基于IR21592的調(diào)光電子鎮(zhèn)流器的原理與設(shè)計(jì)

1 引言
近幾年，可調(diào)光熒光燈電子鎮(zhèn)流器得到長(zhǎng)足發(fā)展，成為倍受用戶青睬的典型“綠色照明”產(chǎn)品。由于熒光燈是一種非線性負(fù)載，并且燈管有額定導(dǎo)通電壓，如果燈管上的電壓低于額定值，則會(huì)熄滅或不能發(fā)光，所以熒光燈的調(diào)光并非像白熾燈調(diào)光那樣簡(jiǎn)單。熒光燈調(diào)光電子鎮(zhèn)流器分為模擬調(diào)光和數(shù)字調(diào)光，而具體的調(diào)光方法主要有頻率調(diào)制(即調(diào)頻)和相位控制。從本質(zhì)上講，熒光燈調(diào)光是通過調(diào)節(jié)燈管電流實(shí)現(xiàn)的。燈管額定功率上有最大輸出電平，亮度調(diào)節(jié)不能超過最大輸出電平(即100％)。性能優(yōu)良的調(diào)光電子鎮(zhèn)流器的調(diào)光范圍為100%~10％。
可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器必須以專用控制電路為基礎(chǔ)。目前可供選用的調(diào)光鎮(zhèn)流器控制電路有幾十個(gè)類型的器件，其中包含上海復(fù)旦微電子股份有限公司生產(chǎn)的FM281l和FM2822，美國(guó)IR公司推出的IR2159、IR21592和IR21593，都是最具有代表性的控制電路。

2 IR21592的主要特點(diǎn)
IR21592型控制器集成了調(diào)光鎮(zhèn)流器控制器和600V半橋驅(qū)動(dòng)器，采用16引腳DIP和SOIC封裝。IR21592的核心是帶外部可編程最低頻率的壓控振蕩器(VCO)。
IR21592的主要特點(diǎn)如下：
(1)具有欠壓鎖定(UVLO)模式、預(yù)熱模式、調(diào)光模式和故障模式；
(2)提供無變壓器的燈功率檢測(cè)相位控制，只需很少的改動(dòng)，即可將非調(diào)光鎮(zhèn)流器改為可調(diào)光鎮(zhèn)流器，調(diào)光控制輸入DC電壓范圍為O.5 V~5 V(5 V的DC輸入對(duì)應(yīng)最大功率，最小相移)；
(3)預(yù)熱時(shí)間、預(yù)熱電流、觸發(fā)(點(diǎn)火)到調(diào)光時(shí)間等參數(shù)可控，均可利用外部元件編程設(shè)置，為鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)提供了高度靈活性；
(4)提供燈觸發(fā)失敗、燈絲失敗、熱過載(熱關(guān)斷溫度為165℃)、正常工作期間燈失效及AC線路欠壓保護(hù)與VCC欠電壓鎖定(VCC關(guān)斷電平約為10．9V)。

3 基于IR21592的調(diào)光電子鎮(zhèn)流器
由L6561和[R21592型控制器組成的高功率因數(shù)36 W熒光燈調(diào)光電子鎮(zhèn)流器電路如圖1所示。其中，圖1(a)為基于L6561型控制器的有源功率因數(shù)校正(PFC)升壓型預(yù)變換器電路，其前端為EMI濾波器和橋式整流器(BRl)；圖l(b)為基于IR21592型控制器的調(diào)光鎮(zhèn)流器電路。

3.1 工作原理
PFC升壓變換器為鎮(zhèn)流器電路提供接近于1的線路功率因數(shù)和低總諧波電流失真THD(15％)及400V的DC總線電壓VBUS。在輸入接通AC供電線路后，橋式整流器輸出DC脈動(dòng)電壓VDC通過R5和RLM2(10 Ω)對(duì)IC2的VCC引腳上的電容器CVCC2(4.7μF)充電。當(dāng)CVCC2上的電壓超過12.5 V的導(dǎo)通閾值時(shí)，IC2啟動(dòng)，IC2內(nèi)VCO起振，半橋驅(qū)動(dòng)器開始工作。只要半橋產(chǎn)生輸出，C12、VSI和D4組成的電荷泵電路為IC2的VCC腳供電。半橋輸出高頻信號(hào)經(jīng)C12、二極管Dl整流和C4濾波為IC1的8引腳(VCC)供電，使IC1啟動(dòng)并使PFC變換器開始工作。
IC2引腳1上由R4和RVCD組成的分壓器用作檢測(cè)經(jīng)全波整流的線路電壓。只有當(dāng)VCC引腳上的電壓超過導(dǎo)通門限電壓并且VDC引腳上的電壓大于5.1 V時(shí)，IC2才能啟動(dòng)并進(jìn)入預(yù)熱模式。在預(yù)熱模式，IC2引腳2內(nèi)部VCO在最高頻率上振蕩，半橋輸出帶50％的占空因數(shù)，HO引腳與LO引腳上的驅(qū)動(dòng)輸出之間的死區(qū)時(shí)間內(nèi)部設(shè)定為2μs，從而避免Q2和Q3“直通”。預(yù)熱時(shí)間由IC2引腳3外部電容器CCPH確定。當(dāng)CCPH上的電壓大于5.1 V時(shí)，預(yù)熱階段結(jié)束后，IC2進(jìn)入觸發(fā)模式。在觸發(fā)模式下，工作頻率從預(yù)熱頻率向最低頻率fMIN偏移。最低工作頻率由IC2引腳7外部電阻器RFMIN設(shè)定。在頻率線性降低過程中，當(dāng)接近輸出級(jí)LC串聯(lián)電路固有頻率時(shí)，將發(fā)生諧振，在CRES上產(chǎn)生的高壓脈沖施加到燈管的兩端，使燈管擊穿而點(diǎn)亮。一旦燈觸發(fā)成功，IC2則進(jìn)入運(yùn)行模式，若失敗，IC2則進(jìn)入故障保護(hù)模式。
IR21592有1個(gè)調(diào)光接口，如圖2所示。IC2引腳4允許0.5 V~5 V的DC電壓輸入，執(zhí)行模擬燈功率控制。5 V的電壓對(duì)應(yīng)于最小相位移(最大燈功率)。調(diào)光接口輸出是IC2引腳MIN的電壓，該電壓與IC2內(nèi)部定時(shí)電容器(CT)上的電壓VCT相比較，產(chǎn)生頻率獨(dú)立的數(shù)字接口相位。CT從l V～5V的充電時(shí)間確定IC2輸出柵極驅(qū)動(dòng)器(H0與LO)的導(dǎo)通時(shí)間。在負(fù)載電流中可能對(duì)應(yīng)于-180的相位移。對(duì)于0~90的調(diào)光范圍，利用引腳MIN和引腳MAX上的外部電阻器將IC2引腳MIN上的電壓限制在1 V~3 V之間。對(duì)應(yīng)于DIM引腳上5 V的輸入，RMAX決定最小相移參考(最大燈功率)。RMIN設(shè)置最大相移(最小燈功率)，對(duì)應(yīng)于0.5 V的調(diào)光輸入。
Q3源極電阻器RCS感測(cè)半橋電流。只要IC2引腳CS上的電壓超過1.6V，則電路進(jìn)入故障保護(hù)模式。由R17和R16組成的分壓器和C1l組成燈檢測(cè)電路。在燈出現(xiàn)故障時(shí)，IC2關(guān)閉。IC2引腳8外部電阻RIPH設(shè)置基準(zhǔn)峰值預(yù)熱電流。自舉二極管D3和電容器C7組成IC2內(nèi)部高側(cè)驅(qū)動(dòng)器的供電電路。

3.2 鎮(zhèn)流器電路設(shè)計(jì)
根據(jù)燈管要求，選擇基于IR21592的鎮(zhèn)流器輸出級(jí)元件和可編程輸入元件。36W T8型燈管的參數(shù)見表1。

3.2.1 鎮(zhèn)流器輸出級(jí)LRES和CRES的選擇
對(duì)于給定的LRES電感值L、CRES電容值C和DC總線電壓VDC，預(yù)熱期間的燈管電壓Vph、預(yù)熱頻率fph、觸發(fā)頻率fign、觸發(fā)電流Iign、滿載下的工作頻率f100%和在1％亮度燈功率上的陰極預(yù)熱電流Icath(1%)依次由公式(1)到公式(6)給出：

為防止預(yù)熱期間點(diǎn)火，要求VphVph(max)；同時(shí)要求fph-fign>5 kHz。為避免電感器飽和，要求IignIign(max)。為防止在調(diào)光期間燈熄滅，要求丘Icath(1%)≥Icath(min)。所計(jì)算的L和C值，必須滿足這幾個(gè)約束條件。
根據(jù)公式(1)到公式(6)，可以求出在LRES的L值一定時(shí)，即L=2 mH下不同的C值對(duì)應(yīng)的鎮(zhèn)流器輸出級(jí)參數(shù)，如表2所列。

將表2與表1相比較,當(dāng)L=2mH和C=6.8 nF時(shí)，由于Vph=700Vpp，大于T8型燈管允許的限制值(600 Vpp)，同時(shí)Icath(min)=0.32 Arms，小于T8型燈管要求值(0.35 Arms)，故選擇C=6.8 nF是不適宜的。若選取C=10 nF，則可以滿足燈管要求。但在調(diào)光期間，隨著燈功率的降低，燈阻抗會(huì)負(fù)向增加，燈電壓會(huì)升高。在1％亮度下，燈電壓可達(dá)到最大值，產(chǎn)生最大燈絲電流，使燈絲過熱。因此，lO nF的電容值略偏大。選擇C=8.2 nF完全符合燈管要求，不會(huì)出現(xiàn)燈陰極過熱。因此，選擇L=2mH和C=8.2nF是可行的。
3.2.2 IR21592的可編程輸入?yún)?shù)設(shè)計(jì)
為了編程調(diào)光接口MIN和MAX設(shè)置，必須計(jì)算在最小和最大功率下的輸出電流相位ψ％。計(jì)算公式如下：

根據(jù)燈管要求和L、C選定值及最大和最小相位計(jì)算值，IR21592的可編程輸入元件值可由公式(9)到公式(14)得到：

表3所列為利用公式(7)到公式(14)計(jì)算的IR21592的輸入?yún)?shù)值。

IR21592的輸入元件還有VCC引腳上的啟動(dòng)電阻器R5和VDC引腳上的分壓電阻器R4及RVDC。
IC2引腳VCC啟動(dòng)門限電壓最大值Vth(max)=13 V，啟動(dòng)電流最大值IST(max)=0.33 mA。R5的選擇應(yīng)保證在最低AC線路電壓VAC(min)=185 V下提供足夠的啟動(dòng)電流：

設(shè)在最高AC線路VAC(max)=265 V下，R5的功率PR5≤0.5 W,R5必須滿足下列條件：

由于260 kΩ≤R5714 kΩ，選擇Rs=470 kΩ。
IC2引腳VDC上正常工作門限電壓是5.1 V。R4與RVDC之間的關(guān)系為：

通常選擇RVDC=10 kΩ~27 kΩ。根據(jù)公式(17)可得：當(dāng)RVDC=10 kΩ時(shí)，R4≤739 kΩ；當(dāng)RVDC=27 kΩ,時(shí)，R4≤1.995 MΩ。
IR公司提供成套的IR21592設(shè)計(jì)組件和工具，其中包括調(diào)光鎮(zhèn)流器電路設(shè)計(jì)軟件。該軟件允許選擇不同的燈管類型、不同的AC輸入電壓范圍和不同的燈管配置，進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)迭代，產(chǎn)生新的方案和元器件及材料清單。
利用IR21592和微控制器或微處理器可以組成高端全數(shù)字調(diào)光電子鎮(zhèn)流器。微控制器是IR21592和數(shù)字可尋址照明接口(DALI)之間的界面。DALI協(xié)議為16位，支持直到64個(gè)鎮(zhèn)流器各自的尋址，控制64個(gè)不同的鎮(zhèn)流器。

4 結(jié)束語
基于壓控振蕩器(VCO)的IR21592單片IC是高性能調(diào)光鎮(zhèn)流器控制器和600 V半橋驅(qū)動(dòng)器。IR21592利用相位控制實(shí)現(xiàn)無變壓器的燈功率傳感調(diào)光。由IR21592組成的電子鎮(zhèn)流器僅需很少數(shù)目的元件。鎮(zhèn)流器預(yù)熱電流、預(yù)熱時(shí)間、點(diǎn)火到調(diào)光時(shí)間和最低工作頻率均可通過外部輸入阻容元件根據(jù)需要設(shè)置。燈觸發(fā)失敗保護(hù)、燈絲開路、欠電壓保護(hù)和過熱保護(hù)提高了系統(tǒng)的可靠性。文中給出的公式為設(shè)計(jì)工作提供了依據(jù)和便利。