緊湊型節(jié)能燈鎮(zhèn)流器

一、概述(Abstract) 

　　該演示板針對的是220V 交流輸入的55W 緊湊型熒光燈（CFL ）。該電路具有燈的所有必須功能，如預(yù)熱、觸發(fā)、運行和保護功能，電路以IR 公司CFL 鎮(zhèn)流器控制集成電路IR2520D 為基礎(chǔ)，并結(jié)合無源功率因數(shù)校正技術(shù)，改善鎮(zhèn)流器輸入功率因數(shù)，降低其電流諧波含量。功能如下：預(yù)熱時間可調(diào)，可調(diào)運行頻率以設(shè)置燈功率，可以避免燈閃爍的高啟始頻率的軟啟動，燈絲開路和觸發(fā)失敗時故障保護，低線電壓輸入保護及電壓升高后自動重啟動。IR2520D 是一個低成本方案，特別適合于CFL 應(yīng)用。IR2520D 僅有8 個管腳。

二、特點(Features)
 
• 運行頻率可調(diào) 
• 預(yù)熱時間可調(diào) 
• 燈絲開路和無燈保護 
• 觸發(fā)失敗和無效燈保護 
• 輸入交流線電壓過低保護 

三、技術(shù)參數(shù)(Specification) 

• 輸入功率：55W （220V 交流輸入） 
• 輸入電流：255mA（220V 交流輸入） 
• 起始頻率：112KHz 
• 運行頻率：44.6KHz 
• 啟動電壓：170VAC 
• 關(guān)斷電壓：110VAC 
• 燈的類型：4U（55W）
 
四、電路功能描述(Description of circuit functions) 

　　鎮(zhèn)流器的組成分為四個部分：輸入EMI 濾波器、整流器、無源PFC 校正電路和鎮(zhèn)流器控制電路。C1、L1、L2 和C3 組成的濾波器是必須的且要滿足對EMI 的需求。D1、D2、D3、C5、C7 和R2 組成無源功率因數(shù)校正電路可以使輸入功率因數(shù)提升到0.93 以上。電路如下圖1。

無源PFC 電路(Passive PFC circuit)
 
　　該無源功率因數(shù)校正電路的工作過程是這樣的。在輸入整流的每個半周期間濾波電容C5 和C7 以串聯(lián)的形式經(jīng)由D2 和R2 進行充電。C5 和C7 分別被充電至交流電壓峰值的一半。加入電阻R2 的目的是為了減少電容充電時的尖峰電流。由于每個電容被充電至交流峰值電壓的一半，所以僅在母線電壓跌落到正弦波形的峰值電壓一半之下時，電容才有輸出電流，此時電容實際上以并聯(lián)方式給負載供電直到下個半周期交流輸入整流電壓再次超過逢值電壓的一半為止。電容放電占空比大約是37%，除此以外負載直接由交流整流輸入供電。在交流輸入電壓的峰值同時還給電容充電至峰值電壓，充電電流的幅度和持續(xù)時間是電容放電深度和充電電路中串聯(lián)電阻值的函數(shù)。

鎮(zhèn)流器控制電路(Control IC) 

　　IR2520D 具有自適應(yīng)零電壓最小電流開關(guān)（ZVMCS ，適應(yīng)性運行頻率轉(zhuǎn)換為零電壓開關(guān)），內(nèi)置波峰比和非零電壓開關(guān)（ZVS ）保護，同時也集成了自舉二極管。這個IC 的核心是一個具有外部編程最小頻率功能的壓控振蕩器（VCO ）和0~5V 模擬電壓輸入。IR2520D 的一個最大優(yōu)點是利用VS 腳（半橋中點電壓）作過流保護和檢測非ZVS 狀態(tài)（IR2520D 利用低端FET 導(dǎo)通時的Rdson 作為電流傳感電阻檢測高壓母線電壓。一個內(nèi)置的600V FET 把VS 腳和VS 感應(yīng)電路相連接，在LO 腳為高電平期間可以使VS 腳被精確地測量，在一個開關(guān)周期的其它部分，當(dāng)高端FET 開通，VS 腳處在直流母線電位時能夠承受直流母線的高壓）。這樣能夠節(jié)省經(jīng)常用來檢測過電流的高精度電阻。關(guān)于IR2520D 更進一步的信息請參考IR2520D 的數(shù)據(jù)表和瀏覽此IC 的說明圖表。作為IR2520D 特點的結(jié)果，電路利用IR2520D 成為一個完全CFL 方案比自振蕩方案具有極好的可靠性和較長的燈壽命，也具有燈失效和低輸入線電壓保護，同時也降低了元器件數(shù)量，減小了鎮(zhèn)流器尺寸。

　　圖2 給出了在啟動、預(yù)熱、觸發(fā)和運行模式期間燈上的電壓和諧振電感L 的電流波形。

 
　　圖2 在啟動、預(yù)熱、觸發(fā)和運行模式期間燈上的電壓（黃色波形）和諧振電感LRES 的電流（綠色波形）波形。

　　當(dāng)電源開啟時，IR2520D 進入欠壓鎖定（UVLO ）模式。UVLO 模式被設(shè)計為維持一個很低的電源電流（<200uA），在高端和低端輸出驅(qū)動器被擊活之前以保證IC 的全部基本功能。在UVLO 期間高低端驅(qū)動器的輸出（LO 和HO）均為低，VCO 腳被拉低到地（COM ），復(fù)位起始頻率到最大。

　　一旦VCC 達到啟動門限，IR2520D 開啟，半橋FET 開始振蕩，IC 進入頻率回掃模式。在啟動時VCO 是0V，頻率非常的高，大約為2.5 倍的最小頻率（fmin ）。這樣一來在啟動時使電壓毛刺和燈閃爍最小化。頻率向高Q 輸出級諧振頻率靠近，引起燈電壓和燈電流增加，在此期間燈絲被預(yù)熱到發(fā)射溫度，保證燈的長壽命。頻率繼續(xù)降低直到燈被觸發(fā)，如果燈觸發(fā)成功，IR2520D 進入運行模式。

　　如果最小頻率選擇的低于或非常接近諧振頻率，IC 將在諧振點附近工作，頻率會高于fmin ，將不斷的調(diào)整頻率以維持半橋的零電壓開關(guān)，使FET 的損耗最小。如果最小頻率選擇得高于諧振頻率，IR2520D 將工作在最小頻率。圖3 示出了在啟動時諧振電感的電流和燈絲電壓波形。
 
　　圖3 啟動時諧振電感的電流（黃色）和燈絲電壓（綠色）波形圖4 示出了在運行模式下VS（HB）電壓、燈電壓和燈電流波形。

 
　　圖4 在運行模式下VS（HB）電壓（藍色）燈電壓（黃色）和燈電流（綠色）波形

故障條件(Fault conditions) 

　　在以下故障情況：燈絲開路、觸發(fā)失敗、無效燈或無燈時，IR2520D 將進入故障模式。在此模式下振蕩器被鎖定，復(fù)位IC 返回到預(yù)熱模式，VCC 一定在低于和高于UVLO 門羨間反復(fù)循環(huán)，復(fù)位干線電壓。在低交流線電壓輸入情況時IR2520D 將自動增加頻率以避免非ZVS ，在此種方式下，低的交流輸入線電壓時鎮(zhèn)流器工作在低功率，當(dāng)線電壓升高后重新工作在合適的功率。

　　觸發(fā)失敗/無效燈保護(Protection of ignition failure and no lamp) 此保護依賴于IR2520D 波峰因子保護以及非ZVS 電路，當(dāng)VCO 腳的電壓達到4.6V 時這兩種功能有效。

　　為了檢測失敗觸發(fā)條件，IR2520D 運行內(nèi)部的波峰因子測量電路來檢測過高的危險電流或電感飽和，此種情況發(fā)生在燈沒有被點亮的失敗條件下或無效燈條件下，如果沒有保護，將引起半橋損壞。在低端MOSFET 開通的整個期間IR2520D 測量VS 腳。當(dāng)LO 開通期間，峰值電流超過平均電流的3 倍時，IC 進入故障模式，兩個門極驅(qū)動器將被鎖定到“低”。波峰比測量電路的運行提供了一個相關(guān)的電流測量能夠消除溫度或低端半橋MOSFET 的不同Rdson 引起的誤差，對于不同類型的燈無須進行不同的調(diào)節(jié)。在正常工作時，電流將會增加直到燈被點亮。燈點亮后電流減小到標(biāo)稱電流。燈觸發(fā)失敗的現(xiàn)象出現(xiàn)在燈絲完好無損，但是燈沒有被點亮的情況下。在觸發(fā)過程中，燈電壓和輸出級電流將不斷增加直到發(fā)生過流或諧振電感飽和。非ZVS 電路或波峰比電路將檢測這種情形，IC 進入故障模式，兩個門極驅(qū)動器輸出被鎖定為“低”。這樣一來就會避免損壞半橋。

　　通常非ZVS 保護將首先介入（因為當(dāng)VCO 達到4.6V 時IR2520D 通常已經(jīng)工作在諧振點之下，IR2520D 不能檢測到峰值電流是由于當(dāng)LO 腳為高時它僅僅只能是讀?。?，只要運行頻率再次達到諧振頻率，頻率將會增加，波峰比保護就會檢測故障條件。輸出級將出現(xiàn)瞬間大電流和高電壓。半橋FET 需要能夠承受瞬間的大電流。通過相對于諧振頻率和運行頻率控制觸發(fā)頻率以及減小CVCO 電容值就可以減小此瞬時時間。為了避免這種延遲，運行頻率應(yīng)當(dāng)在高Q 值LC 級的諧振頻率之上，以便當(dāng)波峰比保護作用時系統(tǒng)工作在諧振頻率之上（運行頻率低于諧振頻率的情況下，由于相移的緣故波峰比保護電路檢測不到峰值電流）。在正常觸發(fā)期間當(dāng)CVCO 超過4.6V，為了避免常規(guī)暫態(tài)干擾和電感飽和兩個保護都起作用。圖5 示出了觸發(fā)失敗情況下電感電流和燈電壓，同時還有VCO 腳電壓。在啟動時VCO 腳電壓上升到4.6V 和頻率低于諧振點時，非ZVS 電路作用頻率開始增加直到它再次超過諧振頻率，將會引起電感飽和。在第一個高波峰比發(fā)生時VS 是低電壓，我們將閉鎖IC。就象所了解的一樣，當(dāng)VCO 充電到4.6V 時燈電壓就會很高，諧振電感的電流也很大，會引起電感飽和（在正常觸發(fā)期間波峰比保護仍舊不起作用，允許一些飽和）。圖6 給出了在短時間內(nèi)，關(guān)閉期間LO 腳、VS 腳和諧振電感電流的詳細波形。可以看出LO 腳最后一個正脈沖比其它的脈沖窄，這是因為與為了提高抗噪音和暫態(tài)能力當(dāng)VS 達到0V 后，在消隱期間引入一些波峰比保護時間延遲相關(guān)。

　　燈絲開路保護(Open filament protection) 燈絲開路保護是以IR2520D 的非ZVS 電路為基礎(chǔ)，當(dāng)VCO 腳電壓達到

　　4.6V 時起作用。產(chǎn)生燈絲開路故障和半橋硬開關(guān)時IR2520D 內(nèi)部的非ZVS 電路將會檢測這種狀況，逐步增加頻率當(dāng)VCO 達到1V 時關(guān)閉IC；兩個門極驅(qū)動器將被鎖定為“低”。這樣一來就會避免硬開關(guān)和半橋損壞。

　　圖7 給出了燈絲開路情況下燈電壓和電感電流波形以及VCO 腳電壓波形。可以看出，啟動時VCO 腳從0V 充電到4.6V，在4.6V 非ZVS 電路起作用，頻率開始增加，CVCO 放電。當(dāng)VCO 腳電壓達到1V 時IC 被閉鎖。圖8 示出了在短時間內(nèi)關(guān)斷時VCO 腳和VS 腳（HB 電壓）波形。當(dāng)IR2520D 關(guān)斷時FMIN 腳被接地，因此FMIN 腳能夠被用做觸發(fā)器。 

　　低輸入線電壓保護(Lower input line AC voltage) 由圖9 可以看出，當(dāng)線電壓從220V 到130V 變化時，IR2520D 的ZVMCS 電路自動增加頻率以維持零電壓開關(guān)。

　　當(dāng)線電壓減小時，諧振頻率增加，變得接近運行頻率。這將引起非ZVS。IR2520D 將會檢測非ZVS，只要檢測到非ZVS ，就會逐步增加頻率。這樣就會保護了半橋MOSFET 。

　　圖9 交流線電壓為220V 時VS 腳波形（頂圖），交流線電壓為130V 時VS 腳波形（底圖）

五、CFL 鎮(zhèn)流器設(shè)計要求和約束(Design requirements and limitation) 

　　電子鎮(zhèn)流器的工作遵循3 種狀態(tài)：預(yù)熱、觸發(fā)和運行模式。

　　預(yù)熱(Preheat) 在預(yù)熱階段燈絲必須被加熱到適當(dāng)?shù)陌l(fā)射溫度以保證燈的長壽命（5，000-300，000 次或以上）為了使燈壽命最長必須遵從以下條件：1）高的起始頻率可以避免燈絲在啟動時的重負。IR2520D 能夠自動獲得高起始頻率，因為它的起始頻率大約是最小頻率的2.5 倍。2）預(yù)熱比（Rh/Rc= 預(yù)熱結(jié)束時燈絲電阻與冷態(tài)時燈絲電阻之比）介于4-

　　6.5（有時在燈的規(guī)格說明中指出了所需的預(yù)熱比Rh/Rc）較大的Rh/Rc 比值保證了較高的發(fā)射溫度和較大的啟動次數(shù)。3）預(yù)熱時間等長于所需預(yù)熱時間。預(yù)熱時間不應(yīng)低于200ms 典型預(yù)熱時間值為1s。

　　Rh/Rc 比值可以通過設(shè)定預(yù)熱結(jié)束時燈絲的電壓和電流來控制?？梢酝ㄟ^選擇諧振電感L 和諧振電容C 的值來實現(xiàn)此目的。選擇CVCO 的值可以調(diào)整預(yù)熱時間。

觸發(fā)(Ignition) 

　　在觸發(fā)階段，頻率將逐漸下降直到諧振，燈上的電壓將增加引起燈的觸發(fā)。燈規(guī)格中規(guī)定了“最大觸發(fā)電壓”，此電壓是在最壞情況下（冷燈）加在燈上的所需觸發(fā)電壓。鎮(zhèn)流器的最大觸發(fā)電壓發(fā)生在僅由諧振電感L 和諧振電容C 組成的輸出電路的諧振點處。通過設(shè)定諧振電感L 和諧振電容C 的值就能夠控制此最大觸發(fā)電壓。

運行模式(Running) 

　　在運行模式時，加在燈上的電壓和電流必須保證燈正常的電壓、電流和功率。除過發(fā)生非ZVS 外，IR2520D 將工作在最小頻率（fmin）。通過改變諧振電感L、諧振電容C 和最小頻率可以調(diào)整輸入功率。

　　小節(jié)，燈規(guī)格要滿足如下要求：1）預(yù)熱比Rh/Rc 2）預(yù)熱時間3）加在燈上的觸發(fā)電壓4）燈運行功率5）燈運行電壓和電流

　　也要考慮一些約束條件：1）運行頻率要大于40KHz（以避免開紅外線范圍）2）起始電壓要足夠?。ǖ陀谧钚∮|發(fā)電壓），以避免在預(yù)熱時觸發(fā)3）觸發(fā)電流要低于FETs 和諧振電感L 的最大額定電流

六、元器件明細表(Bill of material)

七、PCB 圖 (φ64mm)(PCB layout) 

元件參數(shù) 元件 數(shù)量 符號 
103/275Vac  電容 1  C3  
1N4007  二極管 7  D1 D2 D3 D6 D7 D8 D9  
0.1uf/275Vac  電容 1  C1  
0.5 ohm/0.5W  熔斷器 1  F  
2.5mH/1A  電感 1  L1  
2 x 5mH/1A  共模電感 1  L2  
5.1 ohm/2W  電阻 1  R2  
10K/471  壓敏電阻 1  RV1  
0.1uf/25V  電容 1  C8  
0.1uf/400V  電容 1  C12  
1N4148  二極管 2  D4 D5  
1uf/25V  電容 1  C6  
1.1mH  電感 EI30  1  L3  
224/16V  電容 1  C9  
22uf/450V  電容 2  C5 C7  
470k/0.5W  電阻 1  R1  
153/1kv  電容 1  C11  
680pf/1000V  電容 1  C10  
62k  電阻 1  R3  
IRF830  場效應(yīng)晶體管 2  Q1 Q2  
IR2520D  控制集成電路 1  U1  
 
八、演示板測試波形和數(shù)據(jù)(Waveform) 
 
圖10 輸入電壓（CH4）和電流（CH1）波形(Vin=220Vac,PF=0.943,Pin=55W) 
 
圖11 運行時燈電壓（CH4）、燈電流（CH1）和LO 腳輸出（CH2）波形（10us/div, frun=44.6KHz）
 
圖12 啟動、預(yù)熱、觸發(fā)和運行時的燈電壓（CH4）、燈電流（CH1）和LO 腳輸出（CH2）波形(0.2s/div) 

實驗數(shù)據(jù)(Testing data) 

輸入電壓Vin(V)  輸入功率Pin(W)  輸入電流Iin(rms)(mA,)  運行頻率Frun(KHz)  功率因素PF  總諧波THD(%)  
170  43.7  274  44.6  0.936  31.10  
220  54  259  44.6  0.948  29.68  
250  57.5  240  44.6  0.956  28.01  

　　溫度特性測量(Temperature raising of power device) 

　　在環(huán)境溫度Tc=27