基于FAN7710V的新型高性能節(jié)能燈鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)

引言

　　在照明技術(shù)中，電子節(jié)能燈已經(jīng)日益成為人們的首選，因?yàn)槠鋺?yīng)用范圍廣，節(jié)能環(huán)保性能好，是政府和企業(yè)節(jié)能減排的重要舉措之一。在近幾年中，我國為了推廣電子節(jié)能燈的應(yīng)用，采取了財(cái)政補(bǔ)貼政策，就像家電下鄉(xiāng)一樣，惠及全國百姓和消費(fèi)者。

　　所謂電子節(jié)能燈，主要是指采用電子鎮(zhèn)流器的緊湊型熒光燈（CFL）。鎮(zhèn)流器和節(jié)能燈是一體化的，安裝和更換像白熾燈燈泡一樣方便。電子節(jié)能燈對鎮(zhèn)流器的基本要求是：電路盡可能簡單，元件數(shù)量少，成本低，性能穩(wěn)定，安全可靠，使用壽命長。本文以飛兆半導(dǎo)體推出的FAN7710V新型鎮(zhèn)流器控制IC為例。

　　1  關(guān)于FAN7710V的簡介

　　FAN7710V芯片集成了頻率可編程振蕩器、燈絲預(yù)熱控制電路、死區(qū)時間（即高/低端驅(qū)動信號之間的非交迭時間，旨在防止半橋高/低端MOSFET同時導(dǎo)通）控制電路、自適應(yīng)零電壓開關(guān)（ZVS）控制器、高/低端MOSFET柵極驅(qū)動器和高/低端功率MOSFET等。其中，每個功率MOSFET的耐壓達(dá)440V以上，導(dǎo)通態(tài)電阻RON典型值是4.6Ω（@VGS=10V，ID=190mA）。MOSFET漏-源極之間續(xù)流二極管正向壓降≤1.4V（@380mA），正向電流為380mA（正向脈沖電流達(dá)3.04A）。

　　FAN7710V采用溫度范圍為-40℃~125℃的8引腳DIP封裝，符合歐盟RoHS指令。

　　FAN7710V各個引腳功能見表1。

表1  FAN7710V引腳功能

　　FAN7710V的啟動電流僅約150μA，工作電流約2.6mA，在220V的AC電壓下能輸出20W的功率。這種控制IC的VDD啟動門限為13.4V，欠壓關(guān)閉門限是11.6V，內(nèi)部齊納二極管的箝位電壓是15V。FAN7710V的預(yù)熱時間、預(yù)熱頻率和正常操作運(yùn)行頻率均可由外部阻容元件設(shè)定，并提供有源ZVS控制和過溫度及燈開路保護(hù)。

　　2  基于FAN7710V的節(jié)能燈電子鎮(zhèn)流器

　　2.1  電路組成

　　LF是EMI濾波電感器，RF是可熔電阻（起保險絲作用），D1~D4和C1組成橋式全波整流濾波電路，Rstart為啟動電阻，CVDD為啟動和退耦電容，RT為預(yù)熱和運(yùn)行頻率設(shè)定電阻，CPH為預(yù)熱時間設(shè)置電容，DB和CB分別為自舉操作二極管和電容，DP1、DP2和CCP組成的電荷泵輔助電源電路，L、CP和CS組成LCC諧振輸出級。

　　2.2  電路啟動

　　接通AC電源，220V的AC電壓經(jīng)D1~D4全波整流和電容C1濾波，產(chǎn)生約310V的DC電壓加至IC（FAN7710V）的引腳VDC。同時，VDC電壓經(jīng)啟動電阻Rstart對電容CVDD充電，如圖3所示。當(dāng)IC引腳VDD上的電壓VDD因CVDD充電達(dá)到導(dǎo)通門限電平VDDTH（ST+）后（約13.4V），IC啟動。IC引腳VDD導(dǎo)通后，CVDD放電，VDD電壓降低，在VDD降至欠電壓，關(guān)閉門限VDDTH（ST-）之前（約11.6V），電荷泵對CVDD充電，VDD電壓被箝位在VCL（15V）電平上。[!--empirenews.page--]

　　2.3  自舉操作

　　FAN7710V啟動后，振蕩器產(chǎn)生振蕩，IC內(nèi)低端功率MOSFET首先導(dǎo)通，VDD通過二極管DB對電容充電，充電電流路徑是DB→CB→IC內(nèi)低端MOSFET→地。

　　隨自舉電容CB充電，CB上電壓升高。一旦CB上電壓（VB-VOUT）達(dá)到9.2V的門限，IC內(nèi)高端MOSFET導(dǎo)通，低端MOSFET關(guān)斷。一旦IC中高端MOSFET導(dǎo)通，CB放電。只要CB上電壓降至8.6V以下，IC中高端MOSFET關(guān)斷，低端MOSFET導(dǎo)通。如此周而復(fù)始，IC中高端和低端MOSFET輪流導(dǎo)通，半橋在IC引腳OUT上輸出占空比為50%的高頻方波電壓。

　　2.4  電荷泵電路操作

　　一旦半橋產(chǎn)生輸出，在輸出電壓斜升沿上，電荷泵電路充電，充電電流經(jīng)CCP、DP1到CVDD。在輸出脈沖電壓斜降沿上，電荷泵放電。

　　設(shè)置了由DCP1、DCP2和CCP組成的電荷泵電路后，可以使用低功率（0.25W）的啟動電阻Rstart，減小其功率損耗，有助于提高系統(tǒng)效率。

　　2.5  工作模式

　　FAN7710V有4種工作模式，即預(yù)熱模式、點(diǎn)火（點(diǎn)燈）模式、運(yùn)行與ZVS模式及關(guān)閉模式。

　　2.5.1  預(yù)熱模式A（t0~t1）

　　FAN7710V上電啟動后，振蕩器在最高頻率上振蕩，IC進(jìn)入預(yù)熱模式。在預(yù)熱模式，預(yù)熱頻率fPH為正常運(yùn)行（振蕩）頻率fosc的1.6倍，即：

      一個2μA的電流源ICH從IC引腳CPH流出對電容CPH充電。CPH上的充電電壓達(dá)到3V時，預(yù)熱時間tPH結(jié)束。預(yù)熱時間tPH由CPH決定，計(jì)算公式是：

　　對熒光燈燈絲預(yù)熱的目的有二：一是延長燈管使用壽命；二是降低燈觸發(fā)（啟動）電壓。[!--empirenews.page--]

　　2.5.2  點(diǎn)火（觸發(fā)）模式B（t1~t2）

　　預(yù)熱結(jié)束后，對CPH的充電電流增加到IIG（12μA），振蕩器頻率向運(yùn)行頻率fRUN偏移。CPH上的電壓從3V增加到5V的過程，即為點(diǎn)火時間tIG，計(jì)算公式為：

　　在頻率下偏掃描過程中，當(dāng)頻率接近LCC諧振電路的固有頻率時，將發(fā)生串聯(lián)諧振，在電容CP上產(chǎn)生一個足夠高的電壓（600~1200V）將燈管點(diǎn)燃。

　　2.5.3  運(yùn)行模式（>t2）和有源ZVS模式（>t3）

　　當(dāng)電壓VCPH超過5V時，IC進(jìn)入運(yùn)行模式，頻率fRUN被RT固定在一個不變值上，計(jì)算公式為：

　　VCPH從5V到6V（t2~t3）這段時間，為有源ZVS作準(zhǔn)備。一旦VCPH達(dá)到6V，有源ZVS被觸發(fā)，GQX死區(qū)時間tDT最短（僅1μs）。IC內(nèi)部功率MOSFET工作在ZVS，有最小的功率損耗。如果ZVS失效，VCPH將降低，以增加死區(qū)時間，來滿足ZVS條件。

　　2.5.4  關(guān)閉模式

　　FAN7710V的熱關(guān)閉電路感測IC的結(jié)溫。只要芯片溫度超過約160℃，熱關(guān)閉電路將會使IC操作停止。

　　如果IC引腳CPH上的電壓VCPH>2-1V，IC也將進(jìn)入關(guān)閉模式。

　　FAN7710V在關(guān)閉模式，僅消耗約250μA的電流。

　　2.6  燈開路檢測

　　FAN7710V能夠自動檢測燈開路故障并自動關(guān)閉。[!--empirenews.page--]

　　2.7  元件選擇

　　對于節(jié)能燈電子鎮(zhèn)流器電路，如果AC輸入電壓是220V，燈管功率是20W，燈絲預(yù)熱時間tPH=1s，正常運(yùn)行頻率fRUN=49KHz，主要元件的選擇如下：

　?。?）頻率設(shè)置電阻RT選擇

　　根據(jù)（5）式可得：

　　選擇RT=82kΩ，額定功率為1/4W。

　　根據(jù)（1）式，預(yù)熱頻率為：

　?。?）預(yù)熱電容CPH選擇

　　從（3）式可得：

　　CPH選擇0.68μF/25V的標(biāo)準(zhǔn)電容器。

　　根據(jù)（4）式，點(diǎn)燈時間為：

　?。?）其它元件的選擇

　　電路中其它元件的選擇如表2所示。

表2  其它元件的選擇

　　3  結(jié)語

　　采用控制器FAN7710V的節(jié)能燈鎮(zhèn)流器，依據(jù)上述的介紹，其預(yù)熱時間、預(yù)熱頻率、點(diǎn)燈時間、運(yùn)行頻率可編程，并提供有源ZVS控制、燈開路檢測和熱關(guān)閉保護(hù)，是目前優(yōu)選方案之一。