新的高壓集成電路為鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)鋪平道路

近年來，使用控制器集成電路和MOSFET晶體管的電子鎮(zhèn)流器已經(jīng)是司空見慣的了，這是由于加強(qiáng)了啟動控制和保護(hù)功能，而且與普通的自振式雙極晶體管鎮(zhèn)流器相比，它的可靠性優(yōu)異。但是，直到如今，就尺寸和元件數(shù)量而言，自振式晶體管鎮(zhèn)流器仍有它的長處。最近，隨著國際整流器公司推出高壓集成電路IR2520D，這個(gè)情形有所改變。在這里，我們來看看這個(gè)產(chǎn)品，并且介紹新的參考設(shè)計(jì)，這將極大地簡化用于歐洲市場的照明鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)。

IR2520D型鎮(zhèn)流控制集成電路
    國際整流器公司的IR2520D是為了克服用分立元件設(shè)計(jì)的自振式鎮(zhèn)流器的缺點(diǎn)，同時(shí)保持成本低而設(shè)計(jì)的高壓集成電路，用于驅(qū)動CFL燈或者用于尺寸小的鎮(zhèn)流器。IR2520D包含預(yù)熱、點(diǎn)燃、正常運(yùn)作、CFL燈故障保護(hù)、交流電網(wǎng)低電壓保護(hù)等等必不可少的功能，以及600 V半橋電路的高壓邊和低壓邊驅(qū)動器。雖然IR2520D集成了許多功能，它只有八個(gè)引出腳，使用標(biāo)準(zhǔn)的SO8或者DIP8封裝，可以把整個(gè)鎮(zhèn)流器的元件數(shù)量減少到最多只有二十個(gè)元件。

    圖1是IR2520D的方塊圖。這種器件的核心部份是電壓控制振蕩器（VCO），可以在外面把頻率調(diào)節(jié)到最低（Fmin），并且有一個(gè)從0 V到5 V的模擬電壓輸入。這個(gè)集成電路包含適應(yīng)式零電壓切換（ZVS）和非零電壓切換（non-ZVS）保護(hù)。IR2520D的一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)是，它里面有電流波形系數(shù)控制的關(guān)機(jī)功能，不需要感測電流的高精度電阻器，這個(gè)電阻器一般是用于檢測電流過載。這只集成電路用VS引腳和半橋電路低壓邊MOSFET晶體管的RDSon進(jìn)行電流過載保護(hù)，以及檢測非零電壓切換狀態(tài)。在器件里面的600 V FET晶體管把VS引腳連接到VS感測電路上，而且在LO引腳處在高電平時(shí)，可以精確地對VS 引腳進(jìn)行測量，同時(shí)在開關(guān)周期的的另一半、在高壓邊FET晶體管導(dǎo)通、VS處于直流母線的電位時(shí)，可以承受直流電源母線的高電壓。

用IR2520D進(jìn)行設(shè)計(jì)
    用IR2520D進(jìn)行的設(shè)計(jì)是非常簡單的，因?yàn)樗挥袃蓚€(gè)控制引腳：VCO （振蕩器的輸入電壓為直流0-5 V ）和FMIN。在把設(shè)計(jì)成用于功率不同的燈時(shí)，只需要修改幾個(gè)外接元件。

    FMIN引腳通過一只電阻器（RFMIN）接地。這個(gè)電阻器的數(shù)值確定了集成電路的最低頻率FMIN和初始頻率（大約為2.5×FMIN）。 IR2520D處在正常工作狀態(tài)時(shí)，工作在最低頻率，除非檢測到非零電壓切換。 一般地講，為了在工作時(shí)保持頻率恒定不變，最低頻率要高于低Q值R-C-L電路的諧振頻率。在這種情況下，可以增大RFMIN的電阻值來降低頻率、增大燈的功率，或者減少RFMIN的電阻值來提高工作時(shí)的頻率、降低燈的功率。

    VCO引腳通過一只電容器（CVCO）接地。頻率從FMIN的2.5倍（FMAX）下降到最低頻率FMIN所需要的時(shí)間就決定于這只電容器的電容值?？梢栽龃箅娙萜鞯碾娙葜祦碓黾宇A(yù)熱時(shí)間，或者降低電容器的電容值來縮短預(yù)熱時(shí)間。
　
    確定IR2520D外接元件數(shù)值的最簡單、最快方法是使用國際整流器公司的鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)輔助（BDA）軟件。新版的軟件，包括IR2520D，將在2004年12月可以從網(wǎng)站www.irf.com得到。BDA軟件能夠計(jì)算所有外接電阻器和外接電容器的近似值，可以在鎮(zhèn)流器面包板上先使用這些電阻值和電容值。然后在實(shí)驗(yàn)室里通過試驗(yàn)進(jìn)行最后的調(diào)整，得到準(zhǔn)確的電阻值和電容值。

利用參考設(shè)計(jì)
    為了進(jìn)一步簡化和加快用新的集成電路來實(shí)現(xiàn)鎮(zhèn)流器，國際整流器公司用這個(gè)集成電路做了參考設(shè)計(jì)。這些參考設(shè)計(jì)都是電子整流器的完整解決方案，它們是針對三方面的應(yīng)用：一種是用于交流220 V、26 W/螺旋形CFL燈鎮(zhèn)流器 ；一種是用于交流120 V、6W /螺旋形CFL燈鎮(zhèn)流器； 另一種是用于交流230 V、25 W燈的小型鎮(zhèn)流器。這些參考設(shè)計(jì)只供評價(jià)使用。這些參考設(shè)計(jì)未經(jīng)電磁干擾（EMI）測試或者其他認(rèn)證測試，要得到可以用于生產(chǎn)的產(chǎn)品，需要進(jìn)行審查，最后把設(shè)計(jì)定下來。

    這些參考設(shè)計(jì)的電路布置和元件是相似的──每種參考設(shè)計(jì)的電路都有必要的功能用于燈的預(yù)熱、點(diǎn)燃、正常運(yùn)作，而且都有電磁干擾濾波器以及整流器。我們現(xiàn)在來詳細(xì)地看看其中的一種參考設(shè)計(jì)── IRPLCFL5E型CFL鎮(zhèn)流器，它是用于輸入電壓為交流220 V的26W/螺旋形燈。

電路簡介
圖2是IRPLCFL5E參考設(shè)計(jì)的電路圖。這個(gè)參考設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)如下：
* 正常工作頻率可以調(diào)節(jié)
* 預(yù)熱時(shí)間可以調(diào)節(jié)
* 燈絲斷路保護(hù)和無燈保護(hù)
* 不能點(diǎn)燃和不能啟動保護(hù)
* 交流電網(wǎng)電壓過低保護(hù)

    如圖1中的方塊圖所示，鎮(zhèn)流器中包含一個(gè)熔斷絲、電磁干擾濾波器、輸入整流器、母線電容器、半橋電路、控制和輸出級。輸出級是由電感器LRES和電容器CRES組成的普通諧振電路 。整個(gè)電路是圍繞鎮(zhèn)流器控制集成電路IR2520D設(shè)計(jì)的，其中，IR2520D所起的作用是調(diào)節(jié)預(yù)熱時(shí)間，調(diào)節(jié)正常工作頻率從而設(shè)定燈的功率，并產(chǎn)生頻率為FMIN的2.5倍的高啟動頻率，以避免燈出現(xiàn)一閃一閃的現(xiàn)象，在燈絲出現(xiàn)開路時(shí)提供電容性保護(hù)，在不能點(diǎn)燃和沒有燈時(shí)通過電流波形系數(shù)提供保護(hù)。

    來自交流電網(wǎng)的輸入電壓經(jīng)過整流后形成母線電壓，大約為300 V。啟動電阻器Rsupply1和Rsupply2的數(shù)值取為在電壓過低保持（UVLO）期間能夠提供微小功率的電流。當(dāng)VCC超出“ UVLO+ 閾值”時(shí)，IR2520D開始產(chǎn)生振蕩，充電泵電路（CSNUB、DCP1和DCP2） 為VCC提供電流，VCC引起里面的15.6 V齊納二極管起電壓調(diào)節(jié)作用。IR2520D鎮(zhèn)流器控制集成電路控制著半橋電路的頻率以及鎮(zhèn)流器的狀態(tài)和保護(hù)方式，例如燈的預(yù)熱、點(diǎn)燃、交流電網(wǎng)電壓過低保護(hù)以及燈/鎮(zhèn)流器出現(xiàn)故障時(shí)的保護(hù)。

功能簡介
    圖3是啟動、預(yù)熱、點(diǎn)燃和正常運(yùn)行期間燈兩端的電壓以及諧振電感器LRES上的電流。當(dāng)電源接通時(shí)，IR2520D進(jìn)入低壓保持（UVLO）狀態(tài)。UVLO保持一個(gè)非常小的供電電流（< 200 μA），保證這個(gè)集成電路充份發(fā)揮它的作用，然后將高壓邊和低壓邊輸出驅(qū)動器啟動。在UVLO期間，高壓邊驅(qū)動器和低壓邊驅(qū)動器的輸出（LO和HO）都是低電平， VCO引腳的電壓下降到和公共端一樣，把啟動頻率重新設(shè)定為最高頻率。一旦VCC達(dá)到啟動閾值電壓（UVLO+），IR2520D 接通，半橋電路中的FET晶體管開始振蕩。這個(gè)集成電路進(jìn)入頻率掃瞄狀態(tài)。在啟動時(shí)，VCO是 0 V，頻率非常高（大約是FMIN的2.5倍）。這樣可以在啟動期間減少電壓尖脈沖，減少燈出現(xiàn)一閃一閃的現(xiàn)象。頻率慢慢下降到鎮(zhèn)流器的高Q值輸出級電路的諧振頻率，引起燈上的電壓和燈的電流增大。在這個(gè)時(shí)候，燈絲預(yù)熱到發(fā)光的溫度，目的是保證燈的壽命很長。頻率一直下降到燈點(diǎn)燃。如果成功地把燈點(diǎn)燃，IR2520D便進(jìn)入正常工作的狀態(tài)。如果把最低頻率選擇成低于或者非常接近諧振頻率，這個(gè)集成電路工作的頻率便接近諧振頻率，并且連續(xù)地調(diào)節(jié)頻率，目的是維持半橋電路工作在零電壓切換（ZVS）狀態(tài)，并且減少FET晶體管上的功率損失。如果把最低頻率選擇成高于諧振頻率，集成電路IR2520D便工作在最低頻率。圖4是啟動過程中諧振電感器上的電流和燈絲兩端的電壓。圖5是在正常工作時(shí)，VS （HB）的電壓、燈兩端的電壓和燈的電流。

出現(xiàn)故障時(shí)的工作狀態(tài)
    在出現(xiàn)燈絲開路、不能啟動、燈失效這類故障或者沒有燈時(shí)，IR2520D進(jìn)入故障運(yùn)行狀態(tài)。在這個(gè)狀態(tài)， 振蕩器停止振蕩。為了讓集成電路IR2520D回到預(yù)熱方式，VCC必須在低于和高于 UVLO 閾值之間周期性地改變。這是通過重新接通電源來做到的。在交流電網(wǎng)電壓過低的情況下，IR2520D會自動地提高頻率，保持鎮(zhèn)流器工作在零電壓切換狀態(tài)。這樣，在交流電網(wǎng)電壓過低的情況下，鎮(zhèn)流器便工作在功率較低的狀態(tài)，當(dāng)電網(wǎng)電壓又上升時(shí)，便工作在功率為正常的狀態(tài)。

小結(jié)
    新的高壓集成電路IR2520是為了幫助工程師們設(shè)計(jì)先進(jìn)的鎮(zhèn)流器解決方案，與以前的控制器/MOSFET和自振式雙極型晶體管鎮(zhèn)流器相比，用IR2520設(shè)計(jì)的鎮(zhèn)流器有著很多的優(yōu)點(diǎn)。
    為了便于開展應(yīng)用開發(fā)工作，工程師們可以運(yùn)用國際整流器公司的鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)輔助（BDA）軟件，迅速地選擇必不可少的外接元件。利用新的鎮(zhèn)流器參考設(shè)計(jì)，并與鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)輔助（BDA）軟件結(jié)合起來，可以進(jìn)一步簡化和加快新型鎮(zhèn)流器的開發(fā)、樣機(jī)制造和完成產(chǎn)品的過程。
Diagrams

Fig 1 - IR2520D的方塊圖

圖2 - IRPLCFL5E 的電路圖

圖 3　在啟動時(shí)、預(yù)熱、點(diǎn)燃和正常工作時(shí)，燈兩端的電壓（黃色波形）和諧振電感器中的電流（綠色波形）。

圖 4　在啟動時(shí)，燈絲兩端的電壓（黃色）和諧振電感器中的電流（綠色）。