緊湊型節(jié)能燈鎮(zhèn)流器

一、概述(Abstract) 

　　該演示板針對(duì)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(yùn)行和保護(hù)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(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啟始頻率的軟啟動(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。

二、特點(diǎn)(Features)
 
• 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) 

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(yùn)行頻率：44.6KHz 
• 啟動(dòng)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(gè)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(duì)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(gè)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(jìn)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(shí)的尖峰電流。由于每個(gè)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(shí)，電容才有輸出電流，此時(shí)電容實(shí)際上以并聯(lián)方式給負(fù)載供電直到下個(gè)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(fù)載直接由交流整流輸入供電。在交流輸入電壓的峰值同時(shí)還給電容充電至峰值電壓，充電電流的幅度和持續(xù)時(shí)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(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（半橋中點(diǎn)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 腳處在直流母線電位時(shí)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(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(hù)，同時(shí)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(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L 的電流波形。

 
　　圖2 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 倍的最小頻率（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(jí)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(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3 示出了在啟動(dòng)時(shí)諧振電感的電流和燈絲電壓波形。
 
　　圖3 啟動(dòng)時(shí)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(yùn)行模式下VS（HB）電壓、燈電壓和燈電流波形。

 
　　圖4 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

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(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。

　　觸發(fā)失敗/無效燈保護(hù)(Protection of ignition failure and no lamp) 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或低端半橋MOSFET 的不同Rdson 引起的誤差，對(duì)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(jí)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)它僅僅只能是讀取），只要運(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(jí)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(duì)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(jí)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5 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6 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)。

　　燈絲開路保護(hù)(Open filament protection) 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 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8 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。 

　　低輸入線電壓保護(hù)(Lower input line AC voltage) 由圖9 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9 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）

五、CFL 鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)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(yùn)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(dòng)時(shí)的重負(fù)。IR2520D 能夠自動(dòng)獲得高起始頻率，因?yàn)樗钠鹗碱l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(shí)燈絲電阻與冷態(tài)時(shí)燈絲電阻之比）介于4-

　　6.5（有時(shí)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(dòng)次數(shù)。3）預(yù)熱時(shí)間等長于所需預(yù)熱時(shí)間。預(yù)熱時(shí)間不應(yīng)低于200ms 典型預(yù)熱時(shí)間值為1s。

　　Rh/Rc 比值可以通過設(shè)定預(yù)熱結(jié)束時(shí)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(shí)現(xiàn)此目的。選擇CVCO 的值可以調(diào)整預(yù)熱時(shí)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(diǎn)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(yùn)行模式(Running) 

　　在運(yùn)行模式時(shí)，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(shí)間3）加在燈上的觸發(fā)電壓4）燈運(yùn)行功率5）燈運(yùn)行電壓和電流

　　也要考慮一些約束條件：1）運(yùn)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(shí)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(xì)表(Bill of material)

七、PCB 圖 (φ64mm)(PCB layout) 

元件參數(shù) 元件 數(shù)量 符號(hào) 
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(yùn)行時(shí)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(dòng)、預(yù)熱、觸發(fā)和運(yùn)行時(shí)的燈電壓（CH4）、燈電流（CH1）和LO 腳輸出（CH2）波形(0.2s/div) 

實(shí)驗(yàn)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(yùn)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