基于IC的節(jié)能照明電源技術(shù)設(shè)計(jì)
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1 前言
用于建筑照明方面的電力管理解決辦法，如電感熒光燈，電子熒光燈，緊湊型熒光燈（CFL），鹵素?zé)艨刂萍呻娐芬约案邏簹怏w放電燈（H1D）技術(shù)等，用于范圍寬廣的居民區(qū)、商業(yè)和汽車中，減少了它們所需要的電力，在節(jié)能方面向前邁進(jìn)了巨大的一步。其控制集成電路中的自適應(yīng)控制技術(shù)和高電壓半導(dǎo)體結(jié)隔離技術(shù)是其中的一部分，獲得了廣泛應(yīng)用。值此對新型建筑節(jié)能照明控制IC技術(shù)及應(yīng)用作研討。
應(yīng)該說，目前照明控制IC的主要應(yīng)用領(lǐng)域在：工業(yè)建筑和辦公室用直管和緊湊型熒光燈照明設(shè)備；住宅和旅館用緊湊型熒光燈照明設(shè)備CFL及冷陰極熒光燈CCFL；零售照明設(shè)備市場的鹵素?zé)艉褪彝庹彰髟O(shè)備的HID；單白光LED及照相機(jī)閃光燈；OLED及TFT顯示器等等。
2 新型建筑照明控制IC技術(shù)的特征
目前，在照明控制IC（即電子變換器）設(shè)計(jì)方面，存在兩種不同的典型方法。第一種方法基于IC器件，與若干個外部無源器件一起，驅(qū)動兩個高壓（通常高于400V）功率MOS晶體管，實(shí)現(xiàn)一個半橋變換器；第二種方法基于兩個高壓雙極晶體管和大量的無源器件，但是只能實(shí)現(xiàn)部分功能。雙極解決方案被用于成本極其低廉的中低端應(yīng)用。
2.1 適合于電子鎮(zhèn)流器的高壓隔離結(jié)IC技術(shù)
這些控制IC推動了高壓隔離結(jié)技術(shù)以滿足節(jié)能產(chǎn)品應(yīng)用成本和可靠性的兩個要求。如今普遍將控制IC-高壓隔離結(jié)技術(shù)應(yīng)用到鎮(zhèn)流器中，生產(chǎn)出了具有競爭性、高性能和高度可靠的產(chǎn)品。現(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)是通過控制光源的新IC將它們擴(kuò)展到其他照明市場部分。
2.1.1 高壓隔離結(jié)IC技術(shù)的特征
這項(xiàng)高壓隔離結(jié)IC技術(shù)允許電路放置在隔離的“井”里面，這個“井”到低壓電路可以有600V隔離，見圖1黃色粗線所示。這是因?yàn)楫?dāng)今不少照明技術(shù)均與高電壓功率MOSFET技術(shù)相聯(lián)在一起的，其分離產(chǎn)品系列包括大量不同型號的器件，范圍從橋式整流器和肖特基二極管到功率MOSFET和IGBT。
圖1 高壓隔離結(jié)IC技術(shù)示意圖（灰色粗線所示為高壓隔離井）
高壓隔離結(jié)IC技術(shù)的特征是，使高端及低端的驅(qū)動功能融合于單一芯片內(nèi)，以控制多種開關(guān)轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一是廣泛應(yīng)用在電子鎮(zhèn)流器中的半橋結(jié)構(gòu)。這使得該技術(shù)非常適合于電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)業(yè)。
2.1.2 熒光燈照明的 IR2153與IR2166控制 IC
*IC IR2153把標(biāo)準(zhǔn)555時(shí)基電路與高端和低端半橋驅(qū)動器結(jié)合在一起。這個IC與高壓MOSFET一起，很快就被照明技術(shù)采用，并成為了電子鎮(zhèn)流器的一個標(biāo)準(zhǔn)控制器，可以作為未來照明設(shè)備控制IC發(fā)展的基礎(chǔ)。由于IR2153被廣泛應(yīng)用并作改進(jìn)成為IRS2153D，其頂部更加堅(jiān)實(shí)耐用，且集成了必要的自舉二極管。
*IR2156和IR2166控制IC是在IR2153基礎(chǔ)上改進(jìn)的鎮(zhèn)流器技術(shù)，它集成了另外的功能到IR2153中，這是更加完善控制熒光燈的要求。它們包括最大化燈壽命和提高鎮(zhèn)流器可靠性所必需的預(yù)加熱和故障保護(hù)功能。IR2166進(jìn)一步改進(jìn)，并集成了有源功率因素校正（PFC）控制，與鎮(zhèn)流器控制一起實(shí)現(xiàn)整個鎮(zhèn)流器的單芯片解決方案。因?yàn)閷τ诠β始墑e在25W以上，PFC在歐洲是強(qiáng)制的，世界的其他地方正在跟隨同樣的趨向。
IR2166在同一個IC中包括二個分開的振蕩器，一個用于控制鎮(zhèn)流器輸入而另一個用于控制燈。并且，為了滿足T5熒光燈的新要求，IR2166設(shè)有壽命終期（EOL）引腳以探測燈在接近壽命末期時(shí)發(fā)生的過壓，在這些高電壓產(chǎn)生損害之前安全地關(guān)閉鎮(zhèn)流器。
2.2 智能功率技術(shù)的熒光燈驅(qū)動電路技術(shù)
它是采用固定頻率（高達(dá)200KHz左右）半橋拓?fù)潋?qū)動線性熒光燈管的解決方案。該方案采用了系統(tǒng)芯片的方法：在同一個芯片VK06T上集成控制部分、保護(hù)電路和功率級。由于采用這種單片電路的方法，系統(tǒng)可靠性得到了提高，此外，系統(tǒng)集成和小型封裝還實(shí)現(xiàn)了更小。
2.2.1 技術(shù)特征
VK06TL驅(qū)動電路芯片應(yīng)用智能功率VIPovver M3-3制造技術(shù)，允許在同一芯片VK06TL上集成控制部分和功率級。功率級是一個“發(fā)射極開關(guān)”，這個“發(fā)射極開關(guān)”通過在一個共射-共基放大器結(jié)構(gòu)中放置一個雙極高壓達(dá)林頓晶體管和一個低壓MOS場效應(yīng)晶體管制成的。因此，這個方案實(shí)現(xiàn)了雙極器件的低壓降與斷態(tài)時(shí)高擊穿電壓之間的平衡，以及MOS場效應(yīng)晶體管的開關(guān)速度快的特性。因此，這個“發(fā)射極開關(guān)”結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)一個很高的頻率（200KHz左右）。
2.2.2 VK06TL芯片應(yīng)用于熒光燈鎮(zhèn)流驅(qū)動器
圖2為應(yīng)用VK06TL驅(qū)動電路的一個熒光燈鎮(zhèn)流器專用的驅(qū)動器，即半橋變換器設(shè)計(jì)方案圖。
圖2 應(yīng)用VK06TL驅(qū)動電路的一個熒光燈鎮(zhèn)流器專用的驅(qū)動器，即半橋變換器設(shè)計(jì)方案圖
在圖2的半橋變換器中，VK06TL被指定用于上橋臂和下橋臂。因?yàn)椴捎脙蓚€VK06TL，幾乎無需外部器件，只用兩個二次繞組就可以導(dǎo)通一次側(cè)扼流圈。所以，該熒光燈慎流器專用的驅(qū)動器-半橋變換器是一個效率極高而成本極低的熒光燈變換器。
這個變換器能夠恰當(dāng)?shù)毓芾硪粋€高端熒光燈應(yīng)用全部必備的工作條件，即啟動、預(yù)熱頻率和時(shí)長控制、點(diǎn)火和穩(wěn)態(tài)階段。這個半橋可以實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)（EOL：燈管壽命終止）、整流效應(yīng)保護(hù)和過溫保護(hù)，從而創(chuàng)造一個全保護(hù)系統(tǒng)。
芯片的控制級和功率級都是由Vcc引腳供電，Vcc引腳通過一個電阻電容（RC）網(wǎng)絡(luò)與直流總線相連。在啟動階段，電容通過一個高阻值的電阻器充電，因此，只需幾百微安。由于功率雙極晶體貯存基極電流是在通過"Vcc充電網(wǎng)絡(luò)”連接Vcc引腳的電容上恢復(fù)的，因此，在工作階段，器件是自己給自己供電。VK06TL這項(xiàng)特殊功能允許使用功耗更小的電阻器，而且上電橋臂電源無需充電泵。還必須從連接次級繞組的SEC引腳觸發(fā)、接通這個器件。
需要指出的是，這個單片方法無需外部電阻器和連接器就實(shí)現(xiàn)了功率級電流檢測。此外，如上文所述，只需一個單片器件就可以集成一個溫度保護(hù)電路。
3 應(yīng)用于緊湊型熒光燈（CFL）CFL的IC IR2520D與CCFL的TPS68000
3.1 IC IR2520D特征與應(yīng)用
3.1.1 IR2520D的呈現(xiàn)
照明控制IC的另一個主要部分，包括緊湊型熒光燈（CFL）與CCFL。傳統(tǒng)的控制這燈的電路是自振蕩類型的，并且對成本非常敏感。由于可靠性問題，自振蕩方案實(shí)際上阻礙了快速發(fā)展。
因HVJI技術(shù)主要被用于隔離高電壓電路和電平轉(zhuǎn)換柵極驅(qū)動信號電路。采用IR2520D，HVJI功能被擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)必要的檢測功能。先前的IC要求一個分開的引腳用于某種檢測譬如直流總線欠壓，過流，燈絲開路或燈被移除。IR2520D采用HVJI技術(shù)和新控制算法，通過單一引腳來檢測所有要求的參數(shù)。然而，這個引腳是在COM端和高壓直流總線之間經(jīng)常交換的半橋中點(diǎn)，這意味著，檢測必須是在低端半橋開關(guān)導(dǎo)通時(shí)完成，而在半橋高端開關(guān)導(dǎo)通時(shí)電路必須能承受高壓，IR2520D用第三個內(nèi)部高壓MOSFET來達(dá)到這個功能。IR2520D接著使用新控制算法譬如“非零電壓開關(guān)（ZVS）保護(hù)”和“波峰檢測”來實(shí)現(xiàn)必要的鎮(zhèn)流器功能，其他的控制引腳用于設(shè)置最小的工作頻率和預(yù)熱時(shí)間。最后，再加上頻率振動功能，它通常把頻率轉(zhuǎn)移到幾千赫以上并回降到最小的頻率，從而來達(dá)到減少外部EMI濾波的需要。把所有這些功能集成在簡單的8引腳封裝內(nèi)，IR2520D的設(shè)計(jì)目標(biāo)是應(yīng)用于CFL產(chǎn)品中。這種新解決方案將減少尺寸大小和CFL鎮(zhèn)流器的費(fèi)用，提高制造能力，并提高可靠性以有助于CFL產(chǎn)品的采用和這個市場占額的進(jìn)一步發(fā)展。見圖3為IR2520D應(yīng)用于CFL示意圖。
圖3 應(yīng)用IR2520D IC干緊湊型螢光燈（CFL）的示意框圖
?。↖R2520D引腳功能 1-Vec 2-COM 3-VCO 4-EMIN 5-LO 6-VS 7-HO 8-VB）
3.2 IR2520D集成電路主要特征
具有智能的半橋驅(qū)動器、自動復(fù)位短路保護(hù)、自動復(fù)位過載保護(hù)、鎖存過溫保護(hù)、頻率擺動（有更好的EMl）、微功率啟動（150uA）、用于前緣／后緣的相位調(diào)光、輸出電壓漂移比較（更長燈壽命）、真正的軟啟動（防止過度驅(qū)動燈）、自適應(yīng)的死區(qū)時(shí)間、小的8引腳DIP／SOIC封裝。其系統(tǒng)包含：
內(nèi)部振蕩器、先進(jìn)的過載和短路保護(hù)、輸出電壓負(fù)載補(bǔ)償、采用外部相位調(diào)光器實(shí)現(xiàn)調(diào)光、更長的燈壽命、優(yōu)越的產(chǎn)品可靠性、減少元件數(shù)目。
4 CCFL背光控制器
4.1 技術(shù)基礎(chǔ)
輸入電壓一背光電源通常由電池或穩(wěn)壓器提供。對于背光電源來說，為了選擇最佳的IC及電源轉(zhuǎn)換拓?fù)潆娐芬援a(chǎn)生照明燈所需的輸出電源，先對可用的輸入電壓有所了解是十分重要的。
照明燈特性（輸出功率）-一般的CCFL燈需要250VAC至1000VAC（2至10mA）以支持運(yùn)轉(zhuǎn)。而輸入電壓與輸出電壓間的關(guān)系指示出了最佳的JC及電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
電源拓?fù)?此部分以不同的方式控制變壓器。有時(shí)輸入／輸出關(guān)系指示出某一確定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而不同的拓?fù)錂C(jī)構(gòu)則對應(yīng)了不同的電源轉(zhuǎn)換效率。
變壓器類型-壓電式（PieZO）在某些應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)更小的尺寸及更高的效率。
控制選項(xiàng)-單或雙燈控制、亮度控制。
4.2 技術(shù)特點(diǎn)
針對CCFL的完全電源控制；
磁感式或壓電式變壓器控制；
開燈（openlamp）保護(hù)及變壓器保護(hù)；
脈沖亮度調(diào)節(jié)控制以獲得高效及更寬的亮度調(diào)節(jié)范圍；
四種不同的電源拓?fù)洌ò霕騂alf-bridge），反激式，自振蕩，推挽式（Push-pull）。
4.3 CCFL（冷陰極熒光燈背光源）TPS68000高效移相全橋CCFL控制器與應(yīng)用
主要特點(diǎn)：輸入電壓范圍：8V至30V；集成了門驅(qū)動的全橋技術(shù)，用于4-NMOS轉(zhuǎn)換；同步恒定工作頻率；可編程相位延遲用于控制從操作的運(yùn)行頻率；光—電壓穩(wěn)壓以及光—電流穩(wěn)流；模擬調(diào)光及脈沖調(diào)光；多控制器件下的可調(diào)節(jié)分置式脈沖調(diào)光；啟動或出錯狀態(tài)下可程序化的校正電壓時(shí)長；開燈保護(hù)和短路保護(hù)；內(nèi)置高溫保護(hù)與低電壓鎖定模式；封裝模式：30引腳TSSOP封裝， TPS68000高效移相全橋CCFL控制器導(dǎo)單燈應(yīng)用圖見圖4所示。
圖4 TPS68000應(yīng)用于CCFL示意圖
可在桌面監(jiān)視器和LCD電視的CCFL背光電源供應(yīng)與筆記本電腦的CCFL背光電源供應(yīng)上應(yīng)用
4 結(jié)束語
由上可見，隨著建筑新照明技術(shù)或已有技術(shù)的派生得到了發(fā)展，譬如直徑很細(xì)的熒光管甚至LED，它們將與其相關(guān)的應(yīng)用一起創(chuàng)造自己的新市場領(lǐng)域，其結(jié)果是進(jìn)一步推廣電子節(jié)能照明產(chǎn)品以使整個市場受益。
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