基于IR2159的高性能数控调光电子镇流器设计

摘　要：通过数字电路，可以实现精确的调光，远程控制以及数字寻址。基于现代电子镇流器的发展，介绍一种数字控制电子镇流器的设计，采用德州仪器(TI)公司的MSP430系列单片机作为控制器和国际整流器(IR)公司的镇流器控制芯片IR2159作镇流器控制芯片。

关键词：电子镇流器；调光；IR2159；MSP430

引言

将数字控制引入电子镇流器，由来已久，但是大规模的发展，是从镇流器控制芯片的发展开始的。一个数字调光系统至少包括可调光的镇流器以及可以传递数字信号的控制器两个部分。后者采用微控制器例如单片机或者数字信号处理器(DSP)，可以控制许多过程和参数，包括时序、调光、远程控制、光输出、甚至阴极温度控制。

微控制器在电子镇流器里的早先应用包括：代替为半桥驱动提供频率的器件—比如压敏振荡器(VCO)和逻辑控制器件，提供半桥输出的频率以及安全的死区时间，因此使得灯的预热时间和频率转换的时间(从预热频率到点火频率的时间)可调，这对于电子镇流器是很重要的；通过加入一些简单的电路，在灯出现异常的时候提供保护；由于微控制器能够输出的频率范围很宽，适应多种需要，可以实现调光功能。

随着国际上各大公司大力发展自己的镇流器控制芯片，集半桥驱动、VCO、逻辑控制器件、甚至调光功能于一体，微控制器的应用越来越广泛。调光方法从模拟调光到精确的数字调光，以及可以提供光滑调光曲线的相控调光方法；对镇流器的控制也从一个发展到多个，实现镇流器的群控，为广场和办公大楼等照明控制提供了方便；利用微控制器提供的各种接口可以方便的实现与各种外部控制器的接口，比如和PC、工作站、智能管理系统等的接口，实现无线、远程操作。这在国际上已经有了许多实例，比如美国路创公司的HomeWork系统，以及近几年欧洲流行的DALI系统。

通过应用照度传感器，可调节荧光灯的光输出。现在的照明设计，为达到规定的照度标准(各场所有不同的标准，参照《工业企业照明设计标准》以及《民用建筑照明设计标准》等)，让光输出在灯点燃一段时间以后达到设计的照度。因此，用传统的电感式镇流器或者不带照度传感器的电子镇流器，新的荧光灯光输出常常高于标准照度，而在灯寿命接近终止时又低于标准照度。可调光镇流器和照度传感器的使用可以改变这种情况：照度传感器感应光输出，把参数反馈给微控制器，微控制器通过与设定的数值比较，调节镇流器输出功率，进而调节荧光灯的光输出；照度传感器还能感应环境亮度，比如在白天太阳光比较强烈，环境亮度比较高的时候降低荧光灯的输出；这些改进都能够节省能源。因此，微控制器和照度传感器的使用，可以实现在整个荧光灯寿命期间提供近似恒定的照度，这和传统的恒定功率电感式镇流器有着根本的区别。因此传统的一些光度色度学概念，比如光通维持率等也可能因此需要改进，进而改进照明设计的方法。

电路设计

整个电路包括EMI 滤波、整流、功率因数校正、镇流器控制部分、微控制器部分以及PC或者控制面板的接口。电网电压通过电磁干扰滤波器滤波，输送给全波整流桥，得到近似直流，再经过有源功率滤波调整功率因子后输出给镇流器输出控制部分驱动并点燃灯管。同时经过整流后的电压通过进一步降压输送给微控制器、镇流器控制芯片作为电源电压。

镇流器控制部分的功能包括：驱动功率开关管产生高频高压的电信号；接收从微控制器来的信号实现荧光灯的预热、点火、调光；检测灯电流异常，并把信息传输给微控制器。

微控制器的功能包括：接受用户指令，并把指令翻译以后送给镇流器控制器，包括启动或者关闭镇流器，设定时间信号，设定调光级别；接受从镇流器控制器来的信号并且把镇流器的状态反馈给用户；监视灯管状态，根据灯管状态自动调节镇流器输出。整个结构功能模块如图1所示。

图1　

随着国际上对电磁污染的限制，电磁干扰的问题显得越发重要。电子镇流器由于工作在高频状态，如果不加以限制，对电网的污染是很严重的。相对电子镇流器，电网本身也是电磁污染源，利用电感电容组成的π型EMI 滤波器可以有效控制和减小电子镇流器产生的电磁干扰，也能有效抑制电网本身电磁干扰对电子镇流器的影响。

传统的镇流器功率因数低，谐波含量高，即使采用分立元件设计的功率因数控制器也难以达到很高的功率因子。集成IC式的功率因数控制器，受外界的影响比较小，性能稳定，尤其成本不断降低，具有很大的优势。我们采用了安美森半导体公司的MC34262，这是一块有源滤波芯片，它集成了启动定时器，乘法器，零电流检测和误差放大器等，所需的外部元件比较少，性能稳定，比较容易实现较高的功率因子，降低总谐波含量，控制各次谐波。

IR公司开发出的镇流器控制芯片IR2159集镇流器控制和半桥驱动于一体，可以实现平稳的相控调光，并且还有0.5～5V的模拟调光接口，为微控制的使用提供了良好的数字接口。MSP430单片机在这里作为外界和控制器芯片的接口，数据通过PC或者控制面板传递给MSP430单片机，MSP430单片机收集到数据以后经过一定的算法发送适当的命令给IR2159或者反馈镇流器的状态信息给PC或者控制面板。

镇流器控制部分
IR2159具有预热时间设定、点火、灯功率控制、异常检测等功能。其内部含有的各个功能模块包括：电压控制振荡器(VCO)用于控制半桥频率；半桥驱动器；幅度控制模块，可以设定预热阶段电流从而可用于设定预热时间。镇流器控制部分见图2。下面按照灯的运行过程进行说明。

灯正常燃点过程
整个运行过程包括欠压锁定阶段、预热阶段、点火阶段、点火到调光的过渡阶段、正常运行阶段(调光模式)。

欠压锁定模式用来在功率开关管启动之前实现系统的功能检测，此时可以保持极低的静态电流(<200μA)，这是通过图2中的电容C1，C2和二极管D1，D2实现的。系统上电以后启动电容C1，由通过电阻R1的电流和启动时由芯片吸收的电流的差值充电，当C1上的电压超过启动阀值电压，功率开关管输入端IR2159的管脚HO和管脚LO激活，由于芯片工作电流的增大C1开始进入放电阶段。在欠压锁定模式，VCO(管脚2)被内部拉高至5V以设定启动频率至最大，CPH(管脚3)内部和地短接以设定预热时间。欠压锁定阶段之后，进入预热阶段，驱动功率开关的输出脚HO、LO(IR2159的11脚和16脚)开始以50%的占空比振荡在最大的工作频率(由Rmax设定)。CPH和地断开并且由内部1μA的电流源对Cph充电。同时芯片内部有个1μA的电流源对VCO放电，降低VCO的电压，因此也降低了工作频率，进而增大了负载电流。当管脚CS的峰值电压超出管脚IPH的电压时，内部一个60μA的电流源开始对VCO充电，管脚CS电压下降，频率增加，负载电流随着减小。直到CS脚的电压低于IPH脚的电压，60μA的电流源断开，VCO开始由1μA的电流源放电，频率再次降低。这两种过程的平衡稳定了用户通过管脚IPH设定的峰值预热电流。内部电流源连到IPH管脚上的电阻RIPH组成了对CPH充电实现峰值预热电流的电压源。

图2　

当CPH脚上的电压超过5V时，预热模式结束，镇流器进入点火模式。此时CPH脚从由IPH脚组成的电压源断开，连到内部的1.6V电压阀值。内部1μA的电流源开始对VCO脚放电，频率降低到镇流器的共振频率，导致了灯电压和负载电流的增加。频率继续降低直到灯燃点。

当灯燃点之后，IR2159进入点火调光模式，也就是让灯启动在用户预先设定的调光水平。此时DIM脚内部连接到CPH脚，由RDIM对CCPH放电，使得工作频率由最大降到用户设定的启动频率。IR2159包括了0.5～5V的模拟调光接口，方便与微控制器的连接。5V对应了最大功率，0.5V对应了最小功率。

异常检测
(1)电流异常检测
IR2159内部的比较器通过监测反馈到RCS(CS脚上电阻)的电压，可以检测运行过程中出现的过流状态以及检测电流过零时刻以获得总负载电流的相位。

(2)灯状态异常检测
点火模式下，工作频率一直降低，负载电流增大，当电流增大到IR2159电流极限时(CPH脚上的1.6V电压阀值和外部电流检测电阻RCS一起决定了可允许的最大峰值点火电流)，IR2159进入灯保护模式。在正常工作模式下，灯丝熔断、更换灯管或者两个开关管的的死区时间过短，都将导致镇流器进入保护模式。IR2159由内部比较器检测CS管脚上的电压，当超过阀值电压时候，即让IR2159进入保护模式。在保护模式下，驱动功率开关管的输出被关闭。

微控制器部分
与镇流器控制芯片IR2159接口
MSP430F149是德州仪器公司MSP430中的一款16位单片机，具有较多集成的功能和优越性，包括两个串行通讯口，2个16位定时器，以及48 个可复用的通用输入输出口(IPO口，每个IPO口可以选择为IPO功能或者第二功能)，内部有64k的程序空间和2k的数据空间，有多级中断，允许系统运行在低功耗的中断模式，从中断恢复的时间极快。与IR2159的接口见图3。

图3 　

通过控制IR2159的9脚(SD)可以开关IR2159，MSP430输出高电平关闭IR2159，输出低电平启动IR2159。MSP430F149通过检测异常状态和根据用户输入判断开启还是关闭IR2159。

检测系统异常状态的信号有两路，灯管输出和通过IR2159的第7脚FMIN 的信号。

灯管输出信号指示了灯管良好或者已经损坏或者根本不存在，与灯管输出信号的接口见图4。当灯管坏掉或者不存在时候，灯输出信号被电阻拉高为Vdd，MSP430关闭IR2159。当灯管状态良好或者更换新灯时候，由于灯管电阻较小，该信号将输出0V，MSP430重新开启IR2159，启动荧光灯。

通过检测IR2159的第7脚(FMIN)的状态，可以判断芯片的工作情况，如果FMIN 输出低则说明IR2159芯片处在关闭状态，输出高则说明IR2159芯片工作正常。

调节IR2159第4脚输入的电压(0.5～5V)，控制IR2159内部的压控振荡器，实现对荧光灯调光。0.5V对应着1%的灯功率，5V对应着灯的满负荷功率。由于MSP 是低电压工作芯片(工作电压在1.8～3.3V)，可以通过一个电压转换芯片来达到5V的输出要求。利用MSP430F149的定时器可以输出各种占空比且周期可变的脉宽调制波形，这样对于设定的Rd和Cd可以通过调节占空比和周期输出需要的脉宽调制波形对Cd充电来达到调光的电压。MSP430单片机还可以通过调节占空比变化的速度来改变灯调光状态改变的时间，实现平稳调光。IR2159第5脚MAX和第6脚MIN分别设定了0.5V和5V所对应的最大最小功率。

图4　

与外界如PC或者控制面版的接口
MSP430F149自带有UART接口，可以很方便和PC连接，实现信息的互连，通过互联网络还可以实现远程控制。红外信号调制芯片的加入或者与其他无线芯片的连接，可以发出无线信号，经过调制解调以后，可以实现红外或者其他无线方式的控制。如果预先给微控制器设定地址信号，通过PC实现上下位机联系，发送地址信号，则可以实现镇流器的群控和单独寻址功能。方便整个大楼系统的调控。

为提高抗干扰能力和传输能力，可采用光隔离方式实现信号的传输。

另外，微控制可以很容易的进行功能的扩展，如果加入红外探测功能，则可以根据现场情况控制灯开关。当红外探测在规定的范围内没检测到人的存在，则可以关闭或者调低荧光灯的输出。

程序设计

程序的流程如图5。

图5

整个程序采用中断模式，利用MSP430优越的唤醒功能，使得系统大部分时间可以工作在低功耗模式下。系统启动以后，首先启动看门狗定时器，随时检查系统状态。然后获得预先设定的参数，包括预热时间、频率变化时间、启动时候的调光等级，同时通过灯管输出检查灯管状态，若发现异常则程序报告用户异常信息，并查询灯管状态，接受用户信息输入。否则，启动IR2159进行欠压检测、预热、点火等阶段。并且在IR2159进入正常工作状态之前，查询IR2159的状态，如果检测到异常情况，则关闭IR2159并且把信息反馈给用户。否则，提取预设定数据传送给IR2159，传送启动成功的信息给用户。待灯正常启动以后进入中断状态，等待用户指令输入。并且，设定硬件看门狗，监视镇流器的运行状态，以免出现程序跑飞现象。

如果电子镇流器是整个楼宇系统的一部分，那么程序中还需包含有地址信号，利用输入中断，分析从上位机或者上位控制器比如PC、控制台来的信号，提取其中的地址信号和程序内预设的地址信号进行比较。如果相等，则接收剩下的命令字节，翻译后传输给镇流器控制器。