波)角度調(diào)制?？紤]到實(shí)驗(yàn)中PWM波在調(diào)制時(shí)，具有頻譜密度分布有規(guī)則，頻譜特性良好以及所需帶寬適中且容易獲取等優(yōu)點(diǎn)，本實(shí)用新型采取的實(shí)驗(yàn)方式為PWM波調(diào)制。鑒于相位調(diào)制與頻率調(diào)制的頻譜具有相似性，為了獲取調(diào)制指數(shù)較高的光譜特性，只需考慮頻率調(diào)制的頻譜即可。

聲諧振是在高頻條件下驅(qū)動(dòng)金鹵燈時(shí)，在一定頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)的特有現(xiàn)象。在高頻條件下驅(qū)動(dòng)金鹵燈時(shí)，管內(nèi)壓力波會(huì)在燈管內(nèi)壁來回反射，當(dāng)其相位與高頻電流達(dá)到相同時(shí)，燈管與管壁會(huì)產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。該現(xiàn)象會(huì)使電弧出現(xiàn)電弧彎曲、翻滾、搖晃，甚至引起電弧管爆裂。因此在設(shè)計(jì)金鹵燈驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，為了能讓金鹵燈在穩(wěn)定安全的狀態(tài)下工作，我們必須考慮到聲諧振現(xiàn)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(duì)聲諧振的如下共識(shí)：驅(qū)動(dòng)電路對(duì)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(diǎn)上的分量大于閥值能量，從而激發(fā)了聲諧振。本實(shí)用新型應(yīng)用白噪聲調(diào)制方波的技術(shù)，使金鹵燈驅(qū)動(dòng)電路提供給燈在產(chǎn)生聲諧振的頻率點(diǎn)上的能量小于聲諧振閥值能量，徹底消除高頻點(diǎn)燈的聲諧振問題。

當(dāng)使用白噪聲做為調(diào)制信號(hào)時(shí)，角度調(diào)制之間的主要差異體現(xiàn)于離散載波項(xiàng)的有無，在采用相位調(diào)制時(shí)，在頻率為0時(shí)，噪聲頻譜會(huì)迅速消失且會(huì)殘留部分載波項(xiàng)，此時(shí)噪聲頻譜的特征函數(shù)即為調(diào)頻頻譜中的載波項(xiàng)。白噪聲的信號(hào)頻譜通常會(huì)服從高斯分布。因此在本實(shí)用新型中，調(diào)頻信號(hào)的頻譜分布與高斯分布成正比。

本實(shí)用新型利用PWM發(fā)生器產(chǎn)生40kHz左右的方波，并在PWM發(fā)生器的OUTPUTA與OUTPUTB兩個(gè)輸出端對(duì)波形進(jìn)行捕捉；利用白噪聲發(fā)生電路產(chǎn)生穩(wěn)定的白噪聲作為調(diào)制信號(hào)，將白噪聲與PWM波經(jīng)過模擬乘法器相乘，實(shí)現(xiàn)白噪聲對(duì)PWM波的調(diào)制，將調(diào)制后的信號(hào)輸入到半橋驅(qū)動(dòng)電路。本實(shí)用新型采用相位調(diào)制的方式，將HID燈的功率頻譜限制到不穩(wěn)定臨界值以下，有效避免了聲諧振現(xiàn)象的出現(xiàn)，使得每個(gè)頻率點(diǎn)上的亮度保持穩(wěn)定，頻率值不會(huì)發(fā)生明顯變化,實(shí)驗(yàn)中也不會(huì)出現(xiàn)電弧閃爍、跳動(dòng)等不穩(wěn)定現(xiàn)象。此外，通過調(diào)整諧振頻率還可實(shí)現(xiàn)對(duì)HID燈的調(diào)光。實(shí)驗(yàn)表明，白噪聲調(diào)制對(duì)HID在高頻驅(qū)動(dòng)的聲諧振的抑制是有效的。

如圖4所示，本實(shí)用新型中，采用了單片集成控制芯片來構(gòu)造PWM發(fā)生電路。該芯片具有性能優(yōu)良、功能齊全、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。它簡(jiǎn)單可靠，使用方便靈活，輸出驅(qū)動(dòng)為推拉輸出形式，增加了驅(qū)動(dòng)能力；內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動(dòng)控制電路、PWM鎖存器，有過流保護(hù)功能，頻率可調(diào)，同時(shí)能限制最大占空比。其電路構(gòu)造如圖4中的IC1(SG3525)部分所示。本實(shí)用新型中，采用MM5837N數(shù)字噪聲源集成電路芯片為主要芯片來構(gòu)成白噪聲發(fā)生電路，MM5837N數(shù)字噪聲源集成電路芯片是一種MOS型偽隨機(jī)數(shù)字序列發(fā)生器，能產(chǎn)生可應(yīng)用于音頻信號(hào)的寬帶白噪聲信號(hào)。不同于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體噪聲源，MM5837N所產(chǎn)生的噪聲具有其獨(dú)特的品質(zhì)與輸出幅值，且用其構(gòu)成的信號(hào)發(fā)生器具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外圍器件少等特點(diǎn)。白噪聲發(fā)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(shí)驗(yàn)中乘法器對(duì)兩信號(hào)相乘后輸出的調(diào)制信號(hào)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(hào)。波形2為乘法器SignalInput端輸入的白噪聲信號(hào)。波形3為乘法器將二者進(jìn)行相乘后的輸出信號(hào)。從圖中可看出調(diào)制后驅(qū)動(dòng)方波明顯疊加隨機(jī)噪聲信號(hào)。

測(cè)試結(jié)果：

在實(shí)驗(yàn)中采用控制變量法，對(duì)實(shí)驗(yàn)電路系統(tǒng)數(shù)據(jù)中的某一項(xiàng)進(jìn)行控制然后獲取相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中電路系統(tǒng)的輸入電壓、輸入功率、功率因素、輸入電流由IT9121數(shù)字功率計(jì)測(cè)量所得，輸出功率、輸出電壓、輸出電流由WT210數(shù)字功率計(jì)測(cè)量所得。實(shí)驗(yàn)中所用到的250W金鹵燈主要參數(shù)為上海亞明JLZ250KN·U4K·PS。

電路系統(tǒng)的主要參數(shù)波形如圖6所示。其中：波形1為與波形2為經(jīng)過白噪聲調(diào)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(shí)現(xiàn)了對(duì)PWM波的調(diào)制，同時(shí)HID燈的燈電壓與燈電流波形并未發(fā)生改變，說明電路系統(tǒng)中各個(gè)功能電路之間配合良好，燈管能穩(wěn)定工作。

表1為輸入電壓變化時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。從表中可看出輸入交流電壓變化在265V到160V時(shí)，電路的輸出功率基本穩(wěn)定在250W左右，電路能穩(wěn)定工作。

表1控制輸入電壓時(shí)的主要參數(shù)

表2為當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率壓變化時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。從表中可看出驅(qū)動(dòng)頻率變化在39K到63K時(shí)，電路的輸出功率可以從250W到150W變化，為HID調(diào)光創(chuàng)造條件。

表2控制驅(qū)動(dòng)頻率時(shí)的主要參數(shù)

圖7為輸入功率、輸出功率、電路效率與電壓變化關(guān)系曲線圖。從圖中可以看出，輸入電壓在265V～175V范圍內(nèi)輸出功率、輸入功率基本保持穩(wěn)定，當(dāng)輸入電壓低于170V時(shí)，輸出功率會(huì)明顯下降。對(duì)于整個(gè)電路效率基本上能穩(wěn)定在90％以上。

圖8為功率、頻率關(guān)系曲線圖，顯示了當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率升高時(shí)，電路系統(tǒng)的高頻變壓器壓降增大，HID燈兩端電壓減小，由于HID燈的穩(wěn)態(tài)阻抗近似不變，輸出功率降低，燈管亮度減弱，可以利用來對(duì)照明的光通量進(jìn)行調(diào)整，以節(jié)省能源。