基于Verilog-A的荧光灯预热模型

邓国元 姜岩峰 鞠家欣

(北方工业大学 微电子研究中心，北京 100144)

1 引言

荧光灯具有结构简单、光效高、发光柔和、发热小等优点而得到广泛的应用，它属于热阴极气体放电灯，热阴极的性质决定灯阴极需要达到合适的电子发射温度。

荧光灯发光过程是通过低压汞汽放电，把电能转变为人眼看不见的波长为253.7nm的紫外线照射在灯管内壁的荧光粉上，荧光粉再把紫外线转换为所需要的可见光，而灯阴极主要是提供放电所必须的电子［1］。所以，灯阴极是荧光灯的一个极其重要的部件，它发射电子时间越长，荧光灯寿命就越长，因此，它决定了荧光灯的寿命，而灯阴极发射电子的时间长短与预热过程息息相关。

荧光灯管电极发射电子失效主要是由于灯阴极上覆盖的发射电子的氧化物的损耗引起，灯阴极温度直接决定电极覆盖物的损耗速度。荧光灯阴极预热到700℃ ～1000℃的温度范围才合适，低于700℃时即加高压激发荧光灯，强大的电场将造成灯丝覆盖物的溅射;高于1000℃会引起灯丝覆盖物的过分蒸发［2～3］。所以合适的预热过程对于荧光灯达到较长的平均寿命非常重要。

为了建立荧光灯的合适预热过程，需要使用带有预热、点火、正常运行3个阶段控制的电子镇流器，这种电子镇流器功率因数高，能效高，被广泛应用于照明系统中。这里要提出的荧光灯预热模型正是针对这种电子镇流器的应用。对于荧光灯管的预热模型的验证，拟采用Verilog-A来仿真。Verilog-A是Verilog-AMS的一个子集，它是一种高层次的模块化硬件描述语言，用模块的形式来描述模拟系统及其子系统的结构和行为［4］。

2 荧光灯的预热及其在电子镇流器中的预热电路分析

2.1 荧光灯的预热特点

通电后，我们难于测量荧光灯电极灯丝的温度，但是灯丝温度跟随灯丝等效电阻的变化而变化，因此灯丝等效电阻可间接用来表示灯丝温度的大小。一些论文也推荐等效电阻的测量作为一种可靠的研究点火过程的方法，介绍的方法是通过计算热电阻(辉光到弧光放电阶段测量)和冷电阻 (当灯熄灭至少5分钟以后测量)的比值来得到灯丝温度的，表达式为［2～3］

其中Tc和Th分别为灯丝预热前的冷温度和预热期间的热温度，温度单位都为开尔文，Tc为室温25℃，即298K;Rc和Rh分别为灯丝冷电阻和灯丝热电阻。为了使灯丝获得合适的温度，Rh/Rc(下文中记为Rhc)的比值一般为4.25(对应灯丝温度约700℃)到6.25(对应灯丝温度约1000℃)之间。

荧光灯在点亮前，即在预热过程中可由电极灯丝等效电阻代替，如图1所示。该模型中，预热时灯管被认为是开路［5］，灯丝等效电阻大小依赖于流过电极的电流大小。当有电流流过灯丝时，灯丝温度上升，电阻增加，当达到热平衡时，灯丝电阻就不增加。

2.2 电子镇流器的预热电路分析

试验使用的是带有PFC控制器和半桥镇流器控制器功能的L6585D芯片做成的电子镇流器［5］，其半桥电路和串联谐振电路如图2所示。半桥输出的方波信号可以通过傅里叶级数表示为直流和交流之和

其中Vdc为直流总线电压。

式中 f——半桥逆变器的频率。

方波电压的交流成分中几乎所有的谐波项都会被谐振电路滤掉，只有基波成分在谐振电路里起作用，该基波信号表示为

方波电压带有直流成分，所以图2中的电路带有隔直电容C2。由于图2中灯丝电阻相对很小，其等效图如图3所示。该等效电路可以表示为

图中隔直电容C2为0.1uF，R10为大于1M欧姆，R11为20K左右，C3为0.01UF，所以

式 (2)也可以写为

由式 (3)和式 (4)得到

图2 预热期间半桥谐振电路

式 (5)中预热电流在预热时会增加灯丝温度，当确定预热电流后，可以通过这个方程计算出半桥电路的开关频率。

图3 图2的等效图

3 基于Verilog-A的荧光灯预热模型

3.1 荧光灯的预热模型

本文采用的预热方法是在预热期间给荧光灯电极灯丝提供有效值恒定的电流，得到合适的Rhc值。荧光灯是36W的T8荧光灯，其灯丝冷电阻Rc的值要在灯熄灭至少5分钟后测量，精确测量后，得Rc=2.5546Ω。

通常要求荧光灯的工作频率达40K以上［6］。按照文献 ［7］及本文第二节的分析，选择灯管点亮后稳定运行时的半桥开关频率为50.5K，LRES=1.62mH，C2=100nF，CRES=10nF。

当给半桥逆变器设置某个频率时，串联谐振电路的等效阻抗Zph保持恒定，因为灯丝电阻Rf相对于来说是很小的。因此，在某个半桥逆变器的频率下，流过灯丝的电流是恒定的。

研究灯丝预热阶段的情况，半桥预热频率要小心选择，免得引起灯在预热时提前点火。图2中的预热阶段串联谐振电路的谐振频率为

代入值可得到fres=41.5KHz。如果镇流器设置的半桥预热频率接近谐振频率时，则预热时会在灯上得到很高的电压;预热频率设置偏离谐振频率远些，预热时灯上电压会较低，免得引起预热没有完成就灯管立即点火。采取的方法是设置半桥预热频率高于谐振频率一定值，根据实验和仿真结果以及灯管特性，实验时半桥频率设置在55KHz以上。

采用数字示波器来测试灯丝上的电压降和电流大小。通过示波器测得的波形，对各个不同的预热电流值计算灯丝不同时间点电阻值Rh。这样可以得到各个不同的预热电流值下的不同时间点的热电阻Rh与冷电阻Rc的比值Rhc，其中当时间为0s时，Rhc=1，代表Rhc的初始值。

可以使用软件拟合出Rhc的关于时间的函数，得到Rhc在不同的预热电流下的线性拟合图4。如图4所示，Rhc可以表示为

其中半桥预热频率、预热电流与r的关系如表1所示。

图4 不同电流值下的Rhc的图形

表1 半桥频率、预热电流与r值

因为系数r依赖于灯丝预热电流，所以 (6)式可以表示为)

从图4上可以看到不同的预热电流值iph(rms)对应着不同的系数r值，选用指数函数拟合，如图5所示。得到

图5 不同预热电流对应的r值

3.2 在预热电路中使用Verilog-A模型仿真验证荧光灯预热模型

按图2所示，写出电路相应的Verilog-A的代码，其中灯丝热电阻可以表示为Rc，上下半桥是幅度为400V、死区时间为2微秒的某个频率的方波，如采用58KHz的方波仿真，得到瞬时仿真电压电流波形如图6。此时电流平均有效值为632.9mA，而在1s时灯丝电阻上的电压有效值为10.81V，计算得到此时的Rhc值为6.69，与实测误差在5%以内。其他点的数据误差经计算也在5%以内。

图6 半桥频率58KHz时，仿真得到的灯丝电阻上电流和电压波形

3.3 预热模型的实验验证

当芯片的预热频率设置为60.7KHz时，按 (5)式，预热电流为546.49mA。如果设置预热时间为1秒，按公式 (9)，得到 Rhc值为4.9，在正常范围以内。

电子镇流器按照上述数据设置预热频率、预热时间后，再通过示波器探测。得到的预热电流和Rhc的结果与上述数据误差在5%以内，符合要求，证明了该预热模型的正确性，也可看出镇流器设计显得更方便。

4 实际设计中灯管新旧变化对参数的要求

第3节是对Rc等于2.5846Ω的旧灯管的分析，灯管大约已经开关了15000次左右。同样得到36W的T8新荧光灯的分析结果，此时新灯管Rc为2.3694Ω。别的参数不变，就是由旧灯管换成新灯管，得到数据，并用软件拟合得到如图7所示图形，各个预热电流值与对应的r值用图8所示的指数函数拟合，得到r()，表达式仍然为式 (8)，预热阶段Rhc的表达式仍然为式 (9)，只是r1与r2的值发生了变化，［A］。

图7 新灯管在不同电流值下的Rhc图形

要注意的是，新旧灯管在式 (9)中对应的r1与r2值不同。主要是因为旧灯管比新灯管灯丝冷电阻值有所增大，所以在同样的预热电流和预热时间下，旧灯管得到的温升更大。

图8 新灯管不同预热电流对应的r值

预热过程持续时间大于0.5秒，大多数应用设置为0.5秒到1.5秒之间。当设置预热时间为1秒时，对于新旧灯管达到合适预热温度要求的预热电流iph(rms)范围分别为570.2mA～725.1mA，506.2mA～613.9mA。那么为了适应灯管在由新变旧的使用过程中，灯管始终处于合适的预热温度下，可以选择预热电流iph(rms)范围为570.2mA～613.9mA。

5 结论

本文分析了荧光灯管的预热，提出基于Verilog-A的荧光灯管预热模型，得到荧光灯预热时的方程(9)，并通过Verilog-A仿真验证和实验验证。该方程可以作为带有预热功能的电子镇流器设计的重要参考，给荧光灯设计合适的预热工作状态。由于该方法的精确性，使得在电子镇流器的设计过程中不必进行繁琐的调整，减少了时间和花费。

另外研究了灯管由新变旧后的变化而引起预热阶段的变化，并给出了试验结果图形和数据分析。通过合理设置参数，可以让灯管适应这种变化，从而使得灯管的使用寿命到达最大化。

［1］陈传虞．电子节能灯与电子镇流器设计与制造［M］．北京:人民邮电出版社，2009．

［2］E．Hammer，D．Haas．Photocell Enhanced Technique for Measuring Starting Electrode Temperatures of Fluorescent Lamps［J］．IEEE IAS Annual Meeting，pp:2313 ～2333，1997．

［3］Y．Ji，R．Davis，C．O'Rourke et al．Compatibility Testing of Fluorescent Lamp and Ballast Systems［J］．IEEE Transactions on Industry Applications，1999，36(6):1271 ～1276．．

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［5］朱兴武，祝大卫．新型电子镇流器电路原理与设计［M］．北京:人民邮电出版社，2007．

［6］唐雄民．可调光荧光灯数字化点子镇流器的研究［J］．电子电子技术，2010，44(1):58～59．

［7］F．T．Wakabayashi，C．A．Canesin．An Improved Design Procedure for LCC Resonant Filter of Dimmable Electronic Ballasts for Fluorescent Lamps，Based on Lamp Model［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，2005，20(5):1186～1196．