高 压 钠 灯 电 子 镇 流 器 的 研 制

王 建 平 1， 吴 建 春 2

(1. 南 京 博 恒 电 子 有 限 公 司 常 州 技 术 部 ， 江 苏 常 州 213016；
(2. 南 京 博 恒 电 子 有 限 公 司 ， 江 苏 南 京 210007）

　　摘　 要 ： 高 压 钠 灯 电 子 镇 流 器 相 比 于 电 感 式 镇 流 器 具 有 许 多 优 势 ， 但 众 多 的 设 计 方 法 难 以 达 到 实 用 。 介 绍 了 采 用 美 国 UNITRODE公 司 的 专 用 芯 片 UCC2305设 计 的 高 压 钠 灯 电 子 镇 流 器 ， 并 描 述 了 其 原 理 和 方 法 。 
　　 关 键 词 ： 绿 色 照 明 ； 高 压 钠 灯 ； 功 率 因 素 ； 恒 功 率 

Development of Electronic Ballast in Use for 
High Pressure Sodium Lamp

WANG Jian- ping1, WU Jian- chun2

(1.Changzhou Technical Service Branch, Nanjing Boheng Electronic Co Ltd, 
Changzhou Jiangsu 213016 China) 
(2.Nanjing Boheng Electronic Co Ltd, Nanjing Jiangsu 210007 China) 

　　Abstract:The high pressure sodium lamp(HPSL) controller has more advantages than the inductive ballast. But many design methods can′ t be widely used. A HPSL controller designed with especial IC UCC2305 of America UNITRODE Company is introduced. The design principle and method is described. 
　　Keywords:green lighting; HPS lamp; power factor; constant power 

0 引 言
　　高 压 钠 灯 （ HPSL） [1]是 高 强 度 放 电 灯 （ HIDL— — High Intensity Discharge Lamp） 中 的 一 种 ， 因 其 具 有 极 好 的 光 效 （ 80～ 140 lm/W） 和 合 适 的 光 波 长 ， 而 被 广 泛 用 于 户 外 照 明 ， 如 广 场 、 道 路 、 码 头 等 。 但 是 ， 传 统 的 电 感 式 的 镇 流 器 存 在 功 率 因 数 低 和 自 身 损 耗 大 的 缺 点 。 大 量 低 功 率 因 数 电 器 的 使 用 ， 对 电 网 造 成 谐 波 污 染 ， 不 但 增 加 了 供 发 电 设 备 的 负 荷 ， 使 供 发 电 设 施 得 不 到 充 分 利 用 ， 而 且 严 重 影 响 其 它 用 电 设 备 的 正 常 运 行 。
　　绿 色 照 明 事 业 在 世 界 范 围 的 蓬 勃 发 展 ， 推 进 了 电 子 镇 流 器 的 广 泛 使 用 。 电 子 镇 流 器 不 但 可 以 做 到 很 高 的 功 率 因 数 （ 接 近 1） ， 而 具 有 显 著 的 节 能 效 果 ， 而 且 还 能 在 很 宽 的 电 压 范 围 内 点 灯 工 作 ， 很 好 地 解 决 了 电 感 式 镇 流 器 的 缺 点 。 因 为 ， HPSL的 功 率 相 对 于 荧 光 灯 大 得 多 ， 用 量 也 极 大 ， 所 以 ， HPSL电 子 镇 流 器 的 开 发 应 用 ， 具 有 更 加 深 远 的 意 义 。 

1 对 高 压 钠 灯 电 子 镇 流 器 的 要 求
　　HPSL电 子 镇 流 器 因 使 用 场 所 和 其 本 身 的 特 性 ， 要 求 较 为 严 格 。 它 的 基 本 要 求 是 ：
　　1） 较 高 的 功 率 因 数 （ ≥ 0.99） ；
　　2） 适 应 温 度 范 围 － 20～ 50℃ ， 且 防 雨 雪 ；
　　3） 输 出 到 灯 的 功 率 必 须 恒 定 ；
　　4） 为 防 电 极 极 化 ， 灯 的 电 流 必 须 是 交 流 ， 而 且 须 防 声 共 振 ；
　　5） 必 须 有 2.5～ 4 kV 的 点 灯 触 发 电 压 ， 灯 点 亮 后 高 压 须 消 除 ， 不 影 响 灯 的 正 常 工 作 ；
　　6） 较 高 的 功 率 （ 一 般 人 行 道 为 75 W， 道 路 为 250W，广场为400W，最高达1000W）；
　　7） 对 各 种 故 障 （ 灯 短 路 、 灯 开 路 或 无 灯 、 弧 光 不 正 常 、 灯 过 压 、 灯 过 流 以 及 电 路 本 身 的 故 障 ） 的 识 别 及 保 护 功 能 完 善 。 

2 方 案 的 选 择
　　能 够 实 现 上 述 基 本 功 能 的 方 法 有 好 多 种 ， 虽 然 许 多 厂 商 竞 相 研 制 生 产 ， 但 能 做 到 实 用 较 为 困 难 ， 因 为 ， 简 单 的 电 路 难 以 满 足 要 求 ， 复 杂 的 电 路 成 本 昂 贵 。 通 过 对 HPSL电 子 镇 流 器 的 大 量 研 究 ， 本 文 介 绍 采 用 美 国 UNITROD公 司 专 门 为 HIDL控 制 器 设 计 的 专 用 芯 片 — — UCC2305[2]制 作 的 250 W镇 流 器 ， 其 基 本 的 框 图 如 图 1所 示 。

　　它 主 要 由 功 率 因 数 校 正 （ PFC） 电 路 、 UCC2305控 制 电 路 、 触 发 电 路 和 辅 助 电 源 4部 分 组 成 ， 电 路 较 为 简 单 。
2. 1 功 率 因 数 校 正
　　实 现 功 率 因 数 校 正 的 方 法 很 多 [1][2][3][4][5]， 本 案 选 择 UC3854B作 为 控 制 芯 片 ， 建 立 了 固 定 频 率 平 均 电 流 型 有 源 功 率 因 数 校 正 电 路 ， 如 图 2所 示 。 在 图 2中 ， 整 流 桥 B1、 储 能 电 感 L1、 功 率 开 关 器 件 S1、 升 压 二 极 管 D1、 输 出 滤 波 电 容 C1和 电 流 取 样 电 阻 R1组 成 了 PFC主 电 路 。
　　跟 UC3854一 样 ， UC3854B提 供 了 有 源 功 率 因 数 校 正 的 全 部 功 能 ， 这 些 功 能 包 括 电 压 放 大 器 、 模 拟 乘 法 /除 法 器 、 电 流 放 大 器 和 固 定 频 率 PWM， 另 外 ， 还 含 有 功 率 MOSFET栅 极 驱 动 器 、 7.5 V基 准 电 压 、 总 线 预 测 器 、 加 载 赋 能 比 较 器 、 低 电 压 检 测 器 和 过 流 比 较 器 等 。 平 均 电 流 模 式 的 控 制 使 正 弦 化 线 电 流 稳 定 、 低 失 真 而 不 象 峰 值 电 流 控 制 需 要 斜 率 补 偿 。
　　交 流 176～ 264 V输 入 电 压 经 B1整 流 成 为 100 Hz 的 正 弦 半 波 电 压 ， 为 了 迫 使 线 电 流 跟 随 电 压 变 化 ， UC3854B的 脚 6经 R5引 入 这 个 正 弦 半 波 线 电 压 取 样 ， 内 部 乘 法 器 将 此 信 号 （ 设 为 B） 与 输 出 电 压 放 大 器 的 输 出 （ 设 为 A） 相 乘 ， 产 生 电 流 控 制 环 的 基 准 信 号 。 同 时 正 弦 半 波 电 压 又 经 由 R2， R3， C3， R4 和 C4组 成 的 分 压 电 路 产 生 与 线 电 压 的 均 方 根 值 成 正 比 的 电 压 值 ， 这 个 电 压 送 到 UC3854B的 脚 8， 在 其 乘 法 器 中 平 方 （ 此 值 设 为 C） 。 乘 法 器 将 实 际 线 电 流 与 电 压 放 大 器 输 出 的 乘 积 除 以 线 电 压 的 均 方 根 值 的 平 方 ， 即 乘 法 器 的 输 出 IM=AB/C。 脚 8的 输 入 可 对 线 电 压 的 变 化 作 出 补 偿 ， 使 PFC能 够 在85～ 255 V的 输 入 电 压 范 围 内 工 作 。 R1是 线 电 流 取 样 电 阻 ， 它 的 负 端 与 乘 法 器 的 输 出 一 起 接 到 电 流 放 大 器 的 正 向 端 ， 正 端 接 到 电 流 放 大 器 的 反 向 端 。 该 电 流 放 大 器 有 较 高 的 低 频 增 益 ， 但 控 制 环 路 的 带 宽 很 大 ， 使 线 电 流 跟 随 线 电 压 变 化 成 为 可 能 。
　　UC3854B相 比 于 UC3854， 提 供 了 一 个 宽 的 带 宽 、 低 偏 置 的 电 流 放 大 器 、 具 有 快 速 响 应 的 “ 能 使 ” 比 较 器 、 判 断 基 准 好 坏 的 比 较 器 以 及 一 个 改 进 的 乘 法 器 /除 法 器 ， 低 电 压 保 护 改 为 10 V， 启 动 电 压 为 10.5 V， 而 不 再 是 UC3854的 16 V， 启 动 电 流 更 低 。
　　由 于 这 方 面 的 资 料 和 文 献 极 多 ， 本 文 不 再 作 更 详 细 的 叙 述 和 计 算 表 达 。 电 路 中 主 要 元 器 件 B1为 4 A/600 V整 流 桥 ， L1=1.2 mH， S1为 IRFP840， D1为 MUR086。
2． 2 UCC2305控 制 器
　　UCC2305集 成 了 控 制 和 驱 动 HIDL所 有 的 功 能 需 要 ， 它 适 用 于 金 属 卤 素 灯 （ 如 汽 车 大 灯 、 放 映 机 灯 等 ） 、 高 压 汞 灯 和 高 压 钠 灯 等 高 强 度 放 电 灯 控 制 器 的 驱 动 和 控 制 。 它 包 含 一 个 完 全 的 电 流 模 式 脉 宽 调 制 器 、 一 个 灯 功 率 调 节 器 、 灯 温 补 偿 器 和 所 有 故 障 保 护 。
　　UCC2305的 内 部 结 构 和 功 能 如 图 3所 示 。 其 单 端 驱 动 脚 19（ PWM OUT） 可 驱 动 正 激 式 、 反 激 式 、 升 压 式 、 降 压 式 等 不 同 类 型 的 电 路 。 主 输 出 脚 9（ QOUT） 和 脚 15（ QOUT） 采 用 大 电 流 推 拉 电 路 ， 可 以 驱 动 半 桥 和 全 桥 电 路 。 桥 路 输 出 采 用 低 频 交 流 ， UCC2305内 置 分 频 器 将 单 端 驱 动 的 频 率 （ 一 般 取 100 kHz） 除 以 512， 得 到 195 Hz的 低 频 ， 因 此 消 除 了 声 共 振 。 声 共 振 是 HIDL在 高 频 电 源 供 电 时 出 现 的 放 电 电 弧 不 稳 的 现 象 ， 其 机 理 是 灯 管 内 压 力 波 的 脉 动 从 管 内 壁 反 射 回 来 ， 如 果 与 高 频 电 流 的 脉 动 成 分 相 位 相 同 ， 则 形 成 驻 波 ， 产 生 声 共 振 ， 轻 则 灯 光 抖 动 ， 重 则 烧 毁 灯 管 和 镇 流 器 。

　　图 4给 出 了 采 用 UCC2305作 为 控 制 芯 片 的 250 W HPSL电 子 镇 流 器 的 原 理 图 。 由 于 HIDL的 阻 抗 非 线 性 （ 其 阻 抗 特 性 见 图 5） ， 在 灯 未 点 亮 之 前 处 于 高 阻 ， 一 旦 外 加 高 压 触 发 点 亮 以 后 灯 就 导 通 ， 其 两 端 电 压 迅 速 降 低 ， 灯 电 流 增 大 ， 呈 现 负 阻 特 性 。 如 果 还 以 平 常 的 电 压 加 于 灯 上 ， 灯 将 烧 毁 。 而 HIDL在 刚 启 动 的 冷 态 和 长 时 间 工 作 的 热 态 的 阻 抗 又 有 很 大 差 别 ， 因 此 ， HIDL控 制 器 必 须 是 一 个 电 流 模 式 控 制 下 的 恒 功 率 输 出 。 在 本 方 案 中 ， 单 端 采 用 了 降 压 式 Buck电 路 ， 将 PFC输 出 的 400 V电 压 ， 在 恒 电 流 下 降 至 HPSL所 需 的 工 作 电 压 。 由 于 是 高 端 驱 动 ， 所 以 需 将 PWM信 号 电 平 移 位 ， 采 用 IR2117或 者 TLP250等 IC均 能 实 现 。 电 流 取 样 采 用 电 流 互 感 器 T1， 因 为 开 关 频 率 较 高 ， 因 此 只 需 很 小 的 磁 芯 ， 初 次 级 匝 比 为 1： 100。 电 流 信 号 经 D10整 流 后 送 到 UCC2305的 脚 23（ ISENSE端 ） 。 在 UCC2305中 HIDL功 率 的 调 节 是 计 算 灯 电 流 和 电 压 ， 指 令 适 当 的 输 入 电 流 保 持 灯 功 率 的 恒 定 。 而 灯 的 电 压 由 分 压 比 为 120： 1的 分 压 电 阻 R36与 R37得 到 ， 送 到 芯 片 的 脚 11（ VOUT－ SENSE） ； 灯 的 电 流 由 取 样 电 阻 R18得 到 ， 这 个 信 号 送 到 芯 片 的 脚 5（ LOADISENSE） 。 UCC2305的 电 流 模 式 PWM类 似 于 工 业 标 准 的 UC3842和 UCC3802电 路 ， 使 用 高 增 益 开 环 放 大 器 ， LOADISENSE信 号 直 接 送 入 该 放 大 器 ， 放 大 器 放 大 了 预 期 灯 电 流 和 实 际 灯 电 流 之 差 ， 并 在 反 馈 误 差 放 大 器 脚 LPOWER产 生 一 个 粗 略 地 比 例 于 灯 功 率 的 输 出 信 号 。 开 环 放 大 器 驱 动 一 个 高 速 PWM比 较 器 ， 这 个 比 较 器 将 控 制 器 的 输 入 电 流 ， 即 脚 23的 ISENSE信 号 跟 开 环 放 大 器 的 输 出 电 流 比 较 ， 用 这 个 信 号 设 置 占 空 比 。 因 此 ， 控 制 器 的 输 出 调 节 在 恒 定 的 功 率 ， 以 使 灯 光 的 强 度 相 对 恒 定 。

　　S3、 L2和 C14的 确 定 在 文 献 [3]有 详 细 的 计 算 ， 对 于 一 个 250 W的 HPSL， S3采 用 IRFP840、 L2 选 用 EE30铁 氧 体 磁 芯 ,电 感 量 1.5 mH， C14为 100 μ F、 400 V的 电 解 电 容 。 
　　控 制 器 的 输 出 采 用 全 桥 逆 变 器 。 逆 变 器 工 作 在 195 Hz的 低 频 ， 灯 的 平 均 电 压 为 零 。 桥 路 的 驱 动 由 脚 QOUT和 QOUT输 出 ， 它 们 均 以 50％ 的 占 空 比 工 作 ， 相 差 180° 。 采 用 IR2110驱 动 高 端 和 低 端 的 MOSFET管 。 这 样 的 方 法 成 本 较 贵 ， 也 可 以 低 端 直 接 驱 动 ， 高 端 采 用 一 个 高 压 晶 体 管 、 一 个 上 拉 电 阻 以 及 正 确 的 相 位 。 灯 在 正 常 点 燃 时 ， 需 要 变 换 灯 的 极 性 ， 但 当 灯 还 未 点 亮 时 交 流 电 压 将 干 扰 启 动 。 UCC2305有 一 个 “ NOTON” 的 逻 辑 输 出 ， 当 灯 还 未 点 亮 时 为 高 电 平 ， 点 亮 后 为 低 电 平 。 将 该 输 出 连 到 脚 DIVPAUSE， 点 灯 时 使 低 频 逆 变 停 止 ， 直 至 灯 彻 底 点 亮 。
　　UCC2305的 供 电 来 自 于 一 只 6.8 V的 稳 压 管 D8， 它 可 以 防 止 供 电 过 电 压 及 有 可 能 出 现 的 反 向 供 电 。 6.8 V电 压 接 到 VCC端 ， 但 器 件 工 作 的 许 多 功 能 供 电 须 来 自 于 连 接 到 脚 BOOST的 近 似 于 10 V 的 电 压 。 将 脚 PUMPOUT当 作 一 个 交 流 信 号 和 将 外 部 的 二 极 管 当 作 开 关 器 件 ， 通 过 电 压 倍 压 器 ， 在 脚 BOOST可 得 到 这 个 10 V供 电 ， 满 足 包 括 MOSFET 驱 动 等 在 内 的 其 它 所 有 功 能 需 要 。 用 阻 抗 大 于 10 kΩ 的 分 压 器 从 脚 VCC接 到 脚 BAT， 对 芯 片 具 有 可 靠 的 保 护 。
　　UCC2305控 制 器 PWM振 荡 器 由 脚 ISET和 脚 OSC接 地 的 电 阻 和 电 容 决 定 振 荡 频 率 fOSC= 2/R28C20。 对 于 100 kHz， R28应 为 100 kΩ 、 C20应 为 200 pF。 UCC2305中 所 有 电 路 均 工 作 在 R28所 设 置 的 偏 置 电 流 下 ， 最 佳 工 作 状 态 时 应 在 75～ 150 kΩ 之 间 。 
　　UCC2305内 部 含 有 复 杂 的 电 路 来 预 测 灯 温 、 补 偿 灯 温 ， 当 灯 处 于 冷 态 时 ， 给 灯 较 高 的 功 率 ， 当 灯 温 升 高 时 减 少 功 率 到 一 般 的 水 平 。 这 样 可 以 满 足 象 汽 车 大 灯 等 需 要 开 启 时 就 很 快 达 到 满 亮 度 的 要 求 。 这 个 功 能 的 实 现 是 在 开 灯 时 ， 通 过 检 测 连 接 于 脚 SLOPEC和 脚 WARMUPC上 的 电 容 CS和 CW 上 的 充 电 电 压 ， 预 测 灯 温 ， 关 灯 时 ， 这 两 个 电 容 以 一 个 可 控 制 的 速 度 放 电 ， 放 电 电 流 通 过 UCC2305 内 的 电 流 源 所 设 定 。 控 制 这 些 电 容 放 电 的 能 量 来 自 于 连 接 到 BYPASS的 一 个 电 容 C22存 储 的 能 量 。 所 需 电 容 的 值 可 以 假 定 一 个 最 大 5 μ A 的 BYPASS电 流 、 60 s的 放 电 时 间 以 及 5 V最 大 可 允 许 的 下 跌 电 压 ， 估 算 ， 即 C=IΔ t/Δ V=5 μ A60 s/ 5 V=60 μ F。 CS及 CW必 须 是 精 密 薄 膜 电 容 ， 与 灯 的 “ 时 间 － 温 度 ” 关 系 相 匹 配 。
　　从 冷 灯 峰 值 电 流 到 热 灯 峰 值 电 流 的 额 定 值 ， 通 过 脚 ADJ的 电 压 控 制 ， 从 脚 ADJ到 地 连 接 一 个 电 阻 来 设 置 这 个 电 压 。 冷 灯 的 短 路 电 流 到 热 灯 的 短 路 电 流 的 值 ， 也 被 这 个 电 阻 设 置 。
　　脚 VOUTSENSE的 电 压 比 例 于 灯 的 电 压 ， UCC2305检 测 脚 VOUTSENSE的 电 压 ， 将 它 与 内 部 83 mV的 低 门 槛 电 压 和 2 V的 高 门 槛 电 压 进 行 比 较 ， 如 果 电 压 不 在 这 个 范 围 ， 说 明 灯 还 未 点 燃 或 者 开 路 或 者 短 路 ， IC将 用 接 近 250 nA的 电 流 拉 升 接 在 脚 FLTC和 地 之 间 的 电 容 C19的 电 压 。 如 果 故 障 的 时 间 足 够 长 ， 使 C19的 电 压 超 过 5 V， 表 明 有 灾 害 性 故 障 ， 并 关 断 IC， 直 至 从 脚 BOOST撤 除 供 电 。 如 果 故 障 在 C19达 到 5 V之 前 查 明 ， 电 容 即 被 放 电 直 至 0 V， 进 入 正 常 工 作 状 态 。 放 电 电 流 50 nA， 放 电 时 间 比 充 电 时 间 长 5倍 。 正 常 工 作 的 灯 电 压 在 60～ 110 V之 间 ， 短 路 时 在 10 V， 启 动 时 最 高 限 制 在 600 V。
2. 3 启 动 电 路
　　普 通 荧 光 灯 电 子 镇 流 器 的 LC谐 振 电 路 虽 然 也 能 使 HIDL启 动 ， 但 并 不 满 足 HIDL的 需 要 。 HPSL的 启 动 需 要 3～ 4 kV的 触 发 电 压 ， 使 电 弧 管 击 穿 ， 并 提 供 足 够 的 能 量 ， 使 辉 光 放 电 尽 快 转 化 为 弧 光 放 电 。 对 于 HPSL启 动 器 ， 有 很 多 电 路 都 有 专 利 保 护 ， 虽 然 电 路 不 算 复 杂 ， 但 在 电 路 设 计 和 元 器 件 的 选 取 上 ， 都 有 一 些 技 巧 。 一 般 的 启 动 电 路 ， 在 文 献 [4]中 有 详 述 。 

3 结 语
　　通 过 对 高 压 钠 灯 电 子 镇 流 器 多 种 电 路 的 研 究 ， 发 现 使 用 UCC2305作 为 HIDL控 制 器 具 有 电 路 可 靠 、 结 构 简 单 、 性 价 比 较 好 等 优 点 。 UCC2305 控 制 器 不 但 能 完 成 从 触 发 点 灯 到 灯 稳 定 的 电 流 模 式 恒 功 率 调 节 ， 还 具 有 完 善 的 短 路 、 开 路 、 弧 光 失 常 、 灯 点 不 亮 等 全 部 保 护 功 能 ， 还 能 对 灯 温 进 行 预 测 和 补 偿 、 输 出 功 率 可 调 、 可 以 直 接 驱 动 MOSFET功 率 管 ， 并 且 能 够 工 作 在 － 40～ 105℃ 宽 温 度 范 围 ， 适 合 恶 劣 环 境 。 采 用 UCC2305制 作 的 高 压 钠 灯 电 子 镇 流 器 ， 具 有 真 正 进 入 实 际 应 用 的 价 值 。 用 电 子 镇 流 器 替 代 传 统 电 感 式 镇 流 器 ， 不 但 可 以 节 省 大 量 的 电 能 ， 还 能 实 现 高 功 率 因 数 ， 减 少 电 网 污 染 ， 实 现 绿 色 照 明 。

参 考 文 献

[1] 陆鸣. 电源专用集成 功 率 因 子 校 正 器 件 UC1854[J]. 电 子 技 术 ,1996,(1). 
[2] 王卫,张 伟 强 .输 出 电 压 可 调 的 高 功 率 因 数 整 流 器 [J]. 电 力 电 子 技 术 ,2000,34(2). 
[3] 叶 慧 贞 ,杨兴洲 .新 颖 开 关 稳 压 电 源 [M].北 京 :国 防 工 业 出 版 社 .1999,1. 
[4] 毛兴武 ,祝大卫 . 电 子 镇 流 器 原 理 与 制 作 〖 M〗 .北 京 :人 民 邮 电 出 版社 .1999,5. 
[5] UNITRODE CIRCUITS. Product ＆ Applications Handbook[Z]. 1995－ 96.

电源技术应用