小功率hid灯驱动电路的制作方法
小功率hid灯驱动电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及照明装置驱动电路，具体涉及一种小功率HID灯驱动电路。
【背景技术】
[0002] 照明光源是人类生活中不可或缺的要素，随着人口不断的增加，人们对于照明光 源之需求也日益增加。而高强度气体放电灯（HID)具有亮度高、发光效率高、不诱虫、寿命 长等良好的发光特性，因而具有研宄的价值。
[0003] 现有的小功率HID灯，其驱动电路一般都只是采用从HID灯工作电流得到反馈进 行恒功率控制，无法人为地自由改变HID灯的输出功率、调节HID灯的亮度。
[0004] 现有的小功率HID灯，为了有效地避免声谐振现象，在稳态时采用低频方波驱动， 这样低频方波的频率范围远低于音频共振频带，可延长HID灯的使用寿命。但如果启动时 也采用低频驱动方波进行点灯，不利于HID灯在启动时电弧的形成和维持，HID灯不易点 亮。
[0005] 另外，现有HID灯的控制方式大部分只用有线电源开关，使用时只能通过现场手 动对HID灯进行调光、定时和开关灯等操作，使用不太方便。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型的目的是提供一种可人为地自由改变HID灯的输出功率、调节HID灯 亮度的小功率HID灯驱动电路。
[0007] 为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
[0008] 小功率HID灯驱动电路，包括依次相连接的整流滤波电路、功率因数校正电路、降 压电路和全桥逆变及点火电路，整流滤波电路的输入端连接市电电源，全桥逆变及点火电 路的输出端连接负载；还包括单片机控制电路，单片机控制电路的输出端分别与功率因数 校正电路、降压电路和全桥逆变及点火电路的相应控制端相连接；
[0009] 降压电路包括运算放大器、电流控制型脉宽调制器和第一开关管，运算放大器的 同相输入端连接至第一开关管的源极，运算放大器的反相输入端连接有基准电阻，此基准 电阻包括第一电阻、第二电阻和第三电阻，第一电阻与第二电阻并联后与第三电阻相串联， 第一电阻为可调电阻，第二电阻为数控电阻；运算放大器的输出端连接电流控制型脉宽调 制器的输入端，电流控制型脉宽调制器的输出端连接第一开关管的栅极，第一开关管的漏 极连接功率因数校正电路的输出端，第一开关管的源极为降压电路的输出端；数控电阻的 控制端连接至单片机控制电路的相应输出端，且单片机控制电路以有线或无线的方式连接 有用以调节数控电阻的阻值的调节部件。
[0010] 上述单片机控制电路以ARM Cortex-M3内核的STM32F103作为主控芯片；上述运 算放大器的型号为LM2904,上述电流控制型脉宽调制器的型号为UC3845,上述第一开关管 的型号为4N60，上述数控电阻采用数字电位器X9313WSZ。
[0011] 上述全桥逆变及点火电路包括第二开关管Q5、自激式全桥驱动器U4、桥式逆变电 路和变压器T1，第二开关管Q5的栅极连接上述单片机控制电路的输出端，自激式全桥驱动 器U4连接有调频回路，此调频回路包括电容C5、电阻R6和电容C8,电阻R6和电容C8串接 于自激式全桥驱动器的RT端，电阻R6与电容C8的连接节点连接至自激式全桥驱动器U4 的CT端并通过电容C5第二开关管Q5的漏极。
[0012] 上述单片机控制电路的通讯接口连接有蓝牙模块或NRF模块。
[0013]采用上述方案后，本实用新型的小功率HID灯驱动电路，其降压电路采用脉宽调 制式DC-DC电路，包括运算放大器、电流控制型脉宽调制器和第一开关管，降压电路的输出 电压由电流控制型脉宽调制器的输出脉宽决定，而电流控制型脉宽调制器输出的脉宽由运 算放大器进行调节。本实用新型通过在降压电路的运算放大器的反相输入端连接有基准电 阻，此基准电阻由可调电阻与数控电阻并联后与第三电阻相串联，全桥输出电流的反馈信 号流入运放的同相输入端，此反馈信号的反馈输入值只与基准电阻的阻值有关，最终可通 过控制基准电阻中的数控电阻的阻值来改变电路的输出功率（灯功率）。当数控电阻的阻 值越大导致反馈电阻越大，则灯功率越大；反之，数控电阻的阻值越小导致反馈电阻越小， 则灯功率越小。使用者通过操作部件对单片机控制电路发出指令，单片机控制电路输出控 制信号给数控电阻，控制数控电阻的阻值，从而实现人为地自由改变HID灯的输出功率、调 节HID灯亮度。
[0014]本实用新型的小功率HID灯驱动电路，刚启动时单片机控制电路输出低电平至全 桥逆变及点火电路的第二开关管Q5的栅极，第二开关管Q5截止，这时候自激式全桥驱动器 U4输出的方波频率由其第三、第四脚之间的电阻R6和电容C8设定，此时方波频率较高，通 过此高频方波进行点灯，有助于HID灯在启动时，有利于电弧的形成和维持，HID灯较易点 亮；当HID灯进入稳态后，单片机控制电路通过输出高电平把第二开关管Q5导通，此时电容 C5与电容C8并联，自激式全桥驱动器U4第三、第四脚之间的方波设置频率变小，通过此低 频方波供给HID灯工作，使用低频方波驱动电路在理想情况上可以提供灯管一恒定功率， 避免了在高频工作时可能发生的声谐振现象。而且，本实用新型中，采用高频谐振点灯只需 要一组电感器和电容器，不需要其他的倍压电路，升压变压器等，所需器件少，成本较低。
[0015]本实用新型的小功率HID灯驱动电路，单片机控制电路的通讯接口连接有蓝牙模 块或NRF模块，通过此蓝牙模块或NRF模块，配合遥控器，可对驱动电路进行远程控制，对 HID灯进行调光、定时和开关灯等操作，使用很方便。
【附图说明】
[0016] 图1为本实用新型的电路原理框图；
[0017] 图2为图1中功率因数校正电路的电路原理图；
[0018] 图3为图1中降压电路的电路原理图；
[0019] 图4为图3中运算放大器与电流控制型脉宽调制器的功率控制原理图；
[0020] 图5为图1中全桥逆变及点火电路的电路原理图；
[0021] 图6为图1中单片机控制电路的电路原理图；
[0022] 图7为本实用新型中数字电位器X9313的功能框图；
[0023] 图8为本实用新型中单片机控制电路的信号处理流程图；
[0024] 图9为本实用新型中遥控端显示屏的菜单示意图；
[0025] 图10为本实用新型中调功电阻阻值与输出功率关系图。
【具体实施方式】
[0026] 本实用新型的小功率HID灯驱动电路，如图1所示，包括EMI整流/滤波电路、功 率因数校正电路、降压电路、DC/AC全桥逆变及点火电路和单片机控制电路。EMI整流/滤 波电路的输入端连接市电输入电源~220V，EMI整流/滤波电路的输出端依次连接功率因 数校正电路、降压电路和DC/AC全桥逆变及点火电路，DC/AC全桥逆变及点火电路的输出端 连接负载，单片机控制电路的输出端分别与功率因数校正电路、降压电路和全桥逆变及点 火电路的相应控制端相连接。
[0027] 电磁干扰（EMI)是因电磁波造成设备、传输通道或系统性能降低的一种电磁现 象。因此，在电路的输入端就要抑制电磁干扰，从而得到一个稳定的系统。为了保证HID灯 驱动电路能够正常工作，本实用新型中，设置了EMI整流/滤波电路，市电~220V电压经过 EMI共模滤波到整流桥，输出310V脉动直流电压作为整个驱动电路的供电电源。为了提高 驱动电路的工作可靠性，本实用新型还配备有辅助电源。
[0028] 交流输入经滤波和整流后，非线性负载使波形畸变，输入电流呈脉冲波形，含有大 量的谐波分量，造成功率因数低。为了提高功率因数，本实用新型设置了功率因数校正电 路。
[0029] 如图2所示，功率因数校正电路主要由功率因数校正控制器Ul(L6561D)、变压器 T3、功率开关管Q7、二极管D4、输出电容C25及反馈网络构成。功率因数校正控制器Ul使用 瞬时模式技术（TransitionModeTechnique)来达到使输入电流为sin波形、S卩电流与电 压同相位的目的。电路中电阻R18、R19构成电压分压网络，用于检测输入电压波形和相位，经 功率因数校正控制器Ul的第3脚输入，作为乘法器的一输入源。升压后电压经电阻R25、R26 分压输入功率因数校正控制器Ul的第1脚与IC内部参考点位作比较后，再经第1脚与第 2脚两端之间的补偿网络输出，以作为内部乘法器的另一输入源，这两个电压经乘法器乘积 后，可得一比例弦波参考电压VHt)做为功率开关截止时机的依据。功率因数校正控制器Ul 的第7脚输出驱动信号，电阻R22起到让功率开关管Q7慢导通快截止功能，当功率因数校正 控制器Ul的第7脚闸级驱动信号使功率开关管Q7导通时，电感电流依di/dt斜率上升，流 经电阻R24，取电阻R24的跨压VK24经功率因数校正控制器Ul的第4脚与参考电压V作比 较，当VSK21>VHt)时，功率因数校正控制器Ul的第7脚拉低电压，使功率开关管Q7截止。变 压器T3初级线圈主要用作升压电感，次级线圈检测电感电流过零信号，电阻R21是电感电流 检测电阻。功率因数校正控制器Ul有输出过压保护（OVP)功能，当输出电压过大时，过冲 电流经过电阻R25流进功率因数校正控制器Ul的误差放大器，如果流入误差放大器的电流 大于40yA，功率因数校正控制器Ul将关闭驱动输出以保护电路。
[0030] 通过前级的功率因数校正电路之后，可以得到一个稳定的400V直流电压，但HID 灯的工作电压远低于400V，所以需要通过降压电路把400V的直流电进行降压。
[0031] 本实用新型中采用的是脉宽调制（PWM)式DC-DC电路。如图3所示，降压电路包 括运算放大器U2 (LM2904)、电流控制型脉宽调制器U3 (UC3845)和开关管Q6 (4N60)。降压 电路的输出电压由电流控制型脉宽调制器U3的输出脉宽决定，而电流控制型脉宽调制器 U3输出的脉宽由运算放大器U2进行调节。运算放大器U2的同相输入端（第3脚）通过电 阻R9和二极管D3连接至开关管Q6的源极，运算放大器U2的反相输入端（第2脚）连接 有基准电阻，此基准电阻包括电阻R8、电阻Rx和电阻R10,电阻R8与电阻Rx并联后与电阻 RlO相串联，电阻R8为可调电阻，电阻Rx为数控电阻。运算放大器U2的输出端（第1脚） 连接电流控制型脉宽调制器U3的输入端（第2脚），电流控制型脉宽调制器U3的输出端 (第6脚）通过变压器T2连接至开关管Q6的栅极，开关管Q6的漏极连接功率因数校正电 路的输出端（直流400V电压），开关管Q6的源极为降压电路的输出端。
[0032] 运算放大器U2(LM2904 )与电流控制型脉宽调制器U3(UC3845)的电路可以简化为 如图4所示的功率控制图，功率的变化实质上为PWM占空比的改变，因此图4也是PWM占空 比的控制图。如图4所示，电阻R8与数控电阻R、并联后再与电阻R1(|串联构成基准电阻， 运算放大器U2的第1脚为其输出端，电阻R7为反馈电阻。KJump为全桥输出电流的反馈信 号，KiIump通过一个与之串联的以地为参考取样电阻R15转换成电压，再过一个电阻R9经运 算放大器U2的第3脚流入运放的同相输入端。
[0033] 根据图4可得基准电阻W=R1JR8ZVRx (1-1)
[0034] 电流控制型脉宽调制器U3的误差放大器具有极高的开路增益，因此在闭合回路 的情况下，同相比例运放器的输出电压会在Vkef附近做微小的变动，在误差放大器开路增益 极大的情况下，可以假设同相比例运放的输出为1?=VKEF，由此可得到下面的关系式
[0039] 电路在低频稳态工作时，根据HID灯的负阻特性可以得知电压Vump基本保持不变。 从公式1-4中可以得到Pump只与R'有关，而基准电阻可由公式1-1可知只与Rx有关，所以 通过控制数控电阻Rx(X9313D)来改变电路的输出功率的方法是可行的。当Rx的阻值越大 导致R'越大，则Pump越大；反之，R^阻值越小导致R'越小，则PUMP越小。
[0040] 表2为R'值与输出功率，输入功率，效率的对照表，如表2所示，当R'阻值大约 在9. 8KQ左右时，大约在半功率点20W左右，而当R'阻值约在18KQ时，输出功率达到额 定功率值。由图10可看出阻值与输出功率呈现正比例关系。
[0041]表 2
[0042]
[0043] 如图4、图6所示，数控电阻Rx的控制端连接至单片机控制电路的相应输出端（数 控电阻心的CT脚、以万脚和祝芒脚分别连接至单片机控制电路的主控芯片U5的10脚、32 脚和33脚），为了实现单片机控制电路对数控电阻的阻值调节，可在单片机控制电路的相 应控制端连接有按键等调节部件，通过此调节部件对单片机控制电路进行现场控制，调节 数控电阻Rx的阻值实现人为地自由改变HID灯的输出功率、调节HID灯亮度；为了方便使 用，可通过无线的方式对单片机控制电路进行控制，如，通过单片机控制电路的通讯接口连 接有蓝牙模块或NRF模块，配合遥控器对单片机控制电路进行远程控制，调节数控电阻Rx 的阻值实现人为地自由改变HID灯的输出功率、调节HID灯亮度。采用远程控制的方式大 大改善了用户的作业难度，而且能实现调功功能可以根据用户自行需求实时根据情况改变 HID灯亮度节约能源。
[0044] 如图9所示，根据需要实现的功能，将遥控端显示屏的Menu分为了四个一级选项， 有当前状态显示，定时模式，调节功率及关闭HID灯。当前状态显示即将HID灯的系统时间 和功率实时在显示屏上显示以便更好的控制；定时模式即将HID定时关闭；调节功率顾名 思义就是用来调节HID灯的亮度；关闭即实时将HID灯关闭即使处于定时模式下。
[0045] 如图7所示，本实用新型中，数控电阻Rx(数字电位器X9313WSZ)内部包含控制电 路、五位二进制可逆计数器、32选1译码器、五位E2PROM及电阻阵列。电阻阵列包含有31 个电阻单元，在每个单元的两个端点都有可被滑动单元访问的抽头点，它的最大电阻值为 IOKD。对滑动单元抽头点位置的访问由斤、L'/万和1三个输入端所输入的数据经五 位可逆计数器计数，32选1译码器译码后控制单接点的电子开关来实现。在滑动端改变抽 头位置时以"先接通后断开"的方式进行工作。X9313WSZ的分辨率为10000/31 = 323 D。 表1为数字电位器X9313WSZ的引脚说明。
[0046]表1
[0047]
[0048]如图5所示，全桥逆变及点火电路包括开关管Q5、自激式全桥驱动器U4(IRS2453)、桥式逆变电路和变压器T1。
[0049] 由4个功率开关管〇1、〇2、〇3、〇4组成桥式逆变电路，功率开关管〇1、〇4及功率开 关管Q2、Q3分别组成两个导通回路，当功率开关管Ql、Q4导通时，功率开关管Q2、Q3断开， 输入电流经功率开关管Q1、变压器Tl的原绕组线圈和功率开关管Q4形成回路；同理，当功 率开关管Q2、Q3导通时，功率开关管Ql、Q4断开，输入电流经功率开关管Q3、变压器Tl的 原绕组线圈和功率开关管Q2形成回路，两对MOS管交替导通，输出的低频方波给HID灯供 电，使HID灯能够稳定的工作。
[0050] 开关管Q5的栅极连接单片机控制电路的输出端，自激式全桥驱动器U4连接有调 频回路，此调频回路包括电容C5、电阻R6和电容C8,电阻R6和电容C8串接于自激式全桥 驱动器U4的RT端（4脚），电阻R6与电容C8的连接节点连接至自激式全桥驱动器U4的 CT端（3脚）并通过电容C5第二开关管Q5的漏极。
[0051] 本实用新型采用高频点灯，低频稳态工作，所以电路需要一次高频转低频的动作。 刚启动时单片机控制电路输出低电平至全桥逆变及点火电路的开关管Q5的栅极，开关管 Q5截止，这时候自激式全桥驱动器U4输出的方波频率由其第3、第4脚之间的电阻R6和电 容C8设定，频率公式为F= 1八1. 453*R6*C8)，此时方波频率较高，通过此高频方波进行点 灯，有助于HID灯在启动时，有利于电弧的形成和维持，HID灯较易点亮；当HID灯进入稳态 后，单片机控制电路通过输出高电平把开关管Q5导通，此时电容C5与电容C8并联，第三第 四脚之间的方波设置频率变为F= 1/[1.453*R6*(C8+C5)]，自激式全桥驱动器U4第3、第 4脚之间的方波设置频率变小，通过此低频方波供给HID灯工作，使用低频方波驱动电路在 理想情况上可以提供灯管一恒定功率，避免了在高频工作时可能发生的声谐振现象。而且， 本实用新型中，采用高频谐振点灯只需要一组电感器和电容器，不需要其他的倍压电路，升 压变压器等，所需器件少，成本较低。
[0052] 单片机控制电路如图6所示，其主控芯片U5采用以ARMCortex_M3为内核的 STM32F103,接收蓝牙模块或NRF模块传送的信号，进行驱动电路的调控。主控芯片U5的最 小系统电路由晶振电路、复位电路、指示灯电路组成。晶振电路的两个晶振电路各司其职， 8MHSE晶振用作PLL倍频；32. 768K晶振为外部低频晶振，也称时钟晶振，计时与系统待机 时使用。电源模块AMSl17将辅助电源的15V转化为3. 3V给主控芯片U5、NRF模块、蓝牙模 块、数字电位器X9313WSZ供电。
[0053]在HID灯开启，系统进入恒功率状态后，主控芯片U5就一直处于检测电路是否异 常与是否有接收到信号的状态中。若有远程端发送来信号被接收后，主控芯片U5开始读取 接收寄存器状态指令，状态指令为可读的情况下，读取接收指令，接收的数据以及长度，否 则清空缓冲区。接下来，判断校验和与帧头，都正确后开始判断功能字。根据接收到的功能 字，执行相对应的指令动作。主控芯片U5信号处理程序流程如图8所示。
[0054]通过长时间的通电实验，本实用新型的驱动电路在交流电170V~265V的输入电 压波动情况下，HID灯驱动电路工作稳定，恒功率工作，功率因素大于0. 93,工作效率约为 87%，无声谐振现象。可以很好地实现对金卤灯的远程控制。实验结果表明，该电路可为公 共照明的HID灯提供一种高性价比、节能的驱动电路。
【主权项】
1. 小功率HID灯驱动电路，包括依次相连接的整流滤波电路、功率因数校正电路、降压 电路和全桥逆变及点火电路，整流滤波电路的输入端连接市电电源，全桥逆变及点火电路 的输出端连接负载；还包括单片机控制电路，单片机控制电路的输出端分别与功率因数校 正电路、降压电路和全桥逆变及点火电路的相应控制端相连接；其特征在于： 降压电路包括运算放大器、电流控制型脉宽调制器和第一开关管，运算放大器的同相 输入端连接至第一开关管的源极，运算放大器的反相输入端连接有基准电阻，此基准电阻 包括第一电阻、第二电阻和第三电阻，第一电阻与第二电阻并联后与第三电阻相串联，第一 电阻为可调电阻，第二电阻为数控电阻；运算放大器的输出端连接电流控制型脉宽调制器 的输入端，电流控制型脉宽调制器的输出端连接第一开关管的栅极，第一开关管的漏极连 接功率因数校正电路的输出端，第一开关管的源极为降压电路的输出端；数控电阻的控制 端连接至单片机控制电路的相应输出端，且单片机控制电路以有线或无线的方式连接有用 以调节数控电阻的阻值的调节部件。2. 根据权利要求1所述的小功率HID灯驱动电路，其特征在于：上述单片机控制电路 以ARM Cortex-M3内核的STM32F103作为主控芯片；上述运算放大器的型号为LM2904,上 述电流控制型脉宽调制器的型号为UC3845,上述第一开关管的型号为4N60,上述数控电阻 采用数字电位器X9313WSZ。3. 根据权利要求1所述的小功率HID灯驱动电路，其特征在于：上述全桥逆变及点火 电路包括第二开关管Q5、自激式全桥驱动器U4、桥式逆变电路和变压器T1，第二开关管Q5 的栅极连接上述单片机控制电路的输出端，自激式全桥驱动器U4连接有调频回路，此调频 回路包括电容C5、电阻R6和电容C8,电阻R6和电容C8串接于自激式全桥驱动器的RT端， 电阻R6与电容C8的连接节点连接至自激式全桥驱动器U4的CT端并通过电容C5第二开 关管Q5的漏极。4. 根据权利要求1所述的小功率HID灯驱动电路，其特征在于：上述单片机控制电路 的通讯接口连接有蓝牙模块或NRF模块。
【专利摘要】本实用新型公开了一种小功率HID灯驱动电路，其降压电路采用脉宽调制式DC-DC电路，包括运算放大器、电流控制型脉宽调制器和第一开关管。本实用新型通过在降压电路的运算放大器的反相输入端连接有基准电阻，此基准电阻由可调电阻与数控电阻并联后与第三电阻相串联，全桥输出电流的反馈信号流入运放的同相输入端，此反馈信号的反馈输入值只与基准电阻的阻值有关，最终可通过控制基准电阻中的数控电阻的阻值来改变电路的输出功率(灯功率)。使用者通过操作部件对单片机控制电路发出指令，单片机控制电路输出控制信号给数控电阻，控制数控电阻的阻值，从而实现人为地自由改变HID灯的输出功率、调节HID灯亮度。
【IPC分类】H05B41/36, H05B41/38
【公开号】CN204697378
【申请号】CN201520316173
【发明人】潘玉灼
【申请人】泉州师范学院
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年5月15日
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及照明装置驱动电路，具体涉及一种小功率HID灯驱动电路。
【背景技术】
[0002] 照明光源是人类生活中不可或缺的要素，随着人口不断的增加，人们对于照明光 源之需求也日益增加。而高强度气体放电灯（HID)具有亮度高、发光效率高、不诱虫、寿命 长等良好的发光特性，因而具有研宄的价值。
[0003] 现有的小功率HID灯，其驱动电路一般都只是采用从HID灯工作电流得到反馈进 行恒功率控制，无法人为地自由改变HID灯的输出功率、调节HID灯的亮度。
[0004] 现有的小功率HID灯，为了有效地避免声谐振现象，在稳态时采用低频方波驱动， 这样低频方波的频率范围远低于音频共振频带，可延长HID灯的使用寿命。但如果启动时 也采用低频驱动方波进行点灯，不利于HID灯在启动时电弧的形成和维持，HID灯不易点 亮。
[0005] 另外，现有HID灯的控制方式大部分只用有线电源开关，使用时只能通过现场手 动对HID灯进行调光、定时和开关灯等操作，使用不太方便。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型的目的是提供一种可人为地自由改变HID灯的输出功率、调节HID灯 亮度的小功率HID灯驱动电路。
[0007] 为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
[0008] 小功率HID灯驱动电路，包括依次相连接的整流滤波电路、功率因数校正电路、降 压电路和全桥逆变及点火电路，整流滤波电路的输入端连接市电电源，全桥逆变及点火电 路的输出端连接负载；还包括单片机控制电路，单片机控制电路的输出端分别与功率因数 校正电路、降压电路和全桥逆变及点火电路的相应控制端相连接；
[0009] 降压电路包括运算放大器、电流控制型脉宽调制器和第一开关管，运算放大器的 同相输入端连接至第一开关管的源极，运算放大器的反相输入端连接有基准电阻，此基准 电阻包括第一电阻、第二电阻和第三电阻，第一电阻与第二电阻并联后与第三电阻相串联， 第一电阻为可调电阻，第二电阻为数控电阻；运算放大器的输出端连接电流控制型脉宽调 制器的输入端，电流控制型脉宽调制器的输出端连接第一开关管的栅极，第一开关管的漏 极连接功率因数校正电路的输出端，第一开关管的源极为降压电路的输出端；数控电阻的 控制端连接至单片机控制电路的相应输出端，且单片机控制电路以有线或无线的方式连接 有用以调节数控电阻的阻值的调节部件。
[0010] 上述单片机控制电路以ARM Cortex-M3内核的STM32F103作为主控芯片；上述运 算放大器的型号为LM2904,上述电流控制型脉宽调制器的型号为UC3845,上述第一开关管 的型号为4N60，上述数控电阻采用数字电位器X9313WSZ。
[0011] 上述全桥逆变及点火电路包括第二开关管Q5、自激式全桥驱动器U4、桥式逆变电 路和变压器T1，第二开关管Q5的栅极连接上述单片机控制电路的输出端，自激式全桥驱动 器U4连接有调频回路，此调频回路包括电容C5、电阻R6和电容C8,电阻R6和电容C8串接 于自激式全桥驱动器的RT端，电阻R6与电容C8的连接节点连接至自激式全桥驱动器U4 的CT端并通过电容C5第二开关管Q5的漏极。
[0012] 上述单片机控制电路的通讯接口连接有蓝牙模块或NRF模块。
[0013]采用上述方案后，本实用新型的小功率HID灯驱动电路，其降压电路采用脉宽调 制式DC-DC电路，包括运算放大器、电流控制型脉宽调制器和第一开关管，降压电路的输出 电压由电流控制型脉宽调制器的输出脉宽决定，而电流控制型脉宽调制器输出的脉宽由运 算放大器进行调节。本实用新型通过在降压电路的运算放大器的反相输入端连接有基准电 阻，此基准电阻由可调电阻与数控电阻并联后与第三电阻相串联，全桥输出电流的反馈信 号流入运放的同相输入端，此反馈信号的反馈输入值只与基准电阻的阻值有关，最终可通 过控制基准电阻中的数控电阻的阻值来改变电路的输出功率（灯功率）。当数控电阻的阻 值越大导致反馈电阻越大，则灯功率越大；反之，数控电阻的阻值越小导致反馈电阻越小， 则灯功率越小。使用者通过操作部件对单片机控制电路发出指令，单片机控制电路输出控 制信号给数控电阻，控制数控电阻的阻值，从而实现人为地自由改变HID灯的输出功率、调 节HID灯亮度。
[0014]本实用新型的小功率HID灯驱动电路，刚启动时单片机控制电路输出低电平至全 桥逆变及点火电路的第二开关管Q5的栅极，第二开关管Q5截止，这时候自激式全桥驱动器 U4输出的方波频率由其第三、第四脚之间的电阻R6和电容C8设定，此时方波频率较高，通 过此高频方波进行点灯，有助于HID灯在启动时，有利于电弧的形成和维持，HID灯较易点 亮；当HID灯进入稳态后，单片机控制电路通过输出高电平把第二开关管Q5导通，此时电容 C5与电容C8并联，自激式全桥驱动器U4第三、第四脚之间的方波设置频率变小，通过此低 频方波供给HID灯工作，使用低频方波驱动电路在理想情况上可以提供灯管一恒定功率， 避免了在高频工作时可能发生的声谐振现象。而且，本实用新型中，采用高频谐振点灯只需 要一组电感器和电容器，不需要其他的倍压电路，升压变压器等，所需器件少，成本较低。
[0015]本实用新型的小功率HID灯驱动电路，单片机控制电路的通讯接口连接有蓝牙模 块或NRF模块，通过此蓝牙模块或NRF模块，配合遥控器，可对驱动电路进行远程控制，对 HID灯进行调光、定时和开关灯等操作，使用很方便。
【附图说明】
[0016] 图1为本实用新型的电路原理框图；
[0017] 图2为图1中功率因数校正电路的电路原理图；
[0018] 图3为图1中降压电路的电路原理图；
[0019] 图4为图3中运算放大器与电流控制型脉宽调制器的功率控制原理图；
[0020] 图5为图1中全桥逆变及点火电路的电路原理图；
[0021] 图6为图1中单片机控制电路的电路原理图；
[0022] 图7为本实用新型中数字电位器X9313的功能框图；
[0023] 图8为本实用新型中单片机控制电路的信号处理流程图；
[0024] 图9为本实用新型中遥控端显示屏的菜单示意图；
[0025] 图10为本实用新型中调功电阻阻值与输出功率关系图。
【具体实施方式】
[0026] 本实用新型的小功率HID灯驱动电路，如图1所示，包括EMI整流/滤波电路、功 率因数校正电路、降压电路、DC/AC全桥逆变及点火电路和单片机控制电路。EMI整流/滤 波电路的输入端连接市电输入电源~220V，EMI整流/滤波电路的输出端依次连接功率因 数校正电路、降压电路和DC/AC全桥逆变及点火电路，DC/AC全桥逆变及点火电路的输出端 连接负载，单片机控制电路的输出端分别与功率因数校正电路、降压电路和全桥逆变及点 火电路的相应控制端相连接。
[0027] 电磁干扰（EMI)是因电磁波造成设备、传输通道或系统性能降低的一种电磁现 象。因此，在电路的输入端就要抑制电磁干扰，从而得到一个稳定的系统。为了保证HID灯 驱动电路能够正常工作，本实用新型中，设置了EMI整流/滤波电路，市电~220V电压经过 EMI共模滤波到整流桥，输出310V脉动直流电压作为整个驱动电路的供电电源。为了提高 驱动电路的工作可靠性，本实用新型还配备有辅助电源。
[0028] 交流输入经滤波和整流后，非线性负载使波形畸变，输入电流呈脉冲波形，含有大 量的谐波分量，造成功率因数低。为了提高功率因数，本实用新型设置了功率因数校正电 路。
[0029] 如图2所示，功率因数校正电路主要由功率因数校正控制器Ul(L6561D)、变压器 T3、功率开关管Q7、二极管D4、输出电容C25及反馈网络构成。功率因数校正控制器Ul使用 瞬时模式技术（TransitionModeTechnique)来达到使输入电流为sin波形、S卩电流与电 压同相位的目的。电路中电阻R18、R19构成电压分压网络，用于检测输入电压波形和相位，经 功率因数校正控制器Ul的第3脚输入，作为乘法器的一输入源。升压后电压经电阻R25、R26 分压输入功率因数校正控制器Ul的第1脚与IC内部参考点位作比较后，再经第1脚与第 2脚两端之间的补偿网络输出，以作为内部乘法器的另一输入源，这两个电压经乘法器乘积 后，可得一比例弦波参考电压VHt)做为功率开关截止时机的依据。功率因数校正控制器Ul 的第7脚输出驱动信号，电阻R22起到让功率开关管Q7慢导通快截止功能，当功率因数校正 控制器Ul的第7脚闸级驱动信号使功率开关管Q7导通时，电感电流依di/dt斜率上升，流 经电阻R24，取电阻R24的跨压VK24经功率因数校正控制器Ul的第4脚与参考电压V作比 较，当VSK21>VHt)时，功率因数校正控制器Ul的第7脚拉低电压，使功率开关管Q7截止。变 压器T3初级线圈主要用作升压电感，次级线圈检测电感电流过零信号，电阻R21是电感电流 检测电阻。功率因数校正控制器Ul有输出过压保护（OVP)功能，当输出电压过大时，过冲 电流经过电阻R25流进功率因数校正控制器Ul的误差放大器，如果流入误差放大器的电流 大于40yA，功率因数校正控制器Ul将关闭驱动输出以保护电路。
[0030] 通过前级的功率因数校正电路之后，可以得到一个稳定的400V直流电压，但HID 灯的工作电压远低于400V，所以需要通过降压电路把400V的直流电进行降压。
[0031] 本实用新型中采用的是脉宽调制（PWM)式DC-DC电路。如图3所示，降压电路包 括运算放大器U2 (LM2904)、电流控制型脉宽调制器U3 (UC3845)和开关管Q6 (4N60)。降压 电路的输出电压由电流控制型脉宽调制器U3的输出脉宽决定，而电流控制型脉宽调制器 U3输出的脉宽由运算放大器U2进行调节。运算放大器U2的同相输入端（第3脚）通过电 阻R9和二极管D3连接至开关管Q6的源极，运算放大器U2的反相输入端（第2脚）连接 有基准电阻，此基准电阻包括电阻R8、电阻Rx和电阻R10,电阻R8与电阻Rx并联后与电阻 RlO相串联，电阻R8为可调电阻，电阻Rx为数控电阻。运算放大器U2的输出端（第1脚） 连接电流控制型脉宽调制器U3的输入端（第2脚），电流控制型脉宽调制器U3的输出端 (第6脚）通过变压器T2连接至开关管Q6的栅极，开关管Q6的漏极连接功率因数校正电 路的输出端（直流400V电压），开关管Q6的源极为降压电路的输出端。
[0032] 运算放大器U2(LM2904 )与电流控制型脉宽调制器U3(UC3845)的电路可以简化为 如图4所示的功率控制图，功率的变化实质上为PWM占空比的改变，因此图4也是PWM占空 比的控制图。如图4所示，电阻R8与数控电阻R、并联后再与电阻R1(|串联构成基准电阻， 运算放大器U2的第1脚为其输出端，电阻R7为反馈电阻。KJump为全桥输出电流的反馈信 号，KiIump通过一个与之串联的以地为参考取样电阻R15转换成电压，再过一个电阻R9经运 算放大器U2的第3脚流入运放的同相输入端。
[0033] 根据图4可得基准电阻W=R1JR8ZVRx (1-1)
[0034] 电流控制型脉宽调制器U3的误差放大器具有极高的开路增益，因此在闭合回路 的情况下，同相比例运放器的输出电压会在Vkef附近做微小的变动，在误差放大器开路增益 极大的情况下，可以假设同相比例运放的输出为1?=VKEF，由此可得到下面的关系式
[0039] 电路在低频稳态工作时，根据HID灯的负阻特性可以得知电压Vump基本保持不变。 从公式1-4中可以得到Pump只与R'有关，而基准电阻可由公式1-1可知只与Rx有关，所以 通过控制数控电阻Rx(X9313D)来改变电路的输出功率的方法是可行的。当Rx的阻值越大 导致R'越大，则Pump越大；反之，R^阻值越小导致R'越小，则PUMP越小。
[0040] 表2为R'值与输出功率，输入功率，效率的对照表，如表2所示，当R'阻值大约 在9. 8KQ左右时，大约在半功率点20W左右，而当R'阻值约在18KQ时，输出功率达到额 定功率值。由图10可看出阻值与输出功率呈现正比例关系。
[0041]表 2
[0042]
[0043] 如图4、图6所示，数控电阻Rx的控制端连接至单片机控制电路的相应输出端（数 控电阻心的CT脚、以万脚和祝芒脚分别连接至单片机控制电路的主控芯片U5的10脚、32 脚和33脚），为了实现单片机控制电路对数控电阻的阻值调节，可在单片机控制电路的相 应控制端连接有按键等调节部件，通过此调节部件对单片机控制电路进行现场控制，调节 数控电阻Rx的阻值实现人为地自由改变HID灯的输出功率、调节HID灯亮度；为了方便使 用，可通过无线的方式对单片机控制电路进行控制，如，通过单片机控制电路的通讯接口连 接有蓝牙模块或NRF模块，配合遥控器对单片机控制电路进行远程控制，调节数控电阻Rx 的阻值实现人为地自由改变HID灯的输出功率、调节HID灯亮度。采用远程控制的方式大 大改善了用户的作业难度，而且能实现调功功能可以根据用户自行需求实时根据情况改变 HID灯亮度节约能源。
[0044] 如图9所示，根据需要实现的功能，将遥控端显示屏的Menu分为了四个一级选项， 有当前状态显示，定时模式，调节功率及关闭HID灯。当前状态显示即将HID灯的系统时间 和功率实时在显示屏上显示以便更好的控制；定时模式即将HID定时关闭；调节功率顾名 思义就是用来调节HID灯的亮度；关闭即实时将HID灯关闭即使处于定时模式下。
[0045] 如图7所示，本实用新型中，数控电阻Rx(数字电位器X9313WSZ)内部包含控制电 路、五位二进制可逆计数器、32选1译码器、五位E2PROM及电阻阵列。电阻阵列包含有31 个电阻单元，在每个单元的两个端点都有可被滑动单元访问的抽头点，它的最大电阻值为 IOKD。对滑动单元抽头点位置的访问由斤、L'/万和1三个输入端所输入的数据经五 位可逆计数器计数，32选1译码器译码后控制单接点的电子开关来实现。在滑动端改变抽 头位置时以"先接通后断开"的方式进行工作。X9313WSZ的分辨率为10000/31 = 323 D。 表1为数字电位器X9313WSZ的引脚说明。
[0046]表1
[0047]
[0048]如图5所示，全桥逆变及点火电路包括开关管Q5、自激式全桥驱动器U4(IRS2453)、桥式逆变电路和变压器T1。
[0049] 由4个功率开关管〇1、〇2、〇3、〇4组成桥式逆变电路，功率开关管〇1、〇4及功率开 关管Q2、Q3分别组成两个导通回路，当功率开关管Ql、Q4导通时，功率开关管Q2、Q3断开， 输入电流经功率开关管Q1、变压器Tl的原绕组线圈和功率开关管Q4形成回路；同理，当功 率开关管Q2、Q3导通时，功率开关管Ql、Q4断开，输入电流经功率开关管Q3、变压器Tl的 原绕组线圈和功率开关管Q2形成回路，两对MOS管交替导通，输出的低频方波给HID灯供 电，使HID灯能够稳定的工作。
[0050] 开关管Q5的栅极连接单片机控制电路的输出端，自激式全桥驱动器U4连接有调 频回路，此调频回路包括电容C5、电阻R6和电容C8,电阻R6和电容C8串接于自激式全桥 驱动器U4的RT端（4脚），电阻R6与电容C8的连接节点连接至自激式全桥驱动器U4的 CT端（3脚）并通过电容C5第二开关管Q5的漏极。
[0051] 本实用新型采用高频点灯，低频稳态工作，所以电路需要一次高频转低频的动作。 刚启动时单片机控制电路输出低电平至全桥逆变及点火电路的开关管Q5的栅极，开关管 Q5截止，这时候自激式全桥驱动器U4输出的方波频率由其第3、第4脚之间的电阻R6和电 容C8设定，频率公式为F= 1八1. 453*R6*C8)，此时方波频率较高，通过此高频方波进行点 灯，有助于HID灯在启动时，有利于电弧的形成和维持，HID灯较易点亮；当HID灯进入稳态 后，单片机控制电路通过输出高电平把开关管Q5导通，此时电容C5与电容C8并联，第三第 四脚之间的方波设置频率变为F= 1/[1.453*R6*(C8+C5)]，自激式全桥驱动器U4第3、第 4脚之间的方波设置频率变小，通过此低频方波供给HID灯工作，使用低频方波驱动电路在 理想情况上可以提供灯管一恒定功率，避免了在高频工作时可能发生的声谐振现象。而且， 本实用新型中，采用高频谐振点灯只需要一组电感器和电容器，不需要其他的倍压电路，升 压变压器等，所需器件少，成本较低。
[0052] 单片机控制电路如图6所示，其主控芯片U5采用以ARMCortex_M3为内核的 STM32F103,接收蓝牙模块或NRF模块传送的信号，进行驱动电路的调控。主控芯片U5的最 小系统电路由晶振电路、复位电路、指示灯电路组成。晶振电路的两个晶振电路各司其职， 8MHSE晶振用作PLL倍频；32. 768K晶振为外部低频晶振，也称时钟晶振，计时与系统待机 时使用。电源模块AMSl17将辅助电源的15V转化为3. 3V给主控芯片U5、NRF模块、蓝牙模 块、数字电位器X9313WSZ供电。
[0053]在HID灯开启，系统进入恒功率状态后，主控芯片U5就一直处于检测电路是否异 常与是否有接收到信号的状态中。若有远程端发送来信号被接收后，主控芯片U5开始读取 接收寄存器状态指令，状态指令为可读的情况下，读取接收指令，接收的数据以及长度，否 则清空缓冲区。接下来，判断校验和与帧头，都正确后开始判断功能字。根据接收到的功能 字，执行相对应的指令动作。主控芯片U5信号处理程序流程如图8所示。
[0054]通过长时间的通电实验，本实用新型的驱动电路在交流电170V~265V的输入电 压波动情况下，HID灯驱动电路工作稳定，恒功率工作，功率因素大于0. 93,工作效率约为 87%，无声谐振现象。可以很好地实现对金卤灯的远程控制。实验结果表明，该电路可为公 共照明的HID灯提供一种高性价比、节能的驱动电路。
【主权项】
1. 小功率HID灯驱动电路，包括依次相连接的整流滤波电路、功率因数校正电路、降压 电路和全桥逆变及点火电路，整流滤波电路的输入端连接市电电源，全桥逆变及点火电路 的输出端连接负载；还包括单片机控制电路，单片机控制电路的输出端分别与功率因数校 正电路、降压电路和全桥逆变及点火电路的相应控制端相连接；其特征在于： 降压电路包括运算放大器、电流控制型脉宽调制器和第一开关管，运算放大器的同相 输入端连接至第一开关管的源极，运算放大器的反相输入端连接有基准电阻，此基准电阻 包括第一电阻、第二电阻和第三电阻，第一电阻与第二电阻并联后与第三电阻相串联，第一 电阻为可调电阻，第二电阻为数控电阻；运算放大器的输出端连接电流控制型脉宽调制器 的输入端，电流控制型脉宽调制器的输出端连接第一开关管的栅极，第一开关管的漏极连 接功率因数校正电路的输出端，第一开关管的源极为降压电路的输出端；数控电阻的控制 端连接至单片机控制电路的相应输出端，且单片机控制电路以有线或无线的方式连接有用 以调节数控电阻的阻值的调节部件。2. 根据权利要求1所述的小功率HID灯驱动电路，其特征在于：上述单片机控制电路 以ARM Cortex-M3内核的STM32F103作为主控芯片；上述运算放大器的型号为LM2904,上 述电流控制型脉宽调制器的型号为UC3845,上述第一开关管的型号为4N60,上述数控电阻 采用数字电位器X9313WSZ。3. 根据权利要求1所述的小功率HID灯驱动电路，其特征在于：上述全桥逆变及点火 电路包括第二开关管Q5、自激式全桥驱动器U4、桥式逆变电路和变压器T1，第二开关管Q5 的栅极连接上述单片机控制电路的输出端，自激式全桥驱动器U4连接有调频回路，此调频 回路包括电容C5、电阻R6和电容C8,电阻R6和电容C8串接于自激式全桥驱动器的RT端， 电阻R6与电容C8的连接节点连接至自激式全桥驱动器U4的CT端并通过电容C5第二开 关管Q5的漏极。4. 根据权利要求1所述的小功率HID灯驱动电路，其特征在于：上述单片机控制电路 的通讯接口连接有蓝牙模块或NRF模块。
【专利摘要】本实用新型公开了一种小功率HID灯驱动电路，其降压电路采用脉宽调制式DC-DC电路，包括运算放大器、电流控制型脉宽调制器和第一开关管。本实用新型通过在降压电路的运算放大器的反相输入端连接有基准电阻，此基准电阻由可调电阻与数控电阻并联后与第三电阻相串联，全桥输出电流的反馈信号流入运放的同相输入端，此反馈信号的反馈输入值只与基准电阻的阻值有关，最终可通过控制基准电阻中的数控电阻的阻值来改变电路的输出功率(灯功率)。使用者通过操作部件对单片机控制电路发出指令，单片机控制电路输出控制信号给数控电阻，控制数控电阻的阻值，从而实现人为地自由改变HID灯的输出功率、调节HID灯亮度。
【IPC分类】H05B41/36, H05B41/38
【公开号】CN204697378
【申请号】CN201520316173
【发明人】潘玉灼
【申请人】泉州师范学院
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年5月15日
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