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基于ICB1FL02G的高功率節(jié)能燈設(shè)計(jì)

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作者:王卿 時(shí)間:2006-07-15 來源: 收藏
 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(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(gòu)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(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(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T5燈管的特殊要求進(jìn)行了優(yōu)化。針對燈管的保護(hù)功能有:可編程預(yù)熱以延長燈管壽命、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:

圖2:ICB1FL02在PFC極的保護(hù)。

    當(dāng)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VCC達(dá)到10V。超過此電壓后,管腳RES端會(huì)輸出一個(gè)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(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(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,以屏蔽此檢測功能。檢測無異常,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)公式中的最小值來確定。

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過壓、欠壓、開環(huán)及過流保護(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振回路沒有負(fù)載,燈管會(huì)承受高電壓,諧振回路里會(huì)流過比較大的無功電流。電阻R14檢測這個(gè)無功電流。當(dāng)管腳LSCS的電壓檢測到高于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。通過這種檢測,如果燈沒被點(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)工作頻率無法到達(dá),則IC將進(jìn)入故障保護(hù)模式??梢酝ㄟ^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,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(huì)進(jìn)入故障保護(hù)模式。

    容性模式的檢測是通過C8和C9電容的分壓來實(shí)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。

圖4:Cap Mode 1 和Cap Mode 2 保護(hù)檢測點(diǎn)。

     逆變橋的過流檢測是通過R14來實(shí)現(xiàn)的。在任何情況下,當(dāng)LSCS腳的電壓超過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)變的不對稱或者會(huì)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(yīng)測量到燈管上的電壓。通過R17、R18和R19流入LVS的電流門限是

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