基于FSM7401的熒光燈鎮(zhèn)流器系統的設計

摘要：介紹FMS7401型數字功率控制器的結構、功能、特點及基于FSM7401的鎮(zhèn)流器系統的設計。
關鍵詞：FMS7401；DPC；數字調光；鎮(zhèn)流器；設計

1 引言

為了控制預熱時間、最低與最高驅動頻率及正常工作頻率等各種參數，模擬電子鎮(zhèn)流器的控制器外部必須連接一些阻容元件。這些無源元件的參數存在一些容差，而且隨著溫度的變化而變化。基于模擬控制集成電路的可調光電子鎮(zhèn)流器需要用模擬信號控制。為了發(fā)送模擬調光信號，外部微控制器或微處理器必須通過D／A轉換器進行數／模轉換。

飛兆半導體公司推出的FMS7401型數字功率控制器(DPC)為實現鎮(zhèn)流器控制、電機控制和電池管理功能提供了理想的解決方案。基于FMS7401的簡單、低成本、全數字調光電子鎮(zhèn)流器能夠提供更多的功能。例如熒光燈觸發(fā)電壓監(jiān)測、無燈檢測、燈壽終(EOL)識別及最佳預熱時間設置等。

2 FMS7401的內部結構及引腳功能

FMS7401采用CMOS工藝制作，內置8位微控制器內核、1K字節(jié)代碼EEPROM、64字節(jié)動態(tài)隨機讀寫存儲器(DRAM)、5通道8位ADC、帶死區(qū)時間控制的12位PWM定時器、振蕩器、增益為16的自動調零放大器及獨立放大器、電平可編程比較器、看門狗復位電路及數字濾波器等。其內部結構如圖2所示。表1列出FMS7401的引腳功能。

3 FMS7401的主要功能與特點

FMS7401基于數字硬件提供快速PWM和PFM。數字硬件結構含有所有傳統微控制器特點，例如EEPROM、RAM、ADC和可編程參考電壓等。為了實現快速控制，FMS7401內部還集成了運算放大器和模擬比較器。片內的PLL支持內部數字PWM頻率高達64MHz。對于250kHz的PWM頻率有8位的分辨率。

FMS7401輸出可變頻率脈沖，可用作驅動鎮(zhèn)流器輸出級LC串聯諧振網絡，對燈絲進行預熱。FMS740l監(jiān)控燈電流，能識別過電流、過電壓、過溫度、燈觸發(fā)失敗和燈絲斷路等故障。

FM7401支持數據EEPROM、代碼EEPROM和初始化寄存器電路內部編程。電路內部編程由4線串行接口組成。為將器件設置成編程模式，系統復位期間10位操作碼必須移位進入器件。器件有100000個數據變化，數據保留期間40年。

4　數字鎮(zhèn)流器系統設計

基于FMS7401的可編程特點，用其可以設計數字化電子鎮(zhèn)流器。用這種電子鎮(zhèn)流器驅動Biax T／E型32W燈管，工作頻率為180kHz，預熱頻率為400kHz，系統效率為90％，輸入功率為36W。

4.1　設置系統時鐘

FMS7401內部時鐘FCLK可以調節(jié)，并通過設置初始寄存器來測試，FCLK可設置在2MHz。初始寄存器INT2帶飛兆公司的感光乳膠與仿真程序工具(Tool kit)。FCLK是數字倍增器或PLL輸入時鐘。PLL的倍增因數利用FS[1：O]的2位可以在4MHz、8MHz、16MHz和32MHz幾個點頻上調節(jié)。其中。FS[1：0]為PSCALE[6：5]，并且PLLEN的使能輸入=PSCALE[7]。若將FCLK設置在2MHz，數字倍增器的輸出取決于FS[1：0]，可以為8／16／32／64MHz，并到達數字開關輸入B。如果FSEL=1(FSEL=PSCALE[4])，數字開關Y可以是8／16／32／64MHz：如果FSEL=0，則Y為1MHz。數字開關的輸出Y變成內部數字PWM計數器的基本時鐘頻率FPWM。FMS7401的時鐘控制寄存器PSCALE的設置如表2所示。

若PLLEN=“1”，PLL使能：若PLLEN=“0”，PLL禁止。

若FSEL=“1”，F_PWM=F_CLK4(FS=#OOb)，或F_PWM=F_CLK8(FS=#01b)，或F_PWM=F_CLK16(FS=#1Ob)，或F_PWM=F_CLK32(FS=#11b)；若FSEL=“0”，并且F_CLK=2MHz，F_PWM則為1MHz。

若FM=“1”，軟件執(zhí)行基本時鐘Coreclk=F_CLK/2(FS=#OOb)，或Coreclk=F_CLK(FS=#01b)，或Coreclk=F_CLK2(FS=#為10b)，或Coreclk=F_CLK4(FS=#11b)。若FM=“0”，Coreclk=F_CLK/2。

當FM設置為“1”時，Coreclk則為1MHz；當FS=“0”時，Coreclk=FPWM/2。從表2可知，FM=PSCALE[3]。通過設置FM=“1”，軟件指令時間變?yōu)?μs。如果PSCALE設置到#11010000b。則PWM頻率FPWM變?yōu)?2MHz，最低輸出頻率為125kHz?；谶@些設置，通過減小T1RAL寄存器值，可以獲得較高的輸出驅動頻率。表3列出FS1、FS0和FM設置與相關頻率。

4.2 設置PWM單元

圖4為FMS7401的PWM結構框圖。來自PLL輸出的FPWM，通過PS[2：0]=PSCAL[2：0]寄存器／2N，除法器的輸出是自由運行上行計數器TIMER1的基本時鐘。T1RA是預加載計數器寄存器。當TIMER1值等于T1RA時，TIMER1自動復位。改變TIRA值?？梢钥刂芇WM頻率。

為了避免半橋中的高／低側2個功率MOSFET“貫通”，FMS7401提供死區(qū)時間(即非交疊時間)，并通過設置DTIME寄存器來控制。PWM輸出信號和比較功能由寄存器T1CMPA和T1CMPB提供。如果TIMER1計數值超過T1CMPA值，則數字比較器輸出OA變?yōu)楦唠娖?，如圖5所示。

數字比較器輸出OA成為與門和或門的輸入。比較器輸出通過延遲單元(1／2N)按照6位DTIME設置值延時。經延時的輸出DOA成為與門和或門的另一個輸入。與門和或門輸出OH與OL，成為半橋高／低側MOSFET的柵極驅動信號。由于延遲電路的時鐘來自FPWM，利用6位DTIME寄存器可以使死區(qū)時間從32MHz(周期tPWN=31.25ns)，FPWN時鐘的0到2N之間進行調節(jié)。如果FPWM=32MHz，通過設置PSCALE=OxDO(#11010000b)，可將死區(qū)時間控制在0-2μs(64x31.25ns=2μs)。

為了得到適當的OH和OL輸出波形，并使數字比較器的OL電平反轉，必須利用PORT-GC和PORTGD寄存器，設置PGO=“1”。在本設計中，高端和低端輸出信號被定義為輸出腳。

4.3 鎮(zhèn)流器系統設計方案

圖6所示為基于FMS7401的32W熒光燈全數字調光電子鎮(zhèn)器電路。110V的AC輸入采用倍壓整流電路，220V的AC輸入采用全橋整流濾波電路。因此，二種AC輸入產生的DC總線電壓是相同的(約300V)。IC2和IC3分別為高側MOSFET (V1)和低側MOSFET(V2)的柵極驅動器。L2和Cres組成LC串聯諧振網絡，C6、C7、VD6、C8、VS1、R3、VS2和C9等組成：IC1、IC2和IC3的供電電路。

圖7所示為鎮(zhèn)流器的驅動頻率曲線。在半橋電路啟動之后，首先輸出預熱頻率fpre以加熱燈絲。預熱時間tpre可由IC1根據不同功率和型號的燈管編程設置，不需要任何無源元件。對于GE照明公司的32W BiaxT／E燈管，額定電壓是100V，額定電流為0.32A。推薦預熱時間tpre=2s。預熱時間由IC1軟件程序中的等待循環(huán)設置。在結束預熱階段后，驅動頻率通過增加軟件程序中的T1RA值降低。隨頻率向低處掃描，燈電壓增加，并接近燈觸發(fā)電壓電平。當 頻率接近輸出LC電路的諧振頻率時，發(fā)生LC串聯諧振。在Cres上產生足夠高的電壓使燈管擊穿而點亮。在L2=330μH和Cres=1.5nF下，諧振頻率為226kHz。

燈一旦觸發(fā)，驅動頻率降至最低值f_run-low，鎮(zhèn)流器進入調光模式。在頻率從f_run-low開始向f_run-high線性增加過程中，L2的阻抗逐漸增大，燈電流減小，燈光漸暗。

不同工作模式的頻率f和周期T由T1RA寄存器設置如下：

為使驅動頻率有125kHz～500kHz的變化范圍，IC1的時鐘設置在2MHz，死區(qū)時間(t_dead)設置在0.1μs。在驅動頻率為f_run-low(178kHz)時，燈亮度最大(100％)；當驅動頻率升至f_run-high(267kHz)時，燈光最暗。

在故障情況下，IC1輸出控制端口被設置到低電平，IC2和IC3的HO腳及LO腳驅動輸出被禁止V1和V2截止。

利用FMS7401還可以設計F8T15／8W、F15T8／15W、F32T8／32W和F40T12／40W等不同型號和不同功率的熒光燈的數字調光電子鎮(zhèn)流器。