用于小型熒光燈的25W迷你型鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)

直到今天,熒光燈仍是一種以最少電能消耗(流明/瓦)產(chǎn)生白光的最廉價(jià)方法。現(xiàn)在,小型熒光燈的每年銷售規(guī)模達(dá)數(shù)億只,而對(duì)熒光燈可靠性的要求也不斷提高。如今的照明系統(tǒng)需要鎮(zhèn)流器控制功能以驅(qū)動(dòng)小型熒光燈,但這樣增加了成本和設(shè)計(jì)時(shí)間,而且這些鎮(zhèn)流器控制功能必須根據(jù)每種不同類型的熒光燈重新調(diào)節(jié)。

因此,設(shè)計(jì)工程師需要集成了所有控制功能的解決方案,以便將更多精力集中在燈管的輸出級(jí)設(shè)計(jì)上,并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。本文介紹如何利用集成了多種控制功能的單片IC來設(shè)計(jì)25W小型熒光燈鎮(zhèn)流器,另外還討論輸出級(jí)設(shè)計(jì)、可編程器件的選擇、原理圖、鎮(zhèn)流器測(cè)量波形,以及仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的比較。

可利用基于標(biāo)準(zhǔn)諧振電路拓?fù)涞暮?jiǎn)化模型來設(shè)計(jì)燈管輸出級(jí)(圖1)。燈管要求在給定的時(shí)間內(nèi)有電流來預(yù)熱燈絲,有高電壓來點(diǎn)亮燈絲,然后開始工作。選擇合適的電感和電容并改變輸入電壓頻率可以滿足這些要求。為預(yù)熱和點(diǎn)亮燈絲,此時(shí)燈管并不導(dǎo)通,電路為電感-電容串聯(lián)形式。燈管點(diǎn)亮后,燈管處于導(dǎo)通狀態(tài),電路成為電感并聯(lián)電阻-電容串的形式。

根據(jù)電路的傳遞函數(shù)可得到燈管預(yù)熱、點(diǎn)亮和正常照明三種狀態(tài)下的輸出級(jí)工作點(diǎn)(圖2)。頻率在確定的預(yù)熱時(shí)間內(nèi)從起始頻率開始平滑下降到最終工作頻率。在頻率下降過程中,燈絲被預(yù)熱,燈管兩端的電壓隨著頻率接近高Q值L-C電路的諧振點(diǎn)而不斷增加。當(dāng)電壓足夠高時(shí),燈管即被點(diǎn)亮,工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移到低Q值L-C曲線。頻率則繼續(xù)下降,最終達(dá)到工作頻率。

圖1：簡(jiǎn)化的燈管輸出級(jí)模型是一個(gè)基本的R-L-C電路。

高Q值串聯(lián)L-C電路的傳遞函數(shù)為：

其中Vin為輸入方波電壓的幅值(V),Vign為燈絲點(diǎn)亮電壓的幅值(V),L等于輸出級(jí)電感(H),C等于輸出級(jí)電容(F),fign為燈管點(diǎn)亮?xí)r的頻率(Hz)。根據(jù)式1得到fign的表達(dá)式：

式2給出了高Q值L-C傳輸曲線上燈管點(diǎn)亮?xí)r的工作點(diǎn)的頻率。需要注意的是,這里采用輸入方波(Vin)的基頻進(jìn)行線性分析。一旦燈管點(diǎn)亮,其電阻不能再被忽略,系統(tǒng)變成具有如下傳遞函數(shù)的低Q值串并聯(lián)R-C-L電路：

從式3可得到低Q值R-L-C傳輸曲線上的工作頻率：

這里R為由熒光燈工作功率和電壓決定的熒光燈電阻。

其中,Prun等于工作功率(瓦),Vrun為燈管的工作電壓(伏)。最后,根據(jù)所用IC的電控制振蕩器(VCO)最大頻率得到高Q值L-C曲線上的起始頻率工作點(diǎn)。

利用這些等式以及熒光燈和鎮(zhèn)流器的參數(shù),可設(shè)計(jì)出熒光燈輸出級(jí)。25W CFL型熒光燈和鎮(zhèn)流器(由230V交流電源供電)的參數(shù)為：Vin=280V, Vign=380V(峰值),Prun=25W,Vrun=175V(峰值),frun=45kHz。

選擇C=6.8nF并利用式4,使L從0.1mH開始逐漸增大直到獲得預(yù)期的工作頻率。確定L和C后,利用式2和式6計(jì)算點(diǎn)亮和起始頻率。所采用的IC為IR2520,其頻率可以從起始頻率掃描到工作頻率(圖3),為保證熒光燈能夠正常點(diǎn)亮,點(diǎn)亮頻率必須大于工作頻率,采用上述設(shè)計(jì)方法可確定電感值為2.3mH。

圖2：這些曲線描述了輸出級(jí)具有不同工作點(diǎn)的傳輸函數(shù)。

鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)25W迷你型鎮(zhèn)流器演示板,并對(duì)之進(jìn)行性能測(cè)試。輸入級(jí)針對(duì)230V交流電源而設(shè)計(jì),利用鎮(zhèn)流器控制IC對(duì)頻率和預(yù)熱時(shí)間進(jìn)行編程,并執(zhí)行頻率掃描和驅(qū)動(dòng)高端和低端半橋MOSFET。該IC也提供熄燈復(fù)位功能及在沖擊失效、非零電壓開/關(guān)、燈絲開路和拆卸燈管時(shí)的保護(hù)功能。

采用上述設(shè)計(jì)方法計(jì)算L、C及燈管輸出級(jí)的頻率,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇可編程IC(圖4)。分別選取電感和電容為2.3mH和6.8nF,將電容、電感值和計(jì)算出的工作頻率值代入下式,計(jì)算可編程IC的輸入?yún)?shù)：

其中,由RFMIN設(shè)置期望的工作頻率(frun),由CVCO ;設(shè)置期望的預(yù)熱/點(diǎn)亮?xí)r(tph ) ,元件RSUPPLY、CVCC 、DCP1 、DCP2 和CSNUB則被用來為IC提供電源電壓。起初,隨著交流電壓的增加,RSUPPLY給電容CVCC 充電,直到電壓升高到等于IC的內(nèi)部導(dǎo)通電壓。在導(dǎo)通前,IC僅汲取數(shù)微安的電流,因此RSUPPLY可以取較高的值以將功耗降到最低。當(dāng)VCC超過IC的內(nèi)部導(dǎo)通電壓時(shí),由柵極驅(qū)動(dòng)的輸出LO和HO開始振蕩,振蕩頻率等于起始頻率,占空比為50%。CSNUB、DCP1 和DCP2 構(gòu)成的電荷泵電源為IC的主電源,它使VCC保持在15.6V的內(nèi)部鉗制電壓水平。電容CSNUB也可在半橋輸出端提供緩沖,以增大上升和下降時(shí)間,從而減少電磁輻射(EMI)。

圖3：IR2520D隨電壓(上圖)和頻率(下圖)變化的燈管控制序列。

電容CDC為振蕩電路提供隔直,以維持熒光燈的交流工作電流和電壓。這可以防止熒光燈內(nèi)汞的遷移,汞遷移會(huì)造成燈管兩端發(fā)黑,縮短燈管壽命。對(duì)試驗(yàn)板進(jìn)行測(cè)試,并將測(cè)試值與預(yù)計(jì)仿真值進(jìn)行比較。在啟動(dòng)和點(diǎn)亮過程中,電壓電流波形為正弦波。

實(shí)測(cè)頻率與預(yù)計(jì)頻率之間的偏差小于5%,而其它類型的燈管和元件配置產(chǎn)生的偏差可達(dá)10%。這樣的偏差在預(yù)料之中,因?yàn)樯鲜鲈O(shè)計(jì)方法忽略了諧波、非線性電阻、燈絲電阻、電感損耗及元件容差。因此需要對(duì)元件進(jìn)行再次篩選。

在采用上述方法構(gòu)建全功能迷你型鎮(zhèn)流器參考設(shè)計(jì)方案的過程中,考慮了溫度、燈管壽命、性能裕量、封裝、布局、可制造性和成本等所有因素。對(duì)于多種不同幾何形狀(流線型和緊湊型)和不同功率(各種功率)的燈管,采用上述方法預(yù)計(jì)燈管的工作點(diǎn)得到了良好結(jié)果。

這個(gè)設(shè)計(jì)方法不僅可以顯著縮短針對(duì)市面上不同類型的燈管設(shè)計(jì)鎮(zhèn)流器的時(shí)間,它還是一個(gè)優(yōu)化鎮(zhèn)流器尺寸和成本的有效工具。此外,該方法還有助于減少鎮(zhèn)流器產(chǎn)品系列的數(shù)量,從而提高可制造性。

圖4：輸入為交流230V的25W迷你型鎮(zhèn)流器演示板電路圖。