高功率因數(shù)、高效率電子鎮(zhèn)流器控制器ML4831原理分析

高功率因數(shù)、高效率電子鎮(zhèn)流器控制器ML4831原理分析

摘要：ML4831是美國Micro Linear半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的高集成度電子鎮(zhèn)流器控制器。本文介紹這種電路的基本工作原理、特點(diǎn)及典型應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：功率因數(shù)控制（PFC）；鎮(zhèn)流器；過壓保護(hù)（OVP）

　

1. 概述

　　ML4831是一種亮度可調(diào)的高功率因數(shù)、高效率電子鎮(zhèn)流器控制器。它主要由功率因數(shù)控制器、振蕩器、預(yù)熱關(guān)斷時(shí)序、控制選通邏輯、輸出驅(qū)動器及過壓、過熱保護(hù)等部分組成（參見圖1）。重新啟動和燈管再輸出由外部時(shí)序控制，并且考慮到對不同燈管特性的綜合控制，鎮(zhèn)流器控制裝置可通過頻率調(diào)制（FM）來調(diào)整燈管的功率，通過補(bǔ)償編程調(diào)整燈管的功率，通過補(bǔ)償編程來調(diào)整壓控振蕩器（VCO）的工作頻率。這些功能集成在一塊芯片上，它可以在不同的場合下使用。

　　芯片的主要特點(diǎn)如下：
　　●功率因數(shù)校正和功率調(diào)節(jié)功能由一塊集成電路完成。
　　●低失真，高效率，連續(xù)升壓，平均電流檢測功率因數(shù)。
　　●快速啟動或瞬時(shí)啟動，啟動時(shí)間可調(diào)。
　　●燈管電流反饋控制亮度。
　　●變頻調(diào)光和啟動。
　　●燈管熄滅情況下，可調(diào)再啟動，以避免鎮(zhèn)流器發(fā)熱。
　　●內(nèi)部超溫關(guān)斷保護(hù)代替了外部傳感保護(hù)，保證了設(shè)備的安全。
　　●PFC中過壓比較器可以消除因負(fù)載開路引起的失控。
　　●采用大幅度振蕩器和標(biāo)準(zhǔn)電流乘法器，提高了抗噪力。

2.　引腳功能

　　ML4831采用雙列直插18引腳封裝，引腳排列如圖2所示。各引腳功能說明如下：
　　●EA　OUT：PC誤差放大器輸出和校正端。
　　●IA　OUT：PFC平均電流互導(dǎo)放大器的輸出和調(diào)整節(jié)點(diǎn)。
　　●I（SINE）：PFC電流乘法器輸入。
　　●IA+：PFC平均電流互導(dǎo)放大器同相輸入和PFC逐周限流比較器峰值電流檢測點(diǎn)。
　　●LAMP　F.B：燈管起弧電流取樣(或調(diào)節(jié))誤差放大器的反相輸入端，也是亮度控制輸入節(jié)點(diǎn)。
●LFB OUT：燈管電流誤差跨導(dǎo)放大器輸出。
●R(SET)：外接電阻，它設(shè)定振蕩器的最高頻率Fmax和R(X)/C(x)充電電流。
●INTERRUPT：用于燈管的熄滅檢測和再起動。當(dāng)該腳的時(shí)間間隔后再起動。
●R(X)/C(X)：預(yù)熱定時(shí)，亮度鎖定和中斷。
●GND：地
●P GND：芯片功率接地端。
●OUT B：鎮(zhèn)流器的MOSFET驅(qū)動輸出端B。
●OUT A：鎮(zhèn)流器的MOSFET驅(qū)動輸出端A。
●PFC OUT：PFC MOSFET驅(qū)動輸出端。
●VCC：芯片正電源。
●VREF：7.5V參考電壓緩沖輸出端。
●EA_/OVP：PFC誤差放大器反相輸入和OVP比較器輸入端。

3. 主要參數(shù)

●電源ICC：75mA
●輸出電流。流入或流出13、14、15腳的直流電流：250mA
●3腳的乘法器輸入I(SINE)：10mA
●引腳5、9、18輸入電壓：0.3VCC～-2V；
●引腳4輸入電壓：-3～+2V；
●引腳1、6最大過載電壓：-0.3～+7.7V；
●引腳1、2、3最大過載電流：±20mA；
●引腳2最大過載電壓：-0.3～+6V；
●工作溫度范圍：-65～+150℃

4. ML4831主要單元功能介紹

圖1為ML4831的內(nèi)部原理框圖，其中幾個(gè)主要單元的功能如下：
4.1 功率因數(shù)部分
ML4831中的功率因數(shù)修正電路采用平均電流檢測升壓型功率因數(shù)控制電路。該電路的工作原理可參考有關(guān)資料。
4.2 乘法器
ML4831的乘法器是一個(gè)線性電流輸入的乘法器，是功率因數(shù)控制器的一個(gè)部分。它對大功率轉(zhuǎn)換引起的干擾有很強(qiáng)的抑制能力。輸入正弦波電壓經(jīng)整流后的直流電壓，通過降壓電阻轉(zhuǎn)換成電流，這樣，很小的接地噪聲在PWM(脈寬調(diào)制)比較器的基準(zhǔn)上產(chǎn)生微小。乘法器的輸出電壓加在電流放大器正相輸入端，形成電流誤差放大器的基準(zhǔn)。其傎按下式計(jì)算。
VMUL≈[I(SINE)×(VEA-1.1V)]/4.17mA
其中，I(SINE)為降壓電阻上的電流；VEA為誤差放大器的輸出電壓。乘法器的最高輸出電壓為1V。
4.3 平均電流和輸出電壓的穩(wěn)定
PFC控制部分的脈寬調(diào)制器(PWM)可抑制乘法器輸出引起的正電壓干擾和接在4腳的電流取樣電阻上的負(fù)電壓干擾和接在4腳的電流取樣電阻上的負(fù)電壓干擾。逐周限流用于高速電流瞬變時(shí)，保護(hù)MOSFET。當(dāng)管腳4的電壓低于-1V時(shí)，脈寬調(diào)制器的周期終止。
4.4 過壓保護(hù)(OVP)
過壓保護(hù)(OVP)用于負(fù)載突變(燈管損壞開路)時(shí)避免電源電路承受過高的電壓。直流高壓經(jīng)分壓后過壓保護(hù)值。當(dāng)18腳的電壓高于2.75V時(shí)，PFC晶體管關(guān)斷，而鎮(zhèn)流器將繼續(xù)工作。過壓保護(hù)值必須設(shè)置在既能使電源部分安全運(yùn)行，又不能過低而影響升校正回路。

4.5 振蕩器

振蕩器控制原理如圖3所示。振蕩器的振蕩頻率范圍由LFB(燈管反饋)放大器輸出(6腳)控制。當(dāng)燈管電流減小時(shí)，6腳電壓升高，控制信號增大，電容C(T)充電電流減小，從而使振蕩頻率降低。由于鎮(zhèn)流器輸出網(wǎng)絡(luò)衰減較高的頻率，因此燈管功率提高。

4.6 欠壓封鎖和超溫關(guān)斷

集成電路(IC)內(nèi)部包含一個(gè)并聯(lián)調(diào)節(jié)，它能將電壓VCC限制在13.5V(VCCZ)。IC需要很小的電源電流，這個(gè)電流主要由鎮(zhèn)流變壓器的輔助組供給。當(dāng)VCC低于VCCZ-0.7V時(shí)，IC的靜態(tài)工作電流低于1.7mA，此時(shí)輸出關(guān)斷。這里，IC可由交流市電整流后通過降壓電阻直接供電。圖4為欠壓封鎖及電源電流波形圖。
為了降低成本，ML4831內(nèi)含有一個(gè)溫度傳感器，當(dāng)IC的結(jié)溫高于12℃時(shí)，鎮(zhèn)流器將停止工作。為使內(nèi)部傳感器安全代替外部傳感器，必須將IC設(shè)置在鎮(zhèn)流器中的適當(dāng)位置，以確保準(zhǔn)確地檢測鎮(zhèn)流器的溫度。ML4831芯片的溫度(Tj)可由下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：
(Tj)=TA+PD×65℃/W
其中，TA為環(huán)境溫度；PD為芯片的耗散功率。

4.7 起動、重新啟動、預(yù)熱和關(guān)斷

采用ML4831后，日光燈啟動不影響燈管壽命，并且在日光燈熄滅時(shí)鎮(zhèn)流器產(chǎn)生的熱量很小。
日光燈預(yù)熱和中斷定時(shí)器電路如圖5。C(X)以電流IR(set)/4譯電，然后通過R(X)放電。C(X)兩端的初始電壓為0.7V(VBE)，由0.7V上升到3.4V所需的時(shí)間為燈絲預(yù)熱時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)，振蕩器的充電電流(ICHG)為2.5V/R(set)。這將為燈絲預(yù)熱產(chǎn)生一個(gè)高電流，但又不會產(chǎn)生使燈管起動的高壓。
陰極燈絲預(yù)熱以后，逆變器的頻率降低到Fmin，并產(chǎn)生一個(gè)高電壓來啟動燈管。燈管啟動后，兩商電壓不再降低。加到9腳的燈管反饋電壓上升到高于參考電壓Vref時(shí)，C(X)的充電電流中斷并且逆變器封鎖。此時(shí)，C(X)通過R(X)放電，一直到C(X)兩端電壓下降到門限值1.2V時(shí)，逆變器又開始工作。用這種方式關(guān)斷逆變器，可以防止逆變器產(chǎn)生過大的熱量。
選擇較大阻值的R(X)可以使預(yù)熱時(shí)間足夠長。在C(X)兩端電壓達(dá)到6.8V門限值以前，LFB OUT對于振蕩器不起作用，所以，全部功率加到燈管上。然后調(diào)節(jié)亮度，C(X)兩端電壓被箝位在7.5V。
各種狀態(tài)下逆變器工作頻率如右表所列。

5. 典型應(yīng)用

圖6是一個(gè)采用ML4831實(shí)現(xiàn)的高功率因數(shù)，高效率日光燈鎮(zhèn)流器原理電路。輸入交流電壓(120V)經(jīng)整流后獲得直流高壓。通過開關(guān)管Q2、Q3和開關(guān)變壓器T2B、C1、C2獲得三組輸出，可啟動控制三路日光(熒光)燈，且亮度可調(diào)。由R16～R19，D10，D11、C16、C17構(gòu)成整流取樣電路，將燈管的反饋信號及亮度控制電壓送到芯片的5腳，通過控制13、14腳輸出脈沖頻率，以實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)及自動穩(wěn)定控制。Q2、Q3交替導(dǎo)通，Q3起續(xù)流作用，從而提高電源效率。
由R1及D10、D11組成主回路電流取樣電路，取樣電流信號加到芯片4腳作為PFC輸入信號。R12、R13及D19～D22組成過壓保護(hù)取樣電路，取樣信號加到芯片18腳。通過15腳輸出驅(qū)動Q1，以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正和過壓保護(hù)。功率因數(shù)校正電路主要由Q1、L3、C7、D7組成。
附圖6元件參數(shù)：

C1、13、33：0.22μF、50V、10%；
C2、3：3.3nF、125VAC、10%；
C4：0.33μF、250VAC；
C28：2.2nF、50V、10%；
C6：47μF、25V、10%；
C9：10nF、25V、10%；
C7：120μF、250V、20%；
C10、5：1.5nF、50V、2.5%；
C11、16：0.0047μF、50V、10%；
C12、20：220pF、2kV、10%；
C14：0.068μF、160V、5%；
C15：4.7μF、50V、20%；
C17：2.2nF、50V、2%；
C18：0.22μF、63V、10%；
C19：0.068μF、250V、5%；
C21：6.8nF、630V、5%；
C22：22nF、630V、5%；
C23：330pF、50V、10%；
C26：0.1μF、250V、5%；
C29：1μF、25V、10%；
C30：0.1μF、25V、10%；
C32：4.7nF、25V、10%；
R1：0.5Ω、5%、1W；
R2：36kΩ、1/2W、5%；
R3：33Ω、1/4W、5%；
R4：360kΩ、1/4W、5%；
R5：17.8kΩ、1/4W、1%；
R6：35.7kΩ、1/4；
R7：110kΩ、1/4W、1%；
R8：51.1kΩ、1/4W、1%；
R9：1.96kΩ 、1/4W、1%；
R10：681kΩ、1/4W、5%；
R12：5.49kΩ、1/4W、1%；
R16：100kΩ、1/4W、1%；
R17：412kΩ、1/4W、1%；
R28：100kΩ、1/4W、5%；
R19：9.09kΩ、1/4W、1%；
R21、22：22Ω、1/4W、1%；
R23：475kΩ、1/4W、1%；
R27：100Ω、1/4W；
R29：100kΩ；
R30：12kΩ、1/4W、5%；
R31：4.3kΩ、1/4W、1%；
D1-4：1A、600V；
D19-22：1A、600V、快速二極管；
D6：20V、5%、1W；
D7：3A、400V、快速二極管；
D10-13：0.1A、75V；
D15、18：0.1A、75V；
D16、17：1A、50V；
Q1-3：5.5A、400V；
T1：電感20mH，抽頭1、4間150匝；抽頭2、3間75匝。
T2A：電感3.87mH，抽頭1、3間200匝，抽頭5、6間200匝。
T2B：電感1.66mH，抽頭1、2間200匝，抽頭5、6間3匝，抽頭7、8間3匝。
L3：電感1mH，抽頭1、4間195匝。
T4：電感1.38mH，抽頭1、3間190匝，抽頭4、6間70匝。
L1、L2電感600μH，直流電阻0.45Ω。
F1：2A。