【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 廣闊的發(fā)展前景,立題有著重要的實(shí)際意義. 第四節(jié) 本設(shè)計(jì)的要完成的主要工作在本畢業(yè)設(shè)計(jì)階段主要完成本課題的以下工作：1．研究并分析當(dāng)今主流HID鎮(zhèn)流器產(chǎn)品的性能、工作原理和軟硬件實(shí)現(xiàn)方案。2．研究當(dāng)前流行的MCU和功率因數(shù)制芯片及特點(diǎn)，選擇合適的器件。3．探索并總結(jié)在設(shè)計(jì)硬件電路，特別是PCB板布線時(shí)應(yīng)當(dāng)注意的問題。4. 學(xué)習(xí)HID燈的性能特點(diǎn)，對(duì)照明器具學(xué)習(xí)與認(rèn)識(shí)。5. 初步認(rèn)識(shí)了解變壓器的結(jié)構(gòu)參數(shù)及設(shè)計(jì)。第二章 整體系統(tǒng)要考慮的問題及解決方法由緒論第一節(jié)中知，我國(guó)鎮(zhèn)流器的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段，每一個(gè)階段設(shè)計(jì)的鎮(zhèn)流器都有缺陷，而也正是這些缺陷引導(dǎo)人們進(jìn)步的，每一個(gè)階段都是前一個(gè)階段的改進(jìn)，遇到的問題也是多而復(fù)雜的。例如安全性問題、可靠性問題、干擾問題、總諧波失真、功率因數(shù)等等都需要兼顧考慮，所以需要對(duì)這些概念有所了解。第一節(jié) 電磁兼容性問題照明電器電磁兼容（EMC）問題，日益受到世界各國(guó)的高度重視，我國(guó)已將該項(xiàng)目作強(qiáng)制性認(rèn)證要求（3C認(rèn)證），但目前照明電器行業(yè)在執(zhí)行上卻相對(duì)缺乏全面性共識(shí)，特別是在如何解決電子鎮(zhèn)流器電磁兼容性（EMC）問題上，尚無成熟可靠的技術(shù)措施。電子鎮(zhèn)流器按輸入整流濾波電路的不同，目前可歸納為三種類型即：低功率因數(shù)電路（NPFC）、無源功率因數(shù)校正電路（PPFC）和有源功率因數(shù)校正電路（APFC）[4]。事實(shí)上無論何種電路類型，由于設(shè)計(jì)采用的主要技術(shù)與開關(guān)式（SMPS）電路基本相近，因此將不可避免的產(chǎn)生各類電磁干擾（EMI）。依據(jù)目前照明領(lǐng)域宏觀技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求和實(shí)際的技術(shù)水平現(xiàn)狀，相對(duì)照明電器行業(yè)而言，當(dāng)務(wù)之急，既非僅是普及電子鎮(zhèn)流器電磁干擾（EMI）的基本概念和基礎(chǔ)理論，也非論述電磁干擾（EMI）對(duì)電氣環(huán)境所造成的危害，而是需要實(shí)在的檢測(cè)手段和具體技術(shù)措施。一、電子鎮(zhèn)流器電磁兼容性的特征1 、傳導(dǎo)干擾（conducted）電子鎮(zhèn)流器的傳導(dǎo)干擾主要在“電源輸入線”和“大地”之間產(chǎn)生。這種干擾有兩種類型即差模（DM）與共模（CM）；差模（DM）信號(hào)以騷擾電壓的形式出現(xiàn)在“電源輸入線”之間，而與“地”無關(guān)，共模（CM）干擾電壓則在“電源輸入線”與“大地”中間產(chǎn)生，共模信號(hào)電流從干擾源出發(fā)，通過分布電容入地，沿地線傳播，再經(jīng)每一電源線返回。傳導(dǎo)干擾的主要特征集中在“路”上。相對(duì)而言，差模（DM）信號(hào)較共模（CM）信號(hào)容易控制些。2 、輻射干擾（RFI）電子鎮(zhèn)流器電路電流，通過自身磁場(chǎng)、電場(chǎng)或輸入、輸出導(dǎo)線及負(fù)載（燈管）與周邊電子、電器設(shè)備間以電磁波傳播形式而形成的騷擾稱為輻射干擾(RFI)。輻射干擾的主要特征體現(xiàn)在“場(chǎng)”上。3 、輸入電流諧波畸變低功率因數(shù)電路（NPFC）或功率因數(shù)校正電路處置不當(dāng)?shù)碾娮渔?zhèn)流器其輸入電流將產(chǎn)生嚴(yán)重諧波畸變，這種畸變同輻射干擾（RFI）一樣被認(rèn)為是電源的污染，在解決電子鎮(zhèn)流器EMI的同時(shí)必須同步兼顧處置。二、電子鎮(zhèn)流器電磁兼容性的一般技術(shù)方案1 、輻射干擾的技術(shù)方案電子鎮(zhèn)流器雖然自身產(chǎn)生輻射干擾，并且輸出導(dǎo)線和燈管也產(chǎn)生輻射電磁干擾，但可以通過將電子鎮(zhèn)流器裝進(jìn)具有接地點(diǎn)的金屬外殼，連同燈具金屬殼體可靠接地的方法解決。一般說來，這種輻射電磁干擾對(duì)調(diào)幅（AM）無線電設(shè)施，例如收音機(jī)和調(diào)幅發(fā)射/接收設(shè)備影響較大，但由于燈具通常都安裝在較高位置，因此在有效解決好傳導(dǎo)干擾的基礎(chǔ)上，輻射干擾對(duì)電子鎮(zhèn)流器和照明燈具而言，不是解決EMI主要技術(shù)難點(diǎn)。需要補(bǔ)充說明的一點(diǎn)是，美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)（FCC）將電子鎮(zhèn)流器的EMI分為“A”級(jí)（class A）和“B”級(jí)（class B），前者適用于工廠企業(yè)、商業(yè)和戶外；后者適用于辦公、住宅和家庭。由于辦公、住宅和家庭的照明電器可能距其它電子、電器裝置較近，因之更容易產(chǎn)生干擾，故“B”級(jí)比“A”級(jí)的電磁干擾限制更為嚴(yán)格。 傳導(dǎo)干擾的技術(shù)方案探討電子鎮(zhèn)流器電磁兼容性（EMC）技術(shù)方案的本質(zhì)，實(shí)際就是探討差模（DM）和共模（CM）傳導(dǎo)干擾的抑制方法，更具體地說就是“濾波器”的設(shè)計(jì)。濾波器技術(shù)方案是抑制傳導(dǎo)干擾最有效和最經(jīng)濟(jì)的手段，由于傳導(dǎo)干擾在電源輸入接口處最為嚴(yán)重，故EMI濾波器均插入到電子鎮(zhèn)流器的電源輸入端和整流電路之間。電流諧波畸變的技術(shù)方案如何提高電子鎮(zhèn)流器的功率因數(shù)和改善輸入電流諧波畸變，國(guó)內(nèi)外均有大量專著介紹，積累了相當(dāng)豐富的成功經(jīng)驗(yàn)和推出了不少成熟電路。需要提出的是，電子鎮(zhèn)流器特別是采用PPFC的電子鎮(zhèn)流器，當(dāng)插入EMI濾波器網(wǎng)絡(luò)后，可能會(huì)在輸入電流諧波總量（THD），輸入功率因數(shù)（PF）和燈電流波峰比（CF）等技術(shù)指標(biāo)上造成一定影響，甚至是負(fù)面影響。 EMI傳導(dǎo)干擾濾波器目前普遍采用的EMI濾波器有“L”型（一電感加一電容）、“T”型（二電感加一電容）、“π”型（一電感加二電容）和雙“π”型（共軛電感加二電容）等，典型的雙“π”型是復(fù)合型EMI濾波器電路。關(guān)于經(jīng)典EMI濾器的工作原理、設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇，注意EMI濾波器所用濾波電容由于要長(zhǎng)期、連續(xù)地承受電源電壓的作用，故宜使用“χ”級(jí)或“Y”級(jí)電容（方形電容），接“地”電容在故障情況下，將流過一定量的“地”電流，并且在電子鎮(zhèn)流器耐壓測(cè)試時(shí)外殼接“地”點(diǎn)與“電源輸入線”間應(yīng)能承受“2倍電源電壓加500V、20mA 歷時(shí)1分鐘”而不擊穿的試驗(yàn)。因此應(yīng)特別注意其耐壓和質(zhì)量。三、解決電子鎮(zhèn)流器電磁兼容性的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計(jì)制造難點(diǎn) 關(guān)鍵技術(shù)一般來說，解決電子鎮(zhèn)流器電磁兼容性的技術(shù)并不存在關(guān)鍵理論問題，而是由于目前電子鎮(zhèn)流器現(xiàn)狀所帶來的；眾所周知，為了達(dá)到電子鎮(zhèn)流器提高輸入功率因數(shù)降低諧波限值，同時(shí)又不希望導(dǎo)致電子鎮(zhèn)流器制造成本大幅增加的目的，目前我國(guó)大量應(yīng)用和制造的電子鎮(zhèn)流器實(shí)際都是無源功率因數(shù)校正電路（PPFC），特別是“高頻泵”式電路，這種電路的一個(gè)主要技術(shù)措施就是將電子鎮(zhèn)流器輸出端的高頻電流反饋到電子鎮(zhèn)流器的輸入端，從而引起電子鎮(zhèn)流器差模（DM）和共模（CM）傳導(dǎo)騷擾電量明顯上升，再加上目前為了有效降低光源的“頻閃效應(yīng)”，克服照明環(huán)境“光污染”，已將電子鎮(zhèn)流器的振蕩頻率提高到40KHZ以上，這些均無異乎在解決電子鎮(zhèn)流器電磁兼容性上“雪上加霜”，如果不能突破電子鎮(zhèn)流器的這項(xiàng)技術(shù)關(guān)鍵，而脫離實(shí)際泛泛探討電子鎮(zhèn)流器的電磁兼容性和局限常規(guī)EMI濾波器的設(shè)計(jì)觀念，要想在實(shí)際制作中可靠地解決以及監(jiān)控電子鎮(zhèn)流器的電磁兼容性問題，無疑將是“隔靴搔癢”難以解決具體問題[5]。 設(shè)計(jì)制造難點(diǎn)（1） 成本難點(diǎn)電子鎮(zhèn)流器在我國(guó)起步較早，但起點(diǎn)極低，市場(chǎng)低價(jià)格機(jī)制業(yè)經(jīng)形成，從市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，留給解決電子鎮(zhèn)流器電磁兼容性的制作“成本空間”近乎為“零”，這就給照明電器行業(yè)提升電子鎮(zhèn)流器的品質(zhì)和執(zhí)行“3C”認(rèn)證帶來了一個(gè)幾乎無法逾越的障礙和形成了一個(gè)極大的“成本難題”。因此如何依靠“創(chuàng)新性”的技術(shù)手段以低成本實(shí)現(xiàn)電子鎮(zhèn)流器的電磁兼容性，是任何一個(gè)科研設(shè)計(jì)工作者無法否認(rèn)也無法回避的現(xiàn)實(shí)難題。（2 ）體積難點(diǎn)由于燈具設(shè)計(jì)的緊湊性、經(jīng)濟(jì)性和小型化及細(xì)管徑燈管（TTTT4等）的推廣，要求電子鎮(zhèn)流器同步向“小”“細(xì)”“緊”方向發(fā)展。因此電子鎮(zhèn)流器的EMI設(shè)計(jì)電路必須實(shí)現(xiàn)體積的小型化，而這恰恰與EMI濾波器濾波電感為避免磁飽和以及濾波電容增加容量需要體積增大形成尖銳的對(duì)立。（3 ）工藝制作難點(diǎn)由于電子鎮(zhèn)流器體積限制和適應(yīng)燈具形狀要求，在電路設(shè)計(jì)排版時(shí)，元器件特別是電感元件的相對(duì)位置，輸入/輸出回路、連接導(dǎo)線，甚至印刷線路板的銅箔，都將可能產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)感應(yīng)和電場(chǎng)感應(yīng)，導(dǎo)致EMI傳導(dǎo)干擾的某些頻段超標(biāo)，這時(shí)即使加大濾波器的電感和電容，也將收效甚微。（4 ）可靠性難點(diǎn)電子鎮(zhèn)流器如果不解決可靠性問題、保障長(zhǎng)壽命（＞30000h）工作，要想大面積推廣和扭轉(zhuǎn)“節(jié)能不節(jié)錢”的印象，即便各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)包括電磁兼容性在內(nèi)的測(cè)試數(shù)據(jù)再高水平，也終歸是“花瓶”一個(gè)，或者充其量也只能稱為科研樣品而已，明顯沒有實(shí)用意義，因此在設(shè)計(jì)電子鎮(zhèn)流器EMI電路時(shí)務(wù)必將可靠性牢牢擺在首位。（5 ）兼顧性難點(diǎn)嚴(yán)格說，電子鎮(zhèn)流器特別是PPFC電路的電子鎮(zhèn)流器畢竟是一種經(jīng)科學(xué)而巧妙的設(shè)計(jì)手段組合而成的電子產(chǎn)品，同時(shí)又要集強(qiáng)電、弱電、微電子、光學(xué)、電真空、電磁學(xué)等多學(xué)科高技術(shù)為一體。因此設(shè)計(jì)上的任何改變，均將導(dǎo)致其它性能指標(biāo)的改變，往往是“牽一發(fā)而動(dòng)全身”。因此在設(shè)計(jì)探討電子鎮(zhèn)流器EMI濾波器時(shí)一定要全面、慎重并兼顧電子鎮(zhèn)流器的輸入電流諧波含量（THD）、輸入功率因數(shù)（PF）、燈電流波峰比（CF）、燈啟動(dòng)特性、電能轉(zhuǎn)換效率、匹配特性、燈功率、異常狀態(tài)保護(hù)、振蕩頻率、高低溫特性、安全性能和高可靠性等方面，切不可顧此而失彼。 設(shè)計(jì)解決辦法本設(shè)計(jì)將設(shè)計(jì)RFI和EMI濾波器器電路，將來自電網(wǎng)的傳導(dǎo)射頻干擾和電磁干擾濾除，同時(shí)阻礙鎮(zhèn)流器電路產(chǎn)生的傳導(dǎo)射頻及電磁干擾進(jìn)入電網(wǎng)。橋式整流電路將輸入交流變換成直流。具體分析見第三章。第二節(jié) 聲頻共振問題聲頻共振是因燈管的放電點(diǎn)弧驅(qū)動(dòng)氣體所產(chǎn)生的振蕩壓力與管壁反射的壓力同時(shí)所產(chǎn)生的共振現(xiàn)象,其共振的頻率在音頻范圍之內(nèi),所以稱為聲頻共振,可是一旦出現(xiàn)聲頻共振現(xiàn)象,輕則閃爍,重則燈管暴烈. 所以，沒有解決聲頻共振問題的產(chǎn)品是有技術(shù)缺陷的產(chǎn)品。正由于高強(qiáng)度氣體放電燈在高頻工作方式下存在聲共振的問題，因此，許多處在此頻率范圍又沒有解決聲頻共振方案的HID電子鎮(zhèn)流器是很不安全的。目前可見的抑制聲頻共振的方法包括：(1)使HID氣體燈工作于聲共振譜上的安靜區(qū)域，但由于不同廠家生產(chǎn)的不同燈泡其不發(fā)生聲共振的安靜窗口是不同的，因此這樣一種方法在實(shí)際中很難做到通用性。(2)用低頻方波驅(qū)動(dòng)HID氣體燈 ，此時(shí)需要在電子鎮(zhèn)流器PFC級(jí)和逆變級(jí)之間加多一級(jí)功率控制，代替電感的鎮(zhèn)流作用，導(dǎo)致一定的成本上升和效率降低。(3)調(diào)制開關(guān)頻率或相位1 ，以擴(kuò)大燈管輸入功率的分布頻譜，減小某一可能引起共振的頻率能量，降低發(fā)生共振的可能性，但其發(fā)生聲共振的可能性仍是存在的。(4)使鎮(zhèn)流器工作于350kHz甚至更高頻率以上 ，此時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)聲共振現(xiàn)象，但這樣的電路設(shè)計(jì)由于EMI及開關(guān)損耗問題將變得十分困難。(5)高頻方波驅(qū)動(dòng)HID氣體燈，對(duì)于理想的方波驅(qū)動(dòng)，燈管功率變化十分迅速，不會(huì)對(duì)電弧產(chǎn)生干擾，從而抑制了聲共振，但要獲得理想的高效高頻方波是十分困難的。(6)利用聲共振檢測(cè)反饋網(wǎng)絡(luò)調(diào)制開關(guān)頻率，當(dāng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)聲共振時(shí)，改變燈管的運(yùn)行頻率，直至燈管運(yùn)行在一個(gè)聲共振譜上的安靜區(qū)域，但檢測(cè)的快速性與有效性還有待解決。上述幾種方案中，本設(shè)計(jì)采用的是200Hz低頻方波驅(qū)動(dòng)電路。第三節(jié) 總諧波失真（THD）簡(jiǎn)介總諧波失真是指用信號(hào)源輸入時(shí)，輸出信號(hào)比輸入信號(hào)多出的額外諧波成分。諧波失真是由于系統(tǒng)不是完全線性造成的，它通常用百分?jǐn)?shù)來表示。所有附加諧波電平之和稱為總諧波失真。一般說來，1000Hz頻率處的總諧波失真最小，因此不少產(chǎn)品均以該頻率的失真作為它的指標(biāo)。但總諧波失真與頻率有關(guān)，必須在2020000Hz的全音頻范圍內(nèi)測(cè)出?？傊C波失真表明功放工作時(shí)，由于電路不可避免的振蕩或其他諧振產(chǎn)生的二次，三次諧波與實(shí)際輸入信號(hào)疊加，在輸出端輸出的信號(hào)就不單純是與輸入信號(hào)完全相同的成分，而是包括了諧波成分的信號(hào)，這些多余出來的諧波成分與實(shí)際輸入信號(hào)的對(duì)比，用百分比來表示就稱為總諧波失真。一、總諧波失真解析諧波失真是指音箱在工作過程中，由于會(huì)產(chǎn)生諧振現(xiàn)象而導(dǎo)致音箱重放聲音時(shí)出現(xiàn)失真。盡管音箱中只有基頻信號(hào)才是聲音的原始信號(hào)，但由于不可避免地會(huì)出現(xiàn)諧振現(xiàn)象（在原始聲波的基礎(chǔ)上生成二次、三次甚至多次諧波），這樣在聲音信號(hào)中不再只有基頻信號(hào)，而是還包括由諧波及其倍頻成分，這些倍頻信號(hào)將導(dǎo)致音箱放音時(shí)產(chǎn)生失真。對(duì)于普通音箱允許一定諧波信號(hào)成分存在，但必須是以對(duì)聲音基頻信號(hào)輸出不產(chǎn)生大的影響為前提條件。 而總諧波失真是指用信號(hào)源輸入時(shí)，輸出信號(hào)（諧波及其倍頻成分）比輸入信號(hào)多出的額外諧波成分，通常用百分?jǐn)?shù)來表示。一般說來，1000Hz頻率處的總諧波失真最小，因此不少產(chǎn)品均以該頻率的失真作為它的指標(biāo)。所以測(cè)試總諧波失真時(shí)，是發(fā)出1000Hz的聲音來檢測(cè)，這一個(gè)值越小越好。 THD(total harmonic distortion，總諧波失真)：是聲音設(shè)備產(chǎn)生的(通常是不受歡迎的)諧波的水平。一般來說，高質(zhì)量設(shè)備的THD值很低(%)，但也有例外。很多電子管設(shè)備的THD非常高，但晶體管設(shè)備必須具有較低的THD，因?yàn)樗鼈兌嘤嗟闹C波會(huì)使聲音聽起來很不舒服。二、總諧波失真分類諧波失真指音頻信號(hào)源通過功率放大器時(shí)，由于非線性元件所引起的輸出信號(hào)比輸入信號(hào)多出的額外諧波成分。諧波失真是由于系統(tǒng)不是完全線性造成的，我們用新增加總諧波成份的均方根與原來信號(hào)有效值的百分比來表示。例如，一個(gè)放大器在輸出10V的1000Hz時(shí)又加上 Lv的2000Hz，這時(shí)就有10％的二次諧波失真。所有附加諧波電平之和稱為總諧波失真。一般說來，1000Hz頻率處的總諧波失真最小，因此不少產(chǎn)品均以該頻率的失真作為它的指標(biāo)。但總諧波失真與頻率有關(guān)，因此美國(guó)聯(lián)邦貿(mào)易委員會(huì)于1974年規(guī)定，總諧波失真必須在20～20000Hz的全音頻范圍內(nèi)測(cè)出。國(guó)際電工委員會(huì)規(guī)定的總諧波失真的最低要求為：％，％，％以下。 本設(shè)計(jì)要求：低總諧波：主動(dòng)功因回路，TDH值＜10%；工作頻率（Working Frequency）：150Hz低頻方波（Square Wave），不僅可延長(zhǎng)燈管壽命，避免音頻共振（Acoustic Resonance），不會(huì)產(chǎn)生色漂移（Coler Shifting）。第四節(jié) 功率因數(shù)提高問題在感性負(fù)載電路中，電流波形峰值在電壓波形峰值之后發(fā)生。兩種波形峰值的分隔可用功率因數(shù)表示。功率因數(shù)越低，兩個(gè)波形峰值則分隔越大。功率因數(shù)是交流電路的重要技術(shù)數(shù)據(jù)之一。功率因數(shù)的高低，對(duì)于電氣設(shè)備的利用率和分析、研究電能消耗等問題都有十分重要的意義。功率因數(shù)的大小與電路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)， 如白熾燈泡、電阻爐等電阻負(fù)荷的功率因數(shù)為1，一般具有電感或電容性負(fù)載的電路功率因數(shù)都小于1。功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要的技術(shù)數(shù)據(jù)。功率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個(gè)系數(shù)[7]。功率因數(shù)低，說明電路用于交變磁場(chǎng)