一种恒功率控制电路的金卤灯镇流器的制作方法

本发明涉及功率控制领域，尤其是指一种恒功率控制电路的金卤灯镇流器。

背景技术：

金属卤化物灯简称金卤灯，是一种高压气体放电灯，具有光色白且自然、显色指数高、光效高的优良品质。与新光源led相比，同样功率，体积远小于led灯具，不用庞大的散热片，可用于商场、车间、广场、道路的照明。为金卤灯供电的装置称作金卤灯镇流器，下面简称镇流器。镇流器分电感镇流器和电子镇流器两种。电子镇流器具有诸多优点，如功率因数高、电流波峰比低、功率稳定、定时点火、不出现声频共振等。但是电子镇流器电路复杂，元件多，设计难度大，工艺繁复，可靠性差，故障多发。很多元器件参数随温度变化而漂移，引起镇流器整体参数变化，甚至不能正常工作。如何保证电子镇流器性能稳定，提高可靠性是这一行业面临的困难。

电子镇流器故障多种多样，常见的是功率不稳，随温度上升这一趋势越发明显，引起镇流器损坏。本发明就是针对这一问题设计新的电路结构，使功率更加稳定，改善性能。

技术实现要素：

针对上述背景技术中的问题，提供了一种恒功率控制电路的金卤灯镇流器，可通过电压、电流双环反馈，实现金卤灯工作期间的恒功率控制。

本发明所述的一种恒功率控制电路的金卤灯镇流器，其特征在于：包括依次电连接的整流电路、升压电路、功率控制电路和输出电路；所述功率控制电路包括恒功率控制电路、点火定时电路和降压电路；所述恒功率控制电路与升压电路连接，所述恒功率控制电路通过降压电路与输出电路连接；所述恒功率控制电路包括电流反馈回路和电压反馈回路；

点火定时电路通过恒功率控制电路产生高压脉冲，为金卤灯点火，点火成功后，点火定时电路停止工作；交流市电经整流电路、升压电路转换为高压直流电给恒功率电路，再经过功率控制电路中的降压电路降压至输出电路输出，所述功率控制电路在降压过程中以电流、电压双环反馈实现恒功率控制。

进一步地，所述恒功率控制电路包括：双运算放大器、功率因数校正控制器、由第一电阻和第一电容构成的积分电路、电流反馈回路和电压反馈回路；所述双运算放大器的正相输入端通过第一电容接地，第一电阻连接到所述正相输入端和第一电容之间，并与第五电阻串联后接入功率因数校正控制器的内部比较器的一个输入端；直流电源给双运算放大器和功率因数校正控制器提供稳压电源；功率因数校正控制器的过零检测端通过过零检测绕组接入功率因数校正控制器的接地端；点火定时电路的触发端连接到双运算放大器的输出端；电流反馈回路连接在功率因数校正控制器的电流峰值检测端；电压反馈回路连接在功率因数校正控制器的乘法器输入端和接地端之间。

进一步地，所述电流反馈回路包括电感绕组、第一二极管、第二电容、场效应管和第四电阻；功率因数校正控制器的驱动极端口串接场效应管的栅极，场效应管的源极通过第四电阻并接地，场效应管的漏极串接电感绕组的第一引脚，电感绕组的第一引脚与第一二极管正极电连接，电感绕组的第二引脚通过第二电容连接至第一二极管负极；输出电路连接在第二电容两端；

所述电流反馈回路通过调节第四电阻的阻值或反馈回路的闭环放大倍数，改变输出功率。

进一步地，所述电压反馈回路包括降压电感副绕组、第二二极管、由第二电阻和第三电阻构成的分压电路和滤波电容；所述降压电感副绕组的一端连接在过零检测绕组与功率因数校正控制器的接地端之间，降压电感副绕组的另一端依次通过第二二极管的正极、负极，第二电阻和第三电阻接地，功率因数校正控制器的乘法器输入端连接到第二电阻与第三电阻之间；滤波电容并联在第三电阻两端；

所述电压反馈回路通过接收电压反馈信号送入功率因数校正控制器中的乘法器与电流反馈信号作乘法运算，结果输入比较器作参考电压，电流采样信号送入功率因数校正控制器中的比较器与参考电压比较，控制场效应管的开关以维持输出功率稳定。

进一步地，所述整流电路包括：滤波电感、滤波电容和整流桥；交流市电与滤波电感和滤波电容并联接入整流桥的交流输入端，整流桥的负极输出端接地，整流桥的正极输出端串联升压电路。

进一步地，所述升压电路包括：升压电感、开关管、续流二极管和电解电容；所述升压电感通过开关管的漏极和源极接地，开关管的漏极和源极之间并联所述续流二极管和电解电容；所述电解电容的正极和续流二极管的阴极连接处为所述恒功率电路供电。

进一步地，所述整流电路和升压电路中间还包括功率因数校正电路；所述功率因数校正电路包括：升压电感、开关管、功率因数校正控制器；所述升压电感的过零检测绕组连接在功率因数校正控制器的过零检测端和接地端之间，所述开关管的栅极连接到功率因数校正控制器的驱动极端口。

进一步地，所述点火定时电路包括时基集成运放，以时基集成运放控制所述点火定时电路中的放电触发电弧管的点火秒数在设定阈值内，避免持续发生高压脉冲损坏镇流器。

进一步地，所述输出电路包括：输出端、全桥电路、串联谐振电路；所述全桥电路包括复数个场效应管、栅极驱动芯片；栅极驱动芯片的驱动器输出端连接场效应管的栅极，场效应管的漏极和源极之间并联一个电容，金卤灯串接在栅极驱动芯片的驱动器输出端之间，所述输出端两侧并联滤波电容，再串联一个高压变压器后与串联谐振电路并联至另一侧输出端，所述串联谐振电路由电感、电容、高压变压器绕组依次串接构成。

本发明利用功率因数校正控制器中自带乘法器，通过增加一条电压负反馈回路使金卤灯镇流器工作状态达成电压、电流双环反馈，可减小现有金卤灯镇流器受温度过高引起的功率上升等影响，延长了金卤灯镇流器的使用寿命。本发明克服了恒功率电路的基本缺陷，增加灯电压反馈回路，避免了高温、杂波、漏电流、谐振等因素在金卤灯工作过程中造成的影响，电流、电压双环反馈进一步稳定了灯功率。

为了能更清晰的理解本发明，以下将结合附图说明阐述本发明的具体实施方式。

附图说明

图1为本发明实施例的电路框图。

图2为本发明实施例的整流电路、功率因数校正电路、升压电路的电路结构示意图。

图3为现有技术的点火定时电路和带电流反馈的恒功率控制电路的电路结构示意图。

图4为本发明实施例的带电流、电压双环反馈的恒功率控制电路的电路结构示意图。

图5为本发明实施例的带电流、电压双环反馈的恒功率控制简化电路的电路结构示意图。

图6为本发明实施例的第一供电电路的电路结构示意图。

图7为本发明实施例的输出电路的电路结构示意图。

图8为本发明实施例的第二供电电路的电路结构示意图。

图9为本发明实施例的金卤灯电压及电流波形图。

具体实施方式

请参阅图1，其为本发明实施例的电路框图。

本发明所述的一种恒功率控制电路的金卤灯镇流器，包括：依次电连接的整流电路10、升压电路12、功率控制电路和输出电路30；所述功率控制电路包括点火定时电路20、恒功率控制电路21和降压电路22；所述恒功率控制电路21与升压电路12连接，所述恒功率控制电路21通过降压电路22与输出电路30连接；所述恒功率控制电路21包括电流反馈回路211和电压反馈回路212；

点火定时电路20通过恒功率控制电路21产生高压脉冲，为金卤灯点火，点火成功后，点火定时电路20停止工作；交流市电经整流电路10、升压电路12转换为高压直流电给恒功率控制电路21，再经过功率控制电路中的降压电路22降压至输出电路30输出，所述功率控制电路在降压过程中以电流、电压双环反馈实现恒功率控制。

请参阅图2，其为本发明实施例的整流电路、功率因数校正电路、升压电路。

所述整流电路10是利用二极管的单向导电性将正负变化的交流电压变为单向脉动电压的电路。在交流电源的作用下，整流二极管周期性地导通和截止，使负载得到脉动直流电。

在本申请中，整流电路10包括：滤波电感l1、滤波电容c2和整流桥d3；交流市电与滤波电感l1和滤波电容c2并联接入整流桥d3的交流输入端，整流桥d3的负极输出端接地，整流桥d3的正极输出端串联升压电路12。将220v50hz工频电整流为单向传导的脉动直流，过滤各级的高频干扰，避免窜入电网，也过滤来自电网的杂波避免窜入镇流器。

所述滤波电感一般采用铁氧体材料，它可以方便地与穿心电容组合起来，形成复合滤波器，在高性能滤波器中，也采用线绕电感。

所述滤波电容是并联在整流电源电路输出端，用以降低交流脉动波纹系数、平滑直流输出的一种储能器件。

所述整流桥是将连接好的桥式整流电路的四个二极管封在一起。

所述升压电路12也叫boost电路，是利用续流二极管，升压电感等电子元件，使电感放电电压和电源电压叠加，从而使电压升高。

在本申请中，升压电路12包括：升压电感t1b、开关管q1、续流二极管d1和电解电容c11；所述升压电感t1b通过开关管q1的漏极和源极接地，开关管q1的漏极和源极之间并联所述续流二极管d1和电解电容c11；所述电解电容c11的正极和续流二极管d1的阴极连接处为恒功率电路21供电。电解电容c11是储能元件，起平滑滤波作用。二极管d1起续流作用，又称续流二极管，与电感t1b串联，q1关断时为t1b提供释放电流的通道。升压电路12将220v50hz市电升为400v直流电，供给后面各级。

请参阅图4，其为本发明实施例的带电流、电压双环反馈的恒功率控制电路。

本发明所述恒功率控制电路21包括：双运算放大器ic2、功率因数校正控制器ic3、由第一电阻r23和第一电容c24构成的积分电路、电流反馈回路211和电压反馈回路212；所述双运算放大器ic2的正相输入端通过第一电容c24接地，第一电阻r23连接到所述正相输入端和第一电容c24之间，并与第五电阻r30串联后接入功率因数校正控制器ic3的比较器输入端；直流电源给双运算放大器ic2和功率因数校正控制器ic3提供稳压电源；功率因数校正控制器ic3的过零检测端通过过零检测绕组t2a接入功率因数校正控制器ic3的接地端；点火定时电路20的触发端连接到双运算放大器ic2的输出端；电流反馈回路211连接在功率因数校正控制器ic3的电流峰值检测端；电压反馈回路212连接在功率因数校正控制器ic3的乘法器输入端和接地端之间。

所述双运算放大器是把两个通用型运算放大器集成在一个单片上，两运放在各自的输入、输出，电源及校正电容引出端，使用方便。

在本申请中，双运算放大器选型为：lm358。

在本申请中，所述功率因数校正控制器选型为l6562，其包括反相输入端inv、补偿输出端comp、乘法器参考电压端mult、比较器输入比较端cs、过零检测输入端zcd、接地端gnd、驱动极栅极驱动输出端gd、电源端vcc。

在一个反馈电路中，若反馈量与输出电流成正比则为电流反馈；若反馈量与输出电压成正比则为电压反馈。通常可以采用负载短路法来判断。

本发明所述电流反馈回路211包括电感绕组t2b、第一二极管d2、第二电容c12、场效应管q2和第四电阻r3；功率因数校正控制器ic3的驱动极端口串接场效应管q2的栅极，场效应管q2的源极通过第四电阻r3并接地，场效应管q2的漏极串接电感绕组t2b的第一引脚，电感绕组t2b的第一引脚与第一二极管d2正极电连接，电感绕组t2b的第二引脚通过第二电容c12连接至第一二极管d2负极；输出电路连接在第二电容c12两端；

所述电流反馈回路211通过调节第四电阻r3的阻值或反馈回路的闭环放大倍数，改变输出功率。二极管d2作续流之用，q2关断时为降压电感t2b提供放电通道。第二电容c12作平滑滤波之用。

本发明所述电压反馈回路212包括降压电感副绕组t2c、第二二极管d25、由第二电阻r32和第三电阻r29构成的分压电路和滤波电容c28；所述降压电感副绕组t2c的一端连接在过零检测绕组t2a与功率因数校正控制器ic3的接地端之间，降压电感副绕组t2c的另一端依次通过第二二极管d25的正极、负极，第二电阻r32和第三电阻r29接地，功率因数校正控制器ic3的乘法器输入端连接到第二电阻r32与第三电阻r29之间；滤波电容c28并联在第三电阻r29两端；

所述电压反馈回路212通过接收电压反馈信号送入功率因数校正控制器ic3中的乘法器与电流反馈信号作乘法运算，结果输入比较器作参考电压，电流采样信号送入功率因数校正控制器ic3中的比较器与参考电压比较，控制场效应管q2的开关以维持输出功率稳定。

优选地，本发明所述整流电路10和升压电路12中间还包括功率因数校正电路11；所述功率因数校正电路11包括：升压电感t1b、开关管q1、功率因数校正控制器ic1；所述升压电感t1a连接在功率因数校正控制器ic1的过零检测端和接地端之间，所述开关管q1的栅极连接到功率因数校正控制器的驱动极端口。功率因数校正电路，简称apfc，用以提高功率因数，降低输入电流的谐波，也为后续电路提供稳定的400v直流电压。

进一步地，本发明所述点火定时电路20包括时基集成运放ic5，以时基集成运放控制所述点火定时电路20中的放电触发电弧管的点火秒数在设定阈值内，避免持续发生高压脉冲损坏镇流器。

所述时基集成运放在本发明中选型为ne555，是属于555系列的计时ic的其中的一种型号，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。

请参阅图7，为本发明实施例的输出电路。

本发明所述输出电路30包括：输出端out1和out2、全桥电路、串联谐振电路；所述全桥电路包括四个场效应管q3、q4、q5、q6、栅极驱动芯片ic7和ic4；栅极驱动芯片的驱动器输出端连接场效应管的栅极，场效应管的漏极和源极之间并联一个电容，金卤灯串接在栅极驱动芯片的驱动器输出端之间，所述输出端两侧并联滤波电容c16和c17，再串联一个高压变压器t3a后与串联谐振电路并联至另一侧输出端，所述串联谐振电路由电感l3、电容c15、高压变压器绕组t3b依次串接构成。

所述栅极驱动芯片在本发明中选型为imp3211，为高压高速功率驱动器，为半桥应用而设计的高低侧独立的输出通道。

场效应管q3、q6与q4、q5交替通断，供给金卤灯具有频率且方向变化的电流，形状是上下相间的方波。通电之初在t3b中产生谐振电压，经副绕组t3a进一步升压，产生数千伏脉冲加在灯管两极，这是点火阶段。灯管导通后谐振回路失去谐振条件，高压脉冲停止，转入预热阶段，最后进入稳定的工作状态。集成电路ic4、ic7控制开关管q3～q6，协调两个桥臂交替通断，避免共态导通。高压电容c16、c17与灯管并联，滤除谐振引起的杂波。c14滤除全桥杂波。

本实施例还包括小型降压电路，为集成电路供电。分为两路，一路是图6所示的第一供电电路，包括集成电路ic6、变压器t4b、二极管d17、电解电容c10，输出约15v直流电压为升压电路12、功率控制电的集成电路供电。另一路是图8所示的第二供电电路，包括t4a、电阻r55、二极管d5，电解电容c13，为输出电路30的集成电路供电。

整流升压电路从v+端输出400v直流电压送至功率控制电路。点火成功进入预热阶段，此时灯管直流电阻小，表现为灯管电压低，电流大。场效应管q2导通，则降压电感t2b承担输出电压v+(400v)与负载(近似于灯管电压)之间的压差。此时第一二极管d2反向截止，t2b脚5为正，脚8为负，电流上升，流经场效应管q2的漏极-源极，经第四电阻r3到地。该阶段灯功率上升，未达到额定功率。但灯电流大，通过第四电阻r3转化为电压，作为检测信号经r30送入ic3的脚4。脚4内部接比较器一个输入端，比较器另一输入端接乘法器输出端和一个基准恒压源(典型值1v)。检测信号与此基准电压进行比较，一旦超过基准电压，则ic3的脚7输出低电平，关断q2。降压电感t2b极性反转，脚8为正，脚5为负。第一二极管d2导通，t2b通过d2向第二电容c12释放电流。t2b电流逐渐下降，待降到零时，出现过零谐振。过零检测绕组t2a用于过零检测，测到过零信号，通过电阻r35送给ic3的脚5。于是脚7输出高电平，导通q2，降压电感t2b极性再次反转，电流从零开始上升，d2反向截止，进入下一个开关周期。

由于预热阶段灯电流大，电流峰值受限制，实际功率小于额定功率，是保护灯管的必要措施，称作“过流保护”。这期间恒功率电路不起作用。

灯功率也是镇流器的输出功率，记作po，灯电压、灯电流记作uo、io，也是镇流器的输出电压、输出电流：

po＝uoio(5.1)

它们是正反方向对称的波形，近似方波，见图9。

预热中灯电压uo上升，电流io下降，灯功率po上升，这一特性称作“负阻”。功率po上升接近额定功率之时，灯电流降至不足以引起过流保护，恒功率电路开始作用，进入稳定工作状态，这是金卤灯的主要工作阶段，用于照明。

稳定工作状态中灯管的电阻呈现正阻状态，即管压增大电流亦增大。从式(5.1)知恒功率要求po即uo与io的乘积恒定，而不是uo、io恒定。这是有别于常见的恒压电源，也不同于led恒流电源之处。

请参阅图3，其为现有技术中只具有电流反馈的恒功率电路。

电阻r32、r29构成分压器，上端接于vcc(约15v)，这是专为集成电路提供的稳压电源。r32、r29连接处是分压器节点，接ic脚3，是内部乘法器的输入端之一。vcc电压恒定，分压器送给脚3的电压也是恒定的，它只为电流信号提供恒定的参考电压，未起反馈作用。

该电路只有一个电流负反馈。q2导通时，d2反向截止，t2b中的电流上升，经q2漏-源极流经采样电阻r3，转换为电压信号，与电流信号成比。

r3两端电压与电流关系ur3＝ir3r3。(5.2)

r3也代表电阻r3的阻值。由于t2b、q2、r3串联，构成恒功率电路主回路，ir3就是这个主回路的电流，ur3是主回路电流的反馈信号。该信号分两路传送：一路经r30送至ic3的脚4，另一路经电阻r23送至ic2的脚3。

反馈信号放大后送给ic3的脚1，与内部基准电压ver进行比较，获得误差信号送入内部的误差放大器进行放大。放大信号送入内部的乘法器，与脚3采样自分压器信号相乘，输出给内部的比较器反向输入端，与电流反馈电压ur3进行比较，决定开关管q2的关断时刻，以此调节输出功率，实现功率恒定。在l6562中，ver＝2.5±0.035v。r23与第一电容c24构成积分电路，在c24上形成电压uc24，作为运放的输入信号。理论分析表明：uc24平均值与主回路电流ir3的平均值成正比，也与灯功率成正比：

其中是u24在一个开关周期间的平均值，t为开关周期，ton为场效应管q2导通时间。ir3是第四电阻r3的电流，是时间的函数。t为时间变量。以d表示占空比，则

灯功率po与前级输出电压u1、ic3内部的基准电压ver、反馈回路的闭环放大倍数a有关。

u1是功率因数校正的输出电压，典型值400v。ver、u1、a、r3皆为常量，灯功率po只与这几个常量有关，而与灯管的变量无关，所以po也是常量。调节阻值r3或a，可以改变功率。利用主回路导通电流ir3对时间的积分与po的正比关系，通过电流反馈而间接控制功率是恒功率控制的理论基础。式(5.5)只在理想状态严格成立，实际上由于诸多因素的干扰发生一些偏离。如积分电路受其它部分干扰存在杂波，场效应管q2，二极管d2截止时存在漏电流，开关瞬间场效应管结电容与电感的谐振，都影响灯功率的稳定。当镇流器所处环境温度在87℃之上，灯功率有上升趋势，高于93℃功率上升明显。若金卤灯工作在炎热不通风的地方，可能因内部散热不畅导致温度过高，引起功率上升，进一步引发温度上升，如此恶性循环，则会缩短寿命甚至迅速损坏。

本实施例增加一个电压负反馈，利用l6562内部的乘法器实现电压、电流双环反馈，进一步稳定灯功率。

如图4所示，为本发明实施例的带电流、电压双环反馈的恒功率控制电路。

在降压电感t2增加一个绕组t2c作灯电压采样用。q2关断期间t2的主绕组t2b通过d2向第二电容c12放电，经c12平滑滤波向后级负载提供平稳电压。由于全桥q3～q6导通时的压降可忽略，所以功率控制电路的输出电压uc12≈uo。由图4可知场效应管q2关断期间，t2b放电的电压ut2boff为：

ut2boff＝vf+uc12＝vf+uo≈uo(6.1)

式中vf为二极管正向导通电压，快恢复二极管vf约1v，远小于uo，可以忽略。设电感t2的主绕组t2b匝数为nt2b，副绕组t2c匝数为nt2c，则q2关断时t2c的感应电压ut2coff如下式：

或

此时t2c脚2为正，第二二极管d25导通。经电阻分压器r32、r29为ic脚3提供灯电压采样信号ur29。

式中vfd25为d25正向导通电压，约0.7v。适当选择r29、r32比例和t2c匝数，可以忽略d25的导通压降。上式简化成

由此得知：分压器从电阻r29取得电压ur29正比于灯电压uo，它作为灯电压的反馈信号送入ic3的脚3，该脚接乘法器一个输入端。电容c28过滤杂波，减轻干扰，也调整响应速度。

q2导通期间，t2b极性反转，脚5为正，主回路向它充电，电流上升。t2c极性反转，脚3为正，脚2为负，d25反向截止，隔断t2c的负电平，避免干扰乘法器。

电压负反馈环路包括：降压电感副绕组t2c、二极管d25、分压电阻r29、r32，电容c28、乘法器(在ic3之中)。

电流反馈信号送入ic3的脚1，经过内部误差运算放大器放大并且倒向(负端输入，输出与输入反向变化)，送入乘法器一端，与电压反馈信号ur29作乘法运算。运算结果送给比较器作为参考电压。主回路电流的采样信号从ic3的脚4送入比较器，与参考电压进行比较，控制场效应管q2开关，维持输出功率po稳定。

电压环路反馈过程是：某种原因(如温度)引起灯管功率增大→管压uo也变大→电感副绕组感应电压ut2coff上升→分压器节点电压ur29上升→乘法器输出电平上升→比较器参考电平上升→开关管增加导通时间→ic3脚1电压上升→经内部误差运算放大并倒向→乘法器输出电平成倍比下降→比较器参考电平成倍比下降→q2缩短导通时间→降低电流峰值→降低灯功率→功率恒定。

灯功率下降，则反馈按相反方向进行，最终仍然维持功率恒定。

本专利在于增加一个反馈环路—电压负反馈，利用l6562中的乘法器实现电流、电压双环反馈，使po变化受到更强的抑制，功率更加稳定。

本发明的另一实施例，在所述电流、电压双环反馈恒功率控制电路的基础上省去降压电感副绕组t2c，与过零检测共用一个绕组t2a，如图5所示，原理同上。优点是减少一个绕组，可降低成本；缺点是：一.容易引起电压反馈与过零检测互相干扰；二.匝数共用，不能随意改变反馈电压，调试受限制。

本发明的两种实施例电路都在专利覆盖范围内。本专利还包括但不限于其它高压气体放电灯(如高压钠灯)的电子镇流器，包括但不限于照明产品，也包括其它方面的恒功率控制电路。l6562更多用于有源功率因数校正，乘法器是l6562的一部分，本专利正是充分利用这一部分实现专利目的。所用乘法器包括但不限于l6562，也包括独立的乘法器或其它型号集成电路内部的乘法器。

相对于现有技术，本发明利用功率因数校正控制器中自带乘法器，通过增加一条电压负反馈回路使金卤灯镇流器工作状态达成电压、电流双环反馈，可减小现有金卤灯镇流器受温度过高引起的功率上升等影响，延长了金卤灯镇流器的使用寿命。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也一同包含这些改动和变形。