電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)與制作的關(guān)鍵問題及優(yōu)化措施

伍偉杰，賀雄文

（1.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528333；2.廣州日?qǐng)?bào)社，廣東 廣州 510121）

1 引言

從20世紀(jì)70年代以來，人類面臨著世界性的能源危機(jī)，節(jié)約能源的緊迫感使人們致力于節(jié)能光源的研究與推廣應(yīng)用，倡導(dǎo) “綠色照明”。當(dāng)前，節(jié)能的熒光燈（氣體放電發(fā)光）已全面取代了白熾燈（燈絲發(fā)熱發(fā)光）的位置。熒光燈具有發(fā)光效率高（平均75 lm/W，而白熾燈平均為15 lm/W）、光線柔和、壽命長、耗電少的特點(diǎn)，一盞14瓦節(jié)能熒光燈的亮度相當(dāng)于75瓦白熾燈的亮度，所以用熒光燈代替白熾燈可以使耗電量大大降低。

2 熒光燈工作原理及鎮(zhèn)流器技術(shù)

氣體放電燈（如熒光燈、霓虹燈和金鹵燈）是一種具有如圖1所示負(fù)阻特性的電光源，當(dāng)燈電流上升時(shí)，燈管的工作電壓下降，但是供電電壓不會(huì)下降，多出的這點(diǎn)電壓加到燈管后就會(huì)使燈電流進(jìn)一步上升，如此循環(huán)，最終燒壞燈管或使燈管熄滅。

要使燈管正常工作，應(yīng)配以如圖2所示的鎮(zhèn)流元件，用于限制和穩(wěn)定燈電流。這個(gè)限流裝置就叫做鎮(zhèn)流器。a）接通電源瞬間，電源電壓都加在啟輝器內(nèi)氖泡的兩電極之間，電極瞬間擊穿，管內(nèi)的氣體導(dǎo)電，使 “U”型的雙金屬片受熱膨脹伸直而與固定電極接通。這時(shí)日光燈的燈絲通過啟輝器電極與電源構(gòu)成一個(gè)閉合回路。b）同時(shí)，啟輝器兩端的電極接通后它們之間的電壓為零，啟輝器停止放電。由于接觸電阻小，雙金屬片冷卻，當(dāng)冷卻到一定程度時(shí)，雙金屬片恢復(fù)到原來狀態(tài)，與固定片分開。c）在此瞬間，啟輝器回路中的電流突然斷電，于是鎮(zhèn)流器的兩端就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比電源電壓高得多的感應(yīng)電壓，連同電源電壓一起加在燈管兩端，使燈管內(nèi)的惰性氣體電離而產(chǎn)生弧光放電。如果是陰極預(yù)熱式熒光燈，在熒光燈觸發(fā)之前，鎮(zhèn)流器還需要對(duì)陰極進(jìn)行預(yù)熱。d）隨著管內(nèi)溫度的逐步升高，水銀蒸汽游離，并猛烈地碰撞惰性氣體而放電。水銀蒸汽弧光放電時(shí)，輻射出紫外線，紫外線激勵(lì)燈管內(nèi)壁的熒光粉后發(fā)出可見光。e）熒光燈正常啟動(dòng)后，鎮(zhèn)流器需要向熒光燈提供穩(wěn)定的工作電流。該電流的大小必須與熒光燈的規(guī)格參數(shù)相匹配。

圖1 氣體放電燈的負(fù)阻特性

圖2 熒光燈電路的基本結(jié)構(gòu)

目前氣體放電燈常用的鎮(zhèn)流器主要有兩大類：電感式鎮(zhèn)流器和電子式鎮(zhèn)流器。

由于電感式鎮(zhèn)流器工作在工頻市電頻率，體積大、笨重，還需消耗大量的銅和硅鋼等金屬材料，散熱困難、工作效率低、燈發(fā)光有頻閃，所以電光源界的科技工作者們紛紛尋找新的鎮(zhèn)流方法，而高頻交流電子鎮(zhèn)流器就是一種有效的方法。

電子鎮(zhèn)流器的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)為：1）環(huán)境優(yōu)點(diǎn)——節(jié)能，延長燈管壽命，穩(wěn)定輸出光通量；2）人性化優(yōu)點(diǎn)——消除頻閃，發(fā)光穩(wěn)定，噪聲低，可以調(diào)光；3）技術(shù)優(yōu)點(diǎn)——功率因數(shù)高，穩(wěn)定輸入功率，高頻諧波含量低、燈電流波動(dòng)系數(shù)小、射頻干擾抑制能力強(qiáng)、工作可靠穩(wěn)定、具有過壓過流保護(hù)及異常狀態(tài)保護(hù)，預(yù)熱啟動(dòng)等。

以電子鎮(zhèn)流器構(gòu)成的照明電路的基本組成為例，如圖3所示：

功率因數(shù)校正和諧波抑制電路（PFC）可以防止熒光燈電路對(duì)電網(wǎng)造成污染，提高功率因數(shù)。一般功率因數(shù)校正電路又可分為無源功率因數(shù)校正(PPFC)和有源功率因數(shù)校正（APFC）。

逆變電路是一個(gè)DC-AC變換器，其作用是生成適用于熒光燈正常工作的20 kHz以上的高頻電壓和電流。

接口電路向熒光燈提供一個(gè)啟動(dòng)高壓，以保證熒光燈能可靠地觸發(fā)。通常，觸發(fā)電壓都是由電子鎮(zhèn)流器中的LC串聯(lián)電路提供的。LC串聯(lián)諧振電路諧振產(chǎn)生的高壓脈沖被施加在熒光燈兩端將熒光燈點(diǎn)亮。如果是陰極預(yù)熱式熒光燈，在熒光燈觸發(fā)之前，還需要對(duì)陰極進(jìn)行預(yù)熱。

保護(hù)電路可以提高電子鎮(zhèn)流器的安全性和可靠性，如燈開路保護(hù)或短路保護(hù)電路、過電壓保護(hù)和過電流保護(hù)電路。

圖3 照明電路的基本組成

3 電子鎮(zhèn)流器制作的關(guān)鍵問題及優(yōu)化措施

電子鎮(zhèn)流器具有電感鎮(zhèn)流器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但與此同時(shí)，電子鎮(zhèn)流器亦會(huì)出現(xiàn)諧波含量大、流明系數(shù)低、可靠性不高、使用壽命較電感鎮(zhèn)流器短等技術(shù)問題。為了解決好電子鎮(zhèn)流器的缺陷，更好地發(fā)揮電子鎮(zhèn)流器的綜合性能，可從產(chǎn)品研發(fā)、制造生產(chǎn)、照明設(shè)計(jì)各個(gè)環(huán)節(jié)來采取積極的措施，關(guān)注以下幾個(gè)問題：

3.1 頻率選擇

從電子鎮(zhèn)流器的噪聲角度而言，電子鎮(zhèn)流器的工作頻率應(yīng)大于20 kHz（人耳可以聽到的音頻信號(hào)范圍是20 Hz～20 kHz），但是從降低鎮(zhèn)流電感磁芯的高頻損耗的角度而言，電子鎮(zhèn)流器的工作頻率又不能選得太高，一般不應(yīng)大于100 kHz，并且這個(gè)工作頻率的大小還和具體的燈管型號(hào)有關(guān)；同時(shí)還應(yīng)考慮到電子鎮(zhèn)流器在高頻工作時(shí)產(chǎn)生的高頻干擾信號(hào)對(duì)工作于紅外工作頻段的家用電器等的影響。例如：對(duì)工作于RC5系統(tǒng)的紅外遙控電路，它工作于36 kHz，所以電子鎮(zhèn)流器的工作頻率不應(yīng)工作在18 kHz或36 kHz，現(xiàn)在30～40 kHz這個(gè)頻率范圍已基本被紅外遙控系統(tǒng)使用，所以在設(shè)計(jì)電子鎮(zhèn)流器時(shí)，不應(yīng)選擇這個(gè)工作頻率范圍。

3.2 電源端的EMC措施

在電子鎮(zhèn)流器與外部電網(wǎng)的交接部分，一方面電子鎮(zhèn)流器對(duì)外部電網(wǎng)有諧波干擾，另一方面，外部電網(wǎng)也對(duì)電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)生干擾作用。

為此采取的EMC措施是，在整流電路之前增設(shè)濾波電路，通常的電路模型如圖4所示，共模電感L、差模電容C1與共模電容Cy一起組成EMI濾波器，用于差模／共模方式的EMI／RFI的抑制。

圖4 電源前端濾波電路模型

針對(duì)不同的電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)品，濾波電路的元件參數(shù)需實(shí)測并不斷調(diào)整，直到符合相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)為止。對(duì)于干擾嚴(yán)重、或在高低頻段出現(xiàn)不達(dá)標(biāo)的情況，則考慮設(shè)置完整的濾波電路；如果一級(jí)濾波電路達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，則增設(shè)兩級(jí)濾波電路。由于電子鎮(zhèn)流器一般會(huì)做大批量生產(chǎn)，增加元器件對(duì)成本核算非常敏感，所以也需要采取其它措施來簡化濾波電路，如采取傳導(dǎo)較好的材料制作電子鎮(zhèn)流器外殼，能有效地改善EMC效果。

3.3 預(yù)熱啟動(dòng)電路

目前廣為流行的直管形熒光燈和稀土節(jié)能燈都屬于陰極預(yù)熱啟動(dòng)型的電光源，因此，配置預(yù)熱啟動(dòng)電路是非常重要的。否則，管形熒光燈使用一段時(shí)間后（如3～6個(gè)月），燈管的兩端就會(huì)過早地發(fā)黑，嚴(yán)重影響燈管的光效和壽命。其原因是，如果不預(yù)熱而直接啟動(dòng)，陰極發(fā)射材料無法瞬時(shí)達(dá)到7000C以上的熱電子發(fā)射狀態(tài)，而高電壓又不可能在極短的時(shí)間內(nèi)將燈管擊穿，燈絲必然要承受一段輝光放電時(shí)間再過渡到弧光放電。這將導(dǎo)致陰極發(fā)射物質(zhì)的嚴(yán)重濺射，使燈管兩端燈絲周圍的管壁出現(xiàn)早期發(fā)黑，嚴(yán)重縮短熒光燈的使用壽命。

預(yù)熱啟動(dòng)電路如圖5所示，工作原理是：接通電路瞬間，熱敏電阻的起始阻值很小，隨著電流的增大而增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)電阻預(yù)定值時(shí)，電容C2兩端電壓迅速升高，將燈管點(diǎn)燃。

圖5 預(yù)熱啟動(dòng)電路

圖中，RT為PTC熱敏電阻，不同的熱敏電阻與不同容量的C2匹配，會(huì)得出大小不同的預(yù)熱電流和預(yù)熱時(shí)間。經(jīng)過多次試驗(yàn)，確定最優(yōu)的符合預(yù)熱要求所對(duì)應(yīng)的熱敏電阻RT和電容C2。電容C1的作用是降低熱敏電阻RT所承受的電壓，減輕高電壓對(duì)熱敏電阻RT的影響。

當(dāng)預(yù)熱電流過大時(shí)，不但有可能損害陰極，而且正常工作時(shí)還會(huì)使流過燈絲、電容C和PTC熱敏電阻的電流增大，影響燈的發(fā)光效率。此時(shí)，可以在兩端燈絲處分別并接一個(gè)二極管，用來限制燈絲電壓和有效地加熱電流。

3.4 異常狀態(tài)保護(hù)

異常狀態(tài)保護(hù)電路在電子鎮(zhèn)流器與燈管出現(xiàn)異常狀況時(shí)，啟動(dòng)自我保護(hù)，以免損壞燈具、乃至引發(fā)火災(zāi)。我國國內(nèi)電網(wǎng)經(jīng)常處于不穩(wěn)定的運(yùn)行狀況，尤其是要采取異常狀態(tài)保護(hù)措施。異常狀態(tài)保護(hù)包括：過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、過熱保護(hù)、短路保護(hù)、浪涌電流保護(hù)等。

異常狀態(tài)保護(hù)的工作原理為：采樣電子鎮(zhèn)流器的輸出信號(hào)，進(jìn)行延時(shí)、基準(zhǔn)比較，一旦出現(xiàn)燈損壞或燈不能啟動(dòng)等異常情況，則應(yīng)通過控制電路而使振蕩器停振，并關(guān)斷高頻產(chǎn)生器的輸出，避免燒毀電子元件，保護(hù)電子鎮(zhèn)流器的電路。當(dāng)異常狀態(tài)消除后（如換燈管）電路就會(huì)自動(dòng)地把燈點(diǎn)亮。

異常狀態(tài)保護(hù)常用的措施是，在整流輸出回路上以可控硅、雙極型晶體管或場效應(yīng)管為核心組成保護(hù)電路。這種保護(hù)方式存在以下一些缺點(diǎn)：容易誤動(dòng)作，設(shè)計(jì)與調(diào)試工作比較煩瑣，成本較高，占用PCB的空間較大等。

隨著新型材料的不斷創(chuàng)新，可將新型的自恢復(fù)高分子PTC熱敏電阻應(yīng)用在異常保護(hù)電路中。如圖6所示，在諧振回路即諧振電容旁邊串接自恢復(fù)高分子PTC熱敏電阻，組成對(duì)電子鎮(zhèn)流器的異常保護(hù)電路：當(dāng)出現(xiàn)連線脫落、燈管燈絲老化或漏氣、陽極去活化等現(xiàn)象時(shí)，PTC熱敏電阻就會(huì)在數(shù)秒內(nèi)動(dòng)作，迫使LC串聯(lián)諧振電路停振，從而切斷高壓，保護(hù)了逆變器中的開關(guān)器件。這種電路具有電路簡單、組裝調(diào)試方便、擴(kuò)容方便等優(yōu)點(diǎn)。

圖6 采用自恢復(fù)PTC熱敏電阻的異常狀態(tài)保護(hù)電路

3.5 功率因數(shù)校正與諧波抑制

電子鎮(zhèn)流器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)高頻的逆變電路，工作時(shí)給電網(wǎng)造成大量的諧波干擾，同時(shí)由于波形失真而導(dǎo)致功率因數(shù)過低。為此采取功率因數(shù)校正（PFC：Power Factor Correction）技術(shù)來提高它的功率因數(shù)。功率因數(shù)校正有兩種方案：無源功率因數(shù)校正（Passive PFC）和有源功率因數(shù)校正（Active PFC）。

無源PFC電路簡單，成本低，在電路板上占用面積和空間小，能提高電路功率因數(shù)，最初采用的方案是逐流電路，后改進(jìn)為雙泵電路及其相似的其它形式電路。

但無源PFC不能有效地降低電源總諧波失真度THD，波峰比也較大。隨著集成芯片和有源PFC技術(shù)的發(fā)展，無源PFC電路在國內(nèi)外已逐漸地被有源PFC電路替代。

有源功率因數(shù)校正的基本原理可用圖7所示的電路模型來說明，它增加了一個(gè)關(guān)鍵的、起著重要作用的功率因數(shù)控制器，由它控制MOS管VT的開通與關(guān)斷，使輸入電流變成一連串的三角波，并且它的幅度按輸入電壓的正弦規(guī)律變化，使輸入電流與輸入電壓成近似的同頻同相的波形，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)，抑制諧波。

圖7 有源功率因數(shù)校正電路模型

3.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電子鎮(zhèn)流器工作時(shí)產(chǎn)生的高溫，是影響電子鎮(zhèn)流器壽命的關(guān)鍵因素之一。電子鎮(zhèn)流器內(nèi)部電解電容器是電子鎮(zhèn)流器內(nèi)最薄弱的一個(gè)元器件，特別是它的耐溫問題，作為大家公認(rèn)的規(guī)律是電容器溫度每上升100C壽命就減少一半?，F(xiàn)在不少地方將燈具嵌入天花板內(nèi)，更會(huì)使燈具內(nèi)的溫度升高達(dá)到接近壽終時(shí)相應(yīng)的溫度。

設(shè)計(jì)時(shí)可以通過結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)，達(dá)到良好的降溫效果。降低鎮(zhèn)流器表面溫度有傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流3種方法。采取的措施可以是：1）選用導(dǎo)熱性能良好的金屬、涂漆金屬和塑料作為電子鎮(zhèn)流器的外殼，起良好的傳導(dǎo)、輻射作用；2）在電子鎮(zhèn)流器安裝位預(yù)留流通孔，使空氣產(chǎn)生對(duì)流，能有效地降低溫度；3）電子鎮(zhèn)流器與燈管之間采用一擋板，隔離燈管熱量對(duì)電子鎮(zhèn)流器的影響。

完成電路與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，還需要做好電子鎮(zhèn)流器的批量生產(chǎn)，在批量生產(chǎn)的前提下調(diào)整工藝與過程管理，確保設(shè)計(jì)合理、器件優(yōu)選搭配得當(dāng)、生產(chǎn)過程控制得法，保證產(chǎn)品的一致性、可靠性和高性價(jià)比。

3.7 電子鎮(zhèn)流器與燈管的選配要求

電子鎮(zhèn)流器和燈管都符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但配置后卻可能會(huì)出現(xiàn)燈管發(fā)黑、光通量不足、衰減過快等現(xiàn)象，這主要關(guān)系到電子鎮(zhèn)流器與燈管的選配問題，除前述討論之外，電子鎮(zhèn)流器對(duì)燈管的影響還體現(xiàn)在以下幾方面：

3.7.1 電子鎮(zhèn)流器工作頻率與燈管發(fā)光效率

電子鎮(zhèn)流器適當(dāng)?shù)靥岣邿艄艿墓ぷ黝l率，可以提高燈管的發(fā)光效率。這是因?yàn)?，隨著頻率的提高，可以減少管壁復(fù)合導(dǎo)致的電離損失，減少電子和惰性氣體原子和汞原子的彈性碰撞損失，減少電子能量麥克斯韋爾分布中超出2537 A的無效輻射能量。例如：當(dāng)頻率從10 kHz漸增大到60 kHz時(shí)，光效將有明顯的提高，增幅在30左右。

3.7.2 電子鎮(zhèn)流器與燈管的功率匹配

燈管有一個(gè)最佳的管壓、管流和適當(dāng)?shù)墓鼙谪?fù)荷范圍。電子鎮(zhèn)流器承載的最佳功率是一定的。匹配不同功率的燈管，應(yīng)選用對(duì)應(yīng)功率的電子鎮(zhèn)流器。在當(dāng)前寬電壓適應(yīng)技術(shù)不成熟的時(shí)候，盡量不選用功率范圍大的電子鎮(zhèn)流器，否則不能同時(shí)滿足燈管的各項(xiàng)指標(biāo)。我們應(yīng)當(dāng)按燈管設(shè)計(jì)管壓、管流來設(shè)計(jì)和選用電壓、功率相配的電子鎮(zhèn)流器，保證熒光燈照明電路長期穩(wěn)定地工作。

3.7.3 波峰系數(shù)和燈管壽命

電子鎮(zhèn)流器應(yīng)提供給燈管穩(wěn)定的工作狀態(tài)，輸出電流波峰系數(shù)不得過大，否則直接影響燈管的壽命。熒光燈壽命主要是由陰極的發(fā)射能力所決定的，在正常情況下，陰極位降及熱點(diǎn)的適當(dāng)溫度就可使足夠量的電子擺脫逸出功發(fā)射出來成為陰極電流，從而保持放電的基本平衡。如果陰極熱點(diǎn)溫度過高就會(huì)引起陰極發(fā)射物質(zhì)的過分蒸發(fā)。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定波峰系數(shù)應(yīng)≤1.7，但功率因數(shù)、諧波含量、波峰系數(shù)之間的關(guān)系不太容易兼顧，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意調(diào)整它們之間的關(guān)系。

燈管與電子鎮(zhèn)流器的匹配好壞，對(duì)壽命有著直接的影響，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)全盤考慮，反復(fù)試驗(yàn)，要選擇燈管參數(shù)相近質(zhì)量穩(wěn)定的配套生產(chǎn)企業(yè)，并根據(jù)燈管生產(chǎn)廠家提供的燈管參數(shù)來考慮設(shè)計(jì)電路，盡量保證一致性，使得電子鎮(zhèn)流器與燈管有一個(gè)良好的匹配。

4 結(jié)束語

電子鎮(zhèn)流器及熒光燈電路是一個(gè)綜合的整體應(yīng)用，各個(gè)環(huán)節(jié)技術(shù)的整合根據(jù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的不同而不同，應(yīng)當(dāng)關(guān)注以上因素并根據(jù)實(shí)際來調(diào)整，以達(dá)到節(jié)能、穩(wěn)定、長壽命的應(yīng)用要求。隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步、綠色照明工程的推進(jìn)，電子鎮(zhèn)流器現(xiàn)正向著節(jié)能、高技術(shù)、人性化、高智能化的方向發(fā)展。這體現(xiàn)為極寬的電壓適應(yīng)性、極寬的光源適應(yīng)性；恒功率輸出、可調(diào)光控制、集成應(yīng)用（專用IC）、智能照明系統(tǒng)、一鎮(zhèn)流器拖多燈管、分散遙控（通過聲控、光控、時(shí)控、感控）等，如圖8所示。智能高效的電子鎮(zhèn)流器能在小區(qū)、辦公場所、公共場所、道路等的綠色照明進(jìn)程中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

圖8 全功能電子鎮(zhèn)流器的基本結(jié)構(gòu)

[1]倪海東.綠色照明控制技術(shù)綜述[J].電源世界，2005（9）： 25-31.

[2]張立幫.電子鎮(zhèn)流器優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].中國電子商情2005，（11）： 71-73.

[3]徐成岳，孔德梅.電子鎮(zhèn)流器電源端騷擾電壓的抑制[J].中國照明電器，2007，（6）：17-19.

[4]陳傳虞.關(guān)于電子鎮(zhèn)流器的功率因數(shù)校正問題的討論[J].中國照明電器，2009，（2）：24-29.

[5]邱偉星.關(guān)于如何解決電子鎮(zhèn)流器與燈管匹配問題[J]江西機(jī)械，2001，（2）：31.