用于CFL 鎮(zhèn)流器的控制集成電路

總述

1. IRPLCFL5E 設(shè)計參考針對的是220Vac 交流輸入的26W 緊湊型熒光燈。該電路具有燈的所有必須功能，如預(yù)熱、觸發(fā)和運行，也包含了EMI 濾波器和整流級，此電路以IR 公司CFL 鎮(zhèn)流器控制IC IR2520D 為基礎(chǔ)。IR2520D 的功能如下：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起始頻率的軟啟動，燈絲開路和觸發(fā)失敗時故障保護(hù)，低線電壓輸入保護(hù)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，對于一個完全的應(yīng)用方案其元器件數(shù)量可減少為19 個。

2． 特點

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

3． 電氣特點

　　輸入功率：24W（220Vac 輸入）輸入電流：168mA（220Vac 輸入）起始頻率：100KHz 平均運行頻率：40KHz 啟動電壓：120Vac 關(guān)斷電壓：70Vac
 

4． IR2520D 鎮(zhèn)流器控制IC

　　IR2520D 解決方案適合驅(qū)動CFL 和TL 燈以CFL 或matchbox （小尺寸的鎮(zhèn)流器）方式。它集成了燈所需的預(yù)熱、觸發(fā)和運行功能，還帶有故障保護(hù)、輸入線電壓過低保護(hù)和600V 半橋驅(qū)動器，它僅有8 個管腳因此適合標(biāo)準(zhǔn)的SO8 或者DIP8 封裝。IR2520D 的設(shè)計克服了分離式自振蕩方案的缺點，而且保持低成本。在CFL 市場上，由于低成本的緣故，自振蕩雙極晶體管方案仍舊比鎮(zhèn)流器控制IC 加場效應(yīng)管方案流行。雙極晶體管方案本身非常簡單但有以下缺點：DIAC 或者啟動時需要附加電路，需要附加恢復(fù)二極管，工作頻率由雙極晶體管的存儲時間和飽和狀態(tài)所決定（不易設(shè)計，對產(chǎn)品的誤差依賴性極大很難設(shè)置合適的頻率）。預(yù)熱時采用的PTC 使燈絲處于“總是加熱”的不可靠狀態(tài)，在應(yīng)用中經(jīng)常會失效，燈沒有觸發(fā)或無燈絲開路時無保護(hù)，在觸發(fā)期間頻率不是平滑下降，工作在容性模式，燈電流的波峰比很高。這些能夠?qū)е聦υ骷斐珊艽蟮臎_擊和負(fù)載波動擬或使鎮(zhèn)流器輸出級元器件損壞，縮短了燈的壽命。

　　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(hù)，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（半橋電壓）作過流保護(hù)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DC 母線電位時能夠承受DC 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(jìn)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較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(hù)，同時也降低了元器件數(shù)量，減小了鎮(zhèn)流器尺寸。

5． 電路描述

　　原理圖如圖5.1 所示。帶有元件值的BOM 表見表5.2。

 
圖5.1 電路圖

　　鎮(zhèn)流器的組成為一個保險、EMI 濾波器、輸入整流器、母線電容、半橋、控制和輸出級。輸出級是經(jīng)典的諧振電路，由電感LRES 和電容CRES 組成。電路以IR 的鎮(zhèn)流器控制IC IR2520D 為基礎(chǔ)。IR2520D 包含：預(yù)熱時間可調(diào)、可調(diào)節(jié)運行頻率以設(shè)置燈功率、高的起始頻率（大約是fmin 的2.5 倍）可以避免燈閃爍、燈絲開路時的容性模式保護(hù)和觸發(fā)失敗或者無燈情況下電流波峰因子保護(hù)。

　　交流輸入線電壓被整流成為大約300V 的母線電壓。啟動電阻Rsupply1 和Rsupply2 的大小應(yīng)使其在欠壓鎖定（UVLO）期間能夠提供微功率電流。當(dāng)VCC 超過UVLO+門限時IR2520D 開始振蕩，充電泵電路（CSNUB，DCP1 和DCP2）給VCC 供電，內(nèi)部的15.6V 穩(wěn)壓管進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　IR2520D 鎮(zhèn)流器控制IC 控制半橋頻率，調(diào)整為燈的合適參數(shù)，提供燈預(yù)熱、燈觸發(fā)、運行模式、低輸入線電壓保護(hù)和燈/鎮(zhèn)流器失效保護(hù)。

 
　　表5.2 材料清單。燈類型：螺旋形26W CFL，輸入線電壓：190~240VAC。說明：不同類型的燈需要不同的頻率調(diào)節(jié)元件。

6． 功能說明

　　圖6.1 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LRES 的電流波形。

 
　　圖6.1 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(jìn)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(dá)到啟動門限，IR2520D 開啟，半橋FET 開始振蕩，IC 進(jìn)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 輸出級諧振頻率降落，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(jìn)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6.2 示出了在啟動時諧振電感的電流和燈絲電壓波形。

 
圖6.2 在啟動時諧振電感的電流（黃色）和燈絲電壓（綠色）波形

圖6.3 示出了在運行模式下VS（HB）電壓、燈電壓和燈電流波形。

 
圖6.3 在運行模式下VS（HB）電壓（藍(lán)色）燈電壓（黃色）和燈電流（綠色）波形

7． 故障條件

　　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(jìn)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。

7．1 觸發(fā)失敗/無效燈保護(hù)

　　此保護(hù)依賴于IR2520D 波峰因子保護(hù)以及非ZVS 電路，當(dāng)VCO 腳的電壓達(dá)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(hù)，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(jìn)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擬或低端半橋MOSFET 的不同Rdson 引起的誤差，對于不同類型的燈無須進(jìn)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(jìn)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(hù)將首先介入（因為當(dāng)VCO 達(dá)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?。灰\行頻率再次達(dá)到諧振頻率，頻率將會增加，波峰比保護(hù)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(hù)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(hù)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(hù)都起作用。圖7.1 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(hù)仍舊不起作用，允許一些飽和）。圖7.2 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(xì)波形?？梢钥闯鯨O 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(dá)到0V 后，在消隱期間引入一些波峰比保護(hù)時間延遲相關(guān)。

 
圖7.1 ： 4 是諧振電感電流，2 是燈電壓，3 是VCO 腳電壓

 
圖7.2： 4 是諧振電感電流，2 是VS 腳（（HB 電壓），3 是LO 腳

7．2 燈絲開路保護(hù)

　　燈絲開路保護(hù)是以IR2520D 的非ZVS 電路為基礎(chǔ)，當(dāng)VCO 腳電壓達(dá)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(dá)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7.3 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(dá)到1V 時IC 被閉鎖。圖7.4 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。

圖7.3： 2 是燈電壓，3 是VC 腳電壓，4 是諧振電感LRES 電流

 
圖7.4：1 是FMIN 腳電壓，3 是VCO 腳電壓，2 是VS（HB 電壓）

7．3 低輸入線電壓保護(hù)由圖7.3 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(hù)了半橋MOSFET。

 
圖7.3 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）

8． 排版設(shè)計

　　排版設(shè)計參考包如圖8 所示，使用IR2520D 后簡化了排版設(shè)計。

　　關(guān)鍵元件CVCC 、CVCO、RFMIN 和CBOOT 的放置應(yīng)當(dāng)盡可能的靠近IR2520D 的管腳，CVCO、RFMIN 和CVCC 的地端應(yīng)當(dāng)連接到IR2520D 的COM 腳，此地線應(yīng)與高壓地單點連接。

 
圖8：排版設(shè)計

9． 適用于設(shè)計不同類型燈的設(shè)計步驟

　　應(yīng)用IR2520D 進(jìn)行設(shè)計是非常的簡單，因為它僅有2 個控制腳：VCO（0~5V 振蕩器電壓輸入）和FMIN（最小頻率設(shè)置）。修改設(shè)計為一個大功率燈時需要改變RFMIN，CVCO，LRES 和CRES 的值。要確保FET 和電感的額定值與新燈所需的電流相匹配，也要確保新燈的VCC 穩(wěn)定。

　　修改設(shè)計為一個小功率燈時需要減小RFMIN，僅在一些情況下也需要修改CVCO、LRES 和CRES?；旧现荒苁褂肍ET 和電感在其額定電流之下。

　　在典型應(yīng)用中，F(xiàn)MIN 腳通過一個電阻連接到地，電阻（RFMIN）的值設(shè)定了IC 的最小頻率（fmin ）和起始頻率（fmin 的2.5 倍）。在零電壓開關(guān)情況下IR2520D 以最小頻率工作在運行模式（這有助于獲得恒定頻率，即使交流輸入線電壓在工作范圍內(nèi)變化），在非零電壓開關(guān)情況下IC 自動增加頻率工作在盡可能接近諧振頻率點上以維持ZVS（這在需求最大效率的應(yīng)用中是有益的）。通常恒頻工作時需要選擇最小頻率在低Q 值R、C、L 電路的諧振點之上。在此種情況下，能夠通過增加RFMIN 值來減小頻率增大燈功率，或者減小RFMIN 值增大頻率減小燈功率。

　　在典型應(yīng)用中VCO 腳通過一個電容和地相連接。此電容的值設(shè)定了頻率從2.5 倍fmin 下降到fmin 的時間?？梢酝ㄟ^增大此電容值來增大預(yù)熱時間或者減小電容值來減小預(yù)熱時間。

下面是推薦的設(shè)計步驟：

　　1）使用BDA 軟件計算LRES 和CRES。

　　選擇無PFC 輸入結(jié)構(gòu)，選擇IR2156 IC 和單燈電流模式結(jié)構(gòu)，在數(shù)據(jù)庫中選擇新燈或者通過“高級”選項手動輸入燈參數(shù)。

　　計算工作點選擇合適的L 和C 的值使其滿足：

　　1．運行頻率為40KHz~45KHz（最佳工作范圍）
　　
    2.值盡可能的小以使損耗最?。ńㄗh值4.7nF）

    3.值靈活選擇

　　2）在VCC 腳和COM 腳之間加上15V 電壓調(diào)整RFMIN 值得到合適的最小頻率（建議恒頻率工作，通過BDA 軟件設(shè)置fmin= 運行頻率）。增大RFMIN 使最小頻率減小或減小RFMIN 使最小頻率增大。

　　3） 接上交流輸入檢查燈的預(yù)熱、觸發(fā)和運行狀態(tài)。

  　1.如果預(yù)熱期間燈觸發(fā)或者預(yù)熱電流太小或者燈上的起始電壓太高，就增大CRES 值來減小預(yù)熱期間和啟動時燈上的電壓，也增大預(yù)熱電流，同時需要減小LRES 以維持相同的功率和頻率。

　　2.如果IC 工作頻率大于fmin ，就增大CRES 或LRES 來減小諧振頻率避免硬開關(guān)或者減小CSNUBBER 值（建議最小值取為680pF 以確保VCC 保持在UVLO-之上）。
 
　　3．如果VCC 跌落，就增大CSNUBBER 或CVCC 的值。

　　4.調(diào)整RFMIN 的值以得到合適的燈功率（增大RFMIN 時功率增大，減小RFMIN 時功率減?。珻VCO 設(shè)置合適的預(yù)熱時間（增大CVCO 時預(yù)熱時間增大，減小CVCO 時預(yù)熱時間減小）。

　　5.在整個電壓輸入范圍內(nèi)試驗確保頻率在工作范圍內(nèi)變化。選擇RSUPPLY 值使在合適的交流電壓輸入點啟動，在較高交流輸入電壓點啟動時增大RSUPPLY 的值。

參考資料:

1) IR2520D 數(shù)據(jù)表2) IR2520D 應(yīng)用指南- AN1066