熒光燈電子鎮(zhèn)流器的電路分析

摘要：介紹了一個(gè)基于自激式半橋驅(qū)動(dòng)器IR2135的熒光燈電子鎮(zhèn)流器電路，著重介紹了燈絲預(yù)熱和啟動(dòng)保護(hù)等單元電路的構(gòu)成和的特點(diǎn)，并給出了詳細(xì)電原理圖。
關(guān)鍵詞：電子鎮(zhèn)流器；功率因數(shù)校正；燈絲預(yù)熱；重啟動(dòng)

引言

熒光燈的發(fā)光效率優(yōu)于白熾燈已成為不爭的事實(shí)，為此，近20年來，電子鎮(zhèn)流器在世界范圍內(nèi)得到了迅速的普及和發(fā)展，各半導(dǎo)體廠家推出了眾多的用于電子鎮(zhèn)流器的驅(qū)動(dòng)電路，本文介紹的電子鎮(zhèn)流器基于IR公司開發(fā)的IR2153驅(qū)動(dòng)器和摩托羅拉公司的MC33262功率因數(shù)控制器，是一種結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，可靠性高的解決方案。

1 自激式半橋驅(qū)動(dòng)器IR2153介紹

IR2153是在IR2155和IR2151基礎(chǔ)上推出的改進(jìn)型的VMOS和IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器，它將高壓半橋驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)類似于555時(shí)基電路的前端振蕩器集成在一個(gè)8腳芯片上，使其成為一款功能更多，更易于使用的功率驅(qū)動(dòng)IC芯片。如圖1所示，腳CT兼有保護(hù)關(guān)斷功能，可以用一個(gè)低電壓信號使驅(qū)動(dòng)器停止輸出。另外，輸出脈沖的寬度保持相等，一旦Vcc上升到欠壓閉鎖閾值，驅(qū)動(dòng)器能以更加穩(wěn)定的頻率開始起振。通過降低柵極驅(qū)動(dòng)器di/dt的峰值和提高欠壓閉鎖閾值的滯后電壓到1V，使電路的抗噪性有了實(shí)質(zhì)性的提高，同時(shí)，電路引腳的整體抗噪保護(hù)方面也有所改進(jìn)。

2 功率因數(shù)校正電路

MC33262屬于有源功率因數(shù)校正器，特別適用在電子鎮(zhèn)流器和離線式開關(guān)電源中作預(yù)轉(zhuǎn)換器用，如圖2所示，其內(nèi)部集成了許多控制功能：為便于該電路的單獨(dú)使用而設(shè)有啟動(dòng)定時(shí)器；為實(shí)現(xiàn)接近于1的功率因數(shù)采用了第一象限乘法器；零電流檢測能保證電路工作在臨界導(dǎo)通方式；快速啟動(dòng)電路改善了電路的啟動(dòng)特性；還設(shè)有預(yù)校的參考電壓源、跨導(dǎo)誤差放大器和電流檢測比較器；圖騰柱輸出結(jié)構(gòu)非常適合用于驅(qū)動(dòng)功率MOS管。此外，MC33262內(nèi)部還集成了許多保護(hù)功能，如過壓比較器能減少空載引起的失控輸出電壓；乘法器輸出嵌位限制了最大峰值開關(guān)電流；驅(qū)動(dòng)輸出高位嵌位，實(shí)現(xiàn)了對MOS管柵極的保護(hù)；還有輸入帶滯后特性的欠壓閉鎖電路、連續(xù)限流特性和RS鎖存為單脈沖測量等。

3 電路工作原理

電子鎮(zhèn)流器詳細(xì)電原理圖如圖3所示，可分為EMI濾波、橋式整流、功率因數(shù)控制、半橋逆變器、燈諧振、啟動(dòng)和保護(hù)電路等部分。

3.1 輸入EMI濾波電路

除過由F1A熔斷器和RVP1壓敏電阻組成的過流過壓保護(hù)電路外，電子鎮(zhèn)流器的輸入電路主要是EMI濾波器。這是一個(gè)典型的兩級復(fù)合式低通濾波電路，其中CP1～CP4濾波電容用于濾除串模干擾信號，C1和C2的一端分別接輸出，另一端作為中點(diǎn)連在一起接地,能有效地抑制共模干擾，LP1和LP2為共模扼流圈，用于濾除共模干擾，它的兩個(gè)線圈分別繞在低損耗、高磁導(dǎo)率的鐵氧體磁環(huán)上，當(dāng)有電流流過時(shí)，兩個(gè)線圈上的磁場就會(huì)互相加強(qiáng)，LP1和LP2的電感量與EMI濾波器的額定電流有關(guān)，濾波器的諧振頻率應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鎮(zhèn)流器的工作頻率。

3.2 變頻控制電路

我們知道，熒光燈要經(jīng)過預(yù)熱，點(diǎn)燃才能進(jìn)入正常發(fā)光工作狀態(tài)。在這三個(gè)狀態(tài)中，逆變器處于變頻工作方式，首先，以比較高的頻率對燈絲進(jìn)行預(yù)熱，使陰極達(dá)到發(fā)射電子的溫度；然后，頻率快速下降，當(dāng)?shù)竭_(dá)串聯(lián)諧振頻率時(shí)，產(chǎn)生的諧振高壓使燈管瞬間擊穿點(diǎn)燃；最后，穩(wěn)定在工作頻率上。IR2153的振蕩頻率可由式（1）決定，串聯(lián)諧振頻率由式（2）決定。

通過改變IR2153外接的CT有效電容可以實(shí)現(xiàn)頻率的控制，因此，我們可以通過一個(gè)NPN三極管QN1的導(dǎo)通和截止，來切換兩個(gè)振蕩電容連接的方式，從而實(shí)現(xiàn)了頻率控制。圖3通電后，在電容器CC14充滿以前QN1不導(dǎo)通，電容CC18和CC19串聯(lián)決定了振蕩頻率，當(dāng)電容器CC14充滿后，DC18導(dǎo)通，QN1導(dǎo)通，電容器CC19不起作用，頻率由電容器CC18直接接地來決定。

3.3 預(yù)熱控制電路

通電后，DC18不導(dǎo)通前，QN1截止，IR2153以預(yù)熱頻率起振，QN2不截止，VCC經(jīng)RC22給MO4柵極提供偏置電流使其導(dǎo)通，CO33與LO6起振，燈絲變壓器工作，預(yù)熱開始；隨后，當(dāng)CC14電壓升高，使DC18導(dǎo)通后，QN1導(dǎo)通，使IR2153在正常工作頻率振蕩，同時(shí)，電流經(jīng)RC21使QN2導(dǎo)通，MO4柵極電位到零，MO4關(guān)斷，預(yù)熱結(jié)束。

3.4 保護(hù)自鎖與重啟動(dòng)電路

保護(hù)電路對鎮(zhèn)流器使用過程中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象進(jìn)行保護(hù)，一般采用幅值檢測保護(hù)原理，本鎮(zhèn)流器保護(hù)功能較多，共有5種保護(hù)，其中從RC36引入的燈管過壓保護(hù)；從RC37引入的燈管欠壓保護(hù)；從DC19引入的電源高壓保護(hù)和從QP6經(jīng)RC15引入的電源低壓保護(hù)4種，匯集到了MOS管MC5的柵極，當(dāng)不發(fā)生保護(hù)時(shí)，MC5不導(dǎo)通，腳CT由IR2153內(nèi)部提供分壓，得到大約8V電壓，工作正常；當(dāng)4種保護(hù)中有任何一種發(fā)生時(shí)，MC5導(dǎo)通，OP7由于基極電位接地而導(dǎo)通，經(jīng)RC33使腳CT電壓降低，IR2153停止振蕩，半橋電路關(guān)斷，這時(shí)，即使保護(hù)撤離，由于MC5和OP7之間的互鎖，也無法恢復(fù)腳CT的高電位，只有斷電再啟動(dòng)，鎮(zhèn)流器才能重新恢復(fù)工作。

圖3

從DC20引入的燈絲保護(hù)不同于其它4種保護(hù)，它沒有保護(hù)互鎖功能，因此可以重新啟動(dòng)，當(dāng)燈絲燒斷或燈管脫離后，QN3，QN4，QN5導(dǎo)通，其中QN3用來禁止保護(hù)和互鎖電路，QN4接到腳CT，使IR2153停振，QN5使電容CC14放電，為重新啟動(dòng)做好準(zhǔn)備，一旦新的燈管裝上，QN3，QN4，QN5立即截止，啟動(dòng)過程重新開始預(yù)熱、點(diǎn)燃并穩(wěn)定工作。

3.5 電源VCC電路

本鎮(zhèn)流器中IC電源的設(shè)計(jì)主要從降低功耗考慮，電路剛啟動(dòng)時(shí)，先由直流高壓經(jīng)齊納管DC4和DC5降壓，由RC14和DC7穩(wěn)壓供電，由于IR2153的微功耗啟動(dòng)特性，保證了電路正常啟動(dòng)，當(dāng)IR2153起振后，由扼流變壓器LO4的次級經(jīng)兩路倍壓整流，一路經(jīng)DC8及RC23給IR2153供電，另一路經(jīng)DPF2及RPF4給MC33262功率因數(shù)控制器供電，當(dāng)電路出現(xiàn)保護(hù)時(shí)，半橋電路停止工作，LO4次級停止提供電壓，IR2153的供電又改為微功耗供電。顯然，IR2153停振后，MC33262失電停止工作，這對功率因數(shù)控制器又是一種保護(hù)。
圖4是本鎮(zhèn)流器配接OSRAM－FQ高亮T5燈管測得的燈管電壓和燈絲電流波形圖，功率為54W，所用儀器為遠(yuǎn)方HB5A型鎮(zhèn)流器綜合參數(shù)測試儀。

5 結(jié)語

現(xiàn)代電子鎮(zhèn)流器是一項(xiàng)知識(shí)面寬且難度較大的技術(shù)，電路板上要輸入交流220V電壓，經(jīng)過全波整流后輸出300V直流高壓，再經(jīng)過功率因數(shù)校正器升壓儲(chǔ)能電感，則高達(dá)400V，設(shè)計(jì)中若元器件選用不當(dāng)或調(diào)試中稍有不慎，將燒壞功率管，本方案中保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，大大減少了出現(xiàn)異常燒管的機(jī)會(huì)。另外，對本電路中的重啟電路和諧振電路稍加改動(dòng)即可用于驅(qū)動(dòng)雙燈管，為此筆者將另外撰文敘述。