设计用于小型荧光灯的25W迷你型镇流器.doc

设计用于小型荧光灯的25W迷你型镇流器设计用于小型荧光灯的25W迷你型镇流设计用于小型荧光灯的25W迷你型镇流器器设计用于小型荧光灯的25W迷你型镇流器直到今天，荧光灯仍是一种以最少电能消耗(流明/瓦)产生白光的最廉价方法。现在，小型荧光灯的每年销售规模达数亿只，而对荧光灯可靠性的要求也不断提高。如今的照明系统需要镇流器控制功能以驱动小型荧光灯，但这样增加了成本和设计时间，而且这些镇流器控制功能必须根据每种不同类型的荧光灯重新调节。 因此，设计工程师需要集成了所有控制功能的解决方案，以便将更多精力集中在灯管的输出级设计上，并缩短产品上市时间。本文介绍如何利用集成了多种控制功能的单片IC来设计25W小型荧光灯镇流器，另外还讨论输出级设计、可编程器件的选择、原理图、镇流器测量波形，以及仿真结果和实测结果的比较。 可利用基于标准谐振电路拓扑的简化模型来设计灯管输出级(图1)。灯管要求在给定的时间内有电流来预热灯丝，有高电压来点亮灯丝，然后开始工作。选择合适的电感和电容并改变输入电压频率可以满足这些要求。为预热和点亮灯丝，此时灯管并不导通，电路为电感-电容串联形式。灯管点亮后，灯管处于导通状态，电路成为电感并联电阻-电容串的形式。 根据电路的传递函数可得到灯管预热、点亮和正常照明三种状态下的输出级工作点(图2)。频率在确定的预热时间内从起始频率开始平滑下降到最终工作频率。在频率下降过程中，灯丝被预热，灯管两端的电压随着频率接近高Q值L-C电路的谐振点而不断增加。当电压足够高时，灯管即被点亮，工作点转移到低Q值L-C曲线。频率则继续下降，最终达到工作频率。 图1：简化的灯管输出级模型是一个基本的R-L-C电路。 高Q值串联L-C电路的传递函数为： 其中Vin为输入方波电压的幅值(V)，Vign为灯丝点亮电压的幅值(V)，L等于输出级电感(H)，C等于输出级电容(F)，fign为灯管点亮时的频率(Hz)。根据式1得到fign的表达式： 式2给出了高Q值L-C传输曲线上灯管点亮时的工作点的频率。需要注意的是，这里采用输入方波(Vin)的基频进行线性分析。一旦灯管点亮，其电阻不能再被忽略，系统变成具有如下传递函数的低Q值串并联R-C-L电路： 从式3可得到低Q值R-L-C传输曲线上的工作频率： 这里R为由荧光灯工作功率和电压决定的荧光灯电阻。 其中，Prun等于工作功率(瓦)，Vrun为灯管的工作电压(伏)。最后，根据所用IC的电控制振荡器(VCO)最大频率得到高Q值L-C曲线上的起始频率工作点。 利用这些等式以及荧光灯和镇流器的参数，可设计出荧光灯输出级。25W CFL型荧光灯和镇流器(由230V交流电源供电)的参数为：Vin=280V, Vign=380V(峰值),Prun=25W,Vrun=175V(峰值),frun=45kHz。 选择C=6.8nF并利用式4，使L从0.1mH开始逐渐增大直到获得预期的工作频率。确定L和C后，利用式2和式6计算点亮和起始频率。所采用的IC为IR2520，其频率可以从起始频率扫描到工作频率(图3)，为保证荧光灯能够正常点亮，点亮频率必须大于工作频率，采用上述设计方法可确定电感值为2.3mH。 图2：这些曲线描述了输出级具有不同工作点的传输函数。 本文设计了一个25W迷你型镇流器演示板，并对之进行性能测试。输入级针对230V交流电源而设计，利用镇流器控制IC对频率和预热时间进行编程，并执行频率扫描和驱动高端和低端半桥MOSFET。该IC也提供熄灯复位功能及在冲击失效、非零电压开/关、灯丝开路和拆卸灯管时的保护功能。 采用上述设计方法计算L、C及灯管输出级的频率，并根据计算结果选择可编程IC(图4)。分别选取电感和电容为2.3mH和6.8nF，将电容、电感值和计算出的工作频率值代入下式，计算可编程IC的输入参数： 其中，由RFMIN设置期望的工作频率(frun)，由CVCO/SUB设置期望的预热/点亮时间(tph/SUB)，元件RSUPPLY、CVCC/SUB、DCP1/SUB、DCP2/SUB和CSNUB则被用来为IC提供电源电压。起初，随着交流电压的增加，RSUPPLY给电容CVCC/SUB充电，直到电压升高到等于IC的内部导通电压。在导通前，IC仅汲取数微安的电流，因此RSUPPLY可以取较高的值以将功耗降到最低。当VCC超过IC的内部导通电压时，由栅极驱动的输出LO和HO开始振荡，振荡频率等于起始频率,占空比为50%。CSNUB、DCP1/SUB和DCP2/SUB构成的电荷泵电源为IC的主电源，它使VCC保持在15.6V的内部钳制电压水平。电容CSNUB也可在半桥输出端提供缓冲，以增大上升和下降时间，从而减少电磁辐射(EMI)。 图3：IR2520D随电压(上图)和频率(下图)变化的灯管控制序列。 电容CDC为振荡电路提供隔直，以维持荧光灯的交流工作电流和电压。这可以防止荧光灯内汞的迁移，汞迁移会造成灯管两端发黑，缩短灯管寿命。对试验板进行测试，并将测试值与预计仿真值进行比较。在启动和点亮过程中，电压电流波形为正弦波。 实测频率与预计频率之间的偏差小于5%，而其它类型的灯管和元件配置产生的偏差可达10%。这样的偏差在预料之中，因为上述设计方法忽略了谐波、非线性电阻、灯丝电阻、电感损耗及元件容差。因此需要对元件进行再次筛选。 在采用上述方法构建全功能迷你型镇流器参考设计方案的过程中，考虑了温度、灯管寿命、性能裕量、封装、布局、可制造性和成本等所有因素。对于多种不同几何形状(流线型和紧凑型)和不同功率(各种功率)的灯管，采用上述方法预计灯管的工作点得到了良好