基于IR2161的低壓鹵素燈電子變壓器
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
關鍵詞：IR216控制器；低壓照明；電子變壓器
0 引言
鹵素燈也稱為鹵鎢燈。鹵素燈燈絲為鎢絲，燈管內除充有適量的氬氣，還充人了溴或碘微量鹵素，故因此而得其名。鹵素燈與白熾燈一樣，屬于熱輻射光源。鹵素燈的光效、壽命和顯色指數均優(yōu)于普通白熾燈，故在展示廳、商業(yè)廚窗、攝影、攝像、劇院、城市亮化等照明場合，有著廣泛的應用，其作用是其它光源不可替代的。在全球電子鎮(zhèn)流器市場，低壓照明電子變壓器占有10％的份額。
低壓鹵素燈額定工作電壓大多僅為12V。若采用220V的工頻市電供電，需使用笨重的鐵芯(降壓)變壓器。采用電子變壓器替代老式鐵芯變壓器，具有尺寸小、重量輕、節(jié)材、節(jié)電等優(yōu)點。
低壓鹵素燈電子變壓器與熒光燈電子鎮(zhèn)流器一樣，都是將工頻轉換為幾十kHz的高頻。在電路結構上二者十分相似，大多都采用半橋逆變拓撲。但是，由于鹵素燈是一種電阻性負載，故鹵素燈電子變壓器與熒光燈電子鎮(zhèn)流器比較，存在一些不同點，具體表現在以下幾個方面。
1)鹵素燈電子變壓器不需要預熱和觸發(fā)啟動時序；
2)鹵素燈電子變壓器DD總線電壓是全波整流的AC線路電壓，無需大容量濾波電容器；
3)鹵素燈電子變壓器的線路功率因數接近1，并且無需采用功率因數校正(PFC)；
4)輸出是經隔離的高頻低壓，安全性好。
采用分立元器件設計和制作電子變壓器，若使其具有保護功能和調光功能，需要增加很多元器件。基于IR公司生產的智能半橋驅動器芯片IR216l的電子變壓器，無需可飽和磁環(huán)變壓器，僅需用少量元器件，則可實現高性能和高可靠及調光功能。
l 基于IR2161的基本低壓照明電子變壓器電路
圖1所示為基于IR216l的100W／12 V鹵素燈電子變壓器基本電路。
在接通工頻市電電源后，橋式整流器通過Rs的電流除流入IC腳VCC上的啟動電流外，其余的大部分電流對電容CVCC1充電。當IC腳VCC上的電壓達到啟動閾值(11．8 V)后，IC開始工作。一旦IC啟動，由CSNUB、DCP1和DCP2組成的電荷泵電路為IC腳VCC饋送電流。自舉二極管DB和電容CB為IC高側驅動器電路供電。齊納二極管DZ用作分流IC過剩電流，以防止IC損壞。
鹵素燈燈絲電阻為帶正溫度系數，在室溫下的“冷電阻”遠小于燈工作時的“熱電阻”。在燈啟動時，會產生較大的浪涌電流，影響燈壽命。但IR2161提供軟啟動操作，可以避免浪涌電流產生。在燈啟動期間，IR2161輸出125 kHz的高頻。由于系統(tǒng)中輸出高頻變壓器T1初級漏感是固定的，在較高的頻率下呈現較高的阻抗，初級繞組上的電壓較低．致使變壓器輸出電壓較低，燈電流較小，同時也避免了保護電路被觸發(fā)。約經1 s的時間，電路以較低頻率運行。在此過程中，IC腳3外部電容CSD上的電壓從OV增加到5V。
當空載時，VCSD=OV，振蕩器頻率約60kHz。在最大負載下，VCSD=5V，振蕩器頻率約30kHz。當輸出短路時，大電流流過半橋，被RCS感測。只要IC腳4(CS)上電壓超過1V的門限電平持續(xù)50ms以上的時間，系統(tǒng)將關閉。如果負載超過最大負載的50％，IC腳4上的電壓將超過O 5 V較低的門坎電壓，在經0．5S之后，系統(tǒng)將關閉。不論是短路保護還是過載保護，都能自動復位。IR2161還提供過熱關閉功能。當芯片結溫超過135℃的過溫度限制值時，半橋開關將停止工作，以避免MOSFET燒壞。
圖2所示為計算RCS的輸出級電路。在半橋中間點上的電壓為DC總線電壓的1／2。DC總線RMS電壓與AC線路RMS電壓相同，負載上的RMS電壓為AC線路RMS電壓的50％，通過RCS的電流為負載電流的一半。由于負載呈電阻性，電流波形為正弦包跡，半橋輸出占空比為50％，在最大負載上RCS上的峰值電壓VCS(PK)=O．4 V，通過RCS的RMS電流為
對于工作在VAC(RMS)=220 V交流線路電壓下的PLOAD=100W的電子變壓器，電流感測電阻RCS值為
關于輸出變壓器T1的選擇程序如下。
1)在30 kHz和最大負載下，選擇正確的磁芯尺寸，根據制造者提供的磁芯數據，確定最大容許功率。
2)計算初級繞組匝數。初級繞組最少匝數Np(min)可根據式(5)計算
式中：VPK為最高峰值總線電壓，可取其為400 V；
Ton(amx)為最大導通時間，其值可選取18μs；
Bmax為最大磁通密度，單位為T，其值可從制造者提供的鐵氧體材料工作在1 00℃時的曲線獲得；
Ae為磁芯有效截面積，單位為m2。
3)計算次級需要的匝數。次級繞組匝數NS可按式(6)計算。
式中：VO(RMS)=12V，VAC(RMS)=220 V。
IR公司在參考設計中采用Vogt或Kaschke公司環(huán)形磁芯，初級繞組78匝，次級繞
組8匝，初級與次級繞組之間利用壓塑分離器隔離。
2 增強功能的電子變壓器電路
2.l 帶開路保護的鹵素燈電子變壓器電路
在空載條件下，IC腳VS上的高dv／dt將引起MOSFET發(fā)生硬開關，導致MOSFFT過熱，直至其損壞。為此，可以設置如圖3所示的開路保護電路。在開路情況下，ROC上的峰值電壓足以使二極管Doc導通，并對電容CF充電。只要CF上的電壓超過IC腳VS上的短路保護門限電平，短路保護電路則被觸發(fā)，IR2161則關閉。為防止MOSFET過熱，IC將進入50ms導通和1 s關斷的自動重新啟動模式。
2．2 利用頻率調節(jié)輸出電壓的電子變壓器電路
如果電子變壓器輸出電壓過低，會使燈光變暗；若輸出電壓過高(超過12V額定值的20％)，將縮短燈壽命。采用圖4所示的電路提供了較好的解決方案。當輸出電壓過高時，在分壓器電阻R6上的電壓將超過IC3內部2．5V的參考值，光電耦合器IC2中光耦晶體管導通，將IC1腳VS上的電位拉低，致使工作頻率升高。由于變壓器T1初級漏感的作用，頻率增加使輸出電壓降低。頻率調節(jié)電路的加入，將使IR2161的短路關閉保護電路失效。為解決這個問題，加入了由VS1、G5、D7和R3組成的短路保護電路。在短路情況下，晶閘管VS1導通，將IR2161的VCC腳上的電壓拉低到欠電壓鎖定門限電平(10．2V)以下，IC則關閉。
2.3 調光電子變壓器電路
圖5所示為調光電子變壓器電路。其中，IC2為低成本開路集電極或漏極輸出雙比較器。由于IC2的加入需汲取電源電流，故IC1腳VCC外部電阻鳳應由270 kΩ(3W)降低到56 kΩ。未經濾波的全橋整流輸出電壓通過R3和R4分壓輸入到IC2-1的同相端，IC2-1輸出端電容CT上的電壓為與AC線路電壓半周期同步的鋸齒波信號。該信號輸入到IC2-2的同相端，IC2-2的另一個輸入為電位器RP1分壓的DC電壓。IC2-2的輸出為占空因數變化的矩形波。當IC2-2輸出高電平時，通過D6將IC1腳VS上的電壓上拉到短路保護電平以上，使IR2161關閉，變壓器次級對燈不再施加電壓。這種調光方案為后沿模式相位切斷調光。通過調節(jié)RP1，可使鹵素燈燈光從零到最大輸出(即從O％到100％)變化，并且消除了燈閃爍。圖6所示為DC總線電壓和燈電壓波形。
與熒光燈調光電子鎮(zhèn)流器一樣，鹵素燈調光電子變壓器同樣可根據IEC929數字可尋址照明接口(DALI)總線通信協議，利用微控制器實現全數字調光，并且可利用同一個從屬控制系統(tǒng)，控制多個電子變壓器。
3 結語
基于智能控制器IR2161的低壓照明電子變壓器，僅需用較少量的元器件，則可以實現短路保護、過載保護、開路保護和過熱保護及調光功能。
電子鎮(zhèn)流器相關文章:電子鎮(zhèn)流器工作原理
>電子變壓器相關文章:電子變壓器原理
評論