鎮(zhèn)流器控制與半橋驅(qū)動(dòng)器IR2156的功能及應(yīng)用
摘要:IR2156是IR公司推出的鎮(zhèn)流器控制/半橋驅(qū)動(dòng)器系列IC之一。它的主要特點(diǎn)是可對預(yù)熱時(shí)間、預(yù)熱頻率、運(yùn)行工作頻率、死區(qū)時(shí)間以及過電流保護(hù)等進(jìn)行編程控制,因而為設(shè)計(jì)人員提供了高度的靈活性。另外,IR2156內(nèi)部還設(shè)計(jì)有燈轟擊失敗、燈失效保護(hù)及自動(dòng)再啟動(dòng)等功能。
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1 概述
IR2156是美國IR公司繼IR3253/IR2155/IR2157/IR2159之后推出的鎮(zhèn)流器與半橋驅(qū)動(dòng)器系列IC之一。與IR2156同時(shí)推出的系列專用IC還有IR21571/IR21591/IR2167等。IR2156采用14腳PDIP和SOIC兩種封裝,它所需外部元件少,適用性強(qiáng)。圖1為IR2156的內(nèi)部電路框圖。
IR2156的主要特點(diǎn)如下:
●鎮(zhèn)流器控制和半橋驅(qū)動(dòng)器集成在同一片IC中;
●預(yù)熱頻率、預(yù)熱時(shí)間、死區(qū)時(shí)間、同部點(diǎn)火斜坡、工作頻率以及過電流保護(hù)門限等功能或參數(shù)均可編程設(shè)置。
●具有DC總線欠壓復(fù)位功能;
●具有關(guān)閉腳(SD腳)滯后功能,擾噪擾能力強(qiáng);
●可微功率啟動(dòng)(150μA);
●Vcc腳可被內(nèi)部15.6V的齊納二極管鉗位;
●全部引腳均具有閉鎖抗噪與靜電放電(ESD)保護(hù)功能。
高端浮置電源電壓VBS:Vcc-0.7~15.6V;
穩(wěn)態(tài)高端浮置電源偏移電壓Vs:-1~600V;
電源電壓Vcc:11.5~15.6V;
電源最大電流Icc:10mA;
關(guān)閉(SD)腳電流IDS:-1~1mA;
電流感測(CS)腳電流ICS:-1~1mA;
結(jié)溫TJ:-40~125℃。
2 功能及原理
2.1 欠電壓封鎖(UVLO)模式
圖2給出了IR2156的啟動(dòng)與電源電路及啟動(dòng)電容CVCC上的電壓波形。當(dāng)電路接通電源后,流經(jīng)啟動(dòng)電阻RSUP的電流對CVCC充電。當(dāng)CVCC上的充電電壓按指數(shù)規(guī)律升高到IC腳Vcc的啟動(dòng)門限(Vccuv+=11.5V)以上,并且SD腳上的電壓低于4.5V時(shí),IC導(dǎo)通,振蕩器啟動(dòng),HO和LO腳輸出占空比為50%的方波驅(qū)動(dòng)電壓。由于IC工作電流的增強(qiáng),CVCC開始放電。在CVCC放電過程中,半橋輸出信號(hào)經(jīng)緩沖電容CSNUB和二極管DCP1整流后,又對CVCC充電。但電荷泵充電不會(huì)使CVCC上的電壓降至IC關(guān)斷門限(VCCUV-=9.5V)以下,因?yàn)?,IC腳Vcc上的電壓會(huì)被Vcc腳內(nèi)的齊納二極管鉗位于15.6V,在IR2156驅(qū)動(dòng)下,當(dāng)外部低端開關(guān)管M2導(dǎo)通而使高端開關(guān)M1截止時(shí),CVCC通過自舉二極管DBOOT對自舉電容CBOOT充電。當(dāng)M1導(dǎo)通而M2關(guān)斷時(shí),DBOOT反向偏置,CBOOT作為高端驅(qū)動(dòng)器CMOS電路的電源。當(dāng)Vcc腳電壓降至UVLO門限(Vccuv-=9.5V)以下時(shí),振蕩器截止,HO與LO腳均輸出低電平。
2.2 預(yù)熱(PH)模式
IR2156啟動(dòng)后,首先輸出一個(gè)帶50%占空比的預(yù)熱頻率fPH,其死區(qū)時(shí)間由CT腳外部的定時(shí)電容CT及內(nèi)部電容(RDr)來設(shè)定。圖3所示的鎮(zhèn)流器預(yù)熱及點(diǎn)火電阻簡圖。在預(yù)熱期間,IC內(nèi)部的5μA的電流源對CPH腳外部預(yù)熱時(shí)間電容CPH充電,CS腳上的過電流保護(hù)功能不起作用,預(yù)熱頻率由IC外部并聯(lián)電阻RT和RPH及CT決定。CT充電與放電發(fā)生于Vcc/3與3Vcc/5之間。CT充電依靠RT與RPH并聯(lián)組合電阻通過內(nèi)部開關(guān)S1(MOSFET)連接到Vcc來實(shí)現(xiàn)。從Vcc/3到3Vcc/5的這段充電時(shí)間是輸出柵極驅(qū)動(dòng)器的按時(shí)(on time)導(dǎo)通時(shí)間。一旦CT腳上電壓超過3Vcc/5,S1斷開,CT通過內(nèi)部電阻RDT與開關(guān)S3放電(到COM)。從3Vcc/5到Vcc/3的CT放電時(shí)間是HO與LO兩路輸出的死區(qū)時(shí)間。只要CT放電到Vcc/3以下,S3(MOSFET)就接通,以將RT與RPH再次連接到Vcc。CPH腳上的電壓超過13V之前,輸出頻率將保持在預(yù)熱頻率。在預(yù)熱期間,當(dāng)CPH腳上的電壓超過7.5V后,系統(tǒng)將啟動(dòng)過電流保護(hù)和DC總線欠壓復(fù)位上的電壓。這時(shí)預(yù)熱頻率只對燈絲加熱而不會(huì)在燈兩端產(chǎn)生高壓使燈啟動(dòng)。
2.3 燈點(diǎn)引燃(IGN)模式
當(dāng)CPH腳上的電壓超過13V后,IR2156將進(jìn)入點(diǎn)火模式。此時(shí),CPH腳連接內(nèi)部P溝道MOSFET(S4)的柵極,以使RPH和RT腳在IC內(nèi)部連接在一起。隨著CPH腳上電壓平滑地沿斜坡升至Vcc,開關(guān)S4也將緩慢切斷,從而使RPH與RT腳在內(nèi)部斷開,這樣可使預(yù)熱頻率沿向下的斜坡從燈啟動(dòng)(點(diǎn)火)頻率降低到運(yùn)行(點(diǎn)燃)頻率。在點(diǎn)火模式期間,工作頻率的降低可使鎮(zhèn)流器輸出端LC電路發(fā)生諧振,并在燈兩端產(chǎn)生一個(gè)高電壓使燈管擊穿導(dǎo)通而引燃。
2.4 運(yùn)行(RUN)模式
一旦燈啟動(dòng)成功,鎮(zhèn)流器即進(jìn)入運(yùn)行模式。運(yùn)行工作頻率由RT與CT的值決定。很顯然,fPH>fIGN>fRUN,即預(yù)熱頻率>點(diǎn)火頻率>運(yùn)行頻率。點(diǎn)火時(shí)間通常為預(yù)熱時(shí)間的1/4,即TIGN≤1/4TPH。
圖4所示是IR2156的運(yùn)行程序圖。
2.5 DC總線欠壓復(fù)位
在DC總線電壓過低時(shí),鎮(zhèn)流器的諧振輸出級頻率可能會(huì)接近或低于諧振頻率,這樣將有可能在半橋開關(guān)中形成硬開關(guān)而使MOSFET損壞。為此,IC腳VDC將實(shí)時(shí)檢測DC總線電壓,當(dāng)VDC腳上電壓降至10.9V(低于Vcc)時(shí),P溝道MOSFET(S4)接通,從而使頻率偏移到諧振頻率之上的安全工作點(diǎn)。在這個(gè)過程中,CPH腳上的電壓被拉低,點(diǎn)火斜坡也復(fù)位。一旦DC總線電壓升高,燈將再次被點(diǎn)火。
2.6 故障(FAULT)模式
在預(yù)熱之后的任何時(shí)間內(nèi),只要IC腳CS上的電壓超過1.3V,IC就時(shí)進(jìn)入故障模式,HO和LO腳的輸出也將被鎖定在低電平。為復(fù)位預(yù)熱時(shí)間和終止振蕩,CPH和CT腳均被放電(到COM)。如需退出故障模式,Vcc必須地降低到關(guān)閉門限電壓(Vccuv-)以下,而SD腳必須拉高到5.1V之。當(dāng)Vcc升到導(dǎo)通門限(Vccuv+)以上且SD腳低于4.5V時(shí),IC將重新開始振蕩并再次進(jìn)入預(yù)熱模式。
3 應(yīng)用電路
運(yùn)行(工作)頻率fRUN=43kHz;
預(yù)熱頻率fPH=70kHz;
死區(qū)時(shí)間tDT=0.6μs;
燈最大點(diǎn)火電流IIEN(PK)=2A。
如果要求電子鎮(zhèn)流器采取功率因素校正(PFC)措施,可以在橋式整流器之外增設(shè)PFC升壓變換器電路。為減少高功率因數(shù)和低諧波畸變鎮(zhèn)流器的元件數(shù)量,IR公司還推出了集鎮(zhèn)流器控制與PFC于一體的IR2167單片IC。而IR2156控制IC適用于輸出功率較低的緊湊型熒火燈(CFL)交流電子鎮(zhèn)流器。
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