基于相位调制的HID灯高频驱动电路的制作方法

本实用新型涉及HID灯领域，具体是HID灯的高频驱动电路。

背景技术：

随着电子科技的飞速发展以及人类对照明光源需求的不断增加，高强度气体放电(High Intensity Discharge，HID)灯由于具有无闪烁、不诱虫、灯光亮度大、穿透力强、使用寿命长、镇流器体积小、灯功率与光色彩可控等优势，得到了广泛应用。但由于其本身存在负阻的性质，需要采用高频电子驱动器来驱动。而高频驱动时也会引起了HID灯工作的最大难题，即声谐振现象，该现象会引起工作中的HID灯工作不稳定，亮度发生明显跳动，再强烈的表现就是灯管炸裂。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种基于相位调制的HID灯高频驱动电路，其可有效避免HID灯高频驱动下声谐振及其相关现象出现。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

基于相位调制的HID灯高频驱动电路，包括EMI滤波电路、整流电路、APFC电路、半桥逆变电路、点火电路和控制保护电路；EMI滤波电路的输入端连接交流电，输出端连接整流电路的输入端，由整流电路输出的直流电为APFC电路、半桥逆变电路和控制保护电路供电；APFC电路的输出端连接半桥逆变电路的输入端，金卤灯连接于半桥逆变电路的输出端，控制保护电路的各输出端分别连接APFC电路、半桥逆变电路和点火电路的相应控制端，点火电路的输出端连接于金卤灯的点火控制端；

控制保护电路包括PWM控制电路和电流检测模块，PWM控制电路的输出端连接于半桥逆变电路的控制端；电流检测模块串联在半桥逆变电路中，用以检测半桥逆变电路中电流周期性的变化；PWM控制电路包括PWM发生电路、白噪声发生电路和乘法器，白噪声发生电路的输出端分别连接至乘法器的两个输入端，PWM发生电路的第一、第二输出端分别对应连接于乘法器的两个输入端，乘法器的输出端连接至半桥逆变电路的控制端。

所述白噪声发生电路的芯片采用MM5837N数字噪声源集成电路芯片。

采用上述方案后，本实用新型的基于相位调制的HID灯高频驱动电路，利用PWM发生电路产生40kHz左右的PWM波，并在其两个输出端对波形进行捕捉；利用白噪声发生电路产生稳定的白噪声作为调制信号，将白噪声与PWM波经过模拟乘法器相乘，实现白噪声对PWM波的调制，将调制后的信号输入到半桥驱动电路。本实用新型采用相位调制的方式，将HID灯的功率频谱限制到不稳定临界值以下，有效避免了声谐振现象的出现，使得每个频率点上的亮度保持稳定，频率值不会发生明显变化,实验中也不会出现电弧闪烁、跳动等不稳定现象。此外，通过调整谐振频率还可实现对HID灯的调光。实验表明，白噪声调制对HID在高频驱动的声谐振的抑制是有效的。

附图说明

图1为本实用新型的电路原理框图；

图2为本实用新型的电路原理图；

图3为本实用新型中PWM控制电路的控制原理框图；

图4为本实用新型中PWM控制电路的控制原理图；

图5为本实用新型中乘法器的实验波形；

图6为本实用新型中白噪声调制后的电路系统的主要参数波形图；

图7为本实用新型中功率、效率与电压变化关系曲线图。

图8为本实用新型中频率、功率关系曲线图。

具体实施方式

本实用新型的基于相位调制的HID灯高频驱动电路，如图1-2所示，包括EMI滤波电路、整流电路、APFC电路、半桥逆变电路、点火电路和控制保护电路；EMI滤波电路的输入端连接交流电，输出端连接整流电路的输入端，由整流电路输出的直流电为APFC电路、半桥逆变电路和控制保护电路供电；APFC电路的输出端连接半桥逆变电路的输入端，金卤灯连接于半桥逆变电路的输出端，控制保护电路的各输出端分别连接APFC电路、半桥逆变电路和点火电路的相应控制端，点火电路的输出端连接于金卤灯的点火控制端。

控制保护电路包括PWM控制电路和电流检测模块，PWM控制电路的输出端连接于半桥逆变电路的控制端；电流检测模块串联在半桥逆变电路中，用以检测半桥逆变电路中电流周期性的变化。

如图3所示，PWM控制电路包括PWM发生电路、白噪声发生电路和乘法器，白噪声发生电路的输出端分别连接至乘法器的两个输入端，PWM发生电路的两个输出端(OUTA、OUTB)分别对应连接于乘法器的两个输入端，乘法器的输出端连接至半桥逆变电路的控制端。

工作时，175V-265V交流电经过EMI滤波电路滤波，再通过整流电路转变为波纹较小的平滑稳定直流电压，为APFC电路、半桥逆变电路和控制保护电路供电，然后让直流电经过APFC电路，APFC电路的控制芯片使交流输出电流波形跟踪交流输入电压波形，迫使输出电流接近正弦波，并与交流输入电压同步，实现高功率因数，最后再通过半桥逆变电路，MOS管Q1、Q2在PWM控制电路的控制下交互导通和断开，电容C_S与电感L、MOS管Q1、MOS管Q2构成的半桥电路将直流电转化为高频电流，由点火电路产生电压为3-5kV，脉宽为1微秒左右的高压脉冲，驱动金卤灯灯管，使之点亮并正常工作。

考虑到金卤灯工作时可能出现的异常情况，如金卤灯因老化问题无法正常工作，而点火电路不断地对其施加高压脉冲，此时就会导致电火花出现，继而影响整个电路系统；或当出现灯丝熔断，灯管漏气，或输出短路，而输入电源未切断时，就会引起电路温度过高，甚至起火燃烧。因此，本实用新型中设计了上述控制保护电路。

本实用新型中，可用的稳定的角度调制方式包括正弦波角度调制，PWM波角度调制以及锯齿波(对称扫描波)角度调制。考虑到实验中PWM波在调制时，具有频谱密度分布有规则，频谱特性良好以及所需带宽适中且容易获取等优点，本实用新型采取的实验方式为PWM波调制。鉴于相位调制与频率调制的频谱具有相似性，为了获取调制指数较高的光谱特性，只需考虑频率调制的频谱即可。

声谐振是在高频条件下驱动金卤灯时，在一定频率范围内出现的特有现象。在高频条件下驱动金卤灯时，管内压力波会在灯管内壁来回反射，当其相位与高频电流达到相同时，灯管与管壁会产生谐振现象。该现象会使电弧出现电弧弯曲、翻滚、摇晃，甚至引起电弧管爆裂。因此在设计金卤灯驱动电路时，为了能让金卤灯在稳定安全的状态下工作，我们必须考虑到声谐振现象的存在并且通过一定方式将其消除。解决声谐振问题的根本在于对声谐振的如下共识：驱动电路对金卤灯所提供的能量，在灯泡自身的某些声谐振特征频率点上的分量大于阀值能量，从而激发了声谐振。本实用新型应用白噪声调制方波的技术，使金卤灯驱动电路提供给灯在产生声谐振的频率点上的能量小于声谐振阀值能量，彻底消除高频点灯的声谐振问题。

当使用白噪声做为调制信号时，角度调制之间的主要差异体现于离散载波项的有无，在采用相位调制时，在频率为0时，噪声频谱会迅速消失且会残留部分载波项，此时噪声频谱的特征函数即为调频频谱中的载波项。白噪声的信号频谱通常会服从高斯分布。因此在本实用新型中，调频信号的频谱分布与高斯分布成正比。

本实用新型利用PWM发生器产生40kHz左右的方波，并在PWM发生器的OUTPUTA与OUTPUTB两个输出端对波形进行捕捉；利用白噪声发生电路产生稳定的白噪声作为调制信号，将白噪声与PWM波经过模拟乘法器相乘，实现白噪声对PWM波的调制，将调制后的信号输入到半桥驱动电路。本实用新型采用相位调制的方式，将HID灯的功率频谱限制到不稳定临界值以下，有效避免了声谐振现象的出现，使得每个频率点上的亮度保持稳定，频率值不会发生明显变化,实验中也不会出现电弧闪烁、跳动等不稳定现象。此外，通过调整谐振频率还可实现对HID灯的调光。实验表明，白噪声调制对HID在高频驱动的声谐振的抑制是有效的。

如图4所示，本实用新型中，采用了单片集成控制芯片来构造PWM发生电路。该芯片具有性能优良、功能齐全、通用性强等特点。它简单可靠，使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。其电路构造如图4中的IC1(SG3525)部分所示。本实用新型中，采用MM5837N数字噪声源集成电路芯片为主要芯片来构成白噪声发生电路，MM5837N数字噪声源集成电路芯片是一种MOS型伪随机数字序列发生器，能产生可应用于音频信号的宽带白噪声信号。不同于传统的半导体噪声源，MM5837N所产生的噪声具有其独特的品质与输出幅值，且用其构成的信号发生器具有电路结构简单，外围器件少等特点。白噪声发生电路如图4中IC4部分所示。

本文中采用双输入单输出模拟乘法器电路，其电路图原理如图4中的IC2(MC1496)与IC3(MC1496)部分所示。实验中乘法器对两信号相乘后输出的调制信号波形如图5所示。其中：波形1为乘法器CarrierInput端输入的PWM波信号。波形2为乘法器SignalInput端输入的白噪声信号。波形3为乘法器将二者进行相乘后的输出信号。从图中可看出调制后驱动方波明显叠加随机噪声信号。

测试结果：

在实验中采用控制变量法，对实验电路系统数据中的某一项进行控制然后获取相关实验数据。实验中电路系统的输入电压、输入功率、功率因素、输入电流由IT9121数字功率计测量所得，输出功率、输出电压、输出电流由WT210数字功率计测量所得。实验中所用到的250W金卤灯主要参数为上海亚明JLZ250KN·U4K·PS。

电路系统的主要参数波形如图6所示。其中：波形1为与波形2为经过白噪声调制后的PWM控制电路的输出波形。波形3为250W金卤灯的灯电压波形。波形4为250W金卤灯的灯电流波形。从图中可看出，白噪声实现了对PWM波的调制，同时HID灯的灯电压与灯电流波形并未发生改变，说明电路系统中各个功能电路之间配合良好，灯管能稳定工作。

表1为输入电压变化时，驱动电路的各项数据。从表中可看出输入交流电压变化在265V到160V时，电路的输出功率基本稳定在250W左右，电路能稳定工作。

表1控制输入电压时的主要参数

表2为当驱动频率压变化时，驱动电路的各项数据。从表中可看出驱动频率变化在39K到63K时，电路的输出功率可以从250W到150W变化，为HID调光创造条件。

表2控制驱动频率时的主要参数

图7为输入功率、输出功率、电路效率与电压变化关系曲线图。从图中可以看出，输入电压在265V～175V范围内输出功率、输入功率基本保持稳定，当输入电压低于170V时，输出功率会明显下降。对于整个电路效率基本上能稳定在90％以上。

图8为功率、频率关系曲线图，显示了当驱动频率升高时，电路系统的高频变压器压降增大，HID灯两端电压减小，由于HID灯的稳态阻抗近似不变，输出功率降低，灯管亮度减弱，可以利用来对照明的光通量进行调整，以节省能源。