新的高压集成电路为镇流器设计铺平道路

XJzy

[导读] 近年来，使用控制器集成电路和MOSFET晶体管的电子镇流器已经是司空见惯的了，这是由于加强了启动控制和保护功能，而且与普通的自振式双极晶体管镇流器相比，它的可靠性优异
近年来，使用控制器集成电路和MOSFET晶体管的电子镇流器已经是司空见惯的了，这是由于加强了启动控制和保护功能，而且与普通的自振式双极晶体管镇流器相比，它的可靠性优异。但是，直到如今，就尺寸和元件数量而言，自振式晶体管镇流器仍有它的长处。最近，随着国际整流器公司推出高压集成电路IR2520D，这个情形有所改变。在这里，我们来看看这个产品，并且介绍新的参考设计，这将极大地简化用于欧洲市场的照明镇流器的设计。

IR2520D型镇流控制集成电路
    国际整流器公司的IR2520D是为了克服用分立元件设计的自振式镇流器的缺点，同时保持成本低而设计的高压集成电路，用于驱动CFL灯或者用于尺寸小的镇流器。IR2520D包含预热、点燃、正常运作、CFL灯故障保护、交流电网低电压保护等等必不可少的功能，以及600 V半桥电路的高压边和低压边驱动器。虽然IR2520D集成了许多功能，它只有八个引出脚，使用标准的SO8或者DIP8封装，可以把整个镇流器的元件数量减少到最多只有二十个元件。

    图1是IR2520D的方块图。这种器件的核心部份是电压控制振荡器（VCO），可以在外面把频率调节到最低（Fmin），并且有一个从0 V到5 V的模拟电压输入。这个集成电路包含适应式零电压切换（ZVS）和非零电压切换（non-ZVS）保护。IR2520D的一个最大优点是，它里面有电流波形系数控制的关机功能，不需要感测电流的高精度电阻器，这个电阻器一般是用于检测电流过载。这只集成电路用VS引脚和半桥电路低压边MOSFET晶体管的RDSon进行电流过载保护，以及检测非零电压切换状态。在器件里面的600 V FET晶体管把VS引脚连接到VS感测电路上，而且在LO引脚处在高电平时，可以精确地对VS 引脚进行测量，同时在开关周期的的另一半、在高压边FET晶体管导通、VS处于直流母线的电位时，可以承受直流电源母线的高电压。

用IR2520D进行设计
    用IR2520D进行的设计是非常简单的，因为它只有两个控制引脚：VCO （振荡器的输入电压为直流0-5 V ）和FMIN。在把设计成用于功率不同的灯时，只需要修改几个外接元件。

    FMIN引脚通过一只电阻器（RFMIN）接地。这个电阻器的数值确定了集成电路的最低频率FMIN和初始频率（大约为2.5×FMIN）。 IR2520D处在正常工作状态时，工作在最低频率，除非检测到非零电压切换。 一般地讲，为了在工作时保持频率恒定不变，最低频率要高于低Q值R-C-L电路的谐振频率。在这种情况下，可以增大RFMIN的电阻值来降低频率、增大灯的功率，或者减少RFMIN的电阻值来提高工作时的频率、降低灯的功率。

    VCO引脚通过一只电容器（CVCO）接地。频率从FMIN的2.5倍（FMAX）下降到最低频率FMIN所需要的时间就决定于这只电容器的电容值。可以增大电容器的电容值来增加预热时间，或者降低电容器的电容值来缩短预热时间。
　
    确定IR2520D外接元件数值的最简单、最快方法是使用国际整流器公司的镇流器设计辅助（BDA）软件。新版的软件，包括IR2520D，将在2004年12月可以从网站www.irf.com得到。BDA软件能够计算所有外接电阻器和外接电容器的近似值，可以在镇流器面包板上先使用这些电阻值和电容值。然后在实验室里通过试验进行最后的调整，得到准确的电阻值和电容值。

利用参考设计
    为了进一步简化和加快用新的集成电路来实现镇流器，国际整流器公司用这个集成电路做了参考设计。这些参考设计都是电子整流器的完整解决方案，它们是针对三方面的应用：一种是用于交流220 V、26 W/螺旋形CFL灯镇流器 ；一种是用于交流120 V、6W /螺旋形CFL灯镇流器； 另一种是用于交流230 V、25 W灯的小型镇流器。这些参考设计只供评价使用。这些参考设计未经电磁干扰（EMI）测试或者其他认证测试，要得到可以用于生产的产品，需要进行审查，最后把设计定下来。

    这些参考设计的电路布置和元件是相似的──每种参考设计的电路都有必要的功能用于灯的预热、点燃、正常运作，而且都有电磁干扰滤波器以及整流器。我们现在来详细地看看其中的一种参考设计── IRPLCFL5E型CFL镇流器，它是用于输入电压为交流220 V的26W/螺旋形灯。

电路简介
图2是IRPLCFL5E参考设计的电路图。这个参考设计的主要特点如下：
* 正常工作频率可以调节
* 预热时间可以调节
* 灯丝断路保护和无灯保护
* 不能点燃和不能启动保护
* 交流电网电压过低保护

    如图1中的方块图所示，镇流器中包含一个熔断丝、电磁干扰滤波器、输入整流器、母线电容器、半桥电路、控制和输出级。输出级是由电感器LRES和电容器CRES组成的普通谐振电路 。整个电路是围绕镇流器控制集成电路IR2520D设计的，其中，IR2520D所起的作用是调节预热时间，调节正常工作频率从而设定灯的功率，并产生频率为FMIN的2.5倍的高启动频率，以避免灯出现一闪一闪的现象，在灯丝出现开路时提供电容性保护，在不能点燃和没有灯时通过电流波形系数提供保护。

    来自交流电网的输入电压经过整流后形成母线电压，大约为300 V。启动电阻器Rsupply1和Rsupply2的数值取为在电压过低保持（UVLO）期间能够提供微小功率的电流。当VCC超出“ UVLO+ 阈值”时，IR2520D开始产生振荡，充电泵电路（CSNUB、DCP1和DCP2） 为VCC提供电流，VCC引起里面的15.6 V齐纳二极管起电压调节作用。IR2520D镇流器控制集成电路控制着半桥电路的频率以及镇流器的状态和保护方式，例如灯的预热、点燃、交流电网电压过低保护以及灯/镇流器出现故障时的保护。

功能简介
    图3是启动、预热、点燃和正常运行期间灯两端的电压以及谐振电感器LRES上的电流。当电源接通时，IR2520D进入低压保持（UVLO）状态。UVLO保持一个非常小的供电电流（< 200 μA），保证这个集成电路充份发挥它的作用，然后将高压边和低压边输出驱动器启动。在UVLO期间，高压边驱动器和低压边驱动器的输出（LO和HO）都是低电平， VCO引脚的电压下降到和公共端一样，把启动频率重新设定为最高频率。一旦VCC达到启动阈值电压（UVLO+），IR2520D 接通，半桥电路中的FET晶体管开始振荡。这个集成电路进入频率扫瞄状态。在启动时，VCO是 0 V，频率非常高（大约是FMIN的2.5倍）。这样可以在启动期间减少电压尖脉冲，减少灯出现一闪一闪的现象。频率慢慢下降到镇流器的高Q值输出级电路的谐振频率，引起灯上的电压和灯的电流增大。在这个时候，灯丝预热到发光的温度，目的是保证灯的寿命很长。频率一直下降到灯点燃。如果成功地把灯点燃，IR2520D便进入正常工作的状态。如果把最低频率选择成低于或者非常接近谐振频率，这个集成电路工作的频率便接近谐振频率，并且连续地调节频率，目的是维持半桥电路工作在零电压切换（ZVS）状态，并且减少FET晶体管上的功率损失。如果把最低频率选择成高于谐振频率，集成电路IR2520D便工作在最低频率。图4是启动过程中谐振电感器上的电流和灯丝两端的电压。图5是在正常工作时，VS （HB）的电压、灯两端的电压和灯的电流。

出现故障时的工作状态
    在出现灯丝开路、不能启动、灯失效这类故障或者没有灯时，IR2520D进入故障运行状态。在这个状态， 振荡器停止振荡。为了让集成电路IR2520D回到预热方式，VCC必须在低于和高于 UVLO 阈值之间周期性地改变。这是通过重新接通电源来做到的。在交流电网电压过低的情况下，IR2520D会自动地提高频率，保持镇流器工作在零电压切换状态。这样，在交流电网电压过低的情况下，镇流器便工作在功率较低的状态，当电网电压又上升时，便工作在功率为正常的状态。

小结
    新的高压集成电路IR2520是为了帮助工程师们设计先进的镇流器解决方案，与以前的控制器/MOSFET和自振式双极型晶体管镇流器相比，用IR2520设计的镇流器有着很多的优点。
    为了便于开展应用开发工作，工程师们可以运用国际整流器公司的镇流器设计辅助（BDA）软件，迅速地选择必不可少的外接元件。利用新的镇流器参考设计，并与镇流器设计辅助（BDA）软件结合起来，可以进一步简化和加快新型镇流器的开发、样机制造和完成产品的过程。
Diagrams

Fig 1 - IR2520D的方块图

图2 - IRPLCFL5E 的电路图

图 3　在启动时、预热、点燃和正常工作时，灯两端的电压（黄色波形）和谐振电感器中的电流（绿色波形）。

图 4　在启动时，灯丝两端的电压（黄色）和谐振电感器中的电流（绿色）