- 可調(diào)光節(jié)能燈電子鎮(zhèn)流器設(shè)計
- 高壓隔離結(jié)IC技術(shù)在電子鎮(zhèn)流器中的應(yīng)用
- 智能功率技術(shù)的熒光燈驅(qū)動電路技術(shù)
- 使高端及低端的驅(qū)動功能融合于單一芯片內(nèi)
- 標(biāo)準(zhǔn)555時基電路與高端和低端半橋驅(qū)動器結(jié)合在一起
- 采用固定頻率半橋拓?fù)潋?qū)動線性熒光燈管
由上述可知，其中照明系統(tǒng)鎮(zhèn)流器應(yīng)用是關(guān)系到節(jié)能是否有效的重要部件。為此，本文將對應(yīng)用新型電子與熒光燈鎮(zhèn)流器控制技術(shù)與應(yīng)用作說明。
勢在必行的新型可調(diào)光節(jié)能燈電子鎮(zhèn)流器設(shè)計
目前隨著能源問題日益嚴(yán)重，調(diào)光技術(shù)在照明的應(yīng)用中得到了越來越廣泛的關(guān)注。目前大多數(shù)調(diào)光器以可控硅為主，這種調(diào)光器在純阻性負(fù)載(如白熾燈)時能很穩(wěn)定地工作，因?yàn)榭煽毓杩梢栽谡也ǖ娜我恻c(diǎn)被觸發(fā)導(dǎo)通直到正弦電壓接近零的時候關(guān)斷。在這樣的系統(tǒng)中，白熾燈可以很平滑地實(shí)現(xiàn)從幾乎是0到100％的調(diào)光。而節(jié)能燈由于其發(fā)光效率高、無頻閃等優(yōu)點(diǎn)在很多場合早已替代白熾燈。但是由于節(jié)能燈的負(fù)載特性，在應(yīng)用于調(diào)光系統(tǒng)時就需要對其電路進(jìn)行調(diào)整。于是新型可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器應(yīng)運(yùn)而生。
1應(yīng)用微控制器芯片為核心構(gòu)建的新型電子照明鎮(zhèn)流器
為提高照明系統(tǒng)的能(源)效(率)、降低系統(tǒng)復(fù)雜度和成本，應(yīng)用MC68HC908LB8微控制器芯片(8位)為核心構(gòu)建的數(shù)控電子照明鎮(zhèn)流器(見圖1所示)是比較理想的解決方案。由于MC68Hc908LB8嵌入了PFC控制電路和高精度PWM(HRP)模塊，為照明電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)提供PFC控制和連續(xù)穩(wěn)定可調(diào)光控制。MC68HC908LB8還支持?jǐn)?shù)字可尋址照明接口(DALI)協(xié)議，從而為大型照明系統(tǒng)智能化的實(shí)現(xiàn)提供有效支持。數(shù)控可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)采用MC68HC908LB8時，能使元件數(shù)量減少50％。
MC68HC908LB8芯片特征：基于Freescale的HC08CPU內(nèi)核，PFC／PWM(用于升壓拓?fù)銹FC)控制，具有8KB閃存，128字節(jié)RAM，7通道8位ADC，16位定時器以及看門狗，其接口最多達(dá)18個；具有2通道精確半橋控制，功率因素推挽拓?fù)淇刂坪瓦\(yùn)算放大器/模擬比較與內(nèi)部時鐘，以及用于鍵盤中斷的I／0為7個鍵盤中斷模塊。
2基于L6574芯片應(yīng)用的調(diào)光技術(shù)
L6574芯片是意法半導(dǎo)體公司的高性能鎮(zhèn)流器驅(qū)動器,被設(shè)計為離線式600V雙極-互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體，是電子節(jié)能燈鎮(zhèn)流器半橋型轉(zhuǎn)換器。為了更好地調(diào)光，除了加入PFC電路之外，還加入了L6574芯片的采樣及控制電路，圖2為L6574芯片的應(yīng)用調(diào)光控制示意圖。
通過采樣燈電流以及調(diào)光器后面的輸入電壓的平均值，經(jīng)過一定的比例調(diào)整后利用L6574內(nèi)的誤差放大器對開關(guān)S1／S2的頻率進(jìn)行調(diào)整，從而使諧振電路的阻抗變化對燈進(jìn)行調(diào)光。
另外通過調(diào)節(jié)調(diào)光器，鎮(zhèn)流器的輸入電壓會下降，從而使電容C1上的母線電壓降低，同樣可以實(shí)現(xiàn)調(diào)光的作用。因此，這是調(diào)壓、調(diào)頻雙重作用下的調(diào)光，可以使調(diào)光更加平滑，穩(wěn)定。
使用新型可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器的節(jié)能燈，可以直接替代白熾燈，很好地配合傳統(tǒng)調(diào)光器一起使用。20％～100％的調(diào)光范圍使它在節(jié)能方面發(fā)揮很大的優(yōu)勢。
新型的調(diào)光螢光燈鎮(zhèn)流器控制IC的應(yīng)用
IRS2530D和IRS2158D為600V控制IC。IRS2530DDIM8是一種采用緊湊型8管腳尺寸半橋式驅(qū)動器的線性調(diào)光鎮(zhèn)流器控制IC。它只需要幾個小型外部元件，顯著地簡化和縮小了電路設(shè)計，同時可實(shí)現(xiàn)10％的調(diào)光系統(tǒng)性能。圖3(a)為引腳功能示意圖。[page]
從圖3(a)可知，IRS2530D為8引腳控制IC，采用IR的專利鎮(zhèn)流器和高壓技術(shù)。一個高壓管腳可檢測半橋電流和電壓，以實(shí)現(xiàn)必要的鎮(zhèn)流器保護(hù)功能；DC調(diào)光輸入電壓基準(zhǔn)與AC燈電流反饋相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)單管腳調(diào)光；IRS2530D還具有內(nèi)部非零電壓切換保護(hù)和內(nèi)部振幅因數(shù)保護(hù)，防止燈泡故障損壞鎮(zhèn)流器。圖3(b)為IRS2530D與節(jié)能燈連接應(yīng)用的示意圖。
而IRSS2158D是16管腳熒光燈調(diào)光鎮(zhèn)流器控制IC，適用于需要調(diào)光性能低于10％的高端應(yīng)用。IRS2158D是一個完全集成、充分保護(hù)的600V鎮(zhèn)流器控制IC，適用于驅(qū)動各種熒光燈。該器件具有全面的保護(hù)功能，包括可編程半橋過流保護(hù)、可編程預(yù)熱和運(yùn)行頻率、可編程預(yù)熱時間和死區(qū)時間、閉環(huán)半橋點(diǎn)火電流調(diào)整、可編程報廢保護(hù)、欠壓保護(hù)和調(diào)光低輸入補(bǔ)償運(yùn)算放大器和電流或功率控制。此外，新器件還具有報廢范圍比較器管腳和內(nèi)部事件電流檢測上／下故障計數(shù)器，以滿足T5燈泡和多燈泡鎮(zhèn)流器的需要。
盡管節(jié)能燈(CFL)在總市場中的比例仍然不及白熾燈的1／3，但其處在不斷增長的態(tài)勢，而白熾燈則不斷下降。在節(jié)能燈的市場中，無調(diào)光的CFL受到越來越大的限制，而可調(diào)光的CFL能夠進(jìn)—步節(jié)能30％。但因其生產(chǎn)難度大、成本高，市場推廣速度也比較緩慢。而IR的新型的節(jié)能燈調(diào)光鎮(zhèn)流器控制lCIR2530D和IR2518D能夠以更簡單、更低的成本和更高的可靠性能加快可調(diào)光CFL的市場發(fā)展速度。
高壓隔離結(jié)IC技術(shù)在電子鎮(zhèn)流器中的應(yīng)用
節(jié)能產(chǎn)品應(yīng)用的關(guān)鍵在于成本和可靠性，而這些控制IC推動了高壓隔離結(jié)技術(shù)的應(yīng)用以滿足這兩個要求。如今己普遍將控制IC-高壓隔離結(jié)技術(shù)應(yīng)用到鎮(zhèn)流器中，生產(chǎn)出了具有競爭性、高性能和高度可靠的產(chǎn)品。
⑴ 高壓隔離結(jié)IC技術(shù)的特征
使高端及低端的驅(qū)動功能融合于單一芯片內(nèi)，以控制多種開關(guān)轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一是廣泛應(yīng)用在電子鎮(zhèn)流器中的半橋結(jié)構(gòu)，使得該技術(shù)非常適合于電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)業(yè)。
⑵高壓隔離結(jié)IC技術(shù)在螢光燈照明中的應(yīng)用舉例
①ICIR2153把標(biāo)準(zhǔn)555時基電路與高端和低端半橋驅(qū)動器結(jié)合在一起。這個IC與高壓MOSFET一起,很快被照明技術(shù)采用，并成為電子鎮(zhèn)流器的一個標(biāo)準(zhǔn)控制器,可以作為未來照明設(shè)備控制IC發(fā)展的基礎(chǔ)。由于IR2153被廣泛應(yīng)用并作改進(jìn)成為IRS2153D，其頂部更加堅(jiān)實(shí)耐用，且集成了必要的自舉二極管。
②IR2156和IR2166控制IC是在IR2153基礎(chǔ)上改進(jìn)的鎮(zhèn)流器技術(shù)。它集成了另外的功能到IR2153中，這些是更加完善控制螢光燈的要求。它們包括最大化燈壽命和提高鎮(zhèn)流器可靠性所必需的預(yù)加熱和故障保護(hù)功能。IR2166進(jìn)一步改進(jìn)，并集成了有源功率因素校正(PFC)控制，與鎮(zhèn)流器控制一起實(shí)現(xiàn)整個鎮(zhèn)流器的單芯片解決方案。因?yàn)閷τ诠β始墑e在25W以上，PFC在歐洲是強(qiáng)制的，世界的其他地方正在跟隨同樣的趨向。
IR2166在同一個IC中包括二個分開的振蕩器,一個用于控制鎮(zhèn)流器輸入，而另一個用于控制燈。并且為了滿足T5螢光燈的新要求，IR2166設(shè)有壽命終期(EOL)引腳以探測燈在接近壽命末期時發(fā)生的過壓，在這些高電壓產(chǎn)生損害之前安全地關(guān)閉鎮(zhèn)流器。
現(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)是通過設(shè)計控制光源的新IC將它們擴(kuò)展到其他照明市場部分。
智能功率技術(shù)的熒光燈驅(qū)動電路技術(shù)
它是采用固定頻率(高達(dá)200kHz左右)半橋拓?fù)潋?qū)動線性熒光燈管的解決方案。該方案采用了系統(tǒng)芯片的方法：在同一個芯片VK06T上集成控制部分、保護(hù)電路和功率級。由于采用這種單片電路的方法，系統(tǒng)可靠性得到了提高，此外，系統(tǒng)集成和小型封裝還實(shí)現(xiàn)了更小型化。
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1技術(shù)特征
VK06TL驅(qū)動電路芯片應(yīng)用智能功率VIPovverM3-3制造技術(shù),允許在同一芯片VK06TL上集成控制部分和功率級。功率級是一個“發(fā)射極開關(guān)”，這個“發(fā)射極開關(guān)”通過在一個共射-共基放大器結(jié)構(gòu)中放置一個雙極高壓達(dá)林頓晶體管和一個低壓MOS場效應(yīng)晶體管制成的。因此，這個方案實(shí)現(xiàn)了雙極器件的低壓降與斷態(tài)時高擊穿電壓之間的平衡，以及MOS場效應(yīng)晶體管的開關(guān)速度快的特性。因此，這個“發(fā)射極開關(guān)”結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)一個很高的頻率(200kHz左右)。
2VK06TL芯片應(yīng)用于熒光燈鎮(zhèn)流驅(qū)動器
圖4為應(yīng)用VK06TL驅(qū)動電路的一個熒光燈慎流器專用的驅(qū)動器,即半橋變換器設(shè)計方案圖。
在圖4的半橋變換器中，VK06TL被指定用于上橋臂和下橋臂。因?yàn)椴捎脙蓚€VK06TL，幾乎無需外部器件，只用兩個二次繞組就可以導(dǎo)通一次側(cè)扼流圈。所以，該熒光燈鎮(zhèn)流器專用驅(qū)動器是一個效率極高而成本極低的熒光燈變換器。
這個變換器能夠恰當(dāng)?shù)毓芾硪粋€高端熒光燈應(yīng)用全部必備的工作條件，即啟動、預(yù)熱頻率和時長控制、點(diǎn)火和穩(wěn)態(tài)階段。這個半橋可以實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)(EOL：燈管壽命終止)、整流效應(yīng)保護(hù)和過溫保護(hù)，從而創(chuàng)造一個全保護(hù)系統(tǒng)。
芯片的控制級和功率級都是由Vcc引腳供電，Vcc引腳通過一個電阻電容(RC)網(wǎng)絡(luò)與直流總線相連。在啟動階段，電容通過一個高阻值的電阻器充電，因此，只需幾百μA。由于功率雙極晶體管基極電流是在通過"Vcc充電網(wǎng)絡(luò)”連接Vcc引腳的電容上恢復(fù)的，因此，在工作階段，器件是自己給自己供電。VK06TL這項(xiàng)特殊功能允許使用功耗更小的電阻器，而且上電橋臂電源無需充電泵。還必須從連接次級繞組的SEC引腳觸發(fā)、接通這個器件。
需要指出的是，這個單片方法無需外部電阻器和連接器就實(shí)現(xiàn)了功率級電流檢測。此外，如上文所述，只需一個單片器件就可以集成一個溫度保護(hù)電路。
CCFL控制器在為LCD電視背光照明提供光源中的應(yīng)用
液晶顯示器LCD正在成為非常流行的顯示技術(shù)被用于電視(TV)中。LCD面板實(shí)際上是電子控制的光閥,需要靠背光源產(chǎn)生可視的圖像。大型LCD面板(如LCD電視)背光照明通常是用需CCFL(冷陰極熒光燈)提供光源，而其他照明技術(shù)，例如發(fā)光二極管(LED)，也受到一定的重視，但由于成本過高，限制了它的應(yīng)用。為此就有驅(qū)動和控制多個CCFL設(shè)計方案的問題。在聚焦于LCD電視應(yīng)用中，為驅(qū)動多個CCFL時所面對的設(shè)計挑戰(zhàn)就是挑選最佳的驅(qū)動架構(gòu)和多燈驅(qū)動，以及燈頻及突發(fā)調(diào)光頻率的精密度控制。
1應(yīng)對冷陰極熒光燈(CCFL)理念介紹
冷陰極熒光燈(CCFL)是一種長而細(xì)的密封玻璃管，內(nèi)充惰性氣體(圖5)。
當(dāng)給燈管施加高壓時，氣體被電離，產(chǎn)生紫外線(UV)。紫外線打到內(nèi)壁涂敷的熒光材料上使其激發(fā)，發(fā)出可見光。CCFL有許多優(yōu)點(diǎn)，包括：優(yōu)良的白光源；低成本；高效率(光輸出與輸入電功率之比)；長壽命(>25kh)；穩(wěn)定、確定的工作狀態(tài)；容易調(diào)節(jié)亮度；重量輕。
然而，這些特性帶來了一些特殊的設(shè)計挑戰(zhàn)。例如，為了最大化燈管的壽命，需要采用交流波形驅(qū)動CCFL。任何直流成分會使一部分氣體聚集在燈管的一端，造成不可逆轉(zhuǎn)的光梯度，使燈管的一端比另一端更亮。還有，為了最大化其效率(光輸出與輸入電功率之比)，需要用接近正弦的波形驅(qū)動燈管。為此，CCFL通常需要一個直流-交流逆變器來將直流電源電壓變成40kHz至80kHz的交流波形，工作電壓通常在500VRMS至1000VRMS。
2面對驅(qū)動多個CCFL時設(shè)計挑戰(zhàn)的關(guān)鍵
僅從節(jié)能的角度對應(yīng)用CCFL控制器(直流-交流逆變器)的最佳方案分析
⑴ 挑選推挽架構(gòu)作為最佳的驅(qū)動架構(gòu)
之所以考慮推挽驅(qū)動器，因它有很多好處。這種架構(gòu)只用到n溝道MOSFET(見圖6（a）所示)，這有利于降低成本和增加逆變器效率。它很容易適應(yīng)較高的逆變器直流電源電壓。采用更高的逆變器直流電源電壓時,只需選擇具有合適的漏-源擊穿電壓的MOSFET即可。不管逆變器的直流電源電壓如何，都可采用同樣的CCFL控制器。但采用n溝道MOSFET的全橋和半橋架構(gòu)就無法做到這一點(diǎn)。對于LCD電視非常理想，因?yàn)殡娨曋械哪孀兤髦绷麟娫措妷和ǔ环€(wěn)定在±20％。
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圖6（a）推挽驅(qū)動器應(yīng)用示意圖；
(b)用一個多通道控制器控制多個燈示意圖；
(c)DS3984/DS3988單獨(dú)驅(qū)動和監(jiān)視每個燈，為LCD電視和PC監(jiān)視器提供均勻亮度示意圖CCFL已在筆記本PC、數(shù)碼相機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)以及其他具有較小LCD屏的設(shè)備中使用多年。這些類型的設(shè)備通常只用一個CCFL，因此，傳統(tǒng)設(shè)計只用一個CCFL控制器。隨著大尺寸LCD面板的出現(xiàn)，帶來了對于多CCFL的需求，有必要采用新的方式來應(yīng)對這種新的需求。為LCD面板提供照明的理想方案是采用多通道CCFL控制器，它的每個通道獨(dú)立驅(qū)動和監(jiān)視每個燈，見圖6(b)。
這種多通道CCFL控制器既解決了亮度不均勻和單燈失效問題，降低了去耦要求，而且還具有高成本效益。
⑵解決LCD電視背光的挑戰(zhàn)
圖6(c)為用DS3984(4通道)和DS3988(8通道)CCFL控制器既解決了本文所提到的所有這些設(shè)計挑戰(zhàn)?？蓪⑦@些器件配置為每個通道驅(qū)動一個燈，或者每通道多個燈，用戶可靈活裁減設(shè)計，以滿足自己的性價比目標(biāo)。多個DS3984／DS3988可輕松級聯(lián)，以支持任意數(shù)量的燈，來為LCD電視屏提供背光照明。
DS3984／DS3988采用推挽驅(qū)動架構(gòu)，可使用更低成本、更高效率的n溝道MOSFET。逆變器直流電源也可采用更高的電壓。單獨(dú)的燈控制和監(jiān)視可提供均勻的亮度，并減少了逆變器的元件總量。采用單獨(dú)的燈控制時，如果某一個燈失效，那只會使這個失效的燈停止工作，其他燈繼續(xù)工作，不受影響。片上振蕩器產(chǎn)生的燈頻和突發(fā)調(diào)光頻率被嚴(yán)格規(guī)范于±5％的精密度水平，消除了對于顯示圖像的影響，并且也可被同步至外部時鐘源。
3新型高效移相全橋CCFL控制器與應(yīng)用
高效移相全橋CCFL控制器主要特點(diǎn)：輸入電壓范圍：8V至30V；集成了門驅(qū)動的全橋技術(shù)，用于4-NMOS轉(zhuǎn)換；同步恒定工作頻率；可編程相位延遲用于控制從操作的運(yùn)行頻率；光—電壓穩(wěn)壓以及光—電流穩(wěn)流；模擬調(diào)光及脈沖調(diào)光；多控制器件下的可調(diào)節(jié)分置式脈沖調(diào)光；啟動或出錯狀態(tài)下可程序化的校正電壓時長；開燈保護(hù)和短路保護(hù)；內(nèi)置高溫保護(hù)與低電壓鎖定模式；封裝模式為30引腳TSSOP封裝.。TPS68000高效移相全橋CCFL控制器單燈應(yīng)用圖見圖7所示。
TPS68000高效移相全橋CCFL控制器除了在LCD電視的CCFL背光電源上應(yīng)用外，還可在桌面監(jiān)視器和筆記本電腦的CCFL背光電源供應(yīng)上應(yīng)用。
如今熒光燈鎮(zhèn)流器設(shè)計正在向全電子化照明系統(tǒng)轉(zhuǎn)化，日益成熟的電子鎮(zhèn)流器技術(shù)現(xiàn)在能以更低的系統(tǒng)成本提供更好的性能。上述介紹的控制集成電路便是最新一代電子鎮(zhèn)流器控制集成電路的代表。磁性鎮(zhèn)流器會產(chǎn)生可聞噪音，因?yàn)樗褂貌僮饔?0Hz的鐵芯電磁元件。設(shè)計優(yōu)秀的高頻電子鎮(zhèn)流器能夠彌補(bǔ)磁性鎮(zhèn)流器不足，它的性能優(yōu)點(diǎn)包括：無閃爍照明與無可聞噪音，方便地增加功率因數(shù)校正。電子鎮(zhèn)流器將60Hz電源轉(zhuǎn)換成高頻，因此，它將電燈閃爍降低到人感受不到的水平；高頻產(chǎn)生更少的熱，效率也更高，不會發(fā)出可聞的交流哼聲。
