AN2747
Application note
250 W HID metal halide electronic ballast
Introduction
This application note describes the two stages of electronic ballast for a 250 W HID metal
halide lamp. The ballast is composed of a boost converter (power factor controller PFC)
working in fixed OFF time and an inverter composed of a full bridge that drives the lamp at
low frequency square wave.
This design was realized thanks to the very large STMicroelectronics product portfolio. The
components include a PFC driver, half-bridge drivers, a microcontroller, an auxiliary power
supply, a voltage reference, logic parts, an amplifier, comparators, power devices as Power
MOSFETs, IGBTs, and fast diodes.
In the present note special attention has been given to the full bridge stage. The tests have
been conducted using a 250 W metal halide lamp HQI - T (OSRAM) and some design
criteria are given with test results. In the full bridge section all lamp phases have been
analyzed.
Figure 1.
STEVAL-ILH001V1
May 2008
Rev 1
1/44
www.st.com
Contents
AN2747
Contents
1
Lamp description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1
Lamp phases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.1
1.1.2
1.1.3
Ignition phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Warm-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Burn phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2
General circuit description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1
2.2
Block diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Lamp power management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3
Board description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1
3.2
Electrical schematic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Bill of material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4
5
L6385 high-voltage high and low side driver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
ST7LITE39 microcontroller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5.1
Application pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
6
7
8
9
10
11
12
Auxiliary power supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
TS272 high-performance CMOS dual operational amplifiers . . . . . . . 28
LM119 high-speed dual comparators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
74AC00 QUAD2-input NAND gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Lamp data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
PFC section design criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Full bridge design criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
12.0.1
Inductor design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
12.1
12.2
2/44
Filter capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Igniter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
AN2747
Contents
12.3
12.4
Power MOSFET selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
IGBT selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
13
Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
13.1
13.2
13.3
13.4
13.5
13.6
Init phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Lamp ignition phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Warm-up phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Burn phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
PFC run phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Thermal measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
14
15
16
Firmware flowchart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Revision history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3/44
List of figures
AN2747
List of figures
Figure 1.
Figure 2.
Figure 3.
Figure 4.
Figure 5.
Figure 6.
Figure 7.
Figure 8.
Figure 9.
Figure 10.
Figure 11.
Figure 12.
Figure 13.
Figure 14.
Figure 15.
Figure 16.
Figure 17.
Figure 18.
Figure 19.
Figure 20.
Figure 21.
Figure 22.
Figure 23.
Figure 24.
Figure 25.
Figure 26.
Figure 27.
Figure 28.
Figure 29.
Figure 30.
Figure 31.
Figure 32.
Figure 33.
Figure 34.
Figure 35.
Figure 36.
Figure 37.
Figure 38.
Figure 39.
Figure 40.
STEVAL-ILH001V1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Lamp families . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Luminous efficiency of various lamps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
HID lamps operation frequency: high pressure sodium lamps - acoustic resonance duty
frequency map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
HID lamps operation frequency: metal halide lamps - acoustic resonance duty frequency
map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Instantaneous lamp power with sinusoidal and square waveforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
HID warm-up phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
250 W HID lamp ballast - block diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Inductor current during charge phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Inductor current during discharge phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
PFC electrical schematic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Full bridge electrical schematic. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Control board electrical schematic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Power board layout (not to scale) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Control board layout (not to scale) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
L6385 block diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
ST7FLIT3xB general block diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
ST7FLITE39 pinout. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
MU reference voltage circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Pin usage and reset circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Vbus measurement circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Lamp voltage sensing circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Lamp voltage measurement circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Constant current control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Rsense circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Current regulation circuit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Auxiliary power supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Pinout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
LM119 pinout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
74AC00 pinout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Eye sensitivity versus frequency. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Igniter circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Full bridge init phase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Lamp ignition voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Lamp current and voltage during warm-up phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Warm-up phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Steady state phase: lamp current, voltage and lamp power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Steady state phase: lamp current, voltage and lamp power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Ballast efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Firmware flowchart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
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AN2747
Lamp description
1
Lamp description
New products and devices are being launched in lighting applications and new solutions for
these applications are required. High intensity discharge (HID) lamps have become
attractive lighting sources for their luminous efficacy and their long life.
Figure 2
illustrates
the families of electric lighting for which HID lamps are intended.
Figure 2.
Lamp families
LAMPS
INCANDESCENT
GAS-DISCHARGE
HB LEDs
CONVENTIONAL
HALOGEN
MERCURY
SODIUM
LOW
PRESSURE
HIGH
PRESSURE
CFL/TL
HID
In this document we will refer to high pressure sodium and mercury lamps as HID lamps.
Figure 3
shows the luminous efficiency for each lamp type.
Figure 3.
Luminous efficiency of various lamps
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京公网安备 11010802033920号
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