基于IRS2168D的高功率熒光燈電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)

　　1 前言

　　自2005年起，如今25W以上的電子鎮(zhèn)流器必需具備PFC，已成為全球性的強(qiáng)制性要求，因?yàn)樵谀且荒?，歐洲強(qiáng)制執(zhí)行電子鎮(zhèn)流器功率因數(shù)校正（PFC）法案。

　　以往絕大多數(shù)帶PFC電子鎮(zhèn)流器需采用兩塊IC，其中一塊IC是PFC控制器，另一塊IC是半橋式鎮(zhèn)流器控制器。以IR2166和IRS2166D為基礎(chǔ)研發(fā)的IRS2168D，是一種先進(jìn)的單片IC，它集PFC控制器與半橋控制／驅(qū)動(dòng)器于同一芯片上的。采用IRS2168D設(shè)計(jì)熒光燈電子鎮(zhèn)流器，可以大幅度地減少元件數(shù)量，縮小PCB面積，降低系統(tǒng)成本，并具有高性能和高可靠等特點(diǎn)。

　　2 IRS2168D的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

　　IRS2168D采用16引腳PDIP無鉛封裝，引腳排列如圖1所示。

　　圖1 IRS2168D引腳排列

　　IRS2168D芯片集成了PFC控制器和鎮(zhèn)流器控制器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　圖2 IRS2168D內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

　　IRS2168D的主要特點(diǎn)如下：

　　（1）IRS2168D中的PFC是一種臨界導(dǎo)電模式升壓型控制器，提供過電流、過電壓和輸入欠電壓保護(hù)，在85～265V的寬范圍AC線路輸入和多燈管條件下，提供超低輸入電流總諧波失真（THD）和接近于1的高功率因數(shù)。

　?。?）IRS2168D中的鎮(zhèn)流器控制與600V的半橋驅(qū)動(dòng)器，含有壓控振蕩器（VCO），自舉MOSFET、燈壽命終結(jié)（EOL）窗口比較器、電流傳感正數(shù)／倒數(shù)故障計(jì)數(shù)器，提供欠壓閉鎖（UVLO）、預(yù)熱、燈觸發(fā)啟動(dòng)（即點(diǎn)火）、正常運(yùn)行和故障保護(hù)工作模式。保護(hù)功能包括半橋過電流、閉環(huán)點(diǎn)火電流調(diào)節(jié)、EOL、燈被移開與自動(dòng)重新啟動(dòng)關(guān)閉及燈絲失效保護(hù)等。

　?。?）提供可編程參數(shù)，例如PFC與半橋過電流保護(hù)、預(yù)熱時(shí)間與預(yù)熱頻率、點(diǎn)火斜坡和運(yùn)行頻率等均可由外部阻容元件設(shè)置。

　?。?）在引腳VCC內(nèi)部設(shè)置了15.6V的鉗位齊納二極管，IC啟動(dòng)電流僅約220μA，工作電流低至5.5mA，兩路半橋驅(qū)動(dòng)器的死區(qū)時(shí)間固定在1.6μS，半橋驅(qū)動(dòng)器輸出源電流為180mA，灌入電流為260mA。

　　3 由IRS2168D組成的單燈管電子鎮(zhèn)流器電路

　　由IRS2168D組成的熒光燈電子鎮(zhèn)流器電路如圖3所示。

　　圖3 采用IRS2168D的高功率因數(shù)熒光燈電子鎮(zhèn)流器電路

　　在圖3中，IC（IRS2168D）引腳、引腳～內(nèi)部的PFC控制器和這些引腳外部的元件，組成升壓型臨界導(dǎo)電模式（CRM）PFC預(yù)變換器。在半橋逆變器與前端橋式整流器之間插入這一級PFC電路，可以整形AC輸入電流成為正弦波，且與AC輸入電壓保持同相位，使系統(tǒng)呈現(xiàn)純電阻性，實(shí)現(xiàn)幾乎等于1的功率因數(shù)，并在輸出電容CBUS兩端產(chǎn)生400V升壓的DC穩(wěn)定總線電壓VBUS。

　　LPFC為升壓電感器，其輔助繞組用作感測電感電流。只要電感電流在一個(gè)開關(guān)周期結(jié)束時(shí)刻達(dá)到零，就被IC腳檢測，IC腳輸出一個(gè)高電平電壓信號，驅(qū)動(dòng)PFC開關(guān)VT3導(dǎo)通。在VT3導(dǎo)通，電感器LPFC電流因升壓二極管VDPFC截止而全部流過 VT3。電感電流從零線性增長至峰值后，VT3截止，VDPFC因由LPFC釋放能量而導(dǎo)通，電感電流從峰值線性降低。一旦電感電流變?yōu)榱悖琕T3立刻導(dǎo)通，開始一個(gè)新的開關(guān)周期。每個(gè)開關(guān)周期的峰值電感電流都跟蹤AC輸入電壓的瞬時(shí)變化，高頻三角波電感電流被輸入電容C2濾波，得到與輸入電壓成正比的正弦輸入電流，從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。

　　IC腳上的電阻分壓器RBUS1/RBUS2用作檢測DC總線電壓。當(dāng)出現(xiàn)過電壓或欠電壓情況時(shí)，IC腳上的電壓將超過4.3V或低于3V，PFC輸出會(huì)被禁止。VT3源極電阻ROC用作感測PFC級過電流，ROC上的電壓只要達(dá)到腳內(nèi)部1.2V 的門限電平，PFC驅(qū)動(dòng)輸出將被禁止。

　　若鎮(zhèn)流器輸出功率為PO，最低AC線路電壓為VAC（min），PFC級效率為y（一般為95%），通過LPFC的峰值電流則為：

　　　（1）

　　Roc值由式（2）給出：

　　（2）

　　IC腳上的RSUPPLY為啟動(dòng)電阻。在IC啟動(dòng)時(shí)，通過啟動(dòng)電阻的電流對電容 CVCC1（2.2～4.7μF）充電。當(dāng)IC腳上的電壓超過12.5V的門限時(shí)，IC啟動(dòng)，振蕩器開始振蕩。在半橋產(chǎn)生輸出后，由CSNUB、 VDCP1、VDCP2組成的電荷泵為IC腳提供電流。

　　在系統(tǒng)啟動(dòng)之后，IC振蕩器首先在預(yù)熱頻率fPH上振蕩。預(yù)熱時(shí)間tPH由IC腳上的電阻RCPH和電容CPH設(shè)定，計(jì)算公式為：

　　tPH=RCPHCPH　　?。?）

　　在一般情況下，預(yù)熱時(shí)間設(shè)置在0.7～1.5s的范圍之內(nèi)。

　　預(yù)熱結(jié)束后，IC進(jìn)入點(diǎn)火程序，頻率向最低振蕩頻率fmin偏移。點(diǎn)火時(shí)間tIGN約為預(yù)熱時(shí)間的40%，即tIGN≈0.4tPH。

　　點(diǎn)火斜坡（ramp）時(shí)間tRAMP定義為IC腳上的電容CVCO充電到2V歷經(jīng)時(shí)間。tRAMP值由式（4）給出：

　　tRAMP=RPHCVCO　?。?）

　　燈一旦被點(diǎn)亮，IC進(jìn)入運(yùn)行模式。在該模式下，振蕩器頻率最低。運(yùn)行頻率fRUN主要由IC腳上的電阻RFMIN確定。若選取RFMIN=42.2KΩ，運(yùn)行頻率則為44.5kHz（典型值）。預(yù)熱頻率比運(yùn)行頻率高得多。在選擇RPH=42.2KΩ條件下，預(yù)熱頻率fPH為85kHz（典型值）。

　　半橋下面的開關(guān)VT2源極電阻RCS用作檢測半橋電流。一旦IC腳上的電壓超過1.2V的門限，IC將關(guān)閉其驅(qū)動(dòng)輸出。

　　連接在燈管下端燈絲上的R3、R4及CSE2、VD1、CSE1，組成下端燈絲失效檢測電路。R5、R6、R7和R8及CEOL、VS1、VS2、CSE1等，組成EOL檢測電路。只要IC腳（SD/EOL腳）上的電壓低于1V或超過3V，IC將進(jìn)入故障保護(hù)模式。

　　4 結(jié)束語

　　IR公司近期推出的IRS2168D“二合一”組合IC，為設(shè)計(jì)高功率因數(shù)熒光燈電子鎮(zhèn)流器提供了單芯片解決方案。IRS2168D與IRS2166D一樣，均內(nèi)置自舉MOSFET，采用無鉛封裝。兩種IC的不同點(diǎn)是IRS1268D比 IRS2166D多出了一個(gè)PFC過電流檢測引腳（OC引腳）。