基于FAN7711的電子鎮(zhèn)流器原理與設(shè)計(jì)

1 引言

目前在20 W以下的節(jié)能燈中，電子鎮(zhèn)流器已全部取代了電感鎮(zhèn)流器。但是在20 W以上尤其是32 W以上的熒光燈中，電子鎮(zhèn)流器并沒(méi)有完全替代電感鎮(zhèn)流器。飛兆(Fairchild)半導(dǎo)體公司推出的FAN7711是新型鎮(zhèn)流器控制IC中的一種代表性器件。FAN7711為設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的高性能熒光燈電子鎮(zhèn)流器提供了新的解決方案。

2 FAN7711的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

FAN7711的工作溫度范圍為-25℃～125℃，可提供8引腳DIP封裝和SOP封裝。FAN7711內(nèi)部集成了振蕩器、預(yù)熱和死區(qū)時(shí)間控制電路、自適應(yīng)零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)控制器、上橋與下橋MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器等電路。

FAN7711的引腳VDD為供電電源，RT引腳連接振蕩頻率設(shè)置電阻(RT)，CPH引腳連接預(yù)熱時(shí)間設(shè)置電容(CPH)，引腳GND為接地端，引腳HO和LO分別為上橋和下橋驅(qū)動(dòng)器輸出端，VB和VS分別是上橋浮動(dòng)電源輸入端和返回端。

FAN7711的主要特性如下：

為自舉操作浮動(dòng)通道電壓達(dá)600 V;

低啟動(dòng)電流(僅120μA)和工作電流(僅3.2 mA);

VDD欠電壓鎖定(UVLO)門限電平為11.6 V，相對(duì)于13.4 V的導(dǎo)通門限具有1.8 V的滯后;

正常工作頻率和預(yù)熱時(shí)間均由外部電阻和電容設(shè)置;

內(nèi)置有源自適應(yīng)ZVS控制電路;

燈開(kāi)路檢測(cè)無(wú)需外部電路;

VDD內(nèi)部并聯(lián)一只15.2 V的齊納箝位二極管;

當(dāng)引腳CPH上的電壓被拉低至2.6 V以下或IC結(jié)溫超過(guò)160℃時(shí)，F(xiàn)AN7711進(jìn)入關(guān)閉模式。

3 工作原理與設(shè)計(jì)

基于FAN7711的熒光燈鎮(zhèn)流器諧振逆變器電路如圖2所示。在圖2中，VDC為經(jīng)橋式整流濾波的DC電壓(約300 V)或有源PFC升壓變換器輸出電壓(約400 V)，RST為啟動(dòng)電阻，DB和CB分別為半橋高端驅(qū)動(dòng)器自舉二極管和自舉電容，CSNUB和DCP1、DCP2組成電荷泵(輔助電源)電路，L、CS、CP及燈等效電阻RL組成LCC諧振槽路。

3.1 電路工作原理

3.1.1 啟動(dòng)電路

系統(tǒng)加電后，VDC通過(guò)RST給CVDD充電。當(dāng)IC引腳VDD上的電壓達(dá)到13.4 V的門限，F(xiàn)AN7711啟動(dòng)，振蕩器開(kāi)始工作。半橋一旦產(chǎn)生高頻輸出，由CSNUB、DCP1和DCP2組成的電荷泵為VDD引腳提供工作電流，因而在IC啟動(dòng)后，RST的功耗很小，因此RST采用低成本0.25 W的電阻。

3.1.2 預(yù)熱模式

FAN7711開(kāi)始工作，引腳CPH內(nèi)部2μA電流源對(duì)電容CPH充電，CPH上的電壓從零開(kāi)始線性增加。當(dāng)VCPH達(dá)到3 V時(shí)，預(yù)熱結(jié)束。預(yù)熱時(shí)間tPH為

tPH=3CPH/IPH=3CPH/2×10-6 (1)

在預(yù)熱模式，振蕩器頻率最高，是正常工作頻率fRUN的1.6倍，即

fPH=1.6fRUN (2)

在預(yù)熱期間，HO和LO端輸出信號(hào)的死區(qū)時(shí)間(即非交迭時(shí)間)tDT最長(zhǎng)(3.1μs)。

3.1.3 能發(fā)啟動(dòng)(即點(diǎn)火)模式

預(yù)熱時(shí)間結(jié)束，F(xiàn)AN7711進(jìn)入點(diǎn)火模式。在點(diǎn)火模式下，CPH引腳上的電流源變?yōu)镮IGN(12μA)，CPH上的電壓上升速率增加。當(dāng)VCPH達(dá)到5 V時(shí)(即t2時(shí)刻)，點(diǎn)火模式結(jié)束。在點(diǎn)火模式時(shí)，頻率從fPH線性降低至工作頻率fRUN，死區(qū)時(shí)間從最大值逐步縮短。在頻率掃描通過(guò)LCC諧振槽路的固有頻率時(shí)，與燈管并聯(lián)的啟動(dòng)電容CP產(chǎn)生一個(gè)800 V～1 500 V的高壓脈沖使燈管內(nèi)氣體電離而點(diǎn)亮。燈一旦被點(diǎn)亮，可等效為電阻RL。點(diǎn)火時(shí)間tIGN(即t2-t1)為：

tICN=[(5 V-3 V)CPH]/IIGN=2 V×CPH/12×10-6A (3)

點(diǎn)火頻率fIGN是VCPH的函數(shù)，可表示為：

fIGN=[0.3(5 V-VCPH)+1]fRUN (4)

很顯然，fPH>fIGN>fRUN。

3.1.4 工作模式和有源ZVS模式

當(dāng)CPH上的電壓VCPH超過(guò)5 V，仍持續(xù)升高，工作頻率由RT固定為fRUN。fRUN計(jì)算公式為：

fRUN=(4×109)/RT (5)

當(dāng)VCPH達(dá)到6 V時(shí)(即在t3時(shí)刻)，有源自適應(yīng)ZVS被激活。為滿足ZVS工作條件，F(xiàn)AN7711檢測(cè)引腳VS上的輸出渡越信息。如果滿足ZVS，F(xiàn)AN7711將緩慢增加CPH引腳上的電壓，縮短死區(qū)時(shí)間。選擇最佳值，以提高逆變器效率、減小熱損耗和EMI;如果ZVS失效，F(xiàn)AN7711降低引腳CPH的電壓，延長(zhǎng)死區(qū)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)ZVS工作最優(yōu)化。

3.1.5 燈開(kāi)路自動(dòng)檢測(cè)

FAN7711無(wú)需外部電路，可自動(dòng)檢測(cè)燈開(kāi)路故障。當(dāng)燈開(kāi)路時(shí)，輸出諧振槽路異常，不能滿足ZVS條件，可使引腳VS的(半橋輸出)電流充電，電荷泵電容CSNUB放電。在電容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)條件下，F(xiàn)AN7711的功耗PD為：

PD=(V2DCCSNUBfSW)/2 (6)

若VDC=310 V，CSNUB=1 nF，開(kāi)關(guān)頻率fSW=50 kHz，F(xiàn)AN7711的功耗達(dá)2.4 W，致使結(jié)溫急劇升高。如果溫度超過(guò)160℃，熱關(guān)閉電路將使IC停止工作。在脫離ZVS時(shí)，VCPH低于2 V，F(xiàn)AN7711進(jìn)入關(guān)閉模式。

3.2 設(shè)計(jì)舉例

如果電子鎮(zhèn)流器AC輸入電壓VAC=220 V，采用全波整流電容濾波電路，燈絲預(yù)熱時(shí)間tpH=1 s，正常工作頻率fRUN=53 kHz，根據(jù)這些條件可以確定電路中的主要元件。

3.2.1 啟動(dòng)元件的選擇

由于VAC=220 V，VDC為橋式整流濾波輸出電壓，其值為

。FAN7711的啟動(dòng)門限VDDTH(ST+)=13.4 V，啟動(dòng)電流IST=120μA，啟動(dòng)電阻RST值必須滿足下式：

[VDC-VDDTH(ST+)]/RST>IST (7)

由式(7)可得：

RST<[VDC-VDDTH(ST+)]/IST=(311 V-13.4 V)/120μA=2 480 kΩ若RST選用低成本的0.25 W電阻，引腳VDD的箝位電壓VCL=15.2 V，因此：

(VDC-VCL)2/RST<0.25 W (8)

RST>4(VDC-VCL)2=4×(311 V-15.2 V)2≈350 Kω

由于FAN7711具有熱保護(hù)、燈開(kāi)路保護(hù)或半橋硬開(kāi)關(guān)保護(hù)功能，當(dāng)FAN7711進(jìn)入關(guān)閉模式時(shí)，F(xiàn)AN7711將消耗250μA的關(guān)閉電流ISD。為阻止FAN7711重新啟動(dòng)，RST的選擇必須覆蓋ISD的消耗，因此要求：

RSI<[VDC-VDDTH(ST+)]/ISD=(311 V-13.4 V)/250μA=1 190 kΩ

根據(jù)以上分析計(jì)算，RST值選取在510 kΩ與680 kΩ之間是適宜的。

啟動(dòng)時(shí)間tST由式(9)計(jì)算：

tST≈(RSTCVDDVDDTH(ST+))/(VDC-RSTIST-VDDTH(ST+))

=(RSTCVDD×13.4)/(311-RSTIST-13.4) (9)

若要求tST=0.33 s，在選取RST=560 kΩ條件下，由于IST=120μA，根據(jù)式(9)可得：CVDD=10μA。CVDD含有引腳VDD上旁路電容，即為引腳VDD上的總電容值。

3.2.2 電荷泵電容CSNUB的選擇

半橋輸出死區(qū)時(shí)間為tDT，CSNUB的充電電流通過(guò)DCP2，充電電流為ICHG=CSNUB(dv/dt)=CSNUB(VDC/tDT)。CSNUB放電電流通過(guò)DCP1，在下一開(kāi)關(guān)周期內(nèi)為FAN7711提供的總電流為ITOTAL=CSNUBVDC。施加到FAN7711的平均電流為：

IAVG=ITOTAL/tSW=CSNUBVDCfSW (10)

為保證FAN7711正常工作，并且不產(chǎn)生過(guò)多的熱量，可選擇IAVG=8 mA。根據(jù)式(10)得：

CSNUB=IAVG/VDCfSW=8×10-3/311×53×103≈485 pF

可選取CSNUB=470 pF。

3.2.3 確定RT和CPH

由式(5)得：

RT=4×109/fRUN=4×109/53×103≈75.5 kΩ

由式(1)得：

CPH=(2×10-6tPH)/3=(2×10-6×1)/3≈0.67 μF

選擇CPH=0.68μF。

因篇幅所限，其他元件的選擇不再逐一給出。

3.3 采用FAN7711的高功率因數(shù)32 W雙燈管電子鎮(zhèn)流器電路

采用FAN7711帶有源PFC的32 W雙燈管電子鎮(zhèn)液器電路如圖4所示。在半橋逆變器前端的有源PFC升壓預(yù)變器，采用FAN7529作為控制器。鎮(zhèn)流器的正常工作頻率為：

fRUN=4×109/RT=4×109/90×103≈44.4 kHz

預(yù)熱頻率為：

fPH≈1.6fRUN=1.6×44.4 kHz=71 kHz

預(yù)熱時(shí)間為：

tPH=3CPH/IPH=3×0.47×10-6/2×10-6=0.7 s

點(diǎn)火時(shí)間為：

tIGN=2CPH/IIGN=2×0.47×10-6/12×10-6≈0.08 s

L2和L3采用EI 2820磁心，線圈共130匝，電感為3.2 mH。Q2和Q3均應(yīng)采用FQPFlN50C(1 A/500 V)。

4 結(jié)束語(yǔ)

飛兆半導(dǎo)體公司采用高壓工藝的FAN7711鎮(zhèn)流器控制IC，僅用電阻RT就可以編程設(shè)置預(yù)熱和工作頻率。預(yù)熱和點(diǎn)火時(shí)間則由電容(CPH)設(shè)定。FAN7711利用有源自適應(yīng)ZVS控制電路檢測(cè)開(kāi)關(guān)工作狀態(tài).無(wú)需外部電路就可執(zhí)行燈開(kāi)路檢測(cè)，提供過(guò)熱關(guān)閉。FAN7711為設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、高性能和低成本電子鎮(zhèn)流器提供了一種新的解決方案。