用FMS7401型功率控制器設(shè)計(jì)的數(shù)字調(diào)光熒光燈鎮(zhèn)流器

1 引言

為了控制預(yù)熱時(shí)間、最低與最高驅(qū)動(dòng)頻率及正常工作頻率等各種參數(shù)，模擬電子鎮(zhèn)流器的控制器外部必須連接一些阻容元件。這些無源元件的參數(shù)存在一些容差，而且隨著溫度的變化而變化?；谀M控制集成電路的可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器需要用模擬信號(hào)控制。為了發(fā)送模擬調(diào)光信號(hào)，外部微控制器或微處理器必須通過d／a轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)／模轉(zhuǎn)換。

飛兆半導(dǎo)體公司推出的fms7401型數(shù)字功率控制器(dpc)為實(shí)現(xiàn)鎮(zhèn)流器控制、電機(jī)控制和電池管理功能提供了理想的解決方案?；趂ms7401的簡單、低成本、全數(shù)字調(diào)光電子鎮(zhèn)流器能夠提供更多的功能。例如熒光燈觸發(fā)電壓監(jiān)測(cè)、無燈檢測(cè)、燈壽終(eol)識(shí)別及最佳預(yù)熱時(shí)間設(shè)置等。

2 fms7401的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳功能

fms74采用14引腳pdip、soic和tssop封裝，引腳排列如圖1所示。

fms7401采用cmos工藝制作，內(nèi)置8位微控制器內(nèi)核、1k字節(jié)代碼eeprom、64字節(jié)動(dòng)態(tài)隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器(dram)、5通道8位adc、帶死區(qū)時(shí)間控制的12位pwm定時(shí)器、振蕩器、增益為16的自動(dòng)調(diào)零放大器及獨(dú)立放大器、電平可編程比較器、看門狗復(fù)位電路及數(shù)字濾波器等。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。表1列出fms7401的引腳功能。

3 fms7401的主要功能與特點(diǎn)

fms7401基于數(shù)字硬件提供快速pwm和pfm。數(shù)字硬件結(jié)構(gòu)含有所有傳統(tǒng)微控制器特點(diǎn)，例如eeprom、ram、adc和可編程參考電壓等。為了實(shí)現(xiàn)快速控制，fms7401內(nèi)部還集成了運(yùn)算放大器和模擬比較器。片內(nèi)的pll支持內(nèi)部數(shù)字pwm頻率高達(dá)64mhz。對(duì)于250khz的pwm頻率有8位的分辨率。

fms7401輸出可變頻率脈沖，可用作驅(qū)動(dòng)鎮(zhèn)流器輸出級(jí)lc串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，對(duì)燈絲進(jìn)行預(yù)熱。
fms740l監(jiān)控?zé)綦娏鳎茏R(shí)別過電流、過電壓、過溫度、燈觸發(fā)失敗和燈絲斷路等故障。

fms740l的片內(nèi)振蕩器外部無需電阻器和電容器。振蕩器有1μs的指令周期時(shí)間。對(duì)于一般用途的i／o腳，可以多輸入喚醒?？焖?2位pwm定時(shí)器提供死區(qū)時(shí)間控制和半橋輸出驅(qū)動(dòng)。5通道8位adc有1.2lv的內(nèi)部參考電壓，轉(zhuǎn)換時(shí)間為21μs。片內(nèi)有1ma的電流源產(chǎn)生器。fms7401的可編程讀／寫具有禁止功能，軟件i／o可隨意選擇。

fm7401支持?jǐn)?shù)據(jù)eeprom、代碼eeprom和初始化寄存器電路內(nèi)部編程。電路內(nèi)部編程由4線串行接口組成。為將器件設(shè)置成編程模式，系統(tǒng)復(fù)位期間10位操作碼必須移位進(jìn)入器件。器件有100000個(gè)數(shù)據(jù)變化，數(shù)據(jù)保留期間40年。

4　數(shù)字鎮(zhèn)流器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于fms7401的可編程特點(diǎn)，用其可以設(shè)計(jì)數(shù)字化電子鎮(zhèn)流器。用這種電子鎮(zhèn)流器驅(qū)動(dòng)biax t／e型32w燈管，工作頻率為180khz，預(yù)熱頻率為400khz，系統(tǒng)效率為90％，輸入功率為36w。

4.1　設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘

圖3所示為fms7401的時(shí)鐘與pll電路結(jié)構(gòu)。

fms7401內(nèi)部時(shí)鐘fclk可以調(diào)節(jié)，并通過設(shè)置初始寄存器來測(cè)試，fclk可設(shè)置在2mhz。初始寄存器int2帶飛兆公司的感光乳膠與仿真程序工具(tool kit)。fclk是數(shù)字倍增器或pll輸入時(shí)鐘。pll的倍增因數(shù)利用fs[1：o]的2位可以在4mhz、8mhz、16mhz和32mhz幾個(gè)點(diǎn)頻上調(diào)節(jié)。其中。fs[1：0]為pscale[6：5]，并且pllen的使能輸入=pscale[7]。若將fclk設(shè)置在2mhz，數(shù)字倍增器的輸出取決于fs[1：0]，可以為8／16／32／64mhz，并到達(dá)數(shù)字開關(guān)輸入b。如果fsel=1(fsel=pscale[4])，數(shù)字開關(guān)y可以是8／16／32／64mhz：如果fsel=0，則y為1mhz。數(shù)字開關(guān)的輸出y變成內(nèi)部數(shù)字pwm計(jì)數(shù)器的基本時(shí)鐘頻率fpwm。fms7401的時(shí)鐘控制寄存器pscale的設(shè)置如表2所示。

若pllen=“1”，pll使能：若pllen=“0”，pll禁止。

若fsel=“1”，fpwm=fclk×4(fs=#oob)，或fpwm=fclk×8(fs=#01b)，或fpwm=fclk×16(fs=#1ob)，或fpwm=fclk×32(fs=#11b)；若fsel=“0”，并且fclk=2mhz，fpwm則為1mhz。

若fm=“1”，軟件執(zhí)行基本時(shí)鐘coreclk=fclk/2(fs=#oob)，或coreclk=fclk(fs=#01b)，或coreclk=fclk×2(fs=#為10b)，或coreclk=fclk×4(fs=#11b)。若fm=“0”，coreclk=fclk/2。

當(dāng)fm設(shè)置為“1”時(shí)，coreclk則為1mhz；當(dāng)fs=“0”時(shí)，coreclk=fpwm/2。從表2可知，fm=pscale[3]。通過設(shè)置fm=“1”，軟件指令時(shí)間變?yōu)?μs。如果pscale設(shè)置到#11010000b。則pwm頻率fpwm變?yōu)?2mhz，最低輸出頻率為125khz。基于這些設(shè)置，通過減小t1ral寄存器值，可以獲得較高的輸出驅(qū)動(dòng)頻率。表3列出fs1、fs0和fm設(shè)置與相關(guān)頻率。

4.2 設(shè)置pwm單元

圖4為fms7401的pwm結(jié)構(gòu)框圖。來自pll輸出的fpwm，通過ps[2：0]=pscal[2：0]寄存器／2n，除法器的輸出是自由運(yùn)行上行計(jì)數(shù)器timer1的基本時(shí)鐘。t1ra是預(yù)加載計(jì)數(shù)器寄存器。當(dāng)timer1值等于t1ra時(shí)，timer1自動(dòng)復(fù)位。改變tira值?？梢钥刂苝wm頻率。

為了避免半橋中的高／低側(cè)2個(gè)功率mosfet“貫通”，fms7401提供死區(qū)時(shí)間(即非交疊時(shí)間)，并通過設(shè)置dtime寄存器來控制。pwm輸出信號(hào)和比較功能由寄存器t1cmpa和t1cmpb提供。如果timer1計(jì)數(shù)值超過t1cmpa值，則數(shù)字比較器輸出oa變?yōu)楦唠娖?，如圖5所示。

數(shù)字比較器輸出oa成為與門和或門的輸入。比較器輸出通過延遲單元(1／2n)按照6位dtime設(shè)置值延時(shí)。經(jīng)延時(shí)的輸出doa成為與門和或門的另一個(gè)輸入。與門和或門輸出oh與ol，成為半橋高／低側(cè)mosfet的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由于延遲電路的時(shí)鐘來自fpwm，利用6位dtime寄存器可以使死區(qū)時(shí)間從32mhz(周期tpwn=31.25ns)，fpwn時(shí)鐘的0到2n之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果fpwm=32mhz，通過設(shè)置pscale=oxdo(#11010000b)，可將死區(qū)時(shí)間控制在0-2μs(64x31.25ns=2μs)。

為了得到適當(dāng)?shù)膐h和ol輸出波形，并使數(shù)字比較器的ol電平反轉(zhuǎn)，必須利用port-gc和portgd寄存器，設(shè)置pgo=“1”。在本設(shè)計(jì)中，高端和低端輸出信號(hào)被定義為輸出腳。

4.3 鎮(zhèn)流器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

圖6所示為基于fms7401的32w熒光燈全數(shù)字調(diào)光電子鎮(zhèn)器電路。110v的ac輸入采用倍壓整流電路，220v的ac輸入采用全橋整流濾波電路。因此，二種ac輸入產(chǎn)生的dc總線電壓是相同的(約300v)。ic2和ic3分別為高側(cè)mosfet (v1)和低側(cè)mosfet(v2)的柵極驅(qū)動(dòng)器。l2和cres組成lc串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，c6、c7、vd6、c8、vs1、r3、vs2和c9等組成：ic1、ic2和ic3的供電電路。

圖7所示為鎮(zhèn)流器的驅(qū)動(dòng)頻率曲線。在半橋電路啟動(dòng)之后，首先輸出預(yù)熱頻率fpre以加熱燈絲。預(yù)熱時(shí)間tpre可由ic1根據(jù)不同功率和型號(hào)的燈管編程設(shè)置，不需要任何無源元件。對(duì)于ge照明公司的32w biaxt／e燈管，額定電壓是100v，額定電流為0.32a。推薦預(yù)熱時(shí)間tpre=2s。預(yù)熱時(shí)間由ic1軟件程序中的等待循環(huán)設(shè)置。在結(jié)束預(yù)熱階段后，驅(qū)動(dòng)頻率通過增加軟件程序中的t1ra值降低。隨頻率向低處掃描，燈電壓增加，并接近燈觸發(fā)電壓電平。當(dāng) 頻率接近輸出lc電路的諧振頻率時(shí)，發(fā)生lc串聯(lián)諧振。在cres上產(chǎn)生足夠高的電壓使燈管擊穿而點(diǎn)亮。在l2=330μh和cres=1.5nf下，諧振頻率為226khz。

燈一旦觸發(fā)，驅(qū)動(dòng)頻率降至最低值frun-low，鎮(zhèn)流器進(jìn)入調(diào)光模式。在頻率從frun-low開始向frun-high線性增加過程中，l2的阻抗逐漸增大，燈電流減小，燈光漸暗。

不同工作模式的頻率f和周期t由t1ra寄存器設(shè)置如下：

#0x50：fpre=400khz,周期tple=2.5μs；

#0x82：fign=246khz,周期tign=4.06μs；

#0x78：frun-low=267khz,周期trun-low=3.75μs；

#0x84：frun-high=178khz,周期trun-high=5.625μs。

為使驅(qū)動(dòng)頻率有125khz～500khz的變化范圍，ic1的時(shí)鐘設(shè)置在2mhz，死區(qū)時(shí)間(tdead)設(shè)置在0.1μs。在驅(qū)動(dòng)頻率為frun-low(178khz)時(shí)，燈亮度最大(100％)；當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率升至frun-high(267khz)時(shí)，燈光最暗。

在故障情況下，ic1輸出控制端口被設(shè)置到低電平，ic2和ic3的ho腳及l(fā)o腳驅(qū)動(dòng)輸出被禁止v1和v2截止。

利用fms7401還可以設(shè)計(jì)f8t15／8w、f15t8／15w、f32t8／32w和f40t12／40w等不同型號(hào)和不同功率的熒光燈的數(shù)字調(diào)光電子鎮(zhèn)流器。