基于半橋驅(qū)動器IR2153的熒光燈電子鎮(zhèn)流器

    關(guān)鍵詞：電子鎮(zhèn)流器；功率因數(shù)校正；燈絲預熱；重啟動

引言

熒光燈的發(fā)光效率優(yōu)于白熾燈已成為不爭的事實，為此，近20年來，電子鎮(zhèn)流器在世界范圍內(nèi)得到了迅速的普及和發(fā)展，各半導體廠家推出了眾多的用于電子鎮(zhèn)流器的驅(qū)動電路，本文介紹的電子鎮(zhèn)流器基于IR公司開發(fā)的IR2153驅(qū)動器和摩托羅拉公司的MC33262功率因數(shù)控制器，是一種結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，可靠性高的解決方案。

1 自激式半橋驅(qū)動器IR2153介紹

IR2153是在IR2155和IR2151基礎上推出的改進型的VMOS和IGBT柵極驅(qū)動器，它將高壓半橋驅(qū)動器和一個類似于555時基電路的前端振蕩器集成在一個8腳芯片上，使其成為一款功能更多，更易于使用的功率驅(qū)動IC芯片。如圖1所示，腳CT兼有保護關(guān)斷功能，可以用一個低電壓信號使驅(qū)動器停止輸出。另外，輸出脈沖的寬度保持相等，一旦Vcc上升到欠壓閉鎖閾值，驅(qū)動器能以更加穩(wěn)定的頻率開始起振。通過降低柵極驅(qū)動器di/dt的峰值和提高欠壓閉鎖閾值的滯后電壓到1V，使電路的抗噪性有了實質(zhì)性的提高，同時，電路引腳的整體抗噪保護方面也有所改進。

圖1

2 功率因數(shù)校正電路

MC33262屬于有源功率因數(shù)校正器，特別適用在電子鎮(zhèn)流器和離線式開關(guān)電源中作預轉(zhuǎn)換器用，如圖2所示，其內(nèi)部集成了許多控制功能：為便于該電路的單獨使用而設有啟動定時器；為實現(xiàn)接近于1的功率因數(shù)采用了第一象限乘法器；零電流檢測能保證電路工作在臨界導通方式；快速啟動電路改善了電路的啟動特性；還設有預校的參考電壓源、跨導誤差放大器和電流檢測比較器；圖騰柱輸出結(jié)構(gòu)非常適合用于驅(qū)動功率MOS管。此外，MC33262內(nèi)部還集成了許多保護功能，如過壓比較器能減少空載引起的失控輸出電壓；乘法器輸出嵌位限制了最大峰值開關(guān)電流；驅(qū)動輸出高位嵌位，實現(xiàn)了對MOS管柵極的保護；還有輸入帶滯后特性的欠壓閉鎖電路、連續(xù)限流特性和RS鎖存為單脈沖測量等。

3 電路工作原理

電子鎮(zhèn)流器詳細電原理圖如圖3所示，可分為EMI濾波、橋式整流、功率因數(shù)控制、半橋逆變器、燈諧振、啟動和保護電路等部分。

3.1 輸入EMI濾波電路

除過由F1A熔斷器和RVP1壓敏電阻組成的過流過壓保護電路外，電子鎮(zhèn)流器的輸入電路主要是EMI濾波器。這是一個典型的兩級復合式低通濾波電路，其中CP1～CP4濾波電容用于濾除串模干擾信號，C1和C2的一端分別接輸出，另一端作為中點連在一起接地,能有效地抑制共模干擾，LP1和LP2為共模扼流圈，用于濾除共模干擾，它的兩個線圈分別繞在低損耗、高磁導率的鐵氧體磁環(huán)上，當有電流流過時，兩個線圈上的磁場就會互相加強，LP1和LP2的電感量與EMI濾波器的額定電流有關(guān)，濾波器的諧振頻率應當遠遠低于鎮(zhèn)流器的工作頻率。

    3.2 變頻控制電路

我們知道，熒光燈要經(jīng)過預熱，點燃才能進入正常發(fā)光工作狀態(tài)。在這三個狀態(tài)中，逆變器處于變頻工作方式，首先，以比較高的頻率對燈絲進行預熱，使陰極達到發(fā)射電子的溫度；然后，頻率快速下降，當?shù)竭_串聯(lián)諧振頻率時，產(chǎn)生的諧振高壓使燈管瞬間擊穿點燃；最后，穩(wěn)定在工作頻率上。IR2153的振蕩頻率可由式（1）決定，串聯(lián)諧振頻率由式（2）決定。

通過改變IR2153外接的CT有效電容可以實現(xiàn)頻率的控制，因此，我們可以通過一個NPN三極管QN1的導通和截止，來切換兩個振蕩電容連接的方式，從而實現(xiàn)了頻率控制。圖3通電后，在電容器CC14充滿以前QN1不導通，電容CC18和CC19串聯(lián)決定了振蕩頻率，當電容器CC14充滿后，DC18導通，QN1導通，電容器CC19不起作用，頻率由電容器CC18直接接地來決定。

3.3 預熱控制電路

通電后，DC18不導通前，QN1截止，IR2153以預熱頻率起振，QN2不截止，VCC經(jīng)RC22給MO4柵極提供偏置電流使其導通，CO33與LO6起振，燈絲變壓器工作，預熱開始；隨后，當CC14電壓升高，使DC18導通后，QN1導通，使IR2153在正常工作頻率振蕩，同時，電流經(jīng)RC21使QN2導通，MO4柵極電位到零，MO4關(guān)斷，預熱結(jié)束。

3.4 保護自鎖與重啟動電路

保護電路對鎮(zhèn)流器使用過程中出現(xiàn)的異常現(xiàn)象進行保護，一般采用幅值檢測保護原理，本鎮(zhèn)流器保護功能較多，共有5種保護，其中從RC36引入的燈管過壓保護；從RC37引入的燈管欠壓保護；從DC19引入的電源高壓保護和從QP6經(jīng)RC15引入的電源低壓保護4種，匯集到了MOS管MC5的柵極，當不發(fā)生保護時，MC5不導通，腳CT由IR2153內(nèi)部提供分壓，得到大約8V電壓，工作正常；當4種保護中有任何一種發(fā)生時，MC5導通，OP7由于基極電位接地而導通，經(jīng)RC33使腳CT電壓降低，IR2153停止振蕩，半橋電路關(guān)斷，這時，即使保護撤離，由于MC5和OP7之間的互鎖，也無法恢復腳CT的高電位，只有斷電再啟動，鎮(zhèn)流器才能重新恢復工作。

圖3

    從DC20引入的燈絲保護不同于其它4種保護，它沒有保護互鎖功能，因此可以重新啟動，當燈絲燒斷或燈管脫離后，QN3，QN4，QN5導通，其中QN3用來禁止保護和互鎖電路，QN4接到腳CT，使IR2153停振，QN5使電容CC14放電，為重新啟動做好準備，一旦新的燈管裝上，QN3，QN4，QN5立即截止，啟動過程重新開始預熱、點燃并穩(wěn)定工作。

3.5 電源VCC電路

本鎮(zhèn)流器中IC電源的設計主要從降低功耗考慮，電路剛啟動時，先由直流高壓經(jīng)齊納管DC4和DC5降壓，由RC14和DC7穩(wěn)壓供電，由于IR2153的微功耗啟動特性，保證了電路正常啟動，當IR2153起振后，由扼流變壓器LO4的次級經(jīng)兩路倍壓整流，一路經(jīng)DC8及RC23給IR2153供電，另一路經(jīng)DPF2及RPF4給MC33262功率因數(shù)控制器供電，當電路出現(xiàn)保護時，半橋電路停止工作，LO4次級停止提供電壓，IR2153的供電又改為微功耗供電。顯然，IR2153停振后，MC33262失電停止工作，這對功率因數(shù)控制器又是一種保護。

4 測試結(jié)果

圖4是本鎮(zhèn)流器配接OSRAM－FQ高亮T5燈管測得的燈管電壓和燈絲電流波形圖，功率為54W，所用儀器為遠方HB5A型鎮(zhèn)流器綜合參數(shù)測試儀。

5 結(jié)語

現(xiàn)代電子鎮(zhèn)流器是一項知識面寬且難度較大的技術(shù)，電路板上要輸入交流220V電壓，經(jīng)過全波整流后輸出300V直流高壓，再經(jīng)過功率因數(shù)校正器升壓儲能電感，則高達400V，設計中若元器件選用不當或調(diào)試中稍有不慎，將燒壞功率管，本方案中保護電路的設計，大大減少了出現(xiàn)異常燒管的機會。另外，對本電路中的重啟電路和諧振電路稍加改動即可用于驅(qū)動雙燈管，為此筆者將另外撰文敘述。