新型電子鎮(zhèn)流器控制芯片IR2156

新型電子鎮(zhèn)流器控制芯片IR2156

摘要：介紹了一款低成本、多功能電子鎮(zhèn)流器控制芯片IR2156，其主要應(yīng)用于緊湊型節(jié)能燈和普通熒光燈的電子鎮(zhèn)流器。詳細(xì)給出了該芯片的特點(diǎn)、電參數(shù)、工作原理和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：欠壓鎖定；預(yù)熱模式；觸發(fā)模式；運(yùn)行模式；故障模式

1? 引言

??? IR2156是IR公司最新推出的多功能、低成本電子鎮(zhèn)流器控制芯片，它由一個(gè)高壓半橋門極驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)頻率可調(diào)振蕩器組成。具有預(yù)熱頻率和運(yùn)行頻率可調(diào)，預(yù)熱時(shí)間可調(diào)，死區(qū)時(shí)間可調(diào)，以及過(guò)流門限可調(diào)等特性。完善的保護(hù)性能，諸如燈管觸發(fā)失敗保護(hù)，燈絲故障保護(hù)以及自動(dòng)重啟動(dòng)功能都設(shè)計(jì)在其中。IR2156具有DIP14及SOIC14兩種封裝。圖1是其內(nèi)部原理框圖。

圖1? IR2156內(nèi)部原理框圖

2? 主要電氣特性

2.1? 主要電氣特性

??? 主要電氣特性見(jiàn)表1。除非另有說(shuō)明，一般情況下：

??? V_CC=V_BS=V_BIAS=14V±0.25V,V_VDC=OPEN,R_T=39.0kΩ,R_PH=100.0kΩ,C_T=470pF,V_CPH=0.0V,V_CS=0.0V,V_SD=0.0V,C_LO，HO=1000pF,T_a=25℃。

表1? 主要電氣參數(shù)

注1:該芯片內(nèi)部VCC與COM之間設(shè)有15.6V穩(wěn)壓管，注意該腳不能直接外加電壓源。詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)IR2156數(shù)據(jù)表。

2.2? 推薦工作條件

??? 推薦工作條件見(jiàn)表2。

表2? 推薦工作條件

3? IR2156管腳排列及功能

??? 器件管腳排列見(jiàn)圖2，管腳功能見(jiàn)表3。

表3? 管腳功能

圖2管腳排列

4? 功能簡(jiǎn)介

4.1? 欠壓關(guān)斷（UVLO）模式

??? 欠壓關(guān)斷模式是當(dāng)供電電壓V_CC低于IC的開(kāi)啟門限電壓時(shí)，IC不工作。IR2156的欠壓關(guān)斷模式要求供電電流最小保持在200μA以上，保證IC正常工作并驅(qū)動(dòng)高低端輸出。圖3為典型的從直流母線饋電和從鎮(zhèn)流器輸出級(jí)充電泵共同為IR2156供電的例子。通過(guò)供電電阻(R_SUPPLY)的電流一部分作為啟動(dòng)電流流入IC，其余給啟動(dòng)電容(C_VCC)充電。電阻應(yīng)能供應(yīng)兩倍的最大啟動(dòng)電流，以保證鎮(zhèn)流器在低電壓輸入下啟動(dòng)。一旦VCC腳電容電壓到達(dá)啟動(dòng)門限，且SD腳電壓低于4.5V，則IC開(kāi)始工作，HO，LO振蕩。由于IC工作電流增大，電容開(kāi)始放電見(jiàn)圖4。

圖3? IC啟動(dòng)供電方式

圖4? C_VCC電壓

??? 在放電期間，充電泵產(chǎn)生的整流電流給電容充電，使V_CC電壓高于IC關(guān)斷門限，充電泵和IC內(nèi)置15.6V穩(wěn)壓管來(lái)提供供電電壓。啟動(dòng)電容和緩沖電容要有足夠的容量，使供電電流滿足鎮(zhèn)流器工作需要。自舉二極管（D_BOOT）和自舉電容（C_BOOT）提供高端驅(qū)動(dòng)電路的工作電壓。為了在HO腳的第一個(gè)脈沖前就給高端供電，因此輸出驅(qū)動(dòng)的第一個(gè)脈沖來(lái)自LO腳。在欠壓關(guān)斷狀態(tài)，高端和低端輸出驅(qū)動(dòng)HO和LO都為低電平，CT腳在內(nèi)部連接到COM使鎮(zhèn)流器停止振蕩，CPH腳在內(nèi)部連接到COM使預(yù)熱時(shí)間復(fù)位。

4.2? 預(yù)熱（PH）模式

??? 圖5為預(yù)熱電路。預(yù)熱模式工作于燈管燈絲開(kāi)始加熱直至燈絲達(dá)到正常的點(diǎn)燃溫度，它是延長(zhǎng)燈管壽命和降低點(diǎn)燃電壓所必需的步驟。當(dāng)V_CC超過(guò)UVLO門限時(shí)進(jìn)入預(yù)熱模式。LO和HO開(kāi)始以50％占空比的預(yù)熱頻率振蕩,死區(qū)時(shí)間由外部定時(shí)電容C_T和內(nèi)部死區(qū)時(shí)間電阻R_DT決定。CPH腳與COM斷開(kāi)，內(nèi)部5μA電流源給CPH腳外接的預(yù)熱時(shí)間電容充電。CS腳的過(guò)流保護(hù)在預(yù)熱期間被屏蔽掉。

圖5? 預(yù)熱電路

??? 預(yù)熱頻率由并聯(lián)的電阻R_T和R_PH，以及定時(shí)電容C_T決定。C_T分別在到達(dá)（1/3）V_CC和(3/5)V_CC電壓時(shí)充電和放電，R_T和R_PH并聯(lián)后內(nèi)部連接到V_CC，通過(guò)MOS管S₁對(duì)C_T指數(shù)充電（見(jiàn)圖1）。C_T的充電時(shí)間為（1/3）V_CC至（3/5）V_CC,分別驅(qū)動(dòng)LO和HO。一旦C_T電壓超過(guò)（3/5）V_CC，MOS管S₁關(guān)斷，電阻R_T和R_PH與V_CC斷開(kāi)。C_T通過(guò)內(nèi)部電阻R_DT穿過(guò)MOS管S3對(duì)COM以指數(shù)放電。C_T的放電時(shí)間為（3/5）V_CC到（1/3）V_CC，即輸出門極驅(qū)動(dòng)LO和HO的死區(qū)時(shí)間。C_T的容量要根據(jù)RDT和要求的死區(qū)時(shí)間來(lái)選取。一旦C_T放電至低于（1/3）的V_CC,MOS管S3關(guān)斷，R_DT與COM斷開(kāi)，MOS管S₁導(dǎo)通，R_T和R_PH連接到V_CC。工作頻率始終保持在預(yù)熱頻率直到CPH腳電壓超過(guò)13V，IC進(jìn)入觸發(fā)模式。在預(yù)熱模式期間，當(dāng)CPH腳電壓高于7.5V時(shí)，恢復(fù)過(guò)流保護(hù)和DC總線欠壓復(fù)位功能。

4.3觸發(fā)（IGN）模式

??? 觸發(fā)電路如圖6所示。觸發(fā)模式是指建立觸發(fā)燈管所需的高電壓并觸發(fā)燈管。當(dāng)管腳CPH上的電壓超過(guò)13V，IR2156進(jìn)入觸發(fā)模式。

圖6? 觸發(fā)電路

??? 管腳CPH內(nèi)部連接到一個(gè)P溝道的MOSFET（S₄）的門極，S₄連接管腳RPH和RT。當(dāng)管腳CPH上的電壓超過(guò)13V時(shí)，S₄的G-S電壓開(kāi)始低于S₄的開(kāi)通門限。管腳CPH上的電壓持續(xù)向V_CC上升，S₄緩慢關(guān)斷，這樣就使電阻R_PH平滑地從R_T上斷開(kāi)，同時(shí)使工作頻率平滑地過(guò)渡到觸發(fā)頻率，再過(guò)渡到最終的運(yùn)行頻率。管腳CS的過(guò)流保護(hù)功能可以在觸發(fā)失敗或燈絲開(kāi)路時(shí)保護(hù)鎮(zhèn)流器。外部電流檢測(cè)電阻R_CS上的電壓即為管腳CS的電壓。R_CS定義鎮(zhèn)流器可提供的最大峰值電流（以及觸發(fā)電壓）。峰值觸發(fā)電流必須低于MOSFET所能承受的最大電流。當(dāng)CS上的電壓超過(guò)內(nèi)部的1.3V門限，IC進(jìn)入故障模式，輸出驅(qū)動(dòng)HO和LO都被鎖定為低電平。

4.4? 運(yùn)行(RUN)模式

??? 當(dāng)燈管觸發(fā)成功后，鎮(zhèn)流器進(jìn)入運(yùn)行模式。運(yùn)行模式是指燈弧已經(jīng)建立，燈管以給定的功率工作時(shí)IC所處的狀態(tài)。運(yùn)行模式的振蕩頻率是由定時(shí)電阻R_T和定時(shí)電容C_T決定的。

4.5? DC總線欠壓復(fù)位

??? 當(dāng)DC總線電壓過(guò)低時(shí)，燈管的輸出級(jí)頻率會(huì)接近或低于諧振頻率，這時(shí)會(huì)造成硬開(kāi)關(guān)，并破壞半橋的開(kāi)關(guān)。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，管腳VDC測(cè)量DC總線的電壓，并在腳VDC上的電壓下降到10.9V并低于V_CC時(shí)，線性拉低管腳CPH電壓，這樣使得P溝道MOSFETS4在DC總線降壓時(shí)開(kāi)通，并使頻率向上提高到高于諧振點(diǎn)的一個(gè)安全的工作頻率。頻率變化值由外部電阻R_BUS和內(nèi)部電阻R_VDC決定。通過(guò)拉低管腳CPH，觸發(fā)斜率也被復(fù)位。當(dāng)DC總線電壓過(guò)低時(shí)，整流器不進(jìn)行觸發(fā)，當(dāng)DC總線電壓再次上升時(shí)，IC將進(jìn)行自動(dòng)再觸發(fā)。當(dāng)CPH上的電壓超過(guò)7.5V時(shí)（預(yù)熱模式期間），內(nèi)部電阻R_VDC連接到管腳VDC和COM之間。

4.6? 故障(FAULT)模式

??? 在預(yù)熱模式過(guò)后的任何時(shí)間，當(dāng)電流檢測(cè)腳CS上的電壓超過(guò)1.3V時(shí)，IC進(jìn)入故障模式，驅(qū)動(dòng)輸出HO和LO都被置位為低電平。CPH向COM放電，復(fù)位預(yù)熱時(shí)間，同時(shí)CT向COM放電，關(guān)斷振蕩器。要想退出故障模式，VCC電壓必須下降至低于UVLO的下門限，或者關(guān)斷腳SD的電壓拉高至大于5.1V。這兩種方式都可以使IC進(jìn)入U(xiǎn)VLO模式，一旦腳VCC電壓大于開(kāi)通門限，同時(shí)SD低于4.5V，IC將進(jìn)入預(yù)熱模式開(kāi)始振蕩。

5? 設(shè)計(jì)步驟^1）? 1)因?yàn)槠骷?shù)離散性的原因，計(jì)算的結(jié)果還需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)微調(diào)

5.1? 設(shè)置死區(qū)時(shí)間

??? 通過(guò)定時(shí)電容C_T和內(nèi)部死區(qū)時(shí)間電阻R_DT可以定義LO和HO的死區(qū)時(shí)間tDT。死區(qū)時(shí)間為電容C_T上的電壓從（3/5）V_CC到（1/3）V_CC的放電時(shí)間。公式如下：

??? t_DT=C_T·1475????? s（1）

或

??? C_T=t_DT/1475????? F（2）

5.2? 設(shè)置運(yùn)行頻率

??? 最終的運(yùn)行頻率f_RUN由定時(shí)電阻R_T和定時(shí)電容C_T設(shè)置。電容C_T上的電壓從（1/3）V_CC到（3/5）V_CC的充電時(shí)間為輸出驅(qū)動(dòng)HO和LO的開(kāi)通時(shí)間。運(yùn)行頻率的計(jì)算公式如下：

??? f_RUN=??? Hz(3)

或

??? R_T=－2892??? Ω（4）

5.3? 設(shè)置預(yù)熱頻率

??? 預(yù)熱頻率f_PH由定時(shí)電阻R_T和R_PH、定時(shí)電容C_T設(shè)置。在預(yù)熱模式期間，定時(shí)電阻通過(guò)內(nèi)部連接方式并聯(lián)。預(yù)熱頻率計(jì)算公式如下：

??? f_PH=??? Hz(5)

或

??? R_PH=??? Ω(6)

5.4? 設(shè)置預(yù)熱時(shí)間

??? 預(yù)熱時(shí)間t_PH由接在腳CPH上的電容從0充電到13V的時(shí)間決定。一個(gè)內(nèi)部的5μA電流源流入管腳CPH。預(yù)熱時(shí)間的計(jì)算公式如下：

??? t_PH=C_PH·2.6e^6???? s（7）

或

??? C_PH=t_PH·0.385e^－6??? F(8)

5.5? 設(shè)置最大觸發(fā)電流

??? 最大觸發(fā)電流I_IGN由外部電阻R_CS和內(nèi)部1.3V門限共同決定。該門限定義鎮(zhèn)流器的過(guò)流點(diǎn)，觸發(fā)頻率靠近諧振點(diǎn)或燈管觸發(fā)失敗時(shí)，會(huì)超過(guò)這個(gè)門限。最大觸發(fā)電流計(jì)算公式如下：

??? I_IGN=??? A(9)

或

??? R_CS=??? Ω(10)

6? 設(shè)計(jì)實(shí)例

??? 根據(jù)以上公式，按照42W緊湊型電子鎮(zhèn)流器要求，計(jì)算所有元件參數(shù)(具體計(jì)算略)。計(jì)算值向元件標(biāo)稱值靠并通過(guò)實(shí)驗(yàn)做細(xì)調(diào)，元件取值如下：

??? C_T=470pF,R_T=43kΩ,R_PH=68kΩ,

??? C_PH=0.22μF,R_CS=0.61Ω。

這樣，一個(gè)功能完善的鎮(zhèn)流器就設(shè)計(jì)好了。將其安裝并測(cè)試其計(jì)算值，根據(jù)元件的離散性稍加調(diào)整，鎮(zhèn)流器就可在典型狀態(tài)下工作。具體運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表4。

表4? 鎮(zhèn)流器運(yùn)行參數(shù)

7? 典型波形

??? 預(yù)熱時(shí)燈絲電壓波形如圖7所示。預(yù)熱、觸發(fā)和運(yùn)行時(shí)燈電壓波形如圖8所示。

圖7? 預(yù)熱時(shí)燈絲電壓（5V/格）????? 圖8? 預(yù)熱、觸發(fā)和運(yùn)行時(shí)燈電壓（250V/格）

??? 運(yùn)行時(shí)半橋輸出電壓和R_CS上的電壓波形如圖9所示。觸發(fā)失敗時(shí)燈電壓和R_CS上的電壓波形如圖10所示。

上：100V/格下：200mV/格

圖9運(yùn)行時(shí)半橋輸出電壓和Rcs上電壓

上：500V/格下：1V/格

圖10觸發(fā)失敗時(shí)燈電壓和Rcs上電壓

8? 結(jié)語(yǔ)

??? IR2156是一款功能完善、性能穩(wěn)定和成本低廉的電子鎮(zhèn)流器控制集成電路。該IC既可應(yīng)用于直管瑩光燈，也可應(yīng)用于緊湊型節(jié)能燈，其預(yù)熱和故障保護(hù)功能大大提高了燈管和鎮(zhèn)流器的壽命。極具實(shí)用推廣價(jià)值。