具有功率因數(shù)校正、控制和保護(hù)功能的熒光燈鎮(zhèn)流器集成電路

熒光燈鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)正在向全電子化照明系統(tǒng)轉(zhuǎn)化。與五年前的器件相比，日益成熟的電子鎮(zhèn)流器技術(shù)正以更低的系統(tǒng)成本提供更好的性能。其中，IR2166和IR2167便是最新一代電子鎮(zhèn)流器控制IC的代表。它們能夠彌補(bǔ)磁性鎮(zhèn)流器不足之處，其優(yōu)點(diǎn)包括：
無閃爍照明；
無可聞噪音；
輕易增加功率因數(shù)校正。
對(duì)電燈閃爍的考慮是很重要的。磁性鎮(zhèn)流器在60Hz工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生閃爍，而電子鎮(zhèn)流器將60Hz電源轉(zhuǎn)成高頻，將電燈閃爍降低到感受不到的水平。另外，高頻產(chǎn)生更少的熱，效率也更高。
磁性鎮(zhèn)流器使用的鐵芯電磁元件工作在60Hz，會(huì)產(chǎn)生可聞噪音，而設(shè)計(jì)優(yōu)秀的高頻電子鎮(zhèn)流器不會(huì)發(fā)出可聞的交流噪聲。
PFC(功率因數(shù)校正)可以很容易加到電子鎮(zhèn)流器中，但是對(duì)磁性鎮(zhèn)流器來說就很困難。PFC電路可修正交流電流，使輸入電壓和電流轉(zhuǎn)化為正弦波，并將諧波含量變得非常小。另外，由PFC電路得到的高功率因數(shù)也能提高效率、減小成本。鎮(zhèn)流器諧波的目標(biāo)是保持低于照明系統(tǒng)諧波電流的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-3-2 C級(jí)限制。
功率因數(shù)校正與總諧波失真(THD，即由鎮(zhèn)流器產(chǎn)生的功率諧波)也有關(guān)系。由鎮(zhèn)流器產(chǎn)生的任何諧波會(huì)對(duì)其它連接在同一個(gè)電源的電子系統(tǒng)造成壞的影響。功率因數(shù)為1.0，意味著輸入功率是純正弦波且無諧波失真(THD=0%)，因此最好是有高功率因數(shù)(PF)和低THD。

當(dāng)決定采用全電子方案后，設(shè)計(jì)師需考慮用于照明系統(tǒng)的多個(gè)控制IC的特性。這些特性能影響電子鎮(zhèn)流器的整體系統(tǒng)成本。最大的成本因素大概是使用元件的數(shù)量，它影響硬件存放、元件布局及整體工程設(shè)計(jì)，主要的問題是：
?單片IC能否提供完整的鎮(zhèn)流器控制以減小了硬件的成本、簡化了鎮(zhèn)流器到燈的接口？
?儲(chǔ)存適用于所有系統(tǒng)配置的單片IC能減小硬件庫存。IC是否適用于寬范圍的燈類型和尺寸?
?控制IC是否可以編程，以便根據(jù)應(yīng)用的要求設(shè)置系統(tǒng)特性，從而使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活？
?IC是否內(nèi)置了可以減小整體元件數(shù)量的PFC電路？
?是否有可以簡化照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的演示板？
?演示板是否備有計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件以減小產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間？
IR2166和IR2167給上面的問題的回答都是肯定的。老一代電子鎮(zhèn)流器控制器采用一顆分離的控制IC、柵極驅(qū)動(dòng)IC和PFC IC，而IR2166和IR2167采用單芯片方案，減低系統(tǒng)成本。除了減少元件數(shù)量外，這些IC也簡化安裝，提高可靠性和節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。另外，它們也減小新熒光燈照明系統(tǒng)投放市場(chǎng)的時(shí)間。
IR2166器件備有狀態(tài)機(jī)以控制鎮(zhèn)流器的工作時(shí)序，包括欠壓鎖定、預(yù)熱、觸發(fā)、運(yùn)行和故障模式。該芯片集成了可編程預(yù)熱時(shí)間和頻率，能將燈絲加熱到適當(dāng)?shù)陌l(fā)射溫度。這種特性能將電燈壽命延長達(dá)三十倍，同時(shí)降低所需觸發(fā)電壓?？删幊痰乃绤^(qū)時(shí)間、預(yù)熱和運(yùn)行頻率的特性使IR2166能通過簡單地修改元件就可以適配許多不同類型的燈。另外，通用的90V~260V交流輸入能針對(duì)全球市場(chǎng)簡化電路設(shè)計(jì)，減低為不同地區(qū)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)的需要。

這種集成電路能在電壓或電流尖峰時(shí)提供保護(hù)，從而進(jìn)一步延長電燈及鎮(zhèn)流器的壽命，同時(shí)提供無閃爍的高質(zhì)量照明。這些保護(hù)項(xiàng)目包括：欠壓鎖定、軟啟動(dòng)、觸發(fā)故障、燈絲失效、過電流、壽命完結(jié)保護(hù)、更換電燈后自動(dòng)重啟，以及直流總線欠壓復(fù)位。
PFC是IR2166和IR2167的主要集成功能。沒有PFC，控制器將產(chǎn)生諧波電流，引起電源分布系統(tǒng)的損耗和發(fā)熱，甚至損壞發(fā)電設(shè)備。雖然單個(gè)控制器的功率一般較低，但多個(gè)控制器產(chǎn)生的綜合諧波電流能產(chǎn)生較大影響。如果產(chǎn)生了足夠的負(fù)載，便可能觸發(fā)斷路器，干擾其它產(chǎn)品或引起火災(zāi)。
IR2166和IR2167兩者也有類似的PFC電路在芯片上。傳統(tǒng)的PFC電路以非常低的增益工作，以實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)和低THD，但問題是在燈觸發(fā)時(shí)，直流總線電壓會(huì)大幅下降，阻礙燈觸發(fā)或使燈熄滅。IR2166和IR2167可在預(yù)熱和觸發(fā)期間動(dòng)態(tài)地改變至高增益模式，防止直流總線電壓下降，然后在正常運(yùn)行時(shí)變回低增益模式以得到高功率因數(shù)和低THD。為鎮(zhèn)流器模式的功能加入PFC增益體現(xiàn)了集成的好處，它的性能比現(xiàn)有PFC方法更優(yōu)秀。沒有PFC階段，THD會(huì)高于100%，功率因數(shù)會(huì)低至0.50。
圖1為IR2167鎮(zhèn)流器控制系統(tǒng)原理圖。交流電一般接口到為IC提供直流電的橋式整流器。IC驅(qū)動(dòng)兩個(gè)外部低成本功率MOSFET以控制熒光燈管和另外一個(gè)用于PFC電路的外部MOSFET。PFC電路是一個(gè)工作于臨界導(dǎo)通和自由運(yùn)行模式的有源升壓變換器。在整個(gè)通用輸入電壓范圍內(nèi)，PFC電路實(shí)現(xiàn)大于99%的功率因數(shù)和低于10%的總諧波失真(THD)。
IR2167是一個(gè)完整保護(hù)的600V鎮(zhèn)流器控制IC，容易適配于不同類型的電燈。IC靈活性高，設(shè)計(jì)者可以獨(dú)立設(shè)置預(yù)熱和觸發(fā)頻率。鎮(zhèn)流器控制部分的核心是一個(gè)具有外部可編程死區(qū)時(shí)間的變頻振蕩器。其控制部分也提供電燈故障檢測(cè)、關(guān)斷和更換電燈后自動(dòng)重啟所需的電路。Vcc內(nèi)部的15.6V齊納二極管可防止直流的過電壓影響輸入。IR2167 IC備有20腳PDIP和寬體SOIC封裝。
該IC有多方面的保護(hù)功能，包括電燈觸發(fā)失效、燈絲失效、低交流電壓、熱過載、正常工作時(shí)電燈失效，同時(shí)提供電燈暗保護(hù)和壽命完結(jié)保護(hù)。此外，IC也具有容性模式保護(hù)、抗鎖定能力和ESD保護(hù)。
可編程特性提供了高度的設(shè)計(jì)靈活性，包括預(yù)熱時(shí)間和頻率、觸發(fā)斜率、過電流和運(yùn)行頻率。其它工作特性包括內(nèi)部故障計(jì)數(shù)器、動(dòng)態(tài)重啟、欠壓鎖定和150mA啟動(dòng)電流。
基本上這兩個(gè)IC的PFC控制是一樣的，但鎮(zhèn)流器控制卻不同。IR2167具有額外的特性，如欠電流保護(hù)、低于諧波點(diǎn)保護(hù)和熱過載保護(hù)。IR2167也簡化了電燈并聯(lián)、多燈和多類型電燈的設(shè)計(jì)。IR2167具有更多的功能，其封裝為20腳，而IR2166是16腳。
IR2167的CS接腳負(fù)責(zé)檢測(cè)故障情況，如觸發(fā)失敗、正常工作時(shí)過電流、硬開關(guān)、無負(fù)載和低于諧振點(diǎn)工作。如檢測(cè)到以上任何一種狀態(tài)，故障鎖存器便會(huì)置位，振蕩器關(guān)上，柵極驅(qū)動(dòng)器輸出變低，芯片進(jìn)入微功率模式。對(duì)于過電流、觸發(fā)失敗和硬開關(guān)故障，芯片在預(yù)熱尾聲時(shí)可啟動(dòng)外部可編程正向CS+臨限，而正向臨限的水平由外部電阻值決定。
IR2166和IR2167同樣具有演示板，可簡化照明系統(tǒng)的樣機(jī)設(shè)計(jì)。演示板專為驅(qū)動(dòng)快速啟動(dòng)熒光燈而設(shè)計(jì)，具有高效率、高功率因素和固定輸出電子鎮(zhèn)流器。這些演示板包括EMI濾波器、有源功率因數(shù)校正和一個(gè)鎮(zhèn)流器控制電路。
鎮(zhèn)流器控制部分提供一個(gè)具備外部可編程死區(qū)時(shí)間的變頻振蕩器，可簡單適配于不同類型的電燈。鎮(zhèn)流器控制部分也提供電燈故障檢測(cè)、關(guān)斷和更換電燈后自動(dòng)重啟所需的電路。表1列出了IR2166和IR2167演示板的特點(diǎn)，它們也代表了典型的熒光燈系統(tǒng)。演示板附有一套計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。設(shè)計(jì)者只需選擇熒光燈類型和可編程功能的值，軟件便能提供原理圖和材料清單。