用于CFL 鎮(zhèn)流器的控制集成電路

總述

1. IRPLCFL5E 設(shè)計(jì)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(yùn)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(shí)間可調(diào)，可調(diào)運(yùn)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(dòng)，燈絲開路和觸發(fā)失敗時(shí)故障保護(hù)，低線電壓輸入保護(hù)及電壓升高后自動(dòng)重啟動(dòng)。IR2520D 是一個(gè)低成本方案，特別適合于CFL 應(yīng)用。IR2520D 僅有8 個(gè)管腳，對于一個(gè)完全的應(yīng)用方案其元器件數(shù)量可減少為19 個(gè)。

2． 特點(diǎn)

　　運(yùn)行頻率可調(diào)預(yù)熱時(shí)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(diǎn)

　　輸入功率：24W（220Vac 輸入）輸入電流：168mA（220Vac 輸入）起始頻率：100KHz 平均運(yùn)行頻率：40KHz 啟動(dòng)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(dòng)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(yùn)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(dòng)器，它僅有8 個(gè)管腳因此適合標(biāo)準(zhǔn)的SO8 或者DIP8 封裝。IR2520D 的設(shè)計(jì)克服了分離式自振蕩方案的缺點(diǎn)，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(diǎn)：DIAC 或者啟動(dòng)時(shí)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(chǔ)時(shí)間和飽和狀態(tài)所決定（不易設(shè)計(jì)，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(shí)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(huì)失效，燈沒有觸發(fā)或無燈絲開路時(shí)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(dòng)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(yùn)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(shí)也集成了自舉二極管。這個(gè)IC 的核心是一個(gè)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(gè)最大優(yōu)點(diǎn)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(shí)的Rdson 作為電流傳感電阻檢測高壓母線電壓。一個(gè)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(gè)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(shí)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(diǎn)的結(jié)果，電路利用IR2520D 成為一個(gè)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(shí)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(gè)保險(xiǎn)、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(shí)間可調(diào)、可調(diào)節(jié)運(yùn)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(shí)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(dòng)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(shí)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(yùn)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(dòng)、預(yù)熱、觸發(fā)和運(yùn)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(dòng)、預(yù)熱、觸發(fā)和運(yùn)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(shí)，IR2520D 進(jìn)入欠壓鎖定（UVLO）模式。UVLO 模式被設(shè)計(jì)為維持一個(gè)很低的電源電流（<200uA），在高端和低端輸出驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)時(shí)VCO 是0V，頻率非常的高，大約為2.5 倍的fmin 。這樣一來在啟動(dòng)時(shí)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(yùn)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(diǎn)附近工作，頻率會(huì)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(dòng)時(shí)諧振電感的電流和燈絲電壓波形。

 
圖6.2 在啟動(dòng)時(shí)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(yùn)行模式下VS（HB）電壓、燈電壓和燈電流波形。

 
圖6.3 在運(yùn)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(shí)，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(shí)IR2520D 將自動(dòng)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(shí)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(shí)這兩種功能有效。

　　為了檢測失敗觸發(fā)條件，IR2520D 運(yùn)行內(nèi)部的波峰因子測量電路來檢測過高的危險(xiǎn)電流或電感飽和，此種情況發(fā)生在燈沒有被點(diǎn)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(gè)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(shí)，IC 進(jìn)入故障模式，兩個(gè)門極驅(qū)動(dòng)器將被鎖定到“低”。波峰比測量電路的運(yùn)行提供了一個(gè)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(shí)，電流將會(huì)增加直到燈被點(diǎn)亮。燈點(diǎn)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(diǎn)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(gè)門極驅(qū)動(dòng)器輸出被鎖定為“低”。這樣一來就會(huì)避免損壞半橋。

　　通常非ZVS 保護(hù)將首先介入（因?yàn)楫?dāng)VCO 達(dá)到4.6V 時(shí)IR2520D 通常已經(jīng)工作在諧振點(diǎn)之下，IR2520D 不能檢測到峰值電流是由于當(dāng)LO 腳為高時(shí)它僅僅只能是讀?。灰\(yùn)行頻率再次達(dá)到諧振頻率，頻率將會(huì)增加，波峰比保護(hù)就會(huì)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(yùn)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(shí)時(shí)間。為了避免這種延遲，運(yùn)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(shí)系統(tǒng)工作在諧振頻率之上（運(yùn)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(gè)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(shí)還有VCO 腳電壓。在啟動(dòng)時(shí)VCO 腳電壓上升到4.6V 和頻率低于諧振點(diǎn)時(shí)，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(huì)引起電感飽和。在第一個(gè)高波峰比發(fā)生時(shí)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(shí)燈電壓就會(huì)很高，諧振電感的電流也很大，會(huì)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(shí)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。可以看出LO 腳最后一個(gè)正脈沖比其它的脈沖窄，這是因?yàn)榕c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(shí)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(shí)起作用。產(chǎn)生燈絲開路故障和半橋硬開關(guān)時(shí)IR2520D 內(nèi)部的非ZVS 電路將會(huì)檢測這種狀況，逐步增加頻率當(dāng)VCO 達(dá)到1V 時(shí)關(guān)閉IC；兩個(gè)門極驅(qū)動(dòng)器將被鎖定為“低”。這樣一來就會(huì)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?？梢钥闯觯瑔?dòng)時(shí)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(shí)IC 被閉鎖。圖7.4 示出了在短時(shí)間內(nèi)關(guān)斷時(shí)VCO 腳和VS 腳（HB 電壓）波形。當(dāng)IR2520D 關(guān)斷時(shí)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(shí)，IR2520D 的ZVMCS 電路自動(dòng)增加頻率以維持零電壓開關(guān)。

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

 
圖7.3 交流線電壓為220V 時(shí)VS 腳波形（頂圖），交流線電壓為130V 時(shí)VS 腳波形（底圖）

8． 排版設(shè)計(jì)

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

　　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(diǎn)連接。

 
圖8：排版設(shè)計(jì)

9． 適用于設(shè)計(jì)不同類型燈的設(shè)計(jì)步驟

　　應(yīng)用IR2520D 進(jìn)行設(shè)計(jì)是非常的簡單，因?yàn)樗鼉H有2 個(gè)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(jì)為一個(gè)大功率燈時(shí)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(jì)為一個(gè)小功率燈時(shí)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(gè)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(yùn)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(dòng)增加頻率工作在盡可能接近諧振頻率點(diǎn)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(shí)需要選擇最小頻率在低Q 值R、C、L 電路的諧振點(diǎn)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(gè)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(shí)間?？梢酝ㄟ^增大此電容值來增大預(yù)熱時(shí)間或者減小電容值來減小預(yù)熱時(shí)間。

下面是推薦的設(shè)計(jì)步驟：

　　1）使用BDA 軟件計(jì)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(xiàng)手動(dòng)輸入燈參數(shù)。

　　計(jì)算工作點(diǎn)選擇合適的L 和C 的值使其滿足：

　　1．運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(dòng)時(shí)燈上的電壓，也增大預(yù)熱電流，同時(shí)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(shí)功率增大，減小RFMIN 時(shí)功率減?。珻VCO 設(shè)置合適的預(yù)熱時(shí)間（增大CVCO 時(shí)預(yù)熱時(shí)間增大，減小CVCO 時(shí)預(yù)熱時(shí)間減?。?。

　　5.在整個(gè)電壓輸入范圍內(nèi)試驗(yàn)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(diǎn)啟動(dòng)，在較高交流輸入電壓點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)增大RSUPPLY 的值。

參考資料:

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