現(xiàn)在對于照明質(zhì)量的要求正日益提高.對于辦公樓宇、商場照明和戶外泛光照明而言,有兩種光源的發(fā)展趨勢值得我們注意.一種是高強度放電燈(HID),另一種就是本文將要介紹的高功率節(jié)能燈.高功率節(jié)能燈的發(fā)光效率可以達(dá)到80lm/W,顯色指數(shù)可以達(dá)到90以上,同時具有低成本、長壽命的特性.對于傳統(tǒng)的節(jié)能燈來說,功率普遍在35W以下,構(gòu)成鎮(zhèn)流器的電路也相對比較簡單,通常用自激電路或簡單的芯片就能實現(xiàn),沒有功率因素校正(PFC)功能.但是對于大功率節(jié)能燈來說,這樣的電路就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足其自身要求了.
圖1:采用ICB1FL02G的120W節(jié)能燈電路圖.
英飛凌科技公司推出的一款用于熒光燈和大功率節(jié)能燈電子鎮(zhèn)流器的控制芯片ICB1FL02G,包含了獨特的控制特性和全面的保護(hù)功能,可以用最少的外部元件實現(xiàn)單個或者多個燈管的操作.其芯片內(nèi)部集成了PFC控制器和半橋控制部分,并且針對T5燈管的特殊要求進(jìn)行了優(yōu)化.針對燈管的保護(hù)功能有:可編程預(yù)熱以延長燈管壽命、壽命終了保護(hù)(EOL)、容性模式保護(hù)、燈管整流效應(yīng)和直流狀態(tài)保護(hù)、燈管移除保護(hù),以及點燈電壓保護(hù).
ICB1FL02G共有兩個功能模塊,第一個功能模塊是BOOST PFC電路的控制,第二個功能模塊是半橋逆變電路的控制.在PFC控制電路中,這款芯片工作在臨界導(dǎo)通模式,并內(nèi)置了數(shù)字式的PI濾波器.與傳統(tǒng)的控制芯片相比(例如TDA4863),它減少了兩個引腳.在半橋逆變控制電路中,用于驅(qū)動半橋高壓側(cè)浮地MOSFET的驅(qū)動是利用了芯片集成的空心變壓器這種專利技術(shù),使得高低壓隔離能力達(dá)到了900V,滿足了一些特殊規(guī)格的需要.鎮(zhèn)流器的預(yù)熱頻率、預(yù)熱時間和燈管工作頻率只需要外部電阻就可以設(shè)定.高度集成化也使得在大功率節(jié)能燈應(yīng)用中的緊湊化成為可能.
120W節(jié)能燈設(shè)計
接下來以一款歐司朗公司的120W節(jié)能燈為例,詳細(xì)闡述其設(shè)計過程.電路原理圖如圖1所示.鎮(zhèn)流器的一般參數(shù)設(shè)定如表1所示:
圖2:ICB1FL02在PFC極的保護(hù).
當(dāng)主輸入信號接入后,電流流經(jīng)R1和R2給電容C7和C7-1充電,此刻芯片消耗的電流典型值在100μA以下,直到供電電壓VCC達(dá)到10V.超過此電壓后,管腳RES端會輸出一個20μA的電流,用于檢測低壓側(cè)燈絲的存在.只要RES腳的電壓低于1.6V就認(rèn)為燈絲是完好的.同時高壓側(cè)從PFC輸出電容C2那里,會有一個電流通過電阻R15和R16流向高壓側(cè)燈絲,然后此電流通過電阻R17、R18和R19流入LVS1.當(dāng)電流大于15μA時燈絲就被視為完好的.當(dāng)此芯片用在單燈管的節(jié)能燈時,需要把不用的LVS腳接地,以屏蔽此檢測功能.檢測無異常,則芯片進(jìn)入正常工作狀態(tài),半橋驅(qū)動電路開始工作.
PFC極工作原理及設(shè)計
在逆變橋運行的同時,PFC BOOST轉(zhuǎn)換器中的Q1也開始工作.工作原理與傳統(tǒng)臨界導(dǎo)通模式下的控制芯片并無很大差異,只是在負(fù)載減小到一定程度后,會最終進(jìn)入斷續(xù)模式(DCM).何時進(jìn)入DCM取決于內(nèi)部數(shù)字PI濾波器的輸出.開關(guān)工作在零電壓開通模式,其工作頻率隨輸入電壓而變化.PFC電感可由以下3個公式中的最小值來確定.
圖3:從啟動到穩(wěn)態(tài)工作的頻率和燈電壓變化.
最低輸入電壓時:
最高輸入電壓時: 
輕載進(jìn)入DCM時: 
其中PFC效率ηPFC為0.95,TON_MAX為IC內(nèi)部固定,為23.5μs.PFC擁有完善的保護(hù)功能,涵蓋了PFC過壓、欠壓、開環(huán)及過流保護(hù).其保護(hù)框圖如圖2所示.因此在選擇PFC極電壓和電流采樣電阻時,要注意其相對應(yīng)的保護(hù)門限.
半橋逆變電路工作原理
ICB1FL02G逆變半橋電路的典型工作過程如圖3所示.剛開始半橋逆變電路以固定的125kHz運行,在10ms固定時間內(nèi)通過16步遞減到由R12所決定的預(yù)熱頻率.預(yù)熱的時間可以通過調(diào)整R13的阻值,在0到2,000ms之間選擇.然后工作頻率還會在40ms時間內(nèi)繼續(xù)下降128步,最后運行在由R5決定的穩(wěn)態(tài)工作頻率下.
在點燈狀態(tài)下,因為諧振回路沒有負(fù)載,燈管會承受高電壓,諧振回路里會流過比較大的無功電流.電阻R14檢測這個無功電流.當(dāng)管腳LSCS的電壓檢測到高于0.8V時,工作頻率會停止下降,然后上升一段時間,之后再繼續(xù)下降,直到再次觸發(fā)此0.8V閾值或燈管被擊穿.通過這種檢測,如果燈沒被點亮,點燈狀態(tài)的時間會從40ms增加到235ms,同時燈管上的電壓會保持設(shè)定的電壓值.如果在預(yù)熱結(jié)束后的235ms內(nèi)燈還未擊穿,穩(wěn)態(tài)工作頻率無法到達(dá),則IC將進(jìn)入故障保護(hù)模式.可以通過移走燈管或者重啟輸入電壓的方式進(jìn)行重新啟動.
位于半橋輸出端的C6、D7和D8形成一個充電泵,通過C7給IC供電.同時C7經(jīng)R30和D6給高壓側(cè)邏輯控制供電電容C4供電.另外,C6可以調(diào)節(jié)電壓的變化率,并可以制造產(chǎn)生零電壓開關(guān)的條件.
在逆變橋正常工作模式時,如果工作頻率輕微地偏離ZVS狀態(tài),并靠近諧振網(wǎng)絡(luò)的容性區(qū)域時,因為充電泵電容C6的開關(guān)狀充電,在開關(guān)管開通瞬間會產(chǎn)生尖峰電流.這樣的情況被稱為容性模式一(Cap Mode 1).如果此情況持續(xù)時間500ms以上,IC會進(jìn)入故障保護(hù)模式.第二種情況就是諧振網(wǎng)絡(luò)完全進(jìn)入容性狀態(tài),MOS管在開通瞬間有極大正向電流流過,此情況稱為容性模式二(Cap Mode 2).在這種極端高損耗工作情況下,只要超過610μs,IC亦會進(jìn)入故障保護(hù)模式.
容性模式的檢測是通過C8和C9電容的分壓來實現(xiàn)的.每次下管Q3開通的瞬間,如果檢測到RES腳的電壓超過VRESLLV之上VREScap(典型值0.24V)值時,則進(jìn)入容性模式一.每次上管Q2開通的瞬間,如果檢測到RES腳的電壓低于VRESLLV之上VREScap值(0.24V)時,則進(jìn)入容性模式二.保護(hù)點如圖4所示.
圖4:Cap Mode 1 和Cap Mode 2 保護(hù)檢測點.
逆變橋的過流檢測是通過R14來實現(xiàn)的.在任何情況下,當(dāng)LSCS腳的電壓超過1.6V并維持400ns以上時,芯片進(jìn)入故障保護(hù)模式.
當(dāng)熒光燈接近EOL狀態(tài)時,燈管的電壓會變的不對稱或者會升高.通過管腳LVS檢測到流過電阻R17、R18和R19的電流,可以對應(yīng)測量到燈管上的電壓.通過R17、R18和R19流入LVS的電流門限是±215μA.超過此電流則燈管在610μs后進(jìn)入壽終保護(hù)狀態(tài).同時,如果燈因為老化而進(jìn)入半邊擊穿狀態(tài),則LVS腳會檢測到一個直流電.此直流電流如果超過±175μA,則經(jīng)過610μs后芯片亦會進(jìn)入壽終保護(hù)狀態(tài).此外,當(dāng)LVS腳檢測到燈管當(dāng)次正(負(fù))極峰值電壓與下次負(fù)(正)極峰值電壓的比值超過1.15或低于0.85時,這種燈管電壓不對稱的整流效應(yīng)狀態(tài)就會被檢測到.當(dāng)這種狀態(tài)超過500ms時IC也會進(jìn)入壽終保護(hù)模式.LVS2腳和LVS1腳是等同的,單燈工作條件下須將不用的LVS腳接地.
表1:鎮(zhèn)流器工作參數(shù)設(shè)定.
半橋逆變電路設(shè)計
在了解了ICB1FL02G的工作過程和保護(hù)模式后,就可以對半橋逆變電路進(jìn)行參數(shù)設(shè)計了.首先需要確定的是諧振網(wǎng)絡(luò)L2和C10的參數(shù).
諧振網(wǎng)絡(luò)入端電壓有效值: 
穩(wěn)態(tài)工作諧振網(wǎng)絡(luò)增益必須滿足下式: 
是穩(wěn)態(tài)工作的角頻率.除L2和C10外,其余皆為已知項.C10會同時影響到穩(wěn)態(tài)工作時的燈絲電流,因此為了讓燈絲電流不會太大,增加無謂的損耗,初選C10＝10nF,則由上式可得L2=734μH.正常工作時的燈絲電流為: 
可得到穩(wěn)態(tài)工作時的燈絲電流為IFila=0.44A,然后再計算預(yù)熱頻率fPH.假設(shè)
是諧振網(wǎng)絡(luò)的自然頻率,
是預(yù)熱角頻率和諧振網(wǎng)絡(luò)自然角頻率之比,
是諧振網(wǎng)絡(luò)的入端特征阻抗.則根據(jù)預(yù)熱電流可得到下式:
,即 
從上式可得到Δ.需要注意的是Δ值必須大于1,才能實現(xiàn)預(yù)熱時半橋電路的ZVS工作.可得Δ=1.46.所以預(yù)熱頻率
,預(yù)熱時燈管的電壓有效值是
,這個電壓足夠低而不會使燈管被點亮.
點燈頻率可由下式得到: 
知道了fS、fPH、fIGN和TPH這些參數(shù),則下列參數(shù)就可以確定了:
設(shè)定穩(wěn)態(tài)工作頻率: 
設(shè)定預(yù)熱頻率: 
設(shè)定預(yù)熱時間: 
點燈時流過諧振電容C10的電流峰值為
,在此刻必須通過R14電阻限流來限制點燈時燈管兩端的電壓.因為LSCS腳上在點燈時的電壓門限是0.8V,所以
,然后是LVS端檢測電阻設(shè)計.假設(shè)我們把燈管正常工作電壓的1.5倍來設(shè)定EOL門限,則
,之后根據(jù)阻值級別來選擇合適的電阻.
對于限流電阻R15和R16,可由最低輸入電壓和最高LVS灌電流來確定.查看數(shù)據(jù)表可知最高LVS灌電流ILVSSINKMAX=26μA. 
燈管低端燈絲檢測電阻R20可由下式確定
,選擇R20=56kΩ.最后就是分壓電容C8和C9的選定.為了得到足夠大的濾波能力,選擇C9=10nF,然后在RES腳電壓變化幅度在2V的情況下,C8可以按下式選擇
,這樣,逆變電路的所有參數(shù)就可以確定了.
本文小結(jié)
本文探討了用ICB1FL02G實現(xiàn)高功率節(jié)能燈鎮(zhèn)流器的方法,介紹了ICB1FL02G的工作原理,并基于OSRAM 120W高功率節(jié)能燈進(jìn)行了整個電路的主要參數(shù)設(shè)計.用此線路實現(xiàn)的鎮(zhèn)流器具有高功率因素、可編程的預(yù)熱過程、完整的EOL保護(hù)、容性模式保護(hù)、及燈管移除保護(hù)等功能.這種方法提升了高功率節(jié)能燈的使用壽命和安全性,實現(xiàn)了節(jié)能燈的良好工作狀態(tài),此外,外圍電路的縮減實現(xiàn)了鎮(zhèn)流器的小型化和高可靠性.
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