基于ICB1FL02G的高功率節(jié)能燈設(shè)計(jì)
現(xiàn)在對(duì)于照明質(zhì)量的要求正日益提高。對(duì)于辦公樓宇、商場(chǎng)照明和戶外泛光照明而言，有兩種光源的發(fā)展趨勢(shì)值得我們注意。一種是高強(qiáng)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(dá)到80lm/W，顯色指數(shù)可以達(dá)到90以上，同時(shí)具有低成本、長(zhǎng)壽命的特性。對(duì)于傳統(tǒng)的節(jié)能燈來(lái)說(shuō)，功率普遍在35W以下，構(gòu)成鎮(zhèn)流器的電路也相對(duì)比較簡(jiǎn)單，通常用自激電路或簡(jiǎn)單的芯片就能實(shí)現(xiàn)，沒(méi)有功率因素校正(PFC)功能。但是對(duì)于大功率節(jié)能燈來(lái)說(shuō)，這樣的電路就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足其自身要求了。
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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(dú)特的控制特性和全面的保護(hù)功能，可以用最少的外部元件實(shí)現(xiàn)單個(gè)或者多個(gè)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(duì)T5燈管的特殊要求進(jìn)行了優(yōu)化。針對(duì)燈管的保護(hù)功能有：可編程預(yù)熱以延長(zhǎng)燈管壽命、壽命終了保護(hù)(EOL)、容性模式保護(hù)、燈管整流效應(yīng)和直流狀態(tài)保護(hù)、燈管移除保護(hù)，以及點(diǎn)燈電壓保護(hù)。
ICB1FL02G共有兩個(gè)功能模塊，第一個(gè)功能模塊是BOOST PFC電路的控制，第二個(gè)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(dǎo)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(gè)引腳。在半橋逆變控制電路中，用于驅(qū)動(dòng)半橋高壓側(cè)浮地MOSFET的驅(qū)動(dòng)是利用了芯片集成的空心變壓器這種專利技術(shù)，使得高低壓隔離能力達(dá)到了900V，滿足了一些特殊規(guī)格的需要。鎮(zhèn)流器的預(yù)熱頻率、預(yù)熱時(shí)間和燈管工作頻率只需要外部電阻就可以設(shè)定。高度集成化也使得在大功率節(jié)能燈應(yīng)用中的緊湊化成為可能。
120W節(jié)能燈設(shè)計(jì)
接下來(lái)以一款歐司朗公司的120W節(jié)能燈為例，詳細(xì)闡述其設(shè)計(jì)過(guò)程。電路原理圖如圖1所示。鎮(zhèn)流器的一般參數(shù)設(shè)定如表1所示：
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圖2：ICB1FL02在PFC極的保護(hù)。 |
當(dāng)主輸入信號(hào)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VCC達(dá)到10V。超過(guò)此電壓后，管腳RES端會(huì)輸出一個(gè)20μA的電流，用于檢測(cè)低壓側(cè)燈絲的存在。只要RES腳的電壓低于1.6V就認(rèn)為燈絲是完好的。同時(shí)高壓側(cè)從PFC輸出電容C2那里，會(huì)有一個(gè)電流通過(guò)電阻R15和R16流向高壓側(cè)燈絲，然后此電流通過(guò)電阻R17、R18和R19流入LVS1。當(dāng)電流大于15μA時(shí)燈絲就被視為完好的。當(dāng)此芯片用在單燈管的節(jié)能燈時(shí)，需要把不用的LVS腳接地，以屏蔽此檢測(cè)功能。檢測(cè)無(wú)異常，則芯片進(jìn)入正常工作狀態(tài)，半橋驅(qū)動(dòng)電路開始工作。
PFC極工作原理及設(shè)計(jì)
在逆變橋運(yùn)行的同時(shí)，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(dǎo)通模式下的控制芯片并無(wú)很大差異，只是在負(fù)載減小到一定程度后，會(huì)最終進(jìn)入斷續(xù)模式(DCM)。何時(shí)進(jìn)入DCM取決于內(nèi)部數(shù)字PI濾波器的輸出。開關(guān)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(gè)公式中的最小值來(lái)確定。
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圖3：從啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)工作的頻率和燈電壓變化。 |
最低輸入電壓時(shí)：
最高輸入電壓時(shí)：
輕載進(jìn)入DCM時(shí)：
其中PFC效率ηPFC為0.95，TON_MAX為IC內(nèi)部固定，為23.5μs。PFC擁有完善的保護(hù)功能，涵蓋了PFC過(guò)壓、欠壓、開環(huán)及過(guò)流保護(hù)。其保護(hù)框圖如圖2所示。因此在選擇PFC極電壓和電流采樣電阻時(shí)，要注意其相對(duì)應(yīng)的保護(hù)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(guò)程如圖3所示。剛開始半橋逆變電路以固定的125kHz運(yùn)行，在10ms固定時(shí)間內(nèi)通過(guò)16步遞減到由R12所決定的預(yù)熱頻率。預(yù)熱的時(shí)間可以通過(guò)調(diào)整R13的阻值，在0到2,000ms之間選擇。然后工作頻率還會(huì)在40ms時(shí)間內(nèi)繼續(xù)下降128步，最后運(yùn)行在由R5決定的穩(wěn)態(tài)工作頻率下。
在點(diǎn)燈狀態(tài)下，因?yàn)橹C振回路沒(méi)有負(fù)載，燈管會(huì)承受高電壓，諧振回路里會(huì)流過(guò)比較大的無(wú)功電流。電阻R14檢測(cè)這個(gè)無(wú)功電流。當(dāng)管腳LSCS的電壓檢測(cè)到高于0.8V時(shí)，工作頻率會(huì)停止下降，然后上升一段時(shí)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(guò)這種檢測(cè)，如果燈沒(méi)被點(diǎn)亮，點(diǎn)燈狀態(tài)的時(shí)間會(huì)從40ms增加到235ms，同時(shí)燈管上的電壓會(huì)保持設(shè)定的電壓值。如果在預(yù)熱結(jié)束后的235ms內(nèi)燈還未擊穿，穩(wěn)態(tài)工作頻率無(wú)法到達(dá)，則IC將進(jìn)入故障保護(hù)模式?？梢酝ㄟ^(guò)移走燈管或者重啟輸入電壓的方式進(jìn)行重新啟動(dòng)。
位于半橋輸出端的C6、D7和D8形成一個(gè)充電泵，通過(guò)C7給IC供電。同時(shí)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(guān)的條件。
在逆變橋正常工作模式時(shí)，如果工作頻率輕微地偏離ZVS狀態(tài)，并靠近諧振網(wǎng)絡(luò)的容性區(qū)域時(shí)，因?yàn)槌潆姳秒娙軨6的開關(guān)狀充電，在開關(guān)管開通瞬間會(huì)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(shí)間500ms以上，IC會(huì)進(jìn)入故障保護(hù)模式。第二種情況就是諧振網(wǎng)絡(luò)完全進(jìn)入容性狀態(tài)，MOS管在開通瞬間有極大正向電流流過(guò)，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(guò)610μs，IC亦會(huì)進(jìn)入故障保護(hù)模式。
容性模式的檢測(cè)是通過(guò)C8和C9電容的分壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。每次下管Q3開通的瞬間，如果檢測(cè)到RES腳的電壓超過(guò)VRESLLV之上VREScap(典型值0.24V)值時(shí)，則進(jìn)入容性模式一。每次上管Q2開通的瞬間，如果檢測(cè)到RES腳的電壓低于VRESLLV之上VREScap值(0.24V)時(shí)，則進(jìn)入容性模式二。保護(hù)點(diǎn)如圖4所示。
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圖4：Cap Mode 1 和Cap Mode 2 保護(hù)檢測(cè)點(diǎn)。 |
逆變橋的過(guò)流檢測(cè)是通過(guò)R14來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在任何情況下，當(dāng)LSCS腳的電壓超過(guò)1.6V并維持400ns以上時(shí)，芯片進(jìn)入故障保護(hù)模式。
當(dāng)熒光燈接近EOL狀態(tài)時(shí)，燈管的電壓會(huì)變的不對(duì)稱或者會(huì)升高。通過(guò)管腳LVS檢測(cè)到流過(guò)電阻R17、R18和R19的電流，可以對(duì)應(yīng)測(cè)量到燈管上的電壓。通過(guò)R17、R18和R19流入LVS的電流門限是±215μA。超過(guò)此電流則燈管在610μs后進(jìn)入壽終保護(hù)狀態(tài)。同時(shí)，如果燈因?yàn)槔匣M(jìn)入半邊擊穿狀態(tài)，則LVS腳會(huì)檢測(cè)到一個(gè)直流電。此直流電流如果超過(guò)±175μA，則經(jīng)過(guò)610μs后芯片亦會(huì)進(jìn)入壽終保護(hù)狀態(tài)。此外，當(dāng)LVS腳檢測(cè)到燈管當(dāng)次正(負(fù))極峰值電壓與下次負(fù)(正)極峰值電壓的比值超過(guò)1.15或低于0.85時(shí)，這種燈管電壓不對(duì)稱的整流效應(yīng)狀態(tài)就會(huì)被檢測(cè)到。當(dāng)這種狀態(tài)超過(guò)500ms時(shí)IC也會(huì)進(jìn)入壽終保護(hù)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。
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表1：鎮(zhèn)流器工作參數(shù)設(shè)定。 |
半橋逆變電路設(shè)計(jì)
在了解了ICB1FL02G的工作過(guò)程和保護(hù)模式后，就可以對(duì)半橋逆變電路進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)了。首先需要確定的是諧振網(wǎng)絡(luò)L2和C10的參數(shù)。
諧振網(wǎng)絡(luò)入端電壓有效值：
穩(wěn)態(tài)工作諧振網(wǎng)絡(luò)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(xiàng)。C10會(huì)同時(shí)影響到穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的燈絲電流，因此為了讓燈絲電流不會(huì)太大，增加無(wú)謂的損耗，初選C10＝10nF，則由上式可得L2=734μH。正常工作時(shí)的燈絲電流為：
可得到穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的燈絲電流為IFila=0.44A,然后再計(jì)算預(yù)熱頻率fPH。假設(shè)
是諧振網(wǎng)絡(luò)的自然頻率，
是預(yù)熱角頻率和諧振網(wǎng)絡(luò)自然角頻率之比，
是諧振網(wǎng)絡(luò)的入端特征阻抗。則根據(jù)預(yù)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(shí)現(xiàn)預(yù)熱時(shí)半橋電路的ZVS工作?？傻忙?1.46。所以預(yù)熱頻率
，預(yù)熱時(shí)燈管的電壓有效值是
，這個(gè)電壓足夠低而不會(huì)使燈管被點(diǎn)亮。
點(diǎn)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(shè)定穩(wěn)態(tài)工作頻率：
設(shè)定預(yù)熱頻率：
設(shè)定預(yù)熱時(shí)間：
點(diǎn)燈時(shí)流過(guò)諧振電容C10的電流峰值為
，在此刻必須通過(guò)R14電阻限流來(lái)限制點(diǎn)燈時(shí)燈管兩端的電壓。因?yàn)長(zhǎng)SCS腳上在點(diǎn)燈時(shí)的電壓門限是0.8V，所以
，然后是LVS端檢測(cè)電阻設(shè)計(jì)。假設(shè)我們把燈管正常工作電壓的1.5倍來(lái)設(shè)定EOL門限，則
，之后根據(jù)阻值級(jí)別來(lái)選擇合適的電阻。
對(duì)于限流電阻R15和R16，可由最低輸入電壓和最高LVS灌電流來(lái)確定。查看數(shù)據(jù)表可知最高LVS灌電流ILVSSINKMAX=26μA。
燈管低端燈絲檢測(cè)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(shí)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(jìn)行了整個(gè)電路的主要參數(shù)設(shè)計(jì)。用此線路實(shí)現(xiàn)的鎮(zhèn)流器具有高功率因素、可編程的預(yù)熱過(guò)程、完整的EOL保護(hù)、容性模式保護(hù)、及燈管移除保護(hù)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(shí)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(shí)現(xiàn)了鎮(zhèn)流器的小型化和高可靠性。
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