基于UBA2211的高效CFL驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)的白熾燈相比，緊湊型熒光具有發(fā)光效率高、節(jié)能效果好、壽命長(zhǎng)、體積小和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。而在市場(chǎng)方面，緊湊型熒光更是具有廣闊的前景。根據(jù)Datapoint Research研究機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，全球有20%-25%的電力用于照明，到2012年，全球節(jié)能燈泡的銷(xiāo)量將超過(guò)50億只。同時(shí)中國(guó)發(fā)改委已經(jīng)出臺(tái)相關(guān)的政策，預(yù)計(jì)將在10年內(nèi)禁用(禁售)白熾燈。隨著白熾燈逐漸退出照明市場(chǎng)，人們急需一種新的節(jié)能照明方案來(lái)滿足消費(fèi)者的各項(xiàng)要求，在這種形勢(shì)下，CFL和LED必將開(kāi)創(chuàng)一個(gè)新的照明時(shí)代。不過(guò)，對(duì)于普通消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，受其成本和壽命等方面的影響，LED在短時(shí)間內(nèi)還無(wú)法廣泛普及。在巨大的市場(chǎng)需求下，可以預(yù)計(jì)，CFL將會(huì)成為當(dāng)下照明市場(chǎng)的主宰。

但如何才能讓熒光燈的優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮到極致，這就引出了電子鎮(zhèn)流器的概念。早期的CFL電子鎮(zhèn)流器多采用變壓器和晶體管等分離元件組成，這種驅(qū)動(dòng)方式存在諸多缺點(diǎn)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)IC逐漸興起。本文以恩智浦半導(dǎo)體(NXP)的不可調(diào)光驅(qū)動(dòng)IC UBA2211為例，介紹了CFL驅(qū)動(dòng)IC的工作原理、電路設(shè)計(jì)，并給出了測(cè)試結(jié)果。

CFL驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

UBA2211組成的CFL典型驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示，鎮(zhèn)流器輸入電壓為交流220V，輸入功率12W。

圖1：基于UBA2211的18W CFL驅(qū)動(dòng)電路。

整個(gè)系統(tǒng)由整流濾波電路、控制電路和燈諧振電路三部分組成。

整流濾波電路由四個(gè)二極管1N4007、CBUF和LFILT組成，它能將220V交流輸入整流濾波為310V左右的DC電壓。輸入端的RFUSE為浪涌抑制電阻，主要用于抑制啟動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的浪涌電流?？刂齐娐酚蒛BA2211組成，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)燈絲的預(yù)熱、點(diǎn)火和穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電流的控制。諧振電路由CLA和LLA組成，主要為燈絲點(diǎn)火提供高壓脈沖。

1．芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

UBA2211是整個(gè)電路的核心器件，為便于后文的分析，本文首先對(duì)UBA2211的一些結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的介紹。UBA2211是一款CFL專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)IC，它采用雙列直插封裝(DIP8)和14腳塑料小型封裝(SO14)兩種封裝。芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)如圖2所示。

2．啟動(dòng)階段

上電后，電路進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)上橋HS關(guān)斷，下橋LS導(dǎo)通。內(nèi)部電流源(1mA)對(duì)VDD上電容CVDD和FS腳上電容進(jìn)行充電，內(nèi)部電路進(jìn)行復(fù)位。此時(shí)，RC和SW將會(huì)進(jìn)行接地處理。一旦VDD>VDD(start)(典型為11V)，而且此時(shí)未激活過(guò)溫保護(hù)(OTP)電路便結(jié)束啟動(dòng)狀態(tài)。注意：一旦VDDDD(stop)(典型為8.5V)，電路將會(huì)從任何狀態(tài)返回到啟動(dòng)狀態(tài)。

圖2：芯片內(nèi)部框圖。

3．預(yù)熱階段

當(dāng)VDD>VDD(start)且OTP未激活，電路進(jìn)入預(yù)熱狀態(tài)，在預(yù)熱狀態(tài)下，VDD電源由dvdt充電泵提供(見(jiàn)圖2)。此時(shí)SW腳上電容被Isweep充電，半橋電路開(kāi)始振蕩，其振蕩信號(hào)如圖3所示，初始振蕩頻率為工作頻率的2.5倍，在預(yù)熱過(guò)程中會(huì)逐漸下降到正常的工作頻率。在預(yù)熱狀態(tài)下，電路對(duì)燈絲進(jìn)行預(yù)熱處理，以減少燈絲啟動(dòng)時(shí)的損耗，延長(zhǎng)燈的使用壽命。外部電阻RSENSE用來(lái)檢測(cè)預(yù)熱電流，使得RSENSE的峰值電壓等于內(nèi)部參考電壓Vref(prht)(0.5V)。預(yù)熱時(shí)間由外部電容CSW來(lái)設(shè)定，一旦CSW上電壓下降到VSW(prht)時(shí)，電路結(jié)束預(yù)熱，如圖4所示。

圖3：振蕩器、驅(qū)動(dòng)器和輸出信號(hào)。圖4：預(yù)熱、點(diǎn)火和正常工作頻率變化。

4．點(diǎn)火階段

燈絲預(yù)熱結(jié)束后，頻率開(kāi)始下降，一旦頻率達(dá)到諧振頻率，在燈兩端LC上發(fā)生串聯(lián)諧振，產(chǎn)生一個(gè)600-1200V的高壓將燈管擊穿，完成對(duì)燈絲點(diǎn)火。正常運(yùn)行下，RMS控制被激活，通過(guò)控制燈絲電流的RMS值，可以將IC損耗和IC溫度控制在恒定值。

電路在運(yùn)行過(guò)程中，UBA2211內(nèi)部提供了一個(gè)死區(qū)時(shí)間(圖3中的tno)，防止上橋和下橋功率開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通。UBA2211還提供過(guò)溫保護(hù)(OTP)、冷啟動(dòng)下最小輝光放電控制、防飽和保護(hù)和容性模式保護(hù)。

主要參數(shù)計(jì)算

1．工作頻率

由圖1中ROSC和COSC可計(jì)算頻率，由公式：

fnom=1/(k*ROSC*COSC)=1/(1.1*220*100)=41.3KHz

其中k=1.1

2．啟動(dòng)頻率

fstart=2.5*fnom=2.5*41.3k=103.25k

3．燈電感

首先確定燈兩端電壓的有效值，設(shè)計(jì)功率為12W，有公式：

Vlamp=Plamp/Ilamp=12/0.15=80v

燈上電壓與燈電壓有效值關(guān)系如表1所示，查表可得Vla_eff=112V，振蕩頻率與燈兩端電壓關(guān)系為： 2，帶入相應(yīng)參數(shù)可得LLA=2.87mH，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)取3mH，電感磁芯采用EE16，線徑為采用0.19漆包線繞制。取諧振頻率60kHz，由公式： ，其中LLA=3mH，fres=60kHz，帶入上式可得CLA=2.34n，考慮到諧振時(shí)產(chǎn)生高壓，實(shí)際取2.2n/1KV。