利用单芯片MCU提高照明系统能源效率

在住宅用电中，照明用电占有相当大的比重。以家庭 用电为例，空调、冰箱、热水器等用电大户一直是大家关注 的焦点，而天天都在使用的照明反倒被认为是“小儿科” 了。其实，每一张电费账单中都要为照明用电支付1／6的 费用。如何在中国推广节能的照明产品，提高照明系统的 能源效率，降低照明用电量，已经成为摆在中国工程界面 前的最大挑战，这使工程师们必须考虑采用节能器件来设 计自己的产品。

1 数控电子镇流器应运而生

    在鳞次栉比的建筑物中，照明系统最普遍的形式是使用各种荧光灯管，以及采用简单的感应器和启辉器的镇流器。据估算，这种传统的方式可消耗建筑物用电量的 40％，既低效又浪费，而且成本昂贵。新的欧洲和国际立法要求从2005年开始增加效率和停用两种最低效率的镇流器。这些法规将对镇流器设计者施加新的压力，迫使他们改善已有设计的能效，开发有效的、成本低廉的电子照明镇流器。随着电子技术的发展，利用微控制器(MCU) 设计电子镇流器已经不是什么稀罕的事情了。MCU为高能效镇流器的开发提供了理想的低成本解决方案。图1 是电子照镇流器的框图。

    那么，采用电子镇流器可以得到哪些好处呢?归纳起来有以下几点：电子镇流器比传统的磁性镇流器增加了系统效率，延长了荧光管的寿命；电子系统为可变亮度调整增加了控制级别；数字控制可实现大型照明网络的远程控制；数字可寻址照明接口(DALI)协议使智能建筑物自动化和成本经济的大型照明网络控制成为可能。

2 提高能源效率的动力

    使用传统的镇流器要消耗大量的电能，而且实现对单一灯管的亮度控制一直是荧光灯照明系统设计者面对的难题。飞思卡尔(Freescale Semiconductor)新型单芯片 MCU HC908LB8的问世解决了这个问题，也使照明系统 能源效率的提高又上了一个台阶。

    飞思卡尔的M(268H C908LB8 8位快闪微控制器是一 种高精度的半桥控制器，是专门为所有需要功率因数校正(PFC)或高精度脉宽调制(PWM)发生器(HRP)设计的。其高集成度的特点使之能简化整体系统设计，也使其成为需要PFC及高精度PWM控制功能应用的优选方案。它可应用于单片智能型荧光灯照明系统，也可用于车灯控制、高强度放电照明系统，以及电动机控制。

    由于HC908LB8内集成了高精度PWMHRP模块，可以连续控制灯管的亮度变化，从而可实现荧光灯照明系统的暗光控制。它还支持数字DALI协议，从而为大型照明系统提供了智能化功能。例如，设计者可对基于DALI的照明系统进行编程，使靠近窗户的照明光线关闭或调暗，从而充分利用自然光线。图2是MC268HC908LB8的框图。

    MC68HC908LB8采用标准的5 V电压供电，内部总 线工作频率为8 MHz，采用20引脚PDIP和SOIC封装。 其可微调的内部RC振荡器在16 MHz运行时，可用作 CPU总线时钟(4 MHz)的基础，节省了外部元件成本。 设计者也能利用诸如外部RC或晶体振荡器等的时钟运行器件。其定时器接口模块具有执行输入捕获的能力，输出比较或脉宽调制具有低至125 ns的定时精度。

    另外，MC68HC908LB8还包括一个带有理想驱动半桥的互补输出对的HRP模块。可编程的空载时间插入和短路预防功能可保证最高的效率。当HRP执行定时频率或工作周期抖动时，定时精度可减少到3．9 ns。如果 发现了问题，故障输入安全特性可产生一个信号，进行迅速关机。它可对大多数参数自动计算，因而容易使用。

    MC68HC2908LB8有一个2通道PWM模块，具有故障输入检测和中断功能。当PWM与运算放大器／比较器模块一起使用时，该单元可实现低成本的PFC，为主要的功率应用提供一种理想的集成解决方案。

    安全特性是MC68HC908LB8的另一个特色，包括完全计算机运行(COP)和低电压抑制(LVI)，加上从一40～ +125℃的温度范围，为恶劣的应用环境提供了一个强大的解决方案。

    HC908LB8基于飞思卡尔HC08 CPU内核，内部总 线频率为8MHz，软件精度为±2％。其主要特点包括：
    ◇8KB闪存，128B RAM；
    ◇高精度PWM HRP；
    ◇功率因数校正；
    ◇7通道、8位ADC；
    ◇1个带有中断功能的16位定时器；
    ◇带有抗噪的低电压抑制技术和确保软件安全的计 算操作；
    ◇时钟模块可选择RC振荡电路、内部晶振和外部 晶振；
    ◇最多可有18个I／0接口(多路复用的外围接口)；
    ◇7个I／0可用于键盘中断；
    ◇大电流控制逻辑I／O(sink／source)，典型值为10 mA；
    ◇多种电气安全特性。

    值得一提的是，在有效的主电源供电应用中，作为关键要求的PFC可将输入电流转化为一个与输入电压保持同相的正弦波，从而提高效率、降低信号失真、降低运行成本和噪音。HC908LB8带有成本经济的PFC功能，为主电源供电应用提供了理想的集成方案。

3 节约成本，加速产品开发

    在典型的镇流器应用中，使用HC908LB8可将分立数字系统元件的数量减少50％。除了能节省空间，还可缩少PCB尺寸和降低生产成本，并有助于降低管理成本。

    为了演示该器件的各种特点，飞思卡尔将通过提供价格适当的开发硬件(评估板和演示板)、免费的参考设计、应用指南、在线教程、配套软件、系统框图和材料清单，帮助设计者加速产品开发进程。系统仿真模块FSICE- KITLB8 Freescale Complete FSICE是一个高性能的仿真 工具，包括仿真器、电缆、连接适配器(head adapter)和编 程适配器。另外，设计者还能得到第三方的支持，如 Metrowerks公司提供的Code Warrior IDE特别版。高度 集成的免费工具包括：编辑器、C编译程序、调试程序、模拟器和Processor Expert代码生成工具。

    该参考设计为两个并行连接的荧光灯提供了具有 PFC功能的完整数字减光型镇流器设计，可以满足能源保护及其相关立法对高效照明镇流器设计的需求；同时，为能源保护和智能建筑物自动化所推动的控制照明网络的DALI标准，尤其是荧光镇流器的开发奠定了基础。目前，全球主要照明制造商都承诺支持DALI接口，以实现低成本控制的大型照明网络。该参考设计为用户示范了

    如何在主从配置中利用飞思卡尔的68HC908KX8与简单的协议进行通信。图3是演示板的照片。

    新的参考设计可以大幅度改善镇流器的能效、减少系统复杂度，降低成本，并满足日益苛刻的能效要求。与目前市场上的传统技术相比，该解决方案可帮助设计者设计出具有更高能效和成本低廉的电子镇流器。

    总之，使用MC68HC908LB8的好处包括这样几个方面：利用PFC减少功率损耗和失真；利用高精度PWM信号实现精确控制；高度的集成可减少系统尺寸和成本；满足荧光照明系统镇流器的能量效率要求。

过流保护在可控硅整流装置中的应用
前言

  可控硅整流装置不论在电力系统还是在现代工业的各行各业中已得到广泛应用。如冶金行业中，应用于金属冶炼；化工行业中，应用于电解、电镀；在电力系统中，既可作为系统控制、保护的工作电源，同是又可作为蓄电池的充电装置。可控硅整流装置要安全运行，必须有可靠的保护措施。在整流装置过载或者输出短路时，保护措施能起到安全保护作用，使装置不受损坏。我们把这种保护功能，归结为限流保护和过流保护。这两种保护是否可靠，直接影响产品的质量，代表着产品的水平。

  1 可控硅整流装置的控制原理

  1.1可控硅整流装置的开环控制

  以三相全控桥为例，可控硅整流装置的输出电压Ud与可控硅控制角α之间的关系如下：

  Ud=1.35Uzlcosα

  式中：Ud—可控硅整流装置输出电压；Uzl—整流变压器二次侧线电压；α—可控硅控制角。

  由上式可以看出，可控硅整流装置的输出电压与可控硅控制角α有关系。在如图1中α实际上由控制电压Uy决定，即当Uy增加时，α增大，则Ud减小；当Uy减小时，α减小，则Ud增大。所以调节Uy的大小，可以控制整流装置的输出电压值。这便构成了整流装置的开环控制。

  1.2可控硅整流装置的闭环控制

  整流装置的输出通过调节单元，来控制Ud这一过程便构成了可控硅整流装置的闭环控制。如图2所示。图中的调节单元为整个控制系统的核心，这个调节单元设计的如何，决定着整流装置能否正常工作。
  1.3调节单元

  调节单元的构成及原理如图3所示。图中Uvf为装置Uif为装置输出电压或电流反馈信号。当只有电压反馈Uvf时，整流装置工作在恒压状态下；当只有电流反馈UIf时，装置工作在恒流状态下。R1、R3、R5、C、N构成了PI调节器。PI调节器输出Uy与电压反馈Uvf之间的关系为：

  由式中可以看出，Uvf决定Uy，从而决定整流装置的输出电压Ud，这样就构成了一个自动调节系统。这一调节单元的加入，使整流装置自动工作在恒压或恒流状态。

  当电网波动或整流装置负载变化而引起整流装置输出电压高于输出整定值时，电压反馈Uvf升高，Uy也升高，则控制角α增大。由整流装置输出电压公式可以看出，Ud相应减小，控制角α减小，使Ud增大，以达到整定值。通过这种自动调节，使整流装置达到稳定电压的目的。整流装置处于恒流工作状态时，其调节过程与恒压状态的调节过程原理相同，这里不再赘述。

  RP1为整流装置输出电压或电流值的设置电位器，通过RP1的调整，使装置输出一定的电压或电流值。

  2 限流保护

  限流保护是在整流装置工作在恒压状态下所加入的一种保护措施。当整流装置输出电流超过额定值时，这种保护能使整流装置的输出电压降低，并使装置继续运行，如图4所示。

  电流反馈信号Uif经过运算放大器放大，再经过反相器倒相后，与电压反馈信号Uvf通过选通电路相迭加在一起，做为PI调节器的输入。这里UIfˊ=R7/R5（R2/R1•Uif+R2/R3•URP1）

  运算放大器N1与反相器N2完成电流反馈信号的放大作用。电路应该这样设计和调整，当整流装置输出电流超出输出电流额定值，即|UIf|>|URP1|时，保证UIFˊ>Uvf；当整流装置输出电流低于输出电流额定值即|UIf|<|URP1|时，UIFˊ< Uvf，而选通电路能保证：

  当UIFˊ>时，Uˊ=UIFˊ-Uv2
  当UIFˊ<时，Uˊ=Uvf-Uv1
  Uv1—二极管V1的管压降，Uv2—二极管V2的管压降。

  综上所述，电流反馈与电压反馈经选通电路后，保证只有一个信号作为PI调节器的输入。也就是说，当整流装置输出电流超出电流额定值时，则只有电流反馈作为PI调节器的输入，那么整流装置处于恒流工作状态。当整流装置输出电流低于电流额定值时，只有电压反馈作为PI调节器的输入，则整流装置工作在恒压状态下。


  由此可见，整流装置只有加入限流保护后，在超负荷运行时，电流能受到有效的抑制，元件不会被损坏，装置能得到可靠的保护。

  在实际工作中，用于给蓄电池充电的整流装置，就经常工作在限流状态下。比如，在为蓄电池恒压充电时，由于电池初始电压很低，整流装置的输出电压与电池端电压之间的压差较大，则充电电流很大，超出整流装置输出的额定电流，但由于整流装置中设有限流作用，装置便可在额定输出状态下恒流运行，随着电池电压的上升，使整流装置逐步脱离限流环节，自动转为恒压工作状态。图5给出了整流装置在为蓄电池充电时的电压、电流与时间的关系曲线。

  3 过流保护

  用在可控硅整流装置中的过流保护方式很多，如快速熔断器保护、快速电流继电器保护、自动空气断路器保护和电子回路保护等。根据多年的实际经验，我们采用电子回路作整流装置的过流保护措施，其原理见图6所示。

  可控硅触发脉冲是由一个电平信号Uk来控制，当Uk为“1”电平时，可控硅触发脉冲关断，则整流装置输出为0。当Uk为“0”电平时，可控硅触发脉冲正常输出，则整流装置输出电压为Ud。

  图6中，R1，R2，N组成比较器，通过RP1来设置过流保护值；V1为钳位二极管，Uk为可控硅触发脉冲输出的控制信号。当整流装置输出电流超出额定值的20%时，电流反馈UIF>URP1，则比较器输出为“0”电平，使三极管V2截止，此时Uk为“1”电平，使整流装置输出电压为0。钳位二极管V1保证系统在出现过流时，比较器输出电位为“0”电平，使整流装置可靠关断。

  这种过流保护电路的设计，确保了在整流装置输出正负极短路时，不致于损坏装置中的任何元件。实践证明，这种电路工作极为可靠。

  4 结语

  限流、过流保护在可控硅整流装置中的完善，使整流装置运行起来更加安全可靠。这种保护措施不仅适用于可控硅整流装置，而且同样适用于开关电源和其它直流稳压装置，在电力系统中，为无人职守提供了可能，并为全自动整流装置的诞生奠定了基础。