（电路与系统专业论文）自适应电子镇流器控制芯片xd0760的研究与设计.pdf

摘要 - 瓢o , , u 0 8 在绿色照明领域里，荧光灯作为一种高效、经济的气体放电光源，自问世以 来便发展很快，应用也越来越广泛，而且随着我国绿色照明工程的大力推行和实 施，与节能灯相配套的高性能电子镇流器的开发和研制也越来越成为一个热点。 以西安电子科技大学电路c a d 研究所的科研项目“电子镇流器控制芯片关键 技术理论研究与设计实现”为依托，本文设计实现了款自适应电子镇流器控制 芯片如0 7 6 0 。 x d 0 7 6 0 是一款可应用于荧光灯点灯的6 0 0 v 高压半桥式驱动控制自适应芯 片，其内部集成了压控振荡器、欠压锁存、自举m o s f e t 、高端驱动、自适应z v s 等电路。该芯片电源v c c 端内置1 5 4 v 齐纳二极管，高端电路采用浮动电源供电。 芯片的核心部分是一个最小工作频率可编程的压控振荡器。通过调节芯片v c o 引 脚外接电容大小，可以实现荧光灯的预热时间编程。通过调节芯片f m i n 引脚外 接电阻，可以设置芯片的最小工作频率。该芯片可实现四种工作状态的转移，四 种工作模式分别为：欠压锁存模式、频率扫描模式、正常工作模式和故障模式。 通过芯片四种工作模式的转换，从而实现了荧光灯的预热、点火、正常工作以及 对电子镇流器的保护。 整个芯片基于0 s p i nb c d 工艺进行设计，并利用c a d e n c e 仿真工具对芯片的 子电路和整体性能进行了验证。仿真结果表明，该芯片满足设计指标的要求。 关键词：荧光灯电子镇流器零电压开关压控振荡器 a b s t r a c t i nt h ef i e l do fg r e e nl i g h t i n g , a sa ne f f i c i e n ta n de c o n o m i c a lg a s - d i s c h a r g el i g h t s o u r c e ，f l u o r e s c e n tl a m ph a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l ys i n c e i t si n c e p t i o n , a n di t s a p p l i c a t i o n sh a v eb e e nm o r ea n dm o r ew i d e l y a n da st h eg r e e nl i g h t i n gp r o j e c th a s b e e nv i g o r o u s l yp r o m o t e da n di m p l e m e n t e di nc h i n a , t h ed e s i g na n ds t u d yo f h i g h p e r f o r m a n c ee l e c t r o n i cb a l l a s tw h i c hi sm a t c h e dt ot h ee n e r g y s a v i n gl a m p sh a s b e c o m eah o ts p o t b a s e do nt h ep r o j e c t t h e o r e t i c a ls t u d yo nt h ek e yt e c h n o l o g i e sa n dd e s i g no f e l e c t r o n i cb a l l a s tc o n t r o li c ”，t h ed e s i g no fa na d a p t i v eb a l l a s tc o n t r o li cx d 0 7 6 0i s d e s c r i b e di nt h ep a p e r x d 0 7 6 0i sa na d a p t i v eb a l l a s tc o n t r o l l e ra n d6 0 0 vh a l f - b r i d g ed r i v e rf o r f l u o r e s c e n tl a m p l i g h t i n g i t i n c l u d e s v o l t a g e c o n t r o l l e do s c i l l a t o r , u n d e r - v o l t a g e l o c k o u tc i r c u i t ，b o o t s t r a pm o s f e t , z e r o - v o l t a g es w i t c h i n g ( z v s ) c i r c u i ta n ds oo n t h e r ei sab u i l t - i n15 4 vz e n e rd i o d eo nt h ep i nv c c ，a n dt h eh i g hs i d ec i r c u i ti s s u p p l i e db yf l o a t i n gp o w e r t h eh e a r to f t h ei ci st h ev o l t a g e c o n t r o l l e do s c i l l a t o r , t h e m i n i m u mo p e r a t i n gf r e q u e n c yo fw h i c hc a nb ep r o g r a m m e db ya d j u s t i n gt h ee x t e r n a l r e s i s t o ro nt h e p i nf m i n t h ep r e h e a t i n g t i m e o ff l u o r e s c e n t l a m p c a nb e e n p r o g r a m m e db ya d j u s t i n gt h ee x t e r n a lc a p a c i t a n c eo nt h ep i nv c o a f t e rt h ei ci s p o w e r e do n , i th a sf o u rw o r k i n gs t a t u s e s ：u n d e r - v o l t a g el o c k o u tm o d e ，f r e q u e n c y s w e e p i n gm o d e ，n o r m a lo p e r a t i n gm o d ea n df a u l tm o d e b yt h eo p e r a t i n go f t h ei c ，t h e p r e h e a t i n g ，i g n i t i o na n dn o r m a lo p e r a t i o no ff l u o r e s c e n tl a m pc a nb e e nr e a l i z e d a tt h e s a m et i m e ，t h ee l e c t r o n i cb a l l a s td e v i c e sa r ea l s ob e e np r o t e c t e d b a s e do n0 5 p mb c d p r o c e s s ，t h ew h o l ep e r f o r m a n c eo f t h ei ca n dt h ef u n c t i o n s o ft h es u b - c i r c u i t sh a v eb e e nv e r i f i e db ys i m u l a t i o nt o o lc a d e n c e s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ei cc a nm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：f l u o r e s c e n tl a m p e l e c t r o n i c - b a l l a s t z e r o - v o l t a g es w i t c h i n g v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r 第一章绪论 第一章绪论 本章首先主要介绍了绿色照明在节能环保领域的重要意义；接着对电子镇流 器的特点进行了介绍；最后对论文的主要工作和各个章节进行了安排。 1 1 相关背景知识介绍 全球性城市化进程的加快，煤、石油、天然气等主要能源的过度消耗以及自 然环境的污染，使世界各国人们正逐步意识到了日益突出的能源与环境问题。1 9 8 7 年，联合国国际环境与发展委员会第一次提出了“可持续发展 的概念，并对其 进行了定义。可持续发展就是指经济、社会、资源和环境保护协调发展，在发展 的同时，并能通过相关的措施来实现节约能源和环境保护。照明系统约占全球用 电量的1 9 。由于传统的照明系统效率低、耗能大，所以照明系统将会朝着新型节 能、环保方向发展，“绿色照明 理念i lj 也因此而产生。 人类最初只能利用火来照明，进行黑夜中的活动。十九世纪，美国人爱迪生 首先发明了白炽灯泡，从此宣告人类进入了利用电能产生光明的时代。二十世纪 三十年代末，荧光灯问世并逐渐进入人们的生活。由于气体放电灯具有自炽灯无 可比拟的优越性，此后科学家相继研发出了高压钠灯、金属卤素灯等，以扩展气 体放电灯的用途。当前正在大力发展的是第四代光源一固体照明光源，以l e d 照明为主要标志。 按照发光机理的不同，人类当前所用照明电光源主要分为三种：第一种是以 白炽灯为代表的热辐射光源；第二种是以荧光灯和h i d 灯为代表的气体放电光源； 第三种就是前面提到的第四代以l e d 灯为代表的固体放电光源。这三种光源的发 光效率不尽相同。白炽灯利用热辐射产生光亮，所以其在使用过程中，发热较多， 能耗较大，光效也低。相较于白炽灯，荧光灯以气体原子电离产生紫外线激发荧 光粉而产生可见光，其能耗更小，发热更少，光效更高，其所发出的白光也更接 近于自然光。单位时间内，荧光灯比白炽灯大约节约电能7 0 。当前，荧光灯已广 泛应用于人们的生活之中。随着绿色照明工程的推进，白炽灯已经不能符合绿色 照明的理念，其也将会逐步被更高效环保的荧光灯所取代。l e d 固体光源作为下 一代绿色照明光源，具有寿命长、光效高、能耗低、抗震性好、启动快、重量轻 等特点，其还有一个显著优点就是l e d 灯的启动电压和工作电压一致，不需要使 用镇流器，这样可以大大节省成本和能耗。在当前科学技术条件下，l e d 在大功 率照明技术上还存在一些尚需解决的问题，并且与其他照明光源相比，其在价格 方面还不占优，因此节能型荧光灯还是当前社会上的主流产品，且正逐步取代白 炽灯。 2 自适应电子镇流器控制芯片x d 0 7 6 0 的研究与设计 中国人1 2 1 庞大，人均资源缺乏，节能、环保在我们国家显得尤为重要。自从 绿色照明概念被提出后，中国也开始采取一系列措施来应对世界性能源危机和环 境危机，以达到节约能源、保护环境、造福子孙后代的目的。1 9 9 3 年1 1 月中国国 家经贸委开始启动中国绿色照明工程，并联合国家科委、建设部等1 3 个部门 和单位颁布了“中国绿色照明工程 实施方案。“九五 期间全国共推广使 用高效照明产品3 亿只，实现照明节电量2 5 7 亿千瓦。“十五 期间，我国实施了 “中国绿色照明工程促进项目 。2 0 0 7 年，我国政府出台了高效照明产品推广 财政补贴资金管理办法，在3 年内通过财政补贴方式推广1 5 亿只高效照明产品。 中国绿色照明工程作为“十一五 期间十大重点节能工程之一，在提高全社会节 能减排意识、有效削减电力峰荷、节省电力建设投资、减少发电用煤、减排二氧 化碳方面，取得了显著成效。截至2 0 1 0 年底，预计通过政府财政补贴方式推广节 能灯，可实现最大削峰能力约3 3 0 万千瓦，节省电力建设投资近2 5 0 亿元；减少发 电用煤1 7 0 0 多万吨，减少二氧化碳排放近1 0 0 0 多万吨，减少二氧化硫排放超过3 0 万吨。现中国正处在“十二五 发展期间，国家也正在继续大力推进绿色照明工 程的实施，使其最终能造福国家，造福人民。 1 2 电子镇流器概况 1 2 1 电子镇流器发展历史 作为一种气体放电灯，荧光灯是一种高效、经济的光源，自问世以来发展很 快，与白炽灯产量的比例越来越高，在节能环保领域里，应用也越来越广泛了。 荧光灯在实际应用中需要镇流器与之配套才能正常工作。传统的镇流器为电感镇 流器【2 j ，其由矽钢片、漆包线圈、骨架端盖、底板( 外壳) 、接线端子等组成。这 种镇流器在使用过程中需要启辉器来产生瞬时高压对荧光灯进行点火，其应用 简单、价格低廉，但效率和功率因数较低。此外，它还有其它缺点：笨重、体 积大、会发出低频嗡嗡的噪音、会产生频闪现象，发热多。 正是由于传统电感镇流器的诸多缺点，在2 0 世纪5 0 年代初，人们提出了电 子镇流器的设想，以克服电感镇流器频闪、体积大、有噪音等缺点。之后随着半 导体产业的发展，电力电子技术的进步，以及世界性能源危机的出现促使许 多国外公司开始致力于节能光源和电子镇流器的研究。在2 0 世纪7 0 年代末， 由飞利浦公司率先研制出了利用分立元件搭建而成的第一代电子镇流器，揭 开了镇流器发展的新篇章。由于电子镇流器具有传统电感镇流器无可比拟的 优点，从而其迅速得到了全世界的关注。从此以后，随着电子技术的不断进 步和人类社会自身发展的需要，电子镇流器开始得到大力发展，许多国外大 公司和科研机构也相继推出了各种高性能、高可靠性的电子镇流器控制芯片 第一章绪论 3 以及相关功率器件。采用集成电路的电子镇流器克服了由分立元件组成电子 镇流器的缺点，进一步提高了电子镇流器的可靠性，减小了体积和重量。当 前，在人类社会向着绿色、环保、节能发展的今天，电子镇流器也正在向着 高集成度、高性能、高可靠性、多功能、低成本的方向发展。 中国于上个世纪8 0 年代末也开始了对电子镇流器的研发工作。在短短的 几年里，国内涌现了几百家甚至上千家电子镇流器生产厂家，但由于当时国 内技术条件的限制，生产的电子镇流器质量低劣，很容易损坏，加之行业不 规范，这些都影响了电子镇流器在我国的普及。9 0 年代初，中国制定并实施 了相应的国家标准，这才使得国内生产的电子镇流器的质量和可靠性得到提 高，该行业也得到了进一步的规范。9 0 年代后期，随着电子设计技术的进步 和配套器件的成熟，中国电子镇流器事业得到了快速的发展。近年来，随着 中国绿色照明工程的实施，与节能灯相配套的高性能电子镇流器也已经在开 发并推广使用中，并在逐渐缩小和世界先进水平的差距。 1 2 2 电子镇流器的主要优点 电子镇流器具有传统电感镇流器无可比拟的优点【3 】，其主要优点是： ( 1 ) 消除了频闪和噪音 传统的电感镇流器工作频率为5 0 h z ，容易让人产生视觉疲劳，而电子镇 流器一般工作频率为2 0 k h z 以上，人眼无法感受到灯光的闪烁，从而保护了人 的视力。另一方面，传统电感镇流器由于有气隙的存在，所以会产生噪声，而 使用电子镇流器不会遇到低频噪声的问题。 ， ( 2 ) 延长了灯管的寿命 传统的电感镇流器启动电压高，谐波失真大，且灯管的预热效果不理想， 容易使荧光灯两端发黑，缩短灯管的寿命。电子镇流器一般都会采用预热措施， 或者将预热功能直接集成在电子镇流器芯片内部，大大延长了灯管的寿命，并 且电子镇流器在低电压下，也能够进行点灯。 ( 3 ) 提高了功率因数 传统电感镇流器的功率因数一般在o 5 0 6 之间，即使增加了功率因数补 偿电路以后，功率因数也只能达到0 8 5 以上，而电子镇流器在增加了有源功 率因数校正器后，其功率因数可达到0 9 5 以上，甚至更高，从而大大提高了 电能的利用率，改善了电网质量。 ( 4 ) 重量轻、体积小 电子镇流器主要利用高频进行工作，故其储能元件如电感、电容的尺寸都 较传统电感镇流器的储能元件小很多，同时由于半导体技术的发展，电子镇流 器中控制芯片所集成的功能越来越多，这也使其体积和重量进一步减小。 4 自适应电子镇流器控制芯片x d 0 7 6 0 的研究与设计 ( 5 ) 易于实现智能化和调光、节能 电子镇流器比电感镇流器的功耗更小，发热更少。当前，随着科学技术的 进步，电子镇流器已经开始集成了更多的功能，譬如通过相关控制技术，让荧 光灯能够根据现场实际情况自动调节亮度，或者是通过远程网络对荧光灯进行 智能控制，以使电能的利用率达到最佳。 1 3 论文章节安排 本论文设计了一款自适应电子镇流器控制芯片x d 0 7 6 0 ，并利用0 5 1 a nb c d 工艺对芯片进行了仿真验证。文中总计五个章节，各章节安排如下所述。 第一章绪论主要介绍了当前绿色照明在节能环保领域的重要意义以及电子镇 流器特点、发展历史及趋势。第二章主要对荧光灯和电子镇流器的基本知识进行 了介绍。第三章对芯片x d 0 7 6 0 的特点、系统框图设计、工作原理以及工艺选择 进行了说明。第四章对芯片中的关键子模块电路进行了设计和功能仿真验证，包 括低压电源产生电路、基准电路、压控振荡器、高端驱动以及自适应z v s 模块。 第五章对芯片整体功能进行了仿真说明，并给出了仿真后的电特性指标。 第二章荧光灯和电子镇流器基本知识介绍 5 第二章荧光灯和电子镇流器基本知识介绍 本章首先对荧光灯管的结构、发光机理和伏安特性进行了介绍，然后对电子 镇流器的基本结构以及各个组成部分的作用和特点进行了介绍，接着对应用于本 论文的c l a s s d 型逆变电路的工作原理进行了说明；最后分析介绍了电子镇流器 的三种谐振网络。 2 1 荧光灯简介 气体放电灯主要包括低压气体放电灯和高压气体放电灯两种，前者主要指的 是普通日光灯，后者包括h i d 灯、高压钠灯等。无论哪种类型的灯，其发光原理 都类似，只是使用范围不一样。日光灯是使用最广的照明设备，接下来本节将以 日光灯为主，介绍其基本结构、发光原理和伏安特性。 2 1 1 荧光灯基本结构 灯丝玻璃管( 内层涂有荧光物质)灯座 水银 水银蒸汽、惰性气体 。图2 i 荧光灯基本结构 荧光灯的基本结构【4 】，如图2 1 所示，其包括灯丝、水银、内层涂有荧光物质 的玻璃管、惰性气体、灯座部分。灯丝一般由钨丝制成，其上往往涂有碱土金属 氧化物，如碳酸钡等，使灯丝容易发射电子。灯内水银是放电电子的主要来源。 玻璃管内一般充有少量惰性气体( 如氦、氖、氩) 帮助放电，以降低灯管的启动 电压。玻璃管内壁涂有荧光物质以增加灯管的发光效率，并最终决定可见光颜色。 下面将对组成荧光灯的各个基本组成部分进行介绍。 ( 1 ) 灯丝：灯丝是荧光灯进行气体放电时电子的主要供应者，其主要由钨丝 组成，并且钨丝上涂有碳酸钡、碳酸钙和碳酸锶等物质，使灯丝加热后易放出电 子。涂在灯丝上的化学物质应不易蒸发、飞溅，否则会影响灯的寿命。 ( 2 ) 水银( 汞) ：液态水银是灯管内汞蒸气的主要来源。当电子在电场中得 到加速并与气化水银原子碰撞时，会发生原子的电离和激发。水银常态时属于液 体，将其放置在灯管内的目的是当玻璃管中的温度升高时，水银会蒸发成气体， 以改变管内的气压。使用液态水银的荧光灯，其光输出相当不稳定。目前，新型 6 自适应电子镇流器控制芯片x d 0 7 6 0 的研究与设计 的荧光灯产品大都采用固态的汞齐( 汞与一种或者几种其它金属所形成的合金) 来取代传统的液态水银，以得到稳定的光输出。 ( 3 ) 荧光物质：电场中的电子经过加速后，会碰撞汞原子，而使其获得能量 处于激发状态。当水银原子释放能量从激发态回到基态时，会发出波长较短的人 眼不可见紫外光。此后，紫外光将会被涂在玻璃管壁内层的荧光粉所吸收，从而 荧光灯发出波长较长的可见光。荧光物质的不同，会导致荧光灯释放出的可见光 的波长不一致，从而使荧光灯发出各种颜色。当前，普通发白光的荧光灯中的荧 光粉多采用卤粉。对于荧光灯来说，其内部管壁的荧光物质应满足以下要求：一， 转换效率要高；二，稳定性要高；三，附着性要强，容易附着在玻璃管壁上，不 会因高温而脱落；四，成本要低。 ( 4 ) 惰性气体：一般荧光灯内气压要比大气压低。在制作荧光灯的过程中， 会先将荧光灯抽成真空，再填充惰性气体。一方面，由于惰性气体特性相当稳定， 电子与其相撞几乎都是弹性碰撞，这样会提高电子与水银原子相撞的机率，降低 荧光灯的启动电压，提高荧光灯的发光效率；另一方面，惰性气体可以减缓灯丝 涂料原子发生飞溅附着于管壁而形成的灯管黑化现象。 2 1 2 荧光灯发光机理 荧光灯能够发光是由于气体放叫5 j 的缘故。气体放电是指在气体中安置两个电 极并在两个电极之间加上电压，就会有电流通过气体的现象。下面将对荧光灯中 气体放电原理进行简要介绍。 在荧光灯两端加上电压，当电压从零开始增加时，灯阴极由于光电效应会产 生电子。随着外部电压的逐渐升高，灯管内电场强度逐渐增大，电子的动能也逐 渐增加。当电子的动能足够大时，高速运行电子便会与灯管中的气体原子碰撞， 使气体原子的外围电子电离，此时电中性的气体原子会变成正离子和电子。电离 现象的持续，会让灯管内的电子倍数增加，如雪崩一般，并且阳离子会随着外加 电场的作用飞向阴极，此时便形成了灯电流。当外加的电压持续增加超过一定界 限时，阴极会产生二次电子，使荧光灯管进入自持放电状态。受到激发的电子与 带正电的气体离子结合，会返回到基态，其所吸收的动能将以辐射光的形式释放 出来，产生紫外光。此后，灯管内层的荧光粉吸收紫外光线并发出入眼可见的光 线。 2 1 3 荧光灯伏安特性 荧光灯的伏安特性曲线如图2 2 所示。下面将对荧光灯直流情况下的伏安特性 曲线【6 】各区进行分别介绍。 第1 区( o a ) ：刚开始时，由于管内气体放射性物质会辐射出一些电子，所 第二章荧光灯和电子镇流器基本知识介绍 7 以在灯内部会存在有少量电子。外加电场会推动这些电子移动，所以灯管内会产 生微弱的电流。当灯两端电压上升时，电子移动速度加快，流过灯的电流变大。 在该区电流随着电压增大而增大。 电压，v a b i l 譬一 i l l i i v lv ii il e 竹匙 j ! 一d g i g a 。i 【1 l l l 0 图2 2 荧光灯伏安特性曲线 第1 i 区( a ，也) ：电子随着电压持续增加，当电子速度增加到一定值时，自由 电子便会与管中气体原子相碰撞，造成气体原子的电离。电离产生的电子在电场 的作用下被加速，从而又与其他原子碰撞，如此反复，灯管中自由电子的数目越 来越多，电流不断增加，电压保持稳定。 第1 i i 区( b c ) ：此前由于气体原子电离后产生的阳离子质量较重，在电场中 的动能较小。当气体放电超过b 点以后，阳离子动能大到足够将阴极撞击出电子。 当灯两端电压大到可以使管中的每个正离子都能够撞击阴极产生二次电子时，则 阴极每发射出来的一个电子都可以不断再生，流过荧光灯的电流也会不断增加。 由于放电灯电离速度与电子浓度成正比，因此，电离速度的快速增加会造成灯管 等效内阻下降。为了维持放电管中的电荷平衡，电子温度会自动下降，此时放电 电压便会下降，故在i i i 区形成了负斜率曲线。 第1 v 区( c d ) ：此区域为辉光放电区域。在此区域内，灯管的电离截面积 增大，使灯管等效电阻下降，虽然灯管电流不断增大，但电压保持不变。当阴极 电离截面积增大，直至占满这个阴极表面时，进入v 区。 第v 区( d e ) ：此时，阴极电离截面积已经占满整个阴极表面，若要再增加 电流，就必须增加电场强度，此区域为异常辉光放电区域。 第v i 区( e f ) ：异常辉光电流的增加，造成阴极温度升高，阴极之前的冷阴 极发射变成热阴极发射，使得电流剧增，温度下降，也导致电压下降，荧光灯呈 负阻特性。 第v i i 区：热电子发射的结果造成阴极电压的下降，此时放电原子大量激发， 这一区域成为弧光放电区，荧光灯具有负阻特性，一般荧光灯就工作在此区域。 在实际中，荧光灯一般工作在交流情况下，由于荧光灯可以视为一个非线性 8 白适应电子镇流器控制芯片x d 0 7 6 0 的研究与设计 负载，当放电管电压电流改变时，并不会立即影响到管中气体的导电率，期间尚 有一短暂的时间延迟。在低频交流电源驱动荧光灯时，荧光灯的等效阻抗在整个 周期内不断的变化，因而会造成灯管电压电流的失真。当荧光灯两端交流电源频 率大于l k h z 时，灯管内的电离状态跟不上电压、电流的快速变化，管内的等离子 体密度几乎不会改变，故荧光灯形成一个稳定的阻抗，此时灯的伏安特性曲线也 近似为线性【7 驯。 2 1 4 荧光灯对电子镇流器设计的要求 基于荧光灯特性可知，荧光灯启动时需要一个大的电压才能够进行正常点火， 该电压一般约为5 0 0 v 1 2 0 0 v ，并且由于荧光灯的负阻特性，荧光灯在正常工作时， 需有电子镇流器与之配套，来限制流过灯的电流，以使荧光灯能够正常工作。结 合荧光灯的负阻特性，电子镇流器的设计需满足下面几点要求。 ( 1 ) 能够对荧光灯进行预热。如果直接对荧光灯进行硬启动，即在不加热情 况下，利用高电压对荧光灯启动，会使灯丝上的发射材料发生飞溅，经过多次开 关后，灯管两端就会发黑，灯寿命减短。 ( 2 ) 能够提供高的电压，来保证荧光灯点灯。荧光灯两端加有一个非常高的 电压后，其才会进入辉光放电区，所以电子镇流器需要能够提供极高电压来对荧 光灯进行启动。 ( 3 ) 工作在高频下。一方面，由荧光灯的特性可知，当荧光灯工作在高频时， 灯光内的电离状态跟不上电压、电流的快速变化，灯等效为一个线性电阻；另一 方面，荧光灯的发光效率与电子镇流器的频率有关，频率越高，发光特性越好， 而在频率大于2 0 k h z 以后，荧光灯光效不会增加太多。 ( 4 ) 能够提供安全保护。电子镇流器应能限制流过灯管的电流，防止流过荧 光灯的电流过小或过大，影响灯的光效和寿命。此外，在荧光灯故障或点火失败 时，电子镇流器应能监测出故障，并对其自身进行保护。 2 2 电子镇流器的基本结构介绍 电子镇流器基本结构【n 】如图2 3 所示，其主要由e m i 滤波器、整流桥、有 源功率因数校正器、逆变电路、谐振网络以及控制电路构成。电子镇流器基本工 作过程是：2 2 0 v 交流市电经e m i 滤波器，通过整流桥转化成直流电压输入给有源 功率因数校正器；逆变电路在控制电路的作用下将经过有源功率因数校正后的直 流输出电压转化成正负电压交替信号输入给后级带有荧光灯负载的谐振网络；谐 振网络通过谐振在灯两端产生高压，以达到荧光灯点火的目的。图中换流电路为 荧光灯提供工作电流。下面将会对组成电子镇流器的各个部分的功能特点进行简 第二章荧光灯和电子镇流器基本知识介绍 9 要说明。 图2 3 电子镇流器基本架构 ( 1 ) e m i 滤波器 e m i 滤波器【1 2 。1 3 1 为一个由电感、电容组成的低频滤波器，其作用是抑制有害 高频干扰，让有用低频信号通过。在电子镇流器设计中，e m i 滤波器可以减少电 网对电子镇流器的影响，同时也可以避免电子镇流器中开关信号产生高频谐波， 污染电网和干扰其它电子设备的正常工作。 ( 2 ) 整流桥 整流桥的主要作用是将交流市电转化成直流电压。整流桥的实现一般采用全 波整流，其分为两种方式，分别为全桥式整流和半桥式整流。在电子镇流器的实 际设计中，常常利用二极管组成的单相桥式整流电路，后接滤波电容，将2 2 0 v 交 流输入电压转化为3 0 0 v 左右的直流电压。 ( 3 ) 有源功率因数校正器 单相桥式整流电路虽然应用广泛、价格低廉，但由于二极管导通角的存在， 使输入电流波形发生畸变，呈脉冲状，电流与电压产生相位差。该畸变电流会产 生大量干扰注入电网，引起严重的谐波污染。电压与电流的相位差则会导致功率 因数的减小，增大了功耗，降低了设备效率。因此，从电网的安全经济运行方面 来考虑的话，在电子镇流器的设计中需要加入功率因数校正电路【1 4 1 6 1 。 功率因数校正一般分为两种，分别为无源功率因数校正和有源功率因数校正。 无源功率因数校正电路多采用电感、电容来实现，成本低廉，应用简单，但功率 因数一般只能提高到0 9 左右。 相比于无源功率因数校正电路，有源功率因数校正电路是由相关控制芯片和 高频开关变换电路组成，其消除了电流的波形畸变以及电流和电压的相位差，抑 制了谐波干扰，提高了功率因数，其功率因数一般会达到o 9 5 甚至更高，同时能 够输出稳定的、输出可调的直流电压。 ( 4 ) 逆变电路 1 0 自适应电子镇流器控制芯片x d 0 7 6 0 的研究与设计 逆变电路主要是将直流电压转化成高频方波电压，再通过谐振负载网络将高 频方波电压变成驱动荧光灯正常工作的高频交流电压，为荧光灯提供正常工作所 需的交流电源。 电子镇流器逆变器按照电路结构可分为：单端正激逆变器、单端反激逆变器、 全桥式逆变器、半桥式逆变器、推挽式逆变器。单端反激逆变器电路结构如图2 4 所示，其开关元件只有一个，电路结构简单，成本低，但其功率开关管两端承受 电压比较大，所以一般应用于2 0 0 w 以下小功率电路。 推挽式逆变器电路结构如图2 5 所示，其电路的核心部分为两个开关管和变压 器，变压器提供自激振荡所需的反馈信号。由图2 5 可知，当s l 导通，s 2 关断时， 线圈n l 感应线圈n 2 的电压，加在开关s 2 两端的电压为v o c 的两倍，所以设计推 挽式逆变器时，其开关管耐压值要高。对于推挽式逆变器来说，如果两个开关管 特性不一致时，变压器磁芯容易饱和，这是该种类型逆变器的一个缺点。 s 图2 4 反激逆变器电路 图2 5 推挽式逆变器电路 1 s i 、 本d i = ij 哪 ) a _ 1 卜- 谐振电路 s 2 、 一l d t= 图2 6 全桥式逆变电路图2 7 半桥式逆变电路 c i b c 2 全桥式逆变器【1 7 1 ，其电路拓扑结构如图2 6 所示，每个开关管上耐压为v o d 2 ， 在需提供高功率，且要求开关元件有较低耐压值的应用场合中，可选择全桥式逆 变器结构，但全桥式逆变器由于有四个开关管，驱动电路一般也比较复杂。 半桥式逆变器f l 争1 9 3 ，其电路拓扑结构如图2 7 所示，电容c l 和c 2 串联并接于 电压v t x ：两端，每个电容上的电压值为v o d 2 ，通过控制开关管s l 和s 2 的交替导 通，可产生高频方波电压，且每个开关管两端的耐压值不得低于v o c 。与全桥式逆 第二章荧光灯和电子镇流器基本知识介绍 l1 交器相比，半桥式逆变器少了两个开关管，驱动电路设计更简单，成本也更低。 由半桥式逆变器发展而来的c l a s s d 型逆变器【砒1 1 电路拓扑结构如图2 8 所 示。与半桥式逆变电路相比，其电路结构进一步简化，输出电压也更高。本论文 所涉及的逆变电路便采用了c l a s s d 型逆变结构，其具体工作原理将在2 3 节进 行详细说明。 拇g s 1 、 ) a 茸q 钾 易 i 图2 8c l a s s d 逆变电路结构 ( 5 ) 谐振网络 电感、电容组成了电子镇流器的谐振网络【2 2 埘】，其作用为：一是通过逆变电 路的动作，利用谐振作用给荧光灯提供一个高的启动电压；二是给灯管提供正常 工作电流。此外，谐振网络还有滤除高次谐波的作用，以得到较好的驱动荧光灯 管的正弦电压波形。 2 3 电子镇流器c l a s s d 逆变电路工作原理 逆变电路的主要作用就是通过开关元件导通与关断的切换，将直流电压转化 成高频方波电压。由文中第二节内容可知，c l a s s d 型逆变电路是对半桥式逆变 电路的改进，其电路结构简单，在电子镇流器设计中已经得到了广泛应用。由于 本论文设计的电子镇流器控制芯片针对的是c l a s s d 型逆变电路，因此，本节将 对该型逆变电路的工作原理进行具体分析。 由上一节图2 8 可知，开关元件s l 、s 2 构成了c l a s s d 型逆变电路，其一般 采用功率m o s f e t 。二极管d l 和d 2 为功率m o s f e t 两端的寄生二极管，电容 c l 与c 2 为功率m o s f e t 两端的寄生电容；电感l 与电容c s 、c p 以及荧光灯负载 l a m p 共同构成了串联谐振串并联负载谐振网络，其具体工作原理分析如下所述。 图2 1 0 中为换流电路基本工作波形图，v g s l 、v g s 2 分别为开关s l 、s 2 的驱动 控制信号。当驱动控制信号为高时，开关导通，当驱动信号为低时，开关关断。 电流i s l 、i s 2 分别表示流过两个开关m o s f e t 的电流，v a 表示图2 8 中a 点电压， i l 表示流过电感l 的电流，该逆变电路具体工作过程分析如下所述。 1 2 自适应电子镇流器控制芯片x d 0 7 6 0 的研究与设计 在t o t l 时刻，v g s l 为高电平，v g s 2 为低电平，开关s l 导通，s 2 断开，直流 电压v d c 直接加在谐振电路两端，电流i l 流经开关s l ，通过谐振网络进入荧光灯， 此时流过荧光灯的交流电流为正，如图2 9 ( a ) 所示。 ( a ) s t 导通，s 2 、d i 、d ：关断 ( c ) d 2 导通s i 、s ：，d i 关断 s 母a )l 恩兰川 s 2 、 ( c j s l 、s 2 、d l 、d 2 关断 l a m p s l 3q f ) 日c ：兰州 勖、 ( b ) s l 、d ，、l ：h 关断 i d ) s 2 导通s 、d l 、d ：关断 s j 。 ) 一 s 2 、 ( o d t 导通，s l 、s 2 ，啦关断 图2 9c l a s s - d 逆燹电路工作过程分析 在t l t 2 时刻，v g s l 、v g s 2 均为低电平，开关s l ，s 2 都关断，流经开关s l 和 s 2 的电流i s l 、i s 2 均为零，谐振电流i l 流过寄生电容c l ，并对其充电。c l 两端电 压逐渐上升，同时逆变电路a 点电压v a 相对下降。此时，寄生电容c l 与谐振负 载网络形成回路，如图2 9 ( b ) 所示。 当v a 电压降到一定值时，寄生二极管d 2 导通，开关s 2 两端电压近似为零电 压。此时，在t 2 时刻，v g s 2 变为高电平，可实现开关s 2 的零电压导通，减小了导 通功耗。寄生二极管d 2 与谐振负载网络形成电流回路，如图2 9 ( c ) 所示。 第二章荧光灯和电子镇流器基本知识介绍 1 3 在t 2 t 3 时刻，v g s l 为低电平，s l 关断；v g s 2 为高电平，s 2 导通，开关s 2 与 谐振负载网络形成回路，如图2 9 ( d ) 所示。在该时间区间，电感电流i l 方向改 变。 在t 3 咱时刻，v g s l 、v g s 2 均为低电平，开关s l ，s 2 都关断，流经s l 和s 2 的 电流i s l 、i s 2 均为零，电感电流i l 流过寄生电容c 2 ，并对其充电。c 2 两端电压逐 渐上升，同时逆变电路a 点电压v a 跟随c 2 两端电压上升而逐渐变高。此时，寄 生电容c 2 与谐振负载网络形成回路，如下图2 9 ( e ) 所示。 当v a 电压值升高到一定值时，v a 电压大于v d c ，寄生二极管d l 导通，开关 s 1 两端电压近似为零电压。此时，在t 4 时刻，v g s l 变为高电平，可实现开关s l 的零电压导通，减小了导通功耗。寄生二极管d l 与谐振负载网络形成回路，如图 2 9 ( f ) 所示。 v g s 2 v 图2 1 0c l a s s d 逆变电路工作波形示意图 由以上分析可知，通过控制两个开关管的交替动作，半桥式逆变电路可将直 流电压转化为交流方波，这为进行芯片设计提供了两个要求：一方面，为避免两 个开关同时导通，产生大电流烧毁功率管，驱动控制信号中需加入死区时间；另 一方面，芯片还应能够对非零电压切换的情况进行检测以保护电子镇流器。 1 4 自适应电子镇流器控制芯片x d 0 7 6 0 的研究与设计 2 4 电子镇流器中负载谐振网络分析 电子整流器中的谐振网络主要由电感、电容构成，其作用是：在荧光灯进行 启动时，给荧光灯提供一个高的启动电压；在灯正常工作时，给荧光灯提供其所 需的工作电流。此外，谐振网络还有滤除高次谐波的作用，以得到较好的驱动荧 光灯管的正弦电压波形。 根据组成谐振电路的电感、电容与灯负载的不同连接方式，谐振负载电路常 用的有三种【2 5 1 ，分别为串联谐振串联负载( s e r i e sr e s o n a n ts e r i e sl o a d e d ，s r s l ) 、 串联谐振并联负载( s e r i e sr e s o n a n tp a r a l l e ll o a d e d ，s r p l ) 、串联谐振串并联负载 ( s e r i e sr e s o n a n ts e r i e s p a r a l l e ll o a d e d ，s r s p l ) ，这三种谐振网络结构如图2 1 l 所示，各个谐振负载电路的传输特性分析如下所述。 逆变 r 、i - + i 电路 v 。 。i + v o 一 逆变 v 。bt l电路 + v o l c 逆变 v i c p t i 电路 ( a ) 串联谐振串联负载( ”串联谐振并联负载( c ) 串联谐振串并联负尊 + v o 一 图2 1 l 三种谐振电路结构图 对各个谐振负载电路分析前，我们首先假设：( 1 ) 各个元件均为理想元件。( 2 ) 不考虑谐波干扰和高频干扰，灯两端电压为理想正弦波。( 3 ) 荧光灯负载由其伏 安特性可知，其可等效为一个电阻，在点火前i 灯阻抗无限大，在灯被点亮后， 其等效为一个小阻抗的电阻， i 串联谐振串联负载 串联谐振串联负载网络，如图2 1 1 ( a ) 所示，电感电容与灯管串接在一起， 其中l s 为谐振电感，c 。为谐振电容，灯管等效电阻为r ，v o 为灯两端电压，v 。 为谐振网络输入电压。在s 域中，建立该谐振负载网络的传输函数有 锱= 琢丽s r c s 可( 2 - 1 )厕2 孬z i 菘可 ) 令s - - j c o ，则有该谐振负载网络频域中传输函数，化简后可得 取上式幅值则有 ( 2 - 2 ) 习j 惜 一 一国 丽圪一圪 第二章荧光灯和电子镇流器基本知识介绍 l5 ( 2 - 3 ) 其中为开关频率，c o 。为谐振频率。 谐振频率c o 。可表示为 1 1 织2 丽( 2 - 4 ) 。vo 一_ 、7 0 品质因数q s ，可由下式表示 国l1 q 2 昔2 布( 2 - 5 ) 从公式( 2 3 ) 出发，对串联谐振串联负载网络的电压增益随频率变化情况 进行分析。图2 1 2 所示为串联谐振串联负载在稳态情况下的幅频特性曲线。 兮 ：3 芝 兮 ；o 岁 1 7 。r j 砭? 务 确龄o s = l v 叠小邑= 2 ? 、心 - - 0 s = 3 乡夕 ， q 。- - - 4 一- - r 、一c v sv 0 60 811 z1 41 6 t 0 l s 图2 1 2 串联谐振串联负载幅频特性曲线( q s _ l 5 ) 由图2 1 2 可知，串联谐振串联负载网络输出电压增益与逆变电路的开关频率 以及品质因数q 。有关。当逆变器开关频率逐渐大于谐振频率时，电压增益逐渐减 小；当逆变器开关频率逐渐小于谐振频率时，电压增益也逐渐减小；只有当逆变 器开关频率等于谐振频率时，电压增益最大，最大增益为l 。对比图2 1 2 中不同 品质因数的幅频特性曲线可得，品质因数高，输出电压调节频率范围窄，调控特 性好。 由以上对图2 1 2 的分析可知，无论品质因数q 。有多高，串联谐振串联负载网 络的电压增益都不可能大于1 ，这也是该谐振负载网络的一大缺点，对于需要高启 动电压的荧光灯来说，显然不适用。 串联谐振串联负载网络电压增益受限的缺点可以通过增加额外的升压结构来 克服，但这也无形中增加了设计成本和设计复杂度。 i i 串联谐振并联负载 1 6 自适应电子镇流器控制芯片x d 0 7 6 0 的研究与设计 图2 1 1 ( b ) 所示为串联谐振并联负载拓扑结构图，其中电容c p 与荧光灯负载 r 并联，灯电阻r 两端的电压为v o ，v 。为谐振网络输入电压。在s 域中，建立该 谐振负载网络的传输函数有 篇= 瓦而r 和 ) 厕2 孬覃了可i p 令s 气，则有该谐振负载网络频域中传输函数，化简后可得 对公式( 2 7 ) 取幅值，则有 ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 兵甲为开关频翠，t o p 为谐振频翠。 谐振频率唧可表示为 郇= 赢( 2 - 9 ) l p l p、 品质因数q p 可表示为 绯2 去一( 2 - 1 0 ) 从公式( 2 8 ) 出发，对串联谐振并联饧载网络的电压增薷随额率蛮化情况讲 行分析。图2 1 3 所示为串联谐振并联负载在稳态情况下的幅频特性曲线。 芎 ：3 芝 兮 ：， 岁 瓜南q 。= 5 7 潮q 一 ? ? ，潺! 1 1钐夕 经 篷： 图2 1 3 串联谐振并联负载幅频特性曲线( q p _ l 5 ) 由图2 1 3 可知，串联谐振并联负载网络输出电压增益与逆变电路的开关频率 以及品质因数q p 有关。当逆变器