等离子照明灯控制装置的制作方法

专利名称：：等离子照明灯控制装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及等离子照明
技术领域：
，特别是一种等离子照明灯的控制装置。
背景技术：
：等离子体是宇宙中一种常见的物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的99%。等离子体是一种很好的导电体，可以利用电场和磁场产生来控制等离子体。当两个电极间加上高电压时，引发惰性气体或盐类物质放电，激发产生强光，等离子体技术同其它显示方式相比存在明显的差别，在结构和组成方面都领先一步。时下，等离子光源应用都是在显示屏上，如等离子电视，起图文显示作用，也有用作装饰球的。作为功率较大的照明灯用还鲜有所见。传统驱动器发射频率是恒定的，如果想控制可变十分困难。当等离子光源的功率比较大时，特别是用作照明时，就要解决射频功率放大、启动电流冲击、控制等离子灯的发光质量使等离子灯发出的光接近于自然光以及稳定启动和连续稳定发光等难题，否则不仅耗功大也严重影响其稳定性和寿命。
发明内容本发明的目的是提供一种性能稳定、照明功率可控、频率可调的等离子照明灯控制装置。本发明的技术方案如下—种等离子照明灯控制装置，包括射频激励源、射频功率放大电路和开关电源单元，其特征在于所述等离子照明灯控制装置设有微控制器单元，微控制器单元包括微控制器MCU、A/D模块、D/A模块和EEPROM，射频激励源的输出端通过信号源检波电路与微控制器单元的A/D模块接口连接，由微控制器单元对射频激励源输出信号的能量进行检测，射频激励源的输出端还连接有自动衰减控制电路，自动衰减控制电路的输出端上连接有自动电平控制电路，自动电平控制电路的输出端与所述射频功率放大电路的输入端相连，射频功率放大电路的输出端上连接有输出信号检波电路，输出信号检波电路的第一输出端经负反馈放大电路与自动电平控制电路的负反馈控制信号输入端相连，输出信号检波电路的第二输出端与微控制器单元的A/D模块接口相连，微控制器单元的D/A模块接口与自动衰减控制电路的控制信号输入端相连，微控制器单元的射频激励源信号控制输出端与射频激励源的控制端连接，由微控制器单元控制射频激励源输出信号的频率，微控制器单元根据信号源检波电路输出的信号和激活等离子体需要输出的功率要求控制自动衰减控制电路对射频激励源输出信号衰减的幅度。所述射频功率放大电路由前级放大电路、推动级放大电路和末级放大电路三级级联而成。在所述推动级放大电路和末级放大电路之间连接有温度补偿电路。所述微控制器单元上连接有485通讯模块，该模块通过通讯电缆与上位计算机相连，通过上位计算机监测等离子照明灯控制装置的所有工作状态。4所述前级放大电路由MSA-1105芯片构成，所述推动级放大电路由丽6S004芯片构成。所述末级放大电路包括L匿OS管、L匿OS管的直流漏极供电网络和L匿OS管的直流栅极偏置控制网络，L匿OS管的源级接地，射频激励源输出的信号流入末级放大电路的输入端后经过50Q的阻抗Z1微带匹配电容C12隔离后进入50Q的阻抗Z2微带匹配，电容C13对地匹配，由阻抗Z3、阻抗Z4进行微带阻抗变换到阻抗Z5、阻抗Z6，再经过LDMOS管微波射频放大以后进入输出匹配网络，经过阻抗Z7、阻抗Z8微带匹配后进行微带阻抗变换到阻抗Z9，使用对地电容C21和对地电容C22匹配后与阻抗Z10微带连接，由电容C13隔离直流电压后经50Q的阻抗11输出经放大后的射频激励源信号驱动等离子灯发光，L匿OS的直流漏极供电网络包括电感线圈Ll、电感线圈L2、电容C14、电容C15、电容C16、电容C17、电容C18、电容C19、电容C20，电感线圈Ll、电感线圈L2和磁线圈B3依次串联连接，磁线圈B3的另一端与供电电源的输入端连接，电感线圈L1的另一端连接在阻抗Z8与阻抗Z9的连接电路上，电容C14、电容C15、电容C16并联连接在电感线圈Ll与电感线圈L2的连接电路和地之间，电容C17、电容C18、电容C19并联连接在电感线圈L2与磁线圈B3的连接电路和地之间，电容C20连接在供电电源的输入端与地之间，L匿OS管的直流栅极偏置控制网络包括电阻Rl、电阻R2、电阻R3磁线圈Bl、磁线圈B2、电容Cl、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容CIO、电容Cll，电阻R2、电阻Rl和磁线圈Bl依次串联，磁线圈Bl的另一端与偏置电源输入端连接，电阻R2的另一端与阻抗Z4与阻抗Z5的连接电路上，电阻R3并联连接在电阻R2的两端，磁线圈B2并联连接在电阻Rl的两端，电容Cl、电容C2、电容C3并联连接在偏置电源输入端与地之间，电容C4、电容C5、电容C6、电容C7并联连接在磁线圈Bl和电阻Rl的连接电路与地之间，电容C8、电容C9、电容CIO、电容Cll并联连接在电阻Rl和电阻R2的连接电路与地之间。所述LDMOS管采用MRF6S9060/BLF01-135。所述前级放大电路上设有增益告警电路，L匿OS管的栅极上设有栅极电压告警电路，栅极电压告警电路的告警与增益告警电路告警通过"或"逻辑关系来判定LDMOS管的好坏。所述射频激励源输出信号的带宽是430MHz-470MHz。所述射频激励源在微控制器单元的控制下按如下时序扫描输出(1)初始期初始频率设定为450MHz，从450MHz扫描到430MHz，频率相隔为lMHz;(2)寻址期第二次频率变化从451MHz开始，从451MHz扫描到430MHz，频率相隔为lMHz;第三次频率变化从452MHz开始，从452MHz扫描到430MHz，频率相隔为lMHz;第三次频率变化从453MHz开始，从453MHz扫描到430MHz，频率相隔为lMHz;依次变化20次，最后频率变化从470MHz开始，从470MHz扫描到430MHz，频率相隔为lMHz;(3)维持期完成以上变化后，频率设置停止120秒，重新再启动以上循环。本发明的优点是1)结合了等离子灯的发光特性，用可变的脉冲频率信号激发等离子灯发光，提高了等离子灯的发光质量，使等离子灯被激发后发出的光源更接近于自然光，而且使等离子灯的启动更加稳定以及连续稳定发光；用微控制器对射频激励源输出的信号进行采样控制并且添加了负反馈电路和温度补偿电路，为等离子灯稳定发光提供了稳定的输出功率，而且末级放大电路采用L匿0S管和相应的匹配电路进一步保证了输出功率的稳定性同时提高了功率和效率。2)研究表明决定等离子灯发光质量与输出信号的功率和频率有关，频率决定发光光源的光谱，功率决定发光光源的亮度，因此微控制器单元通过上述的时序算法控制等离子灯发出光源的光谱，同时对射频激励源输出的信号进行采样和根据激活等离子体需要输出功率的要求控制等离子灯的发光亮度。采用上述的时序算法，结合了等离子灯的发光特性，有利于激发等离子灯里的惰性气体或盐类物质电离成等离子态并形成等离子光源，由弱到强稳定发光，有利于等离子灯的稳定启动和连续稳定发光，并且发出的光源更接近于自然光。图1是本发明等离子照明灯控制装置的原理图；图2是本发明等离子照明灯控制装置的末级放大电路的原理图；图3是本发明等离子照明灯控制装置的末级放大电路的电路结构图；图4是微控制器单元控制射频激励源输出信号的时序简图；图5是本发明等离子照明灯控制装置的增益电平分配原理图。具体实施例方式如图1-5所示，一种等离子照明灯控制装置，包括射频激励源1、射频功率放大电路4和开关电源单元9，该等离子照明灯控制装置还设有微控制器单元8，微控制器单元8包括微控制器MCU、A/D模块、D/A模块和EEPR0M，射频激励源1的输出端通过信号源检波电路6与微控制器单元8的A/D模块接口连接，由微控制器单元8对射频激励源1输出的射频信号的能量进行检测，射频激励源1的输出端还连接有自动衰减控制电路2，自动衰减控制电路2的输出端上连接有自动电平控制电路3，自动电平控制电路3的输出端与所述射频功率放大电路4的输入端相连，射频功率放大电路4的输出端上连接有输出信号检波电路7，输出信号检波电路7的第一输出端经负反馈放大电路5与自动电平控制电路3的负反馈控制信号输入端相连，输出信号检波电路7的第二输出端与微控制器单元8的A/D模块接口相连，微控制器单元8的D/A模块接口与自动衰减控制电路2的控制信号输入端相连，微控制器单元8的射频激励源信号控制输出端与射频激励源1的控制端连接，由微控制器单元8控制射频激励源1输出信号的频率，微控制器单元8根据信号源检波电路6输出的信号和输出功率的要求控制自动衰减控制电路2对信号的衰减幅度。微控制器单元8上还连接有485电平转换模块10，该模块10通过通讯电缆与上位计算机相连，可以在上位计算机上进行监测。射频功率放大电路4由前级放大电路41、推动级放大电路42和末级放大电路43三级级联而成，在推动级放大电路42和末级放大电路43之间连接有温度补偿电路44，使输6出功率更加稳定。前级放大电路43由MSA-1105芯片构成，推动级放大电路42由丽6S004芯片构成。末级放大电路43包括LDMOS管、L匿OS管的直流漏极供电网络和LDMOS管的直流栅极偏置控制网络，L匿0S管的源级接地，射频激励源输出的信号流入末级放大电路43的输入端后经过50Q的阻抗Z1微带匹配电容C12隔离后进入50Q的阻抗Z2微带匹配，电容C13对地匹配，由阻抗Z3、阻抗Z4进行微带阻抗变换到阻抗Z5、阻抗Z6，再经过LDMOS管微波射频放大以后进入输出匹配网络，经过阻抗Z7、阻抗Z8微带匹配后进行微带阻抗变换到阻抗Z9，使用对地电容C21和对地电容C22匹配后与阻抗Z10微带连接，由电容C13隔离直流电压后经50Q的阻抗11输出经放大后的射频激励源信号驱动等离子灯发光，L匿OS的直流漏极供电网络包括电感线圈Ll、电感线圈L2、电容C14、电容C15、电容C16、电容C17、电容C18、电容C19、电容C20，电感线圈Ll、电感线圈L2和磁线圈B3依次串联连接，磁线圈B3的另一端与供电电源的输入端VSUPPLY连接，电感线圈Ll的另一端连接在阻抗Z8与阻抗Z9的连接电路上，电容C14、电容C15、电容C16并联连接在电感线圈Ll与电感线圈L2的连接电路和地之间，电容C17、电容C18、电容C19并联连接在电感线圈L2与磁线圈B3的连接电路和地之间，电容C20连接在供电电源的输入端VSUPPLY与地之间，L匿OS管的直流栅极偏置控制网络包括电阻Rl、电阻R2、电阻R3磁线圈Bl、磁线圈B2、电容Cl、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容CIO、电容Cll，电阻R2、电阻Rl和磁线圈Bl依次串联，磁线圈Bl的另一端与偏置电源输入端VBIAS连接，电阻R2的另一端与阻抗Z4与阻抗Z5的连接电路上，电阻R3并联连接在电阻R2的两端，磁线圈B2并联连接在电阻Rl的两端，电容Cl、电容C2、电容C3并联连接在偏置电源输入端VBIAS与地之间，电容C4、电容C5、电容C6、电容C7并联连接在磁线圈Bl和电阻Rl的连接电路与地之间，电容C8、电容C9、电容C10、电容C11并联连接在电阻R1和电阻R2的连接电路与地之间。L匿OS管采用MRF6S9060/BLF01-135。前级放大电路41上设有增益告警电路，L匿OS管的栅极上设有栅极电压告警电路，栅极电压告警电路的告警与增益告警电路告警通过"或"逻辑关系来判定LDMOS管的好坏。射频激励源输1出信号的带宽是430MHz-470MHz。射频激励源1在微控制器单元8的控制下按如下时序扫描输出信号(1)初始期初始频率设定为450MHz，从450MHz扫描到430MHz，频率相隔为lMHz;(2)寻址期第二次频率变化从451MHz开始，从451MHz扫描到430MHz，频率相隔为lMHz;第三次频率变化从452MHz开始，从452MHz扫描到430MHz，频率相隔为lMHz;第三次频率变化从453MHz开始，从453MHz扫描到430MHz，频率相隔为lMHz;依次变化20次，最后频率变化从470腿z开始，从470腿z扫描到430MHz，频率相隔为lMHz;(3)维持期完成以上变化后，频率设置停止120秒，重新再启动以上循环。微控制器单元8根据激活等离子体需要输出功率的要求对射频激励源输出的信号进行采样控制并且添加了负反馈电路5和温度补偿电路44，到末级放大为了放大器的可靠性进行保护还可以加入环行器，为等离子灯稳定发光提供了稳定的输出功率，而且末级放大电路43采用L匿0S管和相应的匹配电路进一步保证了输出功率的稳定性同时提高了功率效率。本发明等离子照明灯控制装置可以应用在整机输出为150W的等离子光节能路灯上，根据功率的需要，等离子照明灯控制装置的输出功率可以达到在190W左右，在微波元器件进行选型时可以选用MTBF较大且较成熟的器件，如MSA-1105和丽6S004都是很成熟的器件以及MOTOROLA推荐的MRF69060/BLF01-135也是很成熟的器件，使用这些成熟的器件可以提高稳定性能和提高功率效率。设计时可参照如表1所示的主要的技术指标要求。表1主要指标要求<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>主要元器件指标如下所示丽6S004驱动器单元的指标f:430—470MHz增益20dBP—!=8W供电电压28V静态电流550mAMRF6S9060/BLF01-135驱动管的指标f:430—470MHz增益16.5dBP—!=120Wx2fl=430MHz,f2=470MHz供电电压28V静态电流2X500mA效率n=48%船O.8dBmCW，Vd=28V，Iq=2X500mA.f=470MHzn>15%@40dBmCW，Vd=28V，Iq=2X500mA.f=470MHz指标要求控制装置最大输出功率为52.7dBm，增益为39.7dB。设计时，输出功率应能满足指标且有余量，可参照图5所示的增益电平分配图。末级放大电路43的电路结构图如图3所示，阻抗Zl、阻抗Z2、阻抗Z3、阻抗Z4、阻抗Z5、阻抗Z6、阻抗Z7、阻抗Z8、阻抗Z9、阻抗Z10、阻抗Zll是PCB电路设计的阻抗，具体参数如下所示MicrostripMicrostripMicrostripMicrostripZ8Z9Z10Z11ArlonCuCladZl0.352〃X0.0820.085〃XO.170〃MicrostripZ21.567〃X0.0822.275"X0.170"MicrostripZ30.857〃X0.0820.945〃X0.170〃MicrostripZ40.276〃X0.2200.443〃X0.082〃MicrostripZ50.434〃X0.220〃MicrostripPCB250GX-0300-55-22，0.030〃，V=2,55Z6.Z70.298"X0.630〃Microstrip开关电源单元的设计，将220V交流电源转化为低压直流28V电源，并使电源瞬间启动可以承受住10A的大电流冲击。设计时还可以加入电路告警电路，若电路采用电流告警方式，由于工作所需28V的电流很大，电流告警的取样电阻需要承受很大的功率，在静态时电流为1.8A左右，如果取样电压为180mV，则取样电阻R二0.18V/1.8=0.1Q;在起控功率时，其工作电流在3.5A左右，取样电阻上的压降为0.1QX3.5A=0.35V，则取样电阻上的功耗为3.52X0.1=1.2W;当功率达到90W时，其工作电流在8.5A左右，取样电阻上的压降为0.1QX8.5A=0.85V，则取样电阻上的功耗为8.52X0.1=7.23W;这么大的功率只能由多个大功率电阻并联来分担。因驱动器管正常工作时栅压较稳定，在3.8V左右，而驱动器管坏了时，栅极对9地电阻在几百欧以下，正常情况为4MQ左右，栅极电压接近于OV，所以可以通过检测栅极的电压来检测驱动器的好坏，将栅极电压直接引出即可，无需增加任何电路。由于MSA-1105和丽6S004在正常和烧坏情况下增益通常都变化较大，因此前级最好采用增益告警方式。综上所述，电路采用增益告警和栅压告警。增益告警和栅压告警是或逻辑关系，因低电平有效告警，需经一二输入与门输出。还可以加入驻波告警电路，驻波告警门限可设，为了应付输出端大功率全反射的极端情况，输出端隔离器的衰减电阻的功率要选取适当。另外，为避免该告警而不告警和误告警，应选取一定量值驻波比的假负载来调整驻波告警门限。在微波电容选用方面，选用大电流、大额定电压、热阻小并考虑线路正常工作时的温升和稳定性等因素，所以必须选用高稳定、高Q值的优质陶瓷片状电容。在设计中主要从以下几点考虑l)为降低实际耗散功率选取ESR低的电容，为提高电容的电特性选高Q值的电容；2)为了减小热阻，选RMS低的电容，并随着温升变化小的电容；3)为避免温度变化使容值变化，导致匹配变化，必须选容值变化随着温度变化小的，所以在末极输出选用高稳定、大额定电压的微波电容。驱动器管散热方面的设计，由于大功率驱动器散热问题是驱动器单元稳定的重要因素，为减小驱动器管对盒体的热阻，在驱动器管两侧用M2.5的螺钉固定，在驱动器底部涂均匀少量的散热油以填满管体与盒体之间的缝隙，排除空气成分，减小热阻。同时为减小盒体与箱体的热阻，要求盒体底面加工要平整，拧紧螺钉，让热量充分从机箱散出。以上是结合了特定实施例介绍本发明，但本发明并非要限制在所展示的细节上，另外在权利要求书的等效范围内，不背离本发明的精神实质的情况下，可以在细节上做出种种改进。权利要求一种等离子照明灯控制装置，包括射频激励源、射频功率放大电路和开关电源单元，其特征在于所述等离子照明灯控制装置设有微控制器单元，微控制器单元包括微控制器MCU、A/D模块、D/A模块和EEPROM，射频激励源的输出端通过信号源检波电路与微控制器单元的A/D模块接口连接，由微控制器单元对射频激励源输出信号的能量进行检测，射频激励源的输出端还连接有自动衰减控制电路，自动衰减控制电路的输出端上连接有自动电平控制电路，自动电平控制电路的输出端与所述射频功率放大电路的输入端相连，射频功率放大电路的输出端上连接有输出信号检波电路，输出信号检波电路的第一输出端经负反馈放大电路与自动电平控制电路的负反馈控制信号输入端相连，输出信号检波电路的第二输出端与微控制器单元的A/D模块接口相连，微控制器单元的D/A模块接口与自动衰减控制电路的控制信号输入端相连，微控制器单元的射频激励源信号控制输出端与射频激励源的控制端连接，由微控制器单元控制射频激励源输出信号的频率，微控制器单元根据信号源检波电路输出的信号和激活等离子体需要输出的功率要求控制自动衰减控制电路对射频激励源输出信号衰减的幅度。2.根据权利要求1所述的等离子照明灯控制装置，其特征在于所述射频功率放大电路由前级放大电路、推动级放大电路和末级放大电路三级级联而成。3.根据权利要求2所述的等离子照明灯控制装置，其特征在于在所述推动级放大电路和末级放大电路之间连接有温度补偿电路。4.根据权利要求1所述的等离子照明灯控制装置，其特征在于所述微控制器单元上连接有485通讯模块，该模块通过通讯电缆与上位计算机相连，通过上位计算机监测等离子照明灯控制装置的所有工作状态。5.根据权利要求2所述的等离子照明灯控制装置，其特征在于所述前级放大电路由MSA-1105芯片构成，所述推动级放大电路由丽6S004芯片构成。6.根据权利要求2所述的等离子照明灯控制装置，其特征在于所述末级放大电路包括L匿OS管、L匿OS管的直流漏极供电网络和L匿OS管的直流栅极偏置控制网络，L匿OS管的源级接地，射频激励源输出的信号流入末级放大电路的输入端后经过50Q的阻抗Z1微带匹配电容C12隔离后进入50Q的阻抗Z2微带匹配，电容C13对地匹配，由阻抗Z3、阻抗Z4进行微带阻抗变换到阻抗Z5、阻抗Z6，再经过LDMOS管微波射频放大以后进入输出匹配网络，经过阻抗Z7、阻抗Z8微带匹配后进行微带阻抗变换到阻抗Z9，使用对地电容C21和对地电容C22匹配后与阻抗Z10微带连接，由电容C13隔离直流电压后经50Q的阻抗11输出经放大后的射频激励源信号驱动等离子灯发光，L匿OS的直流漏极供电网络包括电感线圈Ll、电感线圈L2、电容C14、电容C15、电容C16、电容C17、电容C18、电容C19、电容C20，电感线圈Ll、电感线圈L2和磁线圈B3依次串联连接，磁线圈B3的另一端与供电电源的输入端连接，电感线圈L1的另一端连接在阻抗Z8与阻抗Z9的连接电路上，电容C14、电容C15、电容C16并联连接在电感线圈Ll与电感线圈L2的连接电路和地之间，电容C17、电容C18、电容C19并联连接在电感线圈L2与磁线圈B3的连接电路和地之间，电容C20连接在供电电源的输入端与地之间，L匿OS管的直流栅极偏置控制网络包括电阻Rl、电阻R2、电阻R3磁线圈Bl、磁线圈B2、电容Cl、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容CIO、电容Cl1，电阻R2、电阻Rl和磁线圈B1依次串联，磁线圈B1的另一端与偏置电源输入端连接，电阻R2的另一端与阻抗Z4与阻抗Z5的连接电路上，电阻R3并联连接在电阻R2的两端，磁线圈B2并联连接在电阻Rl的两端，电容Cl、电容C2、电容C3并联连接在偏置电源输入端与地之间，电容C4、电容C5、电容C6、电容C7并联连接在磁线圈Bl和电阻Rl的连接电路与地之间，电容C8、电容C9、电容C10、电容C11并联连接在电阻R1和电阻R2的连接电路与地之间。7.根据权利要求6所述的等离子照明灯控制装置，其特征在于所述L匿OS管采用MRF6S9060/BLF01-135。8.根据权利要求2所述的等离子照明灯控制装置，其特征在于所述前级放大电路上设有增益告警电路，L匿OS管的栅极上设有栅极电压告警电路，栅极电压告警电路的告警与增益告警电路告警通过"或"逻辑关系来判定LDM0S管的好坏。9.根据权利要求1-8所述的任意一种等离子照明灯控制装置，其特征在于所述射频激励源输出信号的带宽是430MHz-470MHz。10.根据权利要求9所述的等离子照明灯控制装置，其特征在于所述射频激励源在微控制器单元的控制下按如下时序扫描输出(1)初始期初始频率设定为450MHz，从450MHz扫描到430MHz，频率相隔为lMHz;(2)寻址期第二次频率变化从451MHz开始，从451MHz扫描到430MHz，频率相隔为lMHz;第三次频率变化从452MHz开始，从452MHz扫描到430MHz，频率相隔为lMHz;第三次频率变化从453MHz开始，从453MHz扫描到430MHz，频率相隔为lMHz;依次变化20次，最后频率变化从470MHz开始，从470MHz扫描到430MHz，频率相隔为lMHz;(3)维持期完成以上变化后，频率设置停止120秒，重新再启动以上循环。全文摘要本发明公开了一种等离子照明灯控制装置，包括射频激励源、射频功率放大电路和开关电源单元，等离子照明灯控制装置设有微控制器单元，微控制器单元的射频激励源信号控制输出端与射频激励源的控制端连接，由微控制器单元根据等离子灯的发光特性控制射频激励源输出信号的频率，微控制器单元根据信号源检波电路输出的信号和激活等离子体需要输出的功率要求控制自动衰减控制电路对射频激励源输出信号衰减的幅度，本发明结合了等离子体的发光特性，提高了等离子灯的发光质量，使等离子灯被激发后发出的光源更接近于自然光，而且使等离子灯的启动更加稳定以及连续稳定发光。文档编号H01J63/08GK101720161SQ200910213869公开日2010年6月2日申请日期2009年12月16日优先权日2009年12月16日发明者李众学,翁广斌申请人:深圳市世纪安耐光电科技有限公司