發布日期：2022-04-18 點擊率：104
現在對于照明質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能燈.高功率節能燈的發光效率可以達到80lm/W,顯色指數可以達到90以上,同時具有低成本、長壽命的特性.對于傳統的節能燈來說,功率普遍在35W以下,構成鎮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,沒有功率因素校正(PFC)功能.但是對于大功率節能燈來說,這樣的電路就遠遠不能滿足其自身要求了.
圖1:采用ICB1FL02G的120W節能燈電路圖. 
英飛凌科技公司推出的一款用于熒光燈和大功率節能燈電子鎮流器的控制芯片ICB1FL02G,包含了獨特的控制特性和全面的保護功能,可以用最少的外部元件實現單個或者多個燈管的操作.其芯片內部集成了PFC控制器和半橋控制部分,并且針對T5燈管的特殊要求進行了優化.針對燈管的保護功能有:可編程預熱以延長燈管壽命、壽命終了保護(EOL)、容性模式保護、燈管整流效應和直流狀態保護、燈管移除保護,以及點燈電壓保護.
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通模式,并內置了數字式的PI濾波器.與傳統的控制芯片相比(例如TDA4863),它減少了兩個引腳.在半橋逆變控制電路中,用于驅動半橋高壓側浮地MOSFET的驅動是利用了芯片集成的空心變壓器這種專利技術,使得高低壓隔離能力達到了900V,滿足了一些特殊規格的需要.鎮流器的預熱頻率、預熱時間和燈管工作頻率只需要外部電阻就可以設定.高度集成化也使得在大功率節能燈應用中的緊湊化成為可能.
120W節能燈設計
接下來以一款歐司朗公司的120W節能燈為例,詳細闡述其設計過程.電路原理圖如圖1所示.鎮流器的一般參數設定如表1所示:
圖2:ICB1FL02在PFC極的保護. 
當主輸入信號接入后,電流流經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,用于檢測低壓側燈絲的存在.只要RES腳的電壓低于1.6V就認為燈絲是完好的.同時高壓側從PFC輸出電容C2那里,會有一個電流通過電阻R15和R16流向高壓側燈絲,然后此電流通過電阻R17、R18和R19流入LVS1.當電流大于15μA時燈絲就被視為完好的.當此芯片用在單燈管的節能燈時,需要把不用的LVS腳接地,以屏蔽此檢測功能.檢測無異常,則芯片進入正常工作狀態,半橋驅動電路開始工作.
PFC極工作原理及設計
在逆變橋運行的同時,PFC BOOST轉換器中的Q1也開始工作.工作原理與傳統臨界導通模式下的控制芯片并無很大差異,只是在負載減小到一定程度后,會最終進入斷續模式(DCM).何時進入DCM取決于內部數字PI濾波器的輸出.開關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:從啟動到穩態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: 
輕載進入DCM時: 
其中PFC效率ηPFC為0.95,TON_MAX為IC內部固定,為23.5μs.PFC擁有完善的保護功能,涵蓋了PFC過壓、欠壓、開環及過流保護.其保護框圖如圖2所示.因此在選擇PFC極電壓和電流采樣電阻時,要注意其相對應的保護門限.
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固定時間內通過16步遞減到由R12所決定的預熱頻率.預熱的時間可以通過調整R13的阻值,在0到2,000ms之間選擇.然后工作頻率還會在40ms時間內繼續下降128步,最后運行在由R5決定的穩態工作頻率下.
在點燈狀態下,因為諧振回路沒有負載,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,之后再繼續下降,直到再次觸發此0.8V閾值或燈管被擊穿.通過這種檢測,如果燈沒被點亮,點燈狀態的時間會從40ms增加到235ms,同時燈管上的電壓會保持設定的電壓值.如果在預熱結束后的235ms內燈還未擊穿,穩態工作頻率無法到達,則IC將進入故障保護模式.可以通過移走燈管或者重啟輸入電壓的方式進行重新啟動.
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R30和D6給高壓側邏輯控制供電電容C4供電.另外,C6可以調節電壓的變化率,并可以制造產生零電壓開關的條件.
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,并靠近諧振網絡的容性區域時,因為充電泵電容C6的開關狀充電,在開關管開通瞬間會產生尖峰電流.這樣的情況被稱為容性模式一(Cap Mode 1).如果此情況持續時間500ms以上,IC會進入故障保護模式.第二種情況就是諧振網絡完全進入容性狀態,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亦會進入故障保護模式.
容性模式的檢測是通過C8和C9電容的分壓來實現的.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,則進入容性模式二.保護點如圖4所示.
圖4:Cap Mode 1 和Cap Mode 2 保護檢測點. 
逆變橋的過流檢測是通過R14來實現的.在任何情況下,當LSCS腳的電壓超過1.6V并維持400ns以上時,芯片進入故障保護模式.
當熒光燈接近EOL狀態時,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后進入壽終保護狀態.同時,如果燈因為老化而進入半邊擊穿狀態,則LVS腳會檢測到一個直流電.此直流電流如果超過±175μA,則經過610μs后芯片亦會進入壽終保護狀態.此外,當LVS腳檢測到燈管當次正(負)極峰值電壓與下次負(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狀態就會被檢測到.當這種狀態超過500ms時IC也會進入壽終保護模式.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:鎮流器工作參數設定. 
半橋逆變電路設計
在了解了ICB1FL02G的工作過程和保護模式后,就可以對半橋逆變電路進行參數設計了.首先需要確定的是諧振網絡L2和C10的參數.
諧振網絡入端電壓有效值: 
穩態工作諧振網絡增益必須滿足下式: 
是穩態工作的角頻率.除L2和C10外,其余皆為已知項.C10會同時影響到穩態工作時的燈絲電流,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: 
可得到穩態工作時的燈絲電流為IFila=0.44A,然后再計算預熱頻率fPH.假設
是諧振網絡的自然頻率,
是預熱角頻率和諧振網絡自然角頻率之比,
是諧振網絡的入端特征阻抗.則根據預熱電流可得到下式:
,即 
從上式可得到Δ.需要注意的是Δ值必須大于1,才能實現預熱時半橋電路的ZVS工作.可得Δ=1.46.所以預熱頻率
,預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,則下列參數就可以確定了:
設定穩態工作頻率: 
設定預熱頻率: 
設定預熱時間: 
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端檢測電阻設計.假設我們把燈管正常工作電壓的1.5倍來設定EOL門限,則 
,之后根據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.查看數據表可知最高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就可以確定了.
本文小結
本文探討了用ICB1FL02G實現高功率節能燈鎮流器的方法,介紹了ICB1FL02G的工作原理,并基于OSRAM 120W高功率節能燈進行了整個電路的主要參數設計.用此線路實現的鎮流器具有高功率因素、可編程的預熱過程、完整的EOL保護、容性模式保護、及燈管移除保護等功能.這種方法提升了高功率節能燈的使用壽命和安全性,實現了節能燈的良好工作狀態,此外,外圍電路的縮減實現了鎮流器的小型化和高可靠性.
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