数字可寻址DALI调光镇流器

引言
本文介绍一种高效率、高功率因数的数字调光荧光灯电子镇流器的设计方案。方案包括有源功率因数校正电路、镇流器控制电路IR2159、单片机PIC16F628和隔离的数字可寻址照明接口（DALI）电路，还包括EMI滤波器、瞬时保护和灯故障保护电路。

数字可寻址DALI调光镇流器的功能：36W185-265V/50Hz；DALI接口：2线；可编程灯丝预热时间；可编程点燃灯管；可高精度数字调光；按对数规律调光；诊断和故障保护；光隔离通讯；低功耗待机模式。

数字控制意味着能按照单独的照明需要调整光等级。DALI包括256级亮度和对数规律调光特性，见表1。这个特性满足人眼睛的视觉要求。

表1 调光特性

控制电路
调光镇流器电路包括EMI滤波器、有源功率因数校正、镇流器控制、数字控制和谐振灯管输出电路，方框图见图1。

图1 方框图

图2 功率因数校正电路

EMI滤波器防止镇流器产生噪声。有源功率因数校正用于正弦输入电流和调整DC电压。镇流器控制提供RLC灯管谐振输出电路的频率调制控制、预热、点燃和调光功能。能广泛用于各种类型的荧光灯。数字控制提供DALI通讯指令和软件，实现闭环调光、灯故障检测、掉电自动重启动功能。

镇流器控制和数字控制电路用IR2159调光镇流器控制集成电路和PIC16F628单片机。IR2159从单片机接收信号控制镇流器。单片机从IR2159中检测诊断信号，通过DALI控制器将检测结果上传到DALI控制器或PC机。

镇流器和DALI控制器通讯用两个信号：TX（从网络发送到单片机的数字串行信号）和RX（从单片机发送到网络的数字串行信号）。数字接口需要保证DALI输入和谐振灯输出级之间电压隔离。单片机管理接口和IR2159之间的通讯。指令输入用RS232/DALI变换器（DALI控制器）连接到PC机或人机控制器。

功率因数控制
功率因数校正电路由功率因数控制电路TSL6561D（IC1）、MOSFET（M1）、电感（L2）、二极管（D2）、电容（C6）等元件组成。功率因数校正电路是一个运行在临界传导模式的升压变换器。这意味着电感电流在每个循环MOSFET导通时放电到零，按输入电压调整DC电源电压，保证镇流器的输入电流,见图2。
镇流器控制
IR2159具有以下功能：镇流器控制和半桥驱动、闭环功率控制、闭环预热电流控制、可编程预热时间和电流、可编程最小频率，灯管点燃检测、可编程点燃到调光之间的时间、调光控制电压0.5-5VDC。
镇流器典型控制电路见图3。

图3 镇流器控制电路

图4 数字控制电路

图5 DALI和单片机连接

数字控制
数字控制以PIC16F628单片机为核心。单片机实际是IR2159镇流器控制器和DALI控制器之间的接口。数据通过隔离电路发送到PIC16F628，PIC16F628解释指令和发送相应信号到IR2159。IR2159按需要通过PIC16F628单片机将数据反馈到DALI。PIC16F628也能进行故障检测，如果故障出现，将禁止IR2159。数字控制电路见图4。

两个信号用于故障检测：LF（RB6）和故障（RB5）。LF信号检测灯管的存在和灯管故障。灯管被拆除时，LF信号被上拉电阻R17拉到VDD，软件迫使IR2159降低电压。更换灯管时，这个引脚是0V，单片机控制IR2159启动，灯管重新启动。RB5状态表示故障信号（IR2159的FMIN脚），低电平时，表示IR2159是故障状态。在故障状态时，例如VCC故障、过电流、低AC电压，IR2159自动关闭，故障将继续保持，直到IC复位电路重新启动。
单片机和IR2159之间的通讯有四个信号，见图4。这些信号用于数字调光（RB3），镇流器的接通或关断（RB4）、故障检测（RB5和RB6）。单片机用3个引脚控制IR2159：SD引脚是IC的低电压检测（高电平有效），FMIN是故障检测（低电平有效），DIM控制亮度。单片机用连接到灯管上的LF信号接收灯管信息。

低电压检测信号（RB4）允许或禁止IR2159。高电平时，灯管关闭，IR2159被禁止，只有最小电流流过。低电平时，灯管亮。PIC16F628控制这个信号，在故障状态时确定灯管接通或关断，由用户在DALI指令中设置。

IR2159需要0.5到5V模拟电压（DIM引脚）进行调光控制，0.5V对应1%的功率等级，5V对应100%的功率等级。PIC16F628的RB3引脚，提供一个PWM信号，通过一个RC网络（R25和C17）滤波，这个模拟电压用于调光。单片机通过改变占空比使调光电压在0.5到5V之间变化，为IR2159产生256级不同的调光电压。为满足数字调光要求，按对数规律输出。因为人眼睛对低光线等级的敏感度比高光线等级高，对数输出使人眼睛看起来是线性的。所以PIC16F628需要产生一个对数电压，控制IR2159驱动灯管功率。

软件
上电复位后，单片机开始循环。在这个循环中，单片机检测错误和获得通讯电路进入的数据。如果接收的是有效数据，而且地址匹配，说明是本镇流器的数据，如果是组匹配，则确定组关系。指令类型有两个基本选择：标准和特殊指令。一旦获得正确指令，程序立即执行相应子程序。所有指令划分为四个一般种类，包括功率控制指令、配置指令、请求指令和特殊指令。指令见表2。

表2 DALI命令

功率控制指令在操作照明系统中是最普通。这些指令，产生相应的信号送到镇流器控制器，通过PWM调整灯光等级。这包括情景等级选择。另外，很多指令在组选择中是中断位，由指令定义确定。

配置指令用于设置镇流器。设置包括设置最小和最大照明门限、衰减时间和速率、组和情景等级。一般的，数据存储在EEPROM中。

请求指令用于反馈镇流器状态，所有设置都能请求。信息包括衰减、灯管、一般故障和功率。
特殊指令是唯一的。这些指令免除地址，是广播指令，所以全部镇流器对特殊指令都相应。所有功能与新镇流器或镇流器地址无关。下传信息到镇流器、典型设置用特殊指令。

DALI隔离和信号
DALI对单片机光隔离。图5是DALI控制接口和单片机之间的连接关系。DALI接口的两个线变换成四个信号。其中两个是发射信号（TX_DALI）和接收信号（RX_DALI），另两个信号是通讯允许信号（RB0）和接收驱动信号（RB1）。
用通讯允许信号和接收驱动信号，控制通讯电路，使电路工作在低功耗状态。正常工作期间，PIC16F628允许通讯电路工作，发出通讯允许信号。这个信号的电流小于100礎，表示数据送到镇流器，但是不能准确的转换数据。检测时，接收驱动信号电流上升到500礎，完成隔离转换。接收驱动信号允许所有数据转换，然后禁止。这个方法能减少功耗，在PIC16F628中使用比较器，设置进入数据的门限电压。信号RA2作为比较器的门限。
作为数字化可寻址照明接口（DALL），执行标准是IEC929，在欧洲很多国家采取这个标准。用一个2线系统定义数字通讯协议，用以发送和接收指令。
下传信息是上位机向数字镇流器传输的信息，包括1个开始位、8个地址位、8个数据位和2个停止位。在通讯周期内，上升沿定义为开始位，开始位后每个周期的上升沿定义为1，下降沿定义位0，结束位是两个周期的高电平。8个地址位允许一次与16个镇流器组或64个镇流器通讯。下传和上传信息的8个数据位完成控制功能，包括的功能有接通/关断、调光等级和衰弱时间等。

结语
使用IR2159和PIC16F628可以很好的实现数字调光镇流器，使用DALI通讯技术可以完成多达64个可寻址数字调光镇流器的控制。它们是建立在DALI标准基础上，具有元器件少，功耗低的特点。可以用于智能家居、会议室、写字楼、博物馆、展览馆厂房等场合的照明控制。■ （郭盛利）