基于ICB1FL02G的高功率節(jié)能燈設計

    現(xiàn)在對于照明質(zhì)量的要求正日益提高。對于辦公樓宇、商場照明和戶外泛光照明而言，有兩種光源的發(fā)展趨勢值得我們注意。一種是高強度放電燈(HID)，另一種就是本文將要介紹的高功率節(jié)能燈。高功率節(jié)能燈的發(fā)光效率可以達到80lm/W，顯色指數(shù)可以達到90以上，同時具有低成本、長壽命的特性。對于傳統(tǒng)的節(jié)能燈來說，功率普遍在35W以下，構成鎮(zhèn)流器的電路也相對比較簡單，通常用自激電路或簡單的芯片就能實現(xiàn)，沒有功率因素校正(PFC)功能。但是對于大功率節(jié)能燈來說，這樣的電路就遠遠不能滿足其自身要求了。

圖1：采用ICB1FL02G的120W節(jié)能燈電路圖。

     英飛凌科技公司推出的一款用于熒光燈和大功率節(jié)能燈電子鎮(zhèn)流器的控制芯片ICB1FL02G，包含了獨特的控制特性和全面的保護功能，可以用最少的外部元件實現(xiàn)單個或者多個燈管的操作。其芯片內(nèi)部集成了PFC控制器和半橋控制部分，并且針對T5燈管的特殊要求進行了優(yōu)化。針對燈管的保護功能有：可編程預熱以延長燈管壽命、壽命終了保護(EOL)、容性模式保護、燈管整流效應和直流狀態(tài)保護、燈管移除保護，以及點燈電壓保護。

    ICB1FL02G共有兩個功能模塊，第一個功能模塊是BOOST PFC電路的控制，第二個功能模塊是半橋逆變電路的控制。在PFC控制電路中，這款芯片工作在臨界導通模式，并內(nèi)置了數(shù)字式的PI濾波器。與傳統(tǒng)的控制芯片相比(例如TDA4863)，它減少了兩個引腳。在半橋逆變控制電路中，用于驅(qū)動半橋高壓側(cè)浮地MOSFET的驅(qū)動是利用了芯片集成的空心變壓器這種專利技術，使得高低壓隔離能力達到了900V，滿足了一些特殊規(guī)格的需要。鎮(zhèn)流器的預熱頻率、預熱時間和燈管工作頻率只需要外部電阻就可以設定。高度集成化也使得在大功率節(jié)能燈應用中的緊湊化成為可能。

120W節(jié)能燈設計

   接下來以一款歐司朗公司的120W節(jié)能燈為例，詳細闡述其設計過程。電路原理圖如圖1所示。鎮(zhèn)流器的一般參數(shù)設定如表1所示：

圖2：ICB1FL02在PFC極的保護。

    當主輸入信號接入后，電流流經(jīng)R1和R2給電容C7和C7-1充電，此刻芯片消耗的電流典型值在100μA以下，直到供電電壓V_CC達到10V。超過此電壓后，管腳RES端會輸出一個20μA的電流，用于檢測低壓側(cè)燈絲的存在。只要RES腳的電壓低于1.6V就認為燈絲是完好的。同時高壓側(cè)從PFC輸出電容C2那里，會有一個電流通過電阻R15和R16流向高壓側(cè)燈絲，然后此電流通過電阻R17、R18和R19流入LVS1。當電流大于15μA時燈絲就被視為完好的。當此芯片用在單燈管的節(jié)能燈時，需要把不用的LVS腳接地，以屏蔽此檢測功能。檢測無異常，則芯片進入正常工作狀態(tài)，半橋驅(qū)動電路開始工作。

PFC極工作原理及設計

     在逆變橋運行的同時，PFC BOOST轉(zhuǎn)換器中的Q1也開始工作。工作原理與傳統(tǒng)臨界導通模式下的控制芯片并無很大差異，只是在負載減小到一定程度后，會最終進入斷續(xù)模式(DCM)。何時進入DCM取決于內(nèi)部數(shù)字PI濾波器的輸出。開關工作在零電壓開通模式，其工作頻率隨輸入電壓而變化。PFC電感可由以下3個公式中的最小值來確定。

圖3：從啟動到穩(wěn)態(tài)工作的頻率和燈電壓變化。

最低輸入電壓時：

最高輸入電壓時：

輕載進入DCM時：

    其中PFC效率η_PFC為0.95，T_{ON_MAX}為IC內(nèi)部固定，為23.5μs。PFC擁有完善的保護功能，涵蓋了PFC過壓、欠壓、開環(huán)及過流保護。其保護框圖如圖2所示。因此在選擇PFC極電壓和電流采樣電阻時，要注意其相對應的保護門限。

半橋逆變電路工作原理

    ICB1FL02G逆變半橋電路的典型工作過程如圖3所示。剛開始半橋逆變電路以固定的125kHz運行，在10ms固定時間內(nèi)通過16步遞減到由R12所決定的預熱頻率。預熱的時間可以通過調(diào)整R13的阻值，在0到2,000ms之間選擇。然后工作頻率還會在40ms時間內(nèi)繼續(xù)下降128步，最后運行在由R5決定的穩(wěn)態(tài)工作頻率下。

    在點燈狀態(tài)下，因為諧振回路沒有負載，燈管會承受高電壓，諧振回路里會流過比較大的無功電流。電阻R14檢測這個無功電流。當管腳LSCS的電壓檢測到高于0.8V時，工作頻率會停止下降，然后上升一段時間，之后再繼續(xù)下降，直到再次觸發(fā)此0.8V閾值或燈管被擊穿。通過這種檢測，如果燈沒被點亮，點燈狀態(tài)的時間會從40ms增加到235ms，同時燈管上的電壓會保持設定的電壓值。如果在預熱結(jié)束后的235ms內(nèi)燈還未擊穿，穩(wěn)態(tài)工作頻率無法到達，則IC將進入故障保護模式?？梢酝ㄟ^移走燈管或者重啟輸入電壓的方式進行重新啟動。

    位于半橋輸出端的C6、D7和D8形成一個充電泵，通過C7給IC供電。同時C7經(jīng)R30和D6給高壓側(cè)邏輯控制供電電容C4供電。另外，C6可以調(diào)節(jié)電壓的變化率，并可以制造產(chǎn)生零電壓開關的條件。

    在逆變橋正常工作模式時，如果工作頻率輕微地偏離ZVS狀態(tài)，并靠近諧振網(wǎng)絡的容性區(qū)域時，因為充電泵電容C6的開關狀充電，在開關管開通瞬間會產(chǎn)生尖峰電流。這樣的情況被稱為容性模式一(Cap Mode 1)。如果此情況持續(xù)時間500ms以上，IC會進入故障保護模式。第二種情況就是諧振網(wǎng)絡完全進入容性狀態(tài)，MOS管在開通瞬間有極大正向電流流過，此情況稱為容性模式二(Cap Mode 2)。在這種極端高損耗工作情況下，只要超過610μs，IC亦會進入故障保護模式。

    容性模式的檢測是通過C8和C9電容的分壓來實現(xiàn)的。每次下管Q3開通的瞬間，如果檢測到RES腳的電壓超過V_RESLLV之上V_REScap(典型值0.24V)值時，則進入容性模式一。每次上管Q2開通的瞬間，如果檢測到RES腳的電壓低于V_RESLLV之上V_REScap值(0.24V)時，則進入容性模式二。保護點如圖4所示。

圖4：Cap Mode 1 和Cap Mode 2 保護檢測點。

     逆變橋的過流檢測是通過R14來實現(xiàn)的。在任何情況下，當LSCS腳的電壓超過1.6V并維持400ns以上時，芯片進入故障保護模式。

    當熒光燈接近EOL狀態(tài)時，燈管的電壓會變的不對稱或者會升高。通過管腳LVS檢測到流過電阻R17、R18和R19的電流，可以對應測量到燈管上的電壓。通過R17、R18和R19流入LVS的電流門限是±215μA。超過此電流則燈管在610μs后進入壽終保護狀態(tài)。同時，如果燈因為老化而進入半邊擊穿狀態(tài)，則LVS腳會檢測到一個直流電。此直流電流如果超過±175μA，則經(jīng)過610μs后芯片亦會進入壽終保護狀態(tài)。此外，當LVS腳檢測到燈管當次正(負)極峰值電壓與下次負(正)極峰值電壓的比值超過1.15或低于0.85時，這種燈管電壓不對稱的整流效應狀態(tài)就會被檢測到。當這種狀態(tài)超過500ms時IC也會進入壽終保護模式。LVS2腳和LVS1腳是等同的，單燈工作條件下須將不用的LVS腳接地。

表1：鎮(zhèn)流器工作參數(shù)設定。

半橋逆變電路設計

    在了解了ICB1FL02G的工作過程和保護模式后，就可以對半橋逆變電路進行參數(shù)設計了。首先需要確定的是諧振網(wǎng)絡L2和C10的參數(shù)。

諧振網(wǎng)絡入端電壓有效值：

穩(wěn)態(tài)工作諧振網(wǎng)絡增益必須滿足下式：

是穩(wěn)態(tài)工作的角頻率。除L2和C10外，其余皆為已知項。C10會同時影響到穩(wěn)態(tài)工作時的燈絲電流，因此為了讓燈絲電流不會太大，增加無謂的損耗，初選C10＝10nF，則由上式可得L2=734μH。正常工作時的燈絲電流為：

可得到穩(wěn)態(tài)工作時的燈絲電流為I_Fila=0.44A,然后再計算預熱頻率f_PH。假設是諧振網(wǎng)絡的自然頻率，是預熱角頻率和諧振網(wǎng)絡自然角頻率之比，是諧振網(wǎng)絡的入端特征阻抗。則根據(jù)預熱電流可得到下式：，即

從上式可得到Δ。需要注意的是Δ值必須大于1，才能實現(xiàn)預熱時半橋電路的ZVS工作?？傻忙?1.46。所以預熱頻率，預熱時燈管的電壓有效值是，這個電壓足夠低而不會使燈管被點亮。

點燈頻率可由下式得到：

知道了fS、fPH、fIGN和TPH這些參數(shù)，則下列參數(shù)就可以確定了：

設定穩(wěn)態(tài)工作頻率：

設定預熱頻率：

設定預熱時間：

點燈時流過諧振電容C10的電流峰值為，在此刻必須通過R14電阻限流來限制點燈時燈管兩端的電壓。因為LSCS腳上在點燈時的電壓門限是0.8V，所以，然后是LVS端檢測電阻設計。假設我們把燈管正常工作電壓的1.5倍來設定EOL門限，則，之后根據(jù)阻值級別來選擇合適的電阻。

     對于限流電阻R15和R16，可由最低輸入電壓和最高LVS灌電流來確定。查看數(shù)據(jù)表可知最高LVS灌電流I_LVSSINKMAX=26μA。

燈管低端燈絲檢測電阻R20可由下式確定，選擇R20=56kΩ。最后就是分壓電容C8和C9的選定。為了得到足夠大的濾波能力，選擇C9=10nF，然后在RES腳電壓變化幅度在2V的情況下，C8可以按下式選擇，這樣，逆變電路的所有參數(shù)就可以確定了。

本文小結(jié)

    本文探討了用ICB1FL02G實現(xiàn)高功率節(jié)能燈鎮(zhèn)流器的方法，介紹了ICB1FL02G的工作原理，并基于OSRAM 120W高功率節(jié)能燈進行了整個電路的主要參數(shù)設計。用此線路實現(xiàn)的鎮(zhèn)流器具有高功率因素、可編程的預熱過程、完整的EOL保護、容性模式保護、及燈管移除保護等功能。這種方法提升了高功率節(jié)能燈的使用壽命和安全性，實現(xiàn)了節(jié)能燈的良好工作狀態(tài)，此外，外圍電路的縮減實現(xiàn)了鎮(zhèn)流器的小型化和高可靠性。