具有功率因數(shù)校正、控制和保護功能的熒光燈鎮(zhèn)流器集成電路

熒光燈鎮(zhèn)流器設計正在向全電子化照明系統(tǒng)轉(zhuǎn)化。與五年前的器件相比，日益成熟的電子鎮(zhèn)流器技術正以更低的系統(tǒng)成本提供更好的性能。其中，IR2166和IR2167便是最新一代電子鎮(zhèn)流器控制IC的代表。它們能夠彌補磁性鎮(zhèn)流器不足之處，其優(yōu)點包括：
無閃爍照明；
無可聞噪音；
輕易增加功率因數(shù)校正。
對電燈閃爍的考慮是很重要的。磁性鎮(zhèn)流器在60Hz工作時會產(chǎn)生閃爍，而電子鎮(zhèn)流器將60Hz電源轉(zhuǎn)成高頻，將電燈閃爍降低到感受不到的水平。另外，高頻產(chǎn)生更少的熱，效率也更高。
磁性鎮(zhèn)流器使用的鐵芯電磁元件工作在60Hz，會產(chǎn)生可聞噪音，而設計優(yōu)秀的高頻電子鎮(zhèn)流器不會發(fā)出可聞的交流噪聲。
PFC(功率因數(shù)校正)可以很容易加到電子鎮(zhèn)流器中，但是對磁性鎮(zhèn)流器來說就很困難。PFC電路可修正交流電流，使輸入電壓和電流轉(zhuǎn)化為正弦波，并將諧波含量變得非常小。另外，由PFC電路得到的高功率因數(shù)也能提高效率、減小成本。鎮(zhèn)流器諧波的目標是保持低于照明系統(tǒng)諧波電流的國際標準IEC 61000-3-2 C級限制。
功率因數(shù)校正與總諧波失真(THD，即由鎮(zhèn)流器產(chǎn)生的功率諧波)也有關系。由鎮(zhèn)流器產(chǎn)生的任何諧波會對其它連接在同一個電源的電子系統(tǒng)造成壞的影響。功率因數(shù)為1.0，意味著輸入功率是純正弦波且無諧波失真(THD=0%)，因此最好是有高功率因數(shù)(PF)和低THD。

當決定采用全電子方案后，設計師需考慮用于照明系統(tǒng)的多個控制IC的特性。這些特性能影響電子鎮(zhèn)流器的整體系統(tǒng)成本。最大的成本因素大概是使用元件的數(shù)量，它影響硬件存放、元件布局及整體工程設計，主要的問題是：
?單片IC能否提供完整的鎮(zhèn)流器控制以減小了硬件的成本、簡化了鎮(zhèn)流器到燈的接口？
?儲存適用于所有系統(tǒng)配置的單片IC能減小硬件庫存。IC是否適用于寬范圍的燈類型和尺寸?
?控制IC是否可以編程，以便根據(jù)應用的要求設置系統(tǒng)特性，從而使系統(tǒng)設計更靈活？
?IC是否內(nèi)置了可以減小整體元件數(shù)量的PFC電路？
?是否有可以簡化照明系統(tǒng)的設計的演示板？
?演示板是否備有計算機輔助設計軟件以減小產(chǎn)品投放市場的時間？
IR2166和IR2167給上面的問題的回答都是肯定的。老一代電子鎮(zhèn)流器控制器采用一顆分離的控制IC、柵極驅(qū)動IC和PFC IC，而IR2166和IR2167采用單芯片方案，減低系統(tǒng)成本。除了減少元件數(shù)量外，這些IC也簡化安裝，提高可靠性和節(jié)省設計時間。另外，它們也減小新熒光燈照明系統(tǒng)投放市場的時間。
IR2166器件備有狀態(tài)機以控制鎮(zhèn)流器的工作時序，包括欠壓鎖定、預熱、觸發(fā)、運行和故障模式。該芯片集成了可編程預熱時間和頻率，能將燈絲加熱到適當?shù)陌l(fā)射溫度。這種特性能將電燈壽命延長達三十倍，同時降低所需觸發(fā)電壓。可編程的死區(qū)時間、預熱和運行頻率的特性使IR2166能通過簡單地修改元件就可以適配許多不同類型的燈。另外，通用的90V~260V交流輸入能針對全球市場簡化電路設計，減低為不同地區(qū)進行特殊設計的需要。

這種集成電路能在電壓或電流尖峰時提供保護，從而進一步延長電燈及鎮(zhèn)流器的壽命，同時提供無閃爍的高質(zhì)量照明。這些保護項目包括：欠壓鎖定、軟啟動、觸發(fā)故障、燈絲失效、過電流、壽命完結保護、更換電燈后自動重啟，以及直流總線欠壓復位。
PFC是IR2166和IR2167的主要集成功能。沒有PFC，控制器將產(chǎn)生諧波電流，引起電源分布系統(tǒng)的損耗和發(fā)熱，甚至損壞發(fā)電設備。雖然單個控制器的功率一般較低，但多個控制器產(chǎn)生的綜合諧波電流能產(chǎn)生較大影響。如果產(chǎn)生了足夠的負載，便可能觸發(fā)斷路器，干擾其它產(chǎn)品或引起火災。
IR2166和IR2167兩者也有類似的PFC電路在芯片上。傳統(tǒng)的PFC電路以非常低的增益工作，以實現(xiàn)高功率因數(shù)和低THD，但問題是在燈觸發(fā)時，直流總線電壓會大幅下降，阻礙燈觸發(fā)或使燈熄滅。IR2166和IR2167可在預熱和觸發(fā)期間動態(tài)地改變至高增益模式，防止直流總線電壓下降，然后在正常運行時變回低增益模式以得到高功率因數(shù)和低THD。為鎮(zhèn)流器模式的功能加入PFC增益體現(xiàn)了集成的好處，它的性能比現(xiàn)有PFC方法更優(yōu)秀。沒有PFC階段，THD會高于100%，功率因數(shù)會低至0.50。
圖1為IR2167鎮(zhèn)流器控制系統(tǒng)原理圖。交流電一般接口到為IC提供直流電的橋式整流器。IC驅(qū)動兩個外部低成本功率MOSFET以控制熒光燈管和另外一個用于PFC電路的外部MOSFET。PFC電路是一個工作于臨界導通和自由運行模式的有源升壓變換器。在整個通用輸入電壓范圍內(nèi)，PFC電路實現(xiàn)大于99%的功率因數(shù)和低于10%的總諧波失真(THD)。
IR2167是一個完整保護的600V鎮(zhèn)流器控制IC，容易適配于不同類型的電燈。IC靈活性高，設計者可以獨立設置預熱和觸發(fā)頻率。鎮(zhèn)流器控制部分的核心是一個具有外部可編程死區(qū)時間的變頻振蕩器。其控制部分也提供電燈故障檢測、關斷和更換電燈后自動重啟所需的電路。Vcc內(nèi)部的15.6V齊納二極管可防止直流的過電壓影響輸入。IR2167 IC備有20腳PDIP和寬體SOIC封裝。
該IC有多方面的保護功能，包括電燈觸發(fā)失效、燈絲失效、低交流電壓、熱過載、正常工作時電燈失效，同時提供電燈暗保護和壽命完結保護。此外，IC也具有容性模式保護、抗鎖定能力和ESD保護。
可編程特性提供了高度的設計靈活性，包括預熱時間和頻率、觸發(fā)斜率、過電流和運行頻率。其它工作特性包括內(nèi)部故障計數(shù)器、動態(tài)重啟、欠壓鎖定和150mA啟動電流。
基本上這兩個IC的PFC控制是一樣的，但鎮(zhèn)流器控制卻不同。IR2167具有額外的特性，如欠電流保護、低于諧波點保護和熱過載保護。IR2167也簡化了電燈并聯(lián)、多燈和多類型電燈的設計。IR2167具有更多的功能，其封裝為20腳，而IR2166是16腳。
IR2167的CS接腳負責檢測故障情況，如觸發(fā)失敗、正常工作時過電流、硬開關、無負載和低于諧振點工作。如檢測到以上任何一種狀態(tài)，故障鎖存器便會置位，振蕩器關上，柵極驅(qū)動器輸出變低，芯片進入微功率模式。對于過電流、觸發(fā)失敗和硬開關故障，芯片在預熱尾聲時可啟動外部可編程正向CS+臨限，而正向臨限的水平由外部電阻值決定。
IR2166和IR2167同樣具有演示板，可簡化照明系統(tǒng)的樣機設計。演示板專為驅(qū)動快速啟動熒光燈而設計，具有高效率、高功率因素和固定輸出電子鎮(zhèn)流器。這些演示板包括EMI濾波器、有源功率因數(shù)校正和一個鎮(zhèn)流器控制電路。
鎮(zhèn)流器控制部分提供一個具備外部可編程死區(qū)時間的變頻振蕩器，可簡單適配于不同類型的電燈。鎮(zhèn)流器控制部分也提供電燈故障檢測、關斷和更換電燈后自動重啟所需的電路。表1列出了IR2166和IR2167演示板的特點，它們也代表了典型的熒光燈系統(tǒng)。演示板附有一套計算機輔助設計軟件。設計者只需選擇熒光燈類型和可編程功能的值，軟件便能提供原理圖和材料清單。