数字控制的汽车头灯电子镇流器设计毕业设计.docx
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数字控制的汽车头灯电子镇流器设计毕业设计
四川理工学院毕业设计
数字控制的汽车头灯电子镇流器设计
摘要
高压钠灯以其光效好、寿命长、显色性好等优点在照明领域得到了广泛应用，且是现代汽车头灯的理想光源，而设计与之相匹配的电子镇流器是实现绿色照明的重要组成。
本次设计的数字控制的汽车头灯镇流器机构简单，包括EMI电路设计、功率因数校正电路设计、启动电路设计、逆变电路设计、单片机控制电路设计、逆变驱动电路设计、辅助电源设计以及电压检测电路设计。
单片机控制程序采用C语言编写，通过单片机检测到的不同信号，从而输出不同脉冲信号来控制逆变电路和启动电路的工作状态。
最后用proteus仿真软件进行电路仿真，仿真结果表明了该汽车头灯数字镇流器的可行性。
关键词：
单片机；功率因数校正；逆变电路；启动电路
ABSTRACT
Highpressuresodiumlampwithitsluminousefficiency,longlife,goodcolor,etc.inthefieldoflightinghasbeenwidelyused,andistheidealsourceofmodernautomobileheadlights,anddesignedtomatchtheelectronicballastistoachievegreenlightingimportantcomponent.Thecarheadlightsdigitaldesignagencyballastcontrolissimple,includingEMIcircuitdesign,powerfactorcorrectioncircuitdesign,start-upcircuitdesign,theinvertercircuitdesign,microprocessorcontrolcircuitdesign,theinverterdrivecircuitdesign,auxiliarypowersupplydesignandavoltagedetectioncircuit.SCMcontrolprogramusingClanguage,detectedbythemicrocontrollerdifferentsignalstooutputdifferentpulsesignaltocontroltheworkingstatusoftheinvertercircuitandthestartofthecircuit.Finally,circuitsimulationsoftwareproteussimulationresultsshowthefeasibilityofthecarheadlightsdigitalballast..
Keywords:
MCU;Powerfactorcorrection;Invertercircuit;Startingcircuit
摘要I
ABSTRACTII
第1章引言1
1.1电光源的发展1
1.2镇流器的发展历程1
1.3常见的电子镇流器2
1.4我国在镇流器的方面的发展状况2
1.5汽车头灯电子镇流器未来的发展趋势3
1.6本章小结3
第2章镇流器的特性4
2.1气体放电特性4
2.2气体放电的负阻特性5
2.3镇流器工作原理6
2.4本章小结6
第3章硬件设计7
3.1硬件设计模块框图7
3.2EMI电路设计7
3.3功率因数校正电路设计8
3.3.1功率因数设计目的8
3.3.2BOOST型电路的工作原理8
3.3.3功率因数校正电路的具体设计10
3.4逆变电路设计12
3.4.1推挽型逆变电路13
3.4.2半桥逆变电路13
3.4.3全桥逆变电路14
3.5启动电路15
3.6主控制电路16
3.6.189C51单片机16
3.6.2直流低压电源设计18
3.6.3电压检测电路19
3.6.4逆变驱动电路19
3.7本章小结21
第4章软件设计22
4.1程序设计的主体思路22
4.2程序流程框图23
4.3部分程序的编译24
4.4仿真电路25
4.5本章小结27
结束语28
致谢29
参考文献30
附录31
程序31
原理图35
第1章引言
1.1电光源的发展
自从1879年爱迪生发明白炽灯以来，电光源在照明中就得到大范围的应
用。
据统计世界上现在有大约6000多种电灯,它们以被归纳为六个大类：
白炽灯、荧光灯、汞蒸气灯、金属卤化物灯、高压钠灯、低压钠灯。
除白炽灯外，其余的各种光源都可以叫做气体放电灯。
荧光灯和低压钠灯属于低压气体放电灯，而汞蒸气灯、金属卤化物灯和高压钠灯（HPS）属于高压气体放电灯，即高强度气体放电灯。
1938年问世的荧光灯，是照明史上的一个飞跃，它的出现改变了白炽灯一统天下的局面。
与白炽灯相比，荧光灯及其它种类的气体放电灯大大提高了照明系统的发光效率，因此能节约大量电能。
在这些电光源中，高压钠灯的光效是最高的，它的最高光效有13Olm/W。
除此之外，高压钠灯还有寿命长、光色好等优点。
高压钠灯的寿命长达24000小时，普通的高压钠灯所发出的光为金白色，还可以通过在灯管中充不同的气体来改变光色。
因为优点突出，所以高压钠灯被广泛应用于广场、道路、码头、铁路、矿山等室外照明系统[1]。
1.2镇流器的发展历程
20世纪70年代出现了世界性的能源危机，节约能源的紧迫感使许多公司致力于节能光源和荧光灯电子镇流器的研究，随着半导体技术飞速发展，各种高反压功率开关器件不断涌现，为电子镇流器的开发提供了条件，70年代末，国外厂家率先推出了第一代电子镇流器，是照明发展史上一项重大的创新。
由于它具有节能等许多优点，引起了全世界的极大关注和兴趣，认为是取代电感镇流器的理想产品，随后一些著名的企业都投入了相当的人力、物力来进行更高一级的研究与开发。
由于微电子技术突飞猛进，促进了电子镇流器向高性能高可靠性方向发展，许多半导体公司推出了专用功率开关器件和控制集成电路的系列产品，1984年，西门子公司开发出了TPA4812等有源功率因数校正电器IC，功率因数达到0.99。
随后一些公司相继推出集成电子镇流器，89年芬兰赫尔瓦利公司又成功推出可调光单片集成电路电子镇流器，电子镇流器已在全世界特别是发达国家全国推广应用[2]。
1.3常见的电子镇流器
（1）感抗型镇流器
这是常用的普通型镇流器，其开路电压即为电源电压，需要借助于触发器来启动灯工作，工作电路的电压峰值因数和电流峰值因数较低，对保护放电管的电极有利，这种镇流器的成本较低，但在电源电压波动较大的情况下，控制灯功率的波动和稳定灯性能的能力较差。
（2）高阻抗自耦升压式镇流器
这种镇流器使用在低电源电压（如：
100V/120V）的场合，或为取得高的开路电压而使灯能直接启动的场合。
工作电路的峰值电压和电流峰值因数较高，控制灯陛能稳定性的能力也较差，通常这种镇流器较少采用。
（3）恒功率自耦升压式镇流器
这种镇流器由自耦漏磁升压变压器串联电容器组成，称为恒功率镇流器，也称为超前顶峰式镇流器。
该镇流器可获得较高的开路电压，线路功率因数可达90%。
在电源电压起伏较大情况下，对稳定灯的功率，维护好灯的性能起到较好的调节作用。
甚至在电源电压跌落30-40%时还能使灯继续工作。
但线路的电流峰值因数较高，镇流器的成本也相对较高。
（4）恒功率升压式镇流器
这种镇流器由漏磁升压变压器串联电容器组成，也是一种恒功率镇流器，它比上述恒功率自偶升压镇流器有更好的稳定灯功率及性能的调节作用。
（5）调整式迟后型镇流器
这种镇流器实际上是一个稳压式电器，确保金卤灯一直在稳定的电源电压下工作，可使灯获得最长的寿命和最佳的灯性能参数的维护。
这种镇流器的成本较高，但对金卤灯照明的长期运行成本来说却是低的[3]。
1.4我国在镇流器的方面的发展状况
中国的汽车头灯电子镇流器的研究水平和世界知名电力电子学府和企业相比，在技术研发和产品质量上都存在一定的差距“目前国内的很多电子镇流器研究机构不能够在整个电子镇流器系统级别上做到面面俱到，总是存在一定的木桶效，即无法从产品效率、寿命、可靠性、成本等多方面做到齐头并进。
”中国的很多照明科学研究机构具备一定的科研水平，但是从科研样机到商业产品还需要付出更多努力“在中国的汽车照明企业界里，很多合资工厂都是引进技术，缺乏自身的技术积累，在这种情况下，随着科技的进步，产品的技术升级和更新换代势必会造成原有引进技术的淘汰，所以，发展中国自身具有自主知识产权的汽车头灯照明技术，缩小与国际先进水平的差距是每一个研究汽车照明的中国人的职责。
”
1.5汽车头灯电子镇流器未来的发展趋势
在现代汽车科技日新月异的带动下，汽车头等已非昔日简单的照明功能；其设计从早期的组件演化，进一步的达到啦系统的整合，由静态到动态，有汽车头等的发展历史可知，从1913年的白炽灯泡，到60年代的卤素灯，再到20世纪90年代的气体放电灯，以及未来的LED，光纤照明，应该说其发光强度，光效等各方面性能已经有了长足的发展，但是这些灯光技术的飞跃发展都是源于光源的不断进化，其灯光系统基本上静态的。
从现在开始，在提升汽车头等在静态表现的同时，也将向动态发展。
未来几年汽车照明系统将向多功能化和智能化发展[4]。
1.6本章小结
查阅资料了解人们对灯光的要求，对灯的光效以及显色性的要求。
深入了解未来灯光的发展要求。
根据灯的不同，生产与之匹配的镇流器。
第2章镇流器的特性
2.1气体放电特性
在一般情况下，气体是良好的绝缘体，然而当气体放电时,气体就变成了良导体。
气体所具有的电导是由外部电离源引起的，若在充以低压强气体的放电管两端加上足够高的电压，在放电管内将有电流流过。
随着电流密度的增加,可观察到气体放电现象[5]。
图1-1气体放电伏安特性曲线
OA段：
在外加电场的作用下，灯观中所存在的带电粒子向电极运动，形成电流。
随电场的增加，带电粒子的运动速度增加，复合减少，是电流增大。
AB段：
当电场继续增大时，所有电离产生的带电粒子全部到达电极，电流达饱和状态，形成BC段。
BC段：
如果外加电压继续增高，.他们在和中性原子碰撞时,使之电离后产生的则外电场将使初始的带电离子速度达到很大值电子又被电场加速，又和另外的中性原子碰撞电离，形成更多的电子。
这一过程会使电子数呈现雪崩式的增加。
在BC段将发生汤生放电。
CDEF段：
为为辉光放电区，当电压加大到C点以后管压降突然下降，通过放电管的电流却增加很快。
同时在放电管中产生可见光，相应C点成为放电管的着火点，相对应的外加电压称为放电管的着火电压，在C点以后所发生的各种放电称为自持放电。
而在C点以前发生的各种非自持转为自持所需的电压就成为着火电压。
自C点以后，无论如何增大外加电压，还是减少回路电阻R使电流增加，管压降基本不变，此段（EF）称为正常辉光放电。
发生正常辉光放电时,管压降维持不变，是因为在此范围内，阴极并没有全部用于发射电子，由于阴极发射的面积正比于发射电流，故此时阴极上的电流密度是一常数。
FG段:
当整个阴极表面都用于发射电子以后（既F点以后），如还继续加大电流的话，阴极电流密度就必须增加会造成管压升高。
此时就进入异常辉光放电阶段（FG）。
当管压升高到一定数值后如（G）点，继续加大放电电流，由于此时阴极温度升高而转入热电子发射，管压大幅降低，电流迅速增加。
在一般情况下，放电管呈现负组效应。
此时放电将转入较强的弧光放电区域，既GH段。
从图1-1可知，反常辉光放电的峰值电压就是弧光放电的启动电压，它是反常辉光放电和弧光放电的的转折点。
2.2气体放电的负阻特性
高压钠灯工作在弧光放电区域，气体放电在弧光放电区域有一重要特性:
放电电流增大时，管压降反而减小。
这就是说，放电表现出一种负阻特性。
其伏安特性也因而称为负伏安特性。
这种负伏安特性如图2一2所示。
图中横坐标I是放电电流，纵坐标U是管压降，曲线表示管压降U随电流I增大而减小。
气体放电负伏安特性的出现，原因是这样的:
在此区域内，当电流I增加时，电子一正离子对产生的速率将高于损失速率，从而使放电不稳定。
为了维持放电的稳定，只有当电流I增大时，设法减少电子的电离碰撞次数来减少电离量，亦即设法降低电子温度。
这必须使电子在电场中获得的输入能量减小，即要降低沿管轴方向的电场强度，而轴向电场强度的降低,意味着管压将的降低。
正是这种原因使放电产生了放电电流增加而管压降反而减小的负阻特性。
若不采取措施。
负阻特性会使放电无法稳定。
图2-2弧光放电的负阻特性
为使放电稳定,必须在放电管两端串联稳流（弧）装置，使整个系统为正伏安特性。
才能使放电获得稳定的电流和电弧。
这种装置被称为镇流器。
2.3镇流器工作原理
镇流器的基本功能是启动灯的放电，并将流入灯的电流限制于合理数值内。
由于高强度的气体放电灯的负阻特性，将镇流器和高强度气体放电灯串联以抵消其的负阻特性，可以使灯正常工作，可以先将灯等效为一个正电阻，当通过灯的电流增加时，将导致电阻上的电压增大，从而灯管两端的电压、放电中的电子温度以及电离速率都将减小。
于是电子的产生速度低于复合速率，电子密度随之下降，电流下降，最终回复到平衡工作点。
当镇流器和高强度气体放电灯串联时，镇流器的功耗是其最大的缺点。
在保证镇流器可靠的性质性能的基础上，力求寻找适合的电路和电路设计，以减小镇流器的功率损耗，提高其效率。
2.4本章小结
了解镇流器在整个电路中的作用，以及工作原理。
根据气体放电灯在工作的过程中，不阶段灯管两端的电压不同，而镇流器就是为灯的不同工作阶段提供不同的电压，让气体放电灯工作在最佳状态。
第3章硬件设计
一般的数字控制电子整流器中电能的来源于工频220V的市电，主要有EMI电路、整流电路、功率因数校正电路、逆变电路、启动电路和主控制电路六部分组成[6]。
而汽车上电器消耗的电能源来自于汽车上的铅蓄电池，铅蓄电池为汽车直接提供+12V的直流电源，因此不需要整流电路。
在数字控制的汽车头灯电子整流器中，主要有五个模块，分别是EMI电路、功率因数校正电路、逆变电路、启动电路和主控制电路。
而主控制模块有包含几个小模块，分别是辅助直流电源电路、单片机电路、检测电路和逆变驱动电路。
3.1硬件设计模块框图
启动电路
汽车头灯
逆变电路
APFC电路
EMI电路
主控制电路
汽车电源
图3-1数字控制镇流器的框图
3.2EMI电路设计
EMI电路即滤波电路[7]，其主要作用是滤除电路中的其他相干谐次波，抑制其他电路或者电源中的谐波量对镇流器的工作产生影响，造成镇流器不能正常工作，同时抑制镇流器产生的谐次波对汽车上的其他电器造成影响，而导致其它电器不能正常工作，所以EMI电路具有双向抑制作用，尽量减少汽车上的各个电器之间互不干扰，减少了电磁干扰。
图3-2EMI滤波电路
该电路中的电感主要是滤除低频谐波分量，而电容是滤除高频谐波分量。
其中电感L1和电感L2为同轴电感。
3.3功率因数校正电路设计
3.3.1功率因数设计目的
所谓的功率因数校正就是在整流电路和负载之间增加一个功率变化器，应用电流反馈技术，通过适当的控制方法不断调节输入电流，使其跟踪输入正弦波电压波形，将输入电流校正成与电网电压相同的正弦波，因而功率因数可以提高到近似于1.
功率因数校正电路是为了提高电路的功率因数，是电路的功率因数无限的接近于1[8]，因为当功率因数过低时，发电和变电设备送出的有功功率会明显减小，而输出的无功功率的比例则增大，从而使电力供电设备得不到充分利用，通过电力传输线路的电流就会增大，在线路上将引起较大的电压降落和功率损耗，电子镇流器的功率因数低还会限制车载电器设备的负荷，因此在电子镇流器必须使用功率因数不低于0.9。
3.3.2BOOST型电路的工作原理
一般的公率因数校正电路都是以BOOST电路为基础设计的，BOOST电路设计简单，是一种开关直流升压电路[9]，它可以使输出的电压比输入的电压高。
图3-3BOOST电路
BOOST电路的工作状态可分为两种状态，分别为充电状态和放电状态。
下面是对该电路工作原理[10]。
在充电过程中，开关闭合（三极管导通），等效电路如图3-4，开关（三极管）处用导线代替。
这时，输入电压流过电感。
二极管防止电容对地放电。
由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。
随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。
图3-4BOOST电路的充电状态图
放电过程如图3-5，这是当开关断开（三极管截止）时的等效电路。
当开关断开（三极管截止）时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。
而原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了。
升压完毕。
图3-5BOOST电路的放电状态图
说起来升压过程就是一个电感的能量传递过程。
充电时，电感吸收能量，放电时电感放出能量。
当极性电容的容量足够大，那么在输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流。
当这个通断的过程不断重复，就可以在电容两端得到高于输入电压的电压。
其中二极管的作用就是阻止极性电容的反向放电，使其在放电过程中不能与前一级的电路形成回路。
3.3.3功率因数校正电路的具体设计
图3-6BOOST型功率因数校正原理图
该模块的控制电路有乘法器M，电压误差放大器VA，电流误差放大器CA以及PWM波发生器。
主电路的输出电压VO检测值和基准电压Vr比较后，输入给电压误差放大器VA，VA的输出电压信号和滤波电压的检测值共同加到乘法器M的输入端，经乘法器M运算后得到的信号作为电流反馈控制的基准信号，与开关三极管的电流检测值比较后，经过电流误差放大器（或比较器）CA放大（或比较）后加到PWM发生器产生PWM控制信号，以控制开关三极管的通断。
从而使输入电流的波形和滤波电压的波形基本一致。
使输入电流的谐波分量大为减少，提高输入端的功率因数[11]。
这里设计的是汽车头灯的电子镇流器，功率较高，因此采用比较常用的美国画TRODE公司生产的UC3854A/B[12]。
这种芯片采用平均电流控制方法,恒频控制,能够使输入功率因数接近于1,THD小于3%。
图3-7是UC3854A/B的内部结构框图。
UC3854A/B的主要组成部分有电压误差放大器VA、乘法器M、电流误差放大器CA以及固定频率脉宽调制器。
此外还包含振荡器、门极驱动器、7.5V基准电压、软启动和过流保护比较器等。
芯片共有16条引脚。
图3-7UC3854A/B内部结构图
UC3854A/B的引脚功能:
（1）GND接地端。
（2）PKLMT峰值限制端，接电流检测电阻的电压负端，当电流峰值过高时，电路将被关闭。
（3）CAOUT电流放大器CA输出端。
（4）ISENSE电流检测端，内部接CA输入负端，外部经电阻接电流检测电阻的电压正端。
（5）MultOut乘法器输出端，即电流检测另一端，内部接乘法/除法器输出端和CA输入正端，外端经电阻接电流检测电阻的电压负端。
（6）JAC输入电流端，内部接乘法/除法器输入端，外部经电阻接整流输入电压的正端。
（7）UAOut电压放大器UA输出端，内部接乘法/除法器输入端，外部接RC反馈网络
（8）URMS有效值电源电压端，内部经平方器接乘法/除法器输入端,，起前馈作用，URMS的数值范围为1.5v-4.77v。
（9）REF基准电压端，产生7.5V基准电压。
（10）ENA起动端，通过逻辑电路控制基准电压，振荡器，软起动等。
（11）USENSE输出电压检测端，接电压放大器UA的输入负端。
（12）RSET外接电阻RSET端，控制振荡器充电电流及限制乘法/除法器最大输出。
（13）SS软起动端。
（14）CT外接电容CT端，CT为振荡器定时电容使产生振荡频率f=1.25/REST*CT。
（15）Vcc集成电路的供电电压Vcc,额定值22V。
（16）GTDRV门极驱动端，通过电阻接功率MOS开关管门极，该端电位钳在15V。
图3-8功率因数校正电路图
3.4逆变电路设计
常用的电子镇流器逆变主电路一般有推挽逆变电路、半桥逆变电路和全桥
逆变电路三种基本主电路形式[13]。
3.4.1推挽型逆变电路
推挽型逆变电路的工作原理，将升压变压器的中性抽头接于正电源，两路相反的PWM驱动脉冲送至开关管Q3、Q4的基极,控制两只功率管交替工作,得到方波交流电压经变压器输出。
由于功率晶体管共地，驱动及控制电路简单，另外由于变压器具有一定的漏感，可限制短路电流,因而提高了电路的可靠性。
其缺点是正负半波可能不平衡,容易造成直流偏磁问题。
此外开关管的耐压值要高于直流输入电压两倍以上，和全桥逆变相比它对开关器件的耐压值要高出一倍，只适合于原边电压比较低的功率变换器。
图3-9推挽型逆变电路电路图
3.4.2半桥逆变电路
半桥逆变电路的工作原理：
在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，使得两个电容的联接点A为直流电源的中点，当开关三极管Q5和开关三极管Q6都截止时，电容连接点电压为直流输入电压的一半。
开关三极管Q5和开关三极管Q6的基极信号在一个周期内各有半周正偏,半周反偏,且二者互补。
当Q5闭合（Q6断开）时，中点电位将有所上升；当开关三极管Q6闭合（开关三极管Q5断开）时，中点电位将有所下降。
半桥逆变电路使用的功率器件少，驱动简单，抗电路不平衡能力强，但输出交流电压的幅值仅为Vd/2，同样输出功率条件下，功率管额定电流值要大于全桥逆变电路两倍。
图3-10半桥型逆变电路电路图
3.4.3全桥逆变电路
全桥逆变电路与半桥电路的区别是用两只同样的开关管代替了两只电容，全桥逆变电路工作需要两组相位相反的驱动脉冲分别控制两对开关管，功率晶体管Q7和Q8反相，Q9和Q10反相，Q7和Q9相位互差180度。
调节Q7和Q9的输出脉冲宽度，输出交流电压或电流的有效值即随之改变。
该逆变电路结构及控制较为复杂，元件较多，成本较高。
由于主电路可以输出高压和大电流，所以一般常用于高压大功率逆变电源系统。
图3-11全桥型逆变电路电路图
推挽电路在早期的荧光灯电子镇流器上应用较多，渐渐的已被半桥电路代替。
半桥电路在电子镇流器上运用的最为广泛，而且目前仍然流行。
无论是荧光灯，还是100W以下的小功率的高强度气体放电灯，都得到设计者的青睐。
但在大功率的HID灯的电子镇流器中，更多的是采用全桥逆变电路。
本课题设计的是汽车头灯电子镇流器半，功率一般在60-55W之间，小于100W，所以采用就是图图3-4-2半桥型逆变电路电路图。
3.5启动电路
在汽车头灯镇流器中启动电路又叫点火电路[14]，都是在汽车头灯启动瞬间为汽车头灯提供将近23KV以上的高压脉冲,启动后为了使灯管内的电弧稳定发光,在点火瞬间,就必须要有一适当的电压供给灯管因此需要高压点火电路。
点火电路采用变压器作为核心部件，变压器的副线圈的匝数大于主线圈的匝数，当主线圈通电的瞬间在副线圈的两端可以产生很高的电压，为汽车头灯提供瞬间将近23KV的高压点火电压，由于单片机无法为主线圈提供很高的电压和电
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