基于IR2161的低壓鹵素?zé)綦娮幼儔浩?/h1>
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時(shí)間：2007-03-14
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摘 要：簡(jiǎn)單介紹了低壓鹵素燈電子變壓器的特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了基于lR216l控制IC的基本電子變壓器電路原理與設(shè)計(jì)，同時(shí)給出了帶附加功能的電子變壓器電路。
關(guān)鍵詞：IR216控制器；低壓照明；電子變壓器
0 引言
鹵素燈也稱(chēng)為鹵鎢燈。鹵素燈燈絲為鎢絲，燈管內(nèi)除充有適量的氬氣，還充人了溴或碘微量鹵素，故因此而得其名。鹵素?zé)襞c白熾燈一樣，屬于熱輻射光源。鹵素?zé)舻墓庑?、壽命和顯色指數(shù)均優(yōu)于普通白熾燈，故在展示廳、商業(yè)廚窗、攝影、攝像、劇院、城市亮化等照明場(chǎng)合，有著廣泛的應(yīng)用，其作用是其它光源不可替代的。在全球電子鎮(zhèn)流器市場(chǎng)，低壓照明電子變壓器占有10％的份額。
低壓鹵素?zé)纛~定工作電壓大多僅為12V。若采用220V的工頻市電供電，需使用笨重的鐵芯(降壓)變壓器。采用電子變壓器替代老式鐵芯變壓器，具有尺寸小、重量輕、節(jié)材、節(jié)電等優(yōu)點(diǎn)。
低壓鹵素?zé)綦娮幼儔浩髋c熒光燈電子鎮(zhèn)流器一樣，都是將工頻轉(zhuǎn)換為幾十kHz的高頻。在電路結(jié)構(gòu)上二者十分相似，大多都采用半橋逆變拓?fù)?。但是，由于鹵素?zé)羰且环N電阻性負(fù)載，故鹵素?zé)綦娮幼儔浩髋c熒光燈電子鎮(zhèn)流器比較，存在一些不同點(diǎn)，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
1)鹵素?zé)綦娮幼儔浩鞑恍枰A(yù)熱和觸發(fā)啟動(dòng)時(shí)序；
2)鹵素?zé)綦娮幼儔浩鱀D總線電壓是全波整流的AC線路電壓，無(wú)需大容量濾波電容器；
3)鹵素?zé)綦娮幼儔浩鞯木€路功率因數(shù)接近1，并且無(wú)需采用功率因數(shù)校正(PFC)；
4)輸出是經(jīng)隔離的高頻低壓，安全性好。
采用分立元器件設(shè)計(jì)和制作電子變壓器，若使其具有保護(hù)功能和調(diào)光功能，需要增加很多元器件。基于IR公司生產(chǎn)的智能半橋驅(qū)動(dòng)器芯片IR216l的電子變壓器，無(wú)需可飽和磁環(huán)變壓器，僅需用少量元器件，則可實(shí)現(xiàn)高性能和高可靠及調(diào)光功能。l 基于IR2161的基本低壓照明電子變壓器電路
圖1所示為基于IR216l的100W／12 V鹵素?zé)綦娮幼儔浩骰倦娐贰?/P>
在接通工頻市電電源后，橋式整流器通過(guò)Rs的電流除流入IC腳VCC上的啟動(dòng)電流外，其余的大部分電流對(duì)電容CVCC1充電。當(dāng)IC腳VCC上的電壓達(dá)到啟動(dòng)閾值(11．8 V)后，IC開(kāi)始工作。一旦IC啟動(dòng)，由CSNUB、DCP1和DCP2組成的電荷泵電路為IC腳VCC饋送電流。自舉二極管DB和電容CB為IC高側(cè)驅(qū)動(dòng)器電路供電。齊納二極管DZ用作分流IC過(guò)剩電流，以防止IC損壞。
鹵素?zé)魺艚z電阻為帶正溫度系數(shù)，在室溫下的“冷電阻”遠(yuǎn)小于燈工作時(shí)的“熱電阻”。在燈啟動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的浪涌電流，影響燈壽命。但IR2161提供軟啟動(dòng)操作，可以避免浪涌電流產(chǎn)生。在燈啟動(dòng)期間，IR2161輸出125 kHz的高頻。由于系統(tǒng)中輸出高頻變壓器T1初級(jí)漏感是固定的，在較高的頻率下呈現(xiàn)較高的阻抗，初級(jí)繞組上的電壓較低．致使變壓器輸出電壓較低，燈電流較小，同時(shí)也避免了保護(hù)電路被觸發(fā)。約經(jīng)1 s的時(shí)間，電路以較低頻率運(yùn)行。在此過(guò)程中，IC腳3外部電容CSD上的電壓從OV增加到5V。
當(dāng)空載時(shí)，VCSD=OV，振蕩器頻率約60kHz。在最大負(fù)載下，VCSD=5V，振蕩器頻率約30kHz。當(dāng)輸出短路時(shí)，大電流流過(guò)半橋，被RCS感測(cè)。只要IC腳4(CS)上電壓超過(guò)1V的門(mén)限電平持續(xù)50ms以上的時(shí)間，系統(tǒng)將關(guān)閉。如果負(fù)載超過(guò)最大負(fù)載的50％，IC腳4上的電壓將超過(guò)O 5 V較低的門(mén)坎電壓，在經(jīng)0．5S之后，系統(tǒng)將關(guān)閉。不論是短路保護(hù)還是過(guò)載保護(hù)，都能自動(dòng)復(fù)位。IR2161還提供過(guò)熱關(guān)閉功能。當(dāng)芯片結(jié)溫超過(guò)135℃的過(guò)溫度限制值時(shí)，半橋開(kāi)關(guān)將停止工作，以避免MOSFET燒壞。
圖2所示為計(jì)算RCS的輸出級(jí)電路。在半橋中間點(diǎn)上的電壓為DC總線電壓的1／2。DC總線RMS電壓與AC線路RMS電壓相同，負(fù)載上的RMS電壓為AC線路RMS電壓的50％，通過(guò)RCS的電流為負(fù)載電流的一半。由于負(fù)載呈電阻性，電流波形為正弦包跡，半橋輸出占空比為50％，在最大負(fù)載上RCS上的峰值電壓VCS(PK)=O．4 V，通過(guò)RCS的RMS電流為
對(duì)于工作在VAC(RMS)=220 V交流線路電壓下的PLOAD=100W的電子變壓器，電流感測(cè)電阻RCS值為
關(guān)于輸出變壓器T1的選擇程序如下。
1)在30 kHz和最大負(fù)載下，選擇正確的磁芯尺寸，根據(jù)制造者提供的磁芯數(shù)據(jù)，確定最大容許功率。
2)計(jì)算初級(jí)繞組匝數(shù)。初級(jí)繞組最少匝數(shù)Np(min)可根據(jù)式(5)計(jì)算
式中：VPK為最高峰值總線電壓，可取其為400 V；
Ton(amx)為最大導(dǎo)通時(shí)間，其值可選取18μs；
Bmax為最大磁通密度，單位為T(mén)，其值可從制造者提供的鐵氧體材料工作在1 00℃時(shí)的曲線獲得；
Ae為磁芯有效截面積，單位為m2。
3)計(jì)算次級(jí)需要的匝數(shù)。次級(jí)繞組匝數(shù)NS可按式(6)計(jì)算。
式中：VO(RMS)=12V，VAC(RMS)=220 V。
IR公司在參考設(shè)計(jì)中采用Vogt或Kaschke公司環(huán)形磁芯，初級(jí)繞組78匝，次級(jí)繞
組8匝，初級(jí)與次級(jí)繞組之間利用壓塑分離器隔離。
2 增強(qiáng)功能的電子變壓器電路
2.l 帶開(kāi)路保護(hù)的鹵素?zé)綦娮幼儔浩麟娐?/B>
在空載條件下，IC腳VS上的高dv／dt將引起MOSFET發(fā)生硬開(kāi)關(guān)，導(dǎo)致MOSFFT過(guò)熱，直至其損壞。為此，可以設(shè)置如圖3所示的開(kāi)路保護(hù)電路。在開(kāi)路情況下，ROC上的峰值電壓足以使二極管Doc導(dǎo)通，并對(duì)電容CF充電。只要CF上的電壓超過(guò)IC腳VS上的短路保護(hù)門(mén)限電平，短路保護(hù)電路則被觸發(fā)，IR2161則關(guān)閉。為防止MOSFET過(guò)熱，IC將進(jìn)入50ms導(dǎo)通和1 s關(guān)斷的自動(dòng)重新啟動(dòng)模式。
2．2 利用頻率調(diào)節(jié)輸出電壓的電子變壓器電路
如果電子變壓器輸出電壓過(guò)低，會(huì)使燈光變暗；若輸出電壓過(guò)高(超過(guò)12V額定值的20％)，將縮短燈壽命。采用圖4所示的電路提供了較好的解決方案。當(dāng)輸出電壓過(guò)高時(shí)，在分壓器電阻R6上的電壓將超過(guò)IC3內(nèi)部2．5V的參考值，光電耦合器IC2中光耦晶體管導(dǎo)通，將IC1腳VS上的電位拉低，致使工作頻率升高。由于變壓器T1初級(jí)漏感的作用，頻率增加使輸出電壓降低。頻率調(diào)節(jié)電路的加入，將使IR2161的短路關(guān)閉保護(hù)電路失效。為解決這個(gè)問(wèn)題，加入了由VS1、G5、D7和R3組成的短路保護(hù)電路。在短路情況下，晶閘管VS1導(dǎo)通，將IR2161的VCC腳上的電壓拉低到欠電壓鎖定門(mén)限電平(10．2V)以下，IC則關(guān)閉。
2.3 調(diào)光電子變壓器電路
圖5所示為調(diào)光電子變壓器電路。其中，IC2為低成本開(kāi)路集電極或漏極輸出雙比較器。由于IC2的加入需汲取電源電流，故IC1腳VCC外部電阻鳳應(yīng)由270 kΩ(3W)降低到56 kΩ。未經(jīng)濾波的全橋整流輸出電壓通過(guò)R3和R4分壓輸入到IC2-1的同相端，IC2-1輸出端電容CT上的電壓為與AC線路電壓半周期同步的鋸齒波信號(hào)。該信號(hào)輸入到IC2-2的同相端，IC2-2的另一個(gè)輸入為電位器RP1分壓的DC電壓。IC2-2的輸出為占空因數(shù)變化的矩形波。當(dāng)IC2-2輸出高電平時(shí)，通過(guò)D6將IC1腳VS上的電壓上拉到短路保護(hù)電平以上，使IR2161關(guān)閉，變壓器次級(jí)對(duì)燈不再施加電壓。這種調(diào)光方案為后沿模式相位切斷調(diào)光。通過(guò)調(diào)節(jié)RP1，可使鹵素?zé)魺艄鈴牧愕阶畲筝敵?即從O％到100％)變化，并且消除了燈閃爍。圖6所示為DC總線電壓和燈電壓波形。
與熒光燈調(diào)光電子鎮(zhèn)流器一樣，鹵素?zé)粽{(diào)光電子變壓器同樣可根據(jù)IEC929數(shù)字可尋址照明接口(DALI)總線通信協(xié)議，利用微控制器實(shí)現(xiàn)全數(shù)字調(diào)光，并且可利用同一個(gè)從屬控制系統(tǒng)，控制多個(gè)電子變壓器。
3 結(jié)語(yǔ)
基于智能控制器IR2161的低壓照明電子變壓器，僅需用較少量的元器件，則可以實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、開(kāi)路保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)及調(diào)光功能。
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鹵素燈也稱(chēng)為鹵鎢燈。鹵素燈燈絲為鎢絲，燈管內(nèi)除充有適量的氬氣，還充人了溴或碘微量鹵素，故因此而得其名。鹵素?zé)襞c白熾燈一樣，屬于熱輻射光源。鹵素?zé)舻墓庑?、壽命和顯色指數(shù)均優(yōu)于普通白熾燈，故在展示廳、商業(yè)廚窗、攝影、攝像、劇院、城市亮化等照明場(chǎng)合，有著廣泛的應(yīng)用，其作用是其它光源不可替代的。在全球電子鎮(zhèn)流器市場(chǎng)，低壓照明電子變壓器占有10％的份額。
低壓鹵素?zé)纛~定工作電壓大多僅為12V。若采用220V的工頻市電供電，需使用笨重的鐵芯(降壓)變壓器。采用電子變壓器替代老式鐵芯變壓器，具有尺寸小、重量輕、節(jié)材、節(jié)電等優(yōu)點(diǎn)。
低壓鹵素?zé)綦娮幼儔浩髋c熒光燈電子鎮(zhèn)流器一樣，都是將工頻轉(zhuǎn)換為幾十kHz的高頻。在電路結(jié)構(gòu)上二者十分相似，大多都采用半橋逆變拓?fù)?。但是，由于鹵素?zé)羰且环N電阻性負(fù)載，故鹵素?zé)綦娮幼儔浩髋c熒光燈電子鎮(zhèn)流器比較，存在一些不同點(diǎn)，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
1)鹵素?zé)綦娮幼儔浩鞑恍枰A(yù)熱和觸發(fā)啟動(dòng)時(shí)序；
2)鹵素?zé)綦娮幼儔浩鱀D總線電壓是全波整流的AC線路電壓，無(wú)需大容量濾波電容器；
3)鹵素?zé)綦娮幼儔浩鞯木€路功率因數(shù)接近1，并且無(wú)需采用功率因數(shù)校正(PFC)；
4)輸出是經(jīng)隔離的高頻低壓，安全性好。
采用分立元器件設(shè)計(jì)和制作電子變壓器，若使其具有保護(hù)功能和調(diào)光功能，需要增加很多元器件。基于IR公司生產(chǎn)的智能半橋驅(qū)動(dòng)器芯片IR216l的電子變壓器，無(wú)需可飽和磁環(huán)變壓器，僅需用少量元器件，則可實(shí)現(xiàn)高性能和高可靠及調(diào)光功能。
l 基于IR2161的基本低壓照明電子變壓器電路
圖1所示為基于IR216l的100W／12 V鹵素?zé)綦娮幼儔浩骰倦娐贰?/P>
在接通工頻市電電源后，橋式整流器通過(guò)Rs的電流除流入IC腳VCC上的啟動(dòng)電流外，其余的大部分電流對(duì)電容CVCC1充電。當(dāng)IC腳VCC上的電壓達(dá)到啟動(dòng)閾值(11．8 V)后，IC開(kāi)始工作。一旦IC啟動(dòng)，由CSNUB、DCP1和DCP2組成的電荷泵電路為IC腳VCC饋送電流。自舉二極管DB和電容CB為IC高側(cè)驅(qū)動(dòng)器電路供電。齊納二極管DZ用作分流IC過(guò)剩電流，以防止IC損壞。
鹵素?zé)魺艚z電阻為帶正溫度系數(shù)，在室溫下的“冷電阻”遠(yuǎn)小于燈工作時(shí)的“熱電阻”。在燈啟動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的浪涌電流，影響燈壽命。但IR2161提供軟啟動(dòng)操作，可以避免浪涌電流產(chǎn)生。在燈啟動(dòng)期間，IR2161輸出125 kHz的高頻。由于系統(tǒng)中輸出高頻變壓器T1初級(jí)漏感是固定的，在較高的頻率下呈現(xiàn)較高的阻抗，初級(jí)繞組上的電壓較低．致使變壓器輸出電壓較低，燈電流較小，同時(shí)也避免了保護(hù)電路被觸發(fā)。約經(jīng)1 s的時(shí)間，電路以較低頻率運(yùn)行。在此過(guò)程中，IC腳3外部電容CSD上的電壓從OV增加到5V。
當(dāng)空載時(shí)，VCSD=OV，振蕩器頻率約60kHz。在最大負(fù)載下，VCSD=5V，振蕩器頻率約30kHz。當(dāng)輸出短路時(shí)，大電流流過(guò)半橋，被RCS感測(cè)。只要IC腳4(CS)上電壓超過(guò)1V的門(mén)限電平持續(xù)50ms以上的時(shí)間，系統(tǒng)將關(guān)閉。如果負(fù)載超過(guò)最大負(fù)載的50％，IC腳4上的電壓將超過(guò)O 5 V較低的門(mén)坎電壓，在經(jīng)0．5S之后，系統(tǒng)將關(guān)閉。不論是短路保護(hù)還是過(guò)載保護(hù)，都能自動(dòng)復(fù)位。IR2161還提供過(guò)熱關(guān)閉功能。當(dāng)芯片結(jié)溫超過(guò)135℃的過(guò)溫度限制值時(shí)，半橋開(kāi)關(guān)將停止工作，以避免MOSFET燒壞。
圖2所示為計(jì)算RCS的輸出級(jí)電路。在半橋中間點(diǎn)上的電壓為DC總線電壓的1／2。DC總線RMS電壓與AC線路RMS電壓相同，負(fù)載上的RMS電壓為AC線路RMS電壓的50％，通過(guò)RCS的電流為負(fù)載電流的一半。由于負(fù)載呈電阻性，電流波形為正弦包跡，半橋輸出占空比為50％，在最大負(fù)載上RCS上的峰值電壓VCS(PK)=O．4 V，通過(guò)RCS的RMS電流為
對(duì)于工作在VAC(RMS)=220 V交流線路電壓下的PLOAD=100W的電子變壓器，電流感測(cè)電阻RCS值為
關(guān)于輸出變壓器T1的選擇程序如下。
1)在30 kHz和最大負(fù)載下，選擇正確的磁芯尺寸，根據(jù)制造者提供的磁芯數(shù)據(jù)，確定最大容許功率。
2)計(jì)算初級(jí)繞組匝數(shù)。初級(jí)繞組最少匝數(shù)Np(min)可根據(jù)式(5)計(jì)算
式中：VPK為最高峰值總線電壓，可取其為400 V；
Ton(amx)為最大導(dǎo)通時(shí)間，其值可選取18μs；
Bmax為最大磁通密度，單位為T(mén)，其值可從制造者提供的鐵氧體材料工作在1 00℃時(shí)的曲線獲得；
Ae為磁芯有效截面積，單位為m2。
3)計(jì)算次級(jí)需要的匝數(shù)。次級(jí)繞組匝數(shù)NS可按式(6)計(jì)算。
式中：VO(RMS)=12V，VAC(RMS)=220 V。
IR公司在參考設(shè)計(jì)中采用Vogt或Kaschke公司環(huán)形磁芯，初級(jí)繞組78匝，次級(jí)繞
組8匝，初級(jí)與次級(jí)繞組之間利用壓塑分離器隔離。
2 增強(qiáng)功能的電子變壓器電路
2.l 帶開(kāi)路保護(hù)的鹵素?zé)綦娮幼儔浩麟娐?/B>
在空載條件下，IC腳VS上的高dv／dt將引起MOSFET發(fā)生硬開(kāi)關(guān)，導(dǎo)致MOSFFT過(guò)熱，直至其損壞。為此，可以設(shè)置如圖3所示的開(kāi)路保護(hù)電路。在開(kāi)路情況下，ROC上的峰值電壓足以使二極管Doc導(dǎo)通，并對(duì)電容CF充電。只要CF上的電壓超過(guò)IC腳VS上的短路保護(hù)門(mén)限電平，短路保護(hù)電路則被觸發(fā)，IR2161則關(guān)閉。為防止MOSFET過(guò)熱，IC將進(jìn)入50ms導(dǎo)通和1 s關(guān)斷的自動(dòng)重新啟動(dòng)模式。
2．2 利用頻率調(diào)節(jié)輸出電壓的電子變壓器電路
如果電子變壓器輸出電壓過(guò)低，會(huì)使燈光變暗；若輸出電壓過(guò)高(超過(guò)12V額定值的20％)，將縮短燈壽命。采用圖4所示的電路提供了較好的解決方案。當(dāng)輸出電壓過(guò)高時(shí)，在分壓器電阻R6上的電壓將超過(guò)IC3內(nèi)部2．5V的參考值，光電耦合器IC2中光耦晶體管導(dǎo)通，將IC1腳VS上的電位拉低，致使工作頻率升高。由于變壓器T1初級(jí)漏感的作用，頻率增加使輸出電壓降低。頻率調(diào)節(jié)電路的加入，將使IR2161的短路關(guān)閉保護(hù)電路失效。為解決這個(gè)問(wèn)題，加入了由VS1、G5、D7和R3組成的短路保護(hù)電路。在短路情況下，晶閘管VS1導(dǎo)通，將IR2161的VCC腳上的電壓拉低到欠電壓鎖定門(mén)限電平(10．2V)以下，IC則關(guān)閉。
2.3 調(diào)光電子變壓器電路
圖5所示為調(diào)光電子變壓器電路。其中，IC2為低成本開(kāi)路集電極或漏極輸出雙比較器。由于IC2的加入需汲取電源電流，故IC1腳VCC外部電阻鳳應(yīng)由270 kΩ(3W)降低到56 kΩ。未經(jīng)濾波的全橋整流輸出電壓通過(guò)R3和R4分壓輸入到IC2-1的同相端，IC2-1輸出端電容CT上的電壓為與AC線路電壓半周期同步的鋸齒波信號(hào)。該信號(hào)輸入到IC2-2的同相端，IC2-2的另一個(gè)輸入為電位器RP1分壓的DC電壓。IC2-2的輸出為占空因數(shù)變化的矩形波。當(dāng)IC2-2輸出高電平時(shí)，通過(guò)D6將IC1腳VS上的電壓上拉到短路保護(hù)電平以上，使IR2161關(guān)閉，變壓器次級(jí)對(duì)燈不再施加電壓。這種調(diào)光方案為后沿模式相位切斷調(diào)光。通過(guò)調(diào)節(jié)RP1，可使鹵素?zé)魺艄鈴牧愕阶畲筝敵?即從O％到100％)變化，并且消除了燈閃爍。圖6所示為DC總線電壓和燈電壓波形。
與熒光燈調(diào)光電子鎮(zhèn)流器一樣，鹵素?zé)粽{(diào)光電子變壓器同樣可根據(jù)IEC929數(shù)字可尋址照明接口(DALI)總線通信協(xié)議，利用微控制器實(shí)現(xiàn)全數(shù)字調(diào)光，并且可利用同一個(gè)從屬控制系統(tǒng)，控制多個(gè)電子變壓器。
3 結(jié)語(yǔ)
基于智能控制器IR2161的低壓照明電子變壓器，僅需用較少量的元器件，則可以實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、開(kāi)路保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)及調(diào)光功能。
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