电子镇流器专用控制芯片应用

2020/5/1,.,1,IR公司电子镇流器专用控制芯片介绍,2020/5/1,.,2,灯的类型-荧光灯,2020/5/1,.,3,灯的类型-HID,2020/5/1,.,4,最新灯和镇流器要求,标准(CE,ENEC)IEC61000-3-2(CE):谐波抑制EN60928:交流常规和安全要求EN60929:交流性能要求(波峰系数等等)EN55015,EN50022:(射频干扰)EN60924:直流常规和安全要求EN60925:直流性能要求EN61547:抗扰特性寿命，多次启动，预热:工作30000小时,反复启动3小时或开关10000下能量级别:镇流器因数,流明/瓦特成本可靠性/安规:灯损坏时要能可靠关断灯管达到灯寿时间是要能可靠关断更换灯管时能自动重启动暗光保护,2020/5/1,.,5,照明市场倾向,节能，功率因数校正，谐波电子镇流器比电感镇流器节约30%以上的电流电感镇流器因为功率因数和谐波差所以被许多国家禁止使用灯的新类型要求预热（T5）和电子镇流器（CFL）时尚的照明控制:调光,多路电子镇流器,可寻址电子镇流器,宽范围输入。,2020/5/1,.,6,IR的方案帮助设计者把握今天，迎接明天的挑战,低成本减少了元件个数加速了商品化时间，缩短了设计周期尺寸小，重量轻柔性设计平台多种镇流器的结构和时尚的控制方案减少了发展时间和成本,2020/5/1,.,7,典型的电子镇流器方框图,2020/5/1,.,8,Start,PH,IGN,RUNDIM,time,Vlamp,I=IPH,V=VPH,V=VIGN,V=VRUN,镇流器工作模式,2020/5/1,.,9,VIN,ILph,ILign,t,0,ILrun,IL,VIN,VS,VBUS,VS,HO,LO,LO,HO,time,ForHalf-BridgeVIN=VBUS/2,镇流器输出级,2020/5/1,.,10,半桥输出VIN是方波,R代表灯,L谐振电感，C是谐振电容,输出级简化模型,2020/5/1,.,11,触发前:高Q曲线(R不在电路内)触发后:低Q曲线(R在电路内)灯上的电压有预热，触发，运行频率决定,方案模型和灯的工作点,2020/5/1,.,12,(红外线),(公差),预热到触发期间),(电感/MOSFET等级),(减少损耗,不调光设计约束,设计要求与约束,2020/5/1,.,13,预热，触发和运行时的灯电压,灯电压,2020/5/1,.,14,预热波形,高低灯丝电流波形,高低灯丝电压波形,2020/5/1,.,15,触发波形,Preheat,andIgnitionRampwith2lampscrossed,2020/5/1,.,16,不触发故障条件(CSpin)noover-current,inductorsaturation,damageordestructhalf-bridgeMosfets,High-Q,Low-Q,Preheat,Ignition,Run,High-Q,Preheat,!,Vout,Vin,frequency,VS,IL,2020/5/1,.,17,灯丝开路条件(CSpin)nohardswitchingathalf-bridgewhichwoulddamageordestructpowerMosfet,High-Q,Low-Q,Preheat,Ignition,Run,fr(HQ),fr(LQ),VS,IL,VS,IS1,IS2,!,2020/5/1,.,18,在谐振点以下(CSpin)earlydetectionofloadfault,High-Q,Low-Q,Preheat,Ignition,Run,fr(HQ),fr(LQ),High-Q,Preheat,Ignition,Run,fr(HQ),!,VS,IL,VS,IL,IS1,2020/5/1,.,19,靠近谐振点条件下(CSpin)nohardswitchingforloadfault,High-Q,Low-Q,Preheat,Ignition,Run,fr(HQ),fr(LQ),!,High-Q,Low-Q,Preheat,Ignition,Run,fr(HQ),fr(LQ),2020/5/1,.,20,noover-heatingoflampfilaments.Glasscanmeltandfalloutoffixture.Highcurrentspikesinthehalf-bridgewhichcandamageanddestroypowerMosfet,到达灯寿时间条件下,2020/5/1,.,21,灯检测和自动重启动(SDpin)Lampexchangeandrestartwithoutre-settingmainsvoltage暗光检测Lampcanextinguishandremainunlit.Entireroomwillbedarkafterabrown-outoccurs.,2020/5/1,.,22,IR公司推出的适合电子镇流器的高压IC,IR215x系列是符合工业标准的可用在电子镇流器和开关电源上的产品.IR215x系列的所有产品内部都集成了600V高压半桥驱动电路.IR2153:在IR2151的基础上改进的新型镇流器控制驱动芯片.IR2156:预热频率,运行频率可编程的控制驱动芯片.IR21571:功能丰富的镇流器控制驱动芯片.IR21592/3:可调光镇流器控制驱动芯片.IR2166：经济型功能齐全内部集成PFC控制的高端产品，系统成本可降低30%IR2167:操作条件可编程,有各种保护功能,内部集成PFC控制的高端产品,2020/5/1,.,23,IR公司用于电子镇流器的高压驱动控制芯片,IR2153,2020/5/1,.,24,IR2153-自振荡门级驱动IC,di/dt抑制电路微功率启动.CT脚有关闭的功能高端和低端驱动的半桥拓扑结构最高600V的偏制.高压总线启动时内部钳位齐纳管抗CMOS锁定内部的振荡器产生精密的占空比和死区时间控制.顺序启动和欠压输出锁存.,2020/5/1,.,25,IR2153di/dt的抑制及其益处,IR2153的输出缓冲级可以减小输出级的di/dt在门级驱动电路中减少di/dt可以减低di/dt和门级寄生电路结合产生的门级振铃.di/dt的减少可以不同程度的减少射频干扰对EMC问题有好处.选择合适的门级电阻,减少di/dt将不会影响效率的.,2020/5/1,.,26,IR2153欠压输出锁存,当Vcc高于VccUV+时IR2153开始工作,当Vcc低于VccUV-时IR2153停止工作.,2020/5/1,.,27,IR2153是真正的微功率启动,微功率启动是指：在IC静态时（即IC没有振荡，VccVccUV)的偏制电流很小。,2020/5/1,.,28,微功率启动在设计中的优点,微功率启动只需很小的电流可使器件开始工作并且可以从自举式辅助电源中获得正常工作所需的较大的电流。这样做可以减低启动功耗。启动更容易。效率比用单一电阻从高压总线上取出电压的方式高得多。,2020/5/1,.,29,IR2153典型应用电路,2020/5/1,.,30,IR公司用于电子镇流器的高压驱动控制芯片,IR2156,2020/5/1,.,31,IR2156功能介绍,集成的单片式电子镇流器控制驱动芯片.预热频率可编程.预热时间可编程.内在触发轨道.可编程过流保护.运行频率可编程.死区时间可编程.直流总线欠压复位.关断脚滞环特性Vcc内部有15.6V齐纳稳压二极管.微功率启动(150uA).抗锁定和ESD保护.,2020/5/1,.,32,IR2156内部框图,2020/5/1,.,33,电子镇流器组成的结构框图,谐振电路LC提供触发高压.灯运行时电感限制灯的电流.控制IC检测灯的电流和功率并且调整半桥的驱动使之恒流或恒功率.,2020/5/1,.,34,IR2156的典型应用电路,2020/5/1,.,35,IR2156的启动,2020/5/1,.,36,IR2156预热,2020/5/1,.,37,灯丝预热特性,预热时灯丝发射电子,减小灯启动时对灯丝的损坏.阴极预热到发出橘黄色的光.检测阴极预热程度用测量灯丝的电阻的方法,使热态电阻与冷态电阻的比为4.5:1,最少为4:1注意:白光是由于阴极两端电压过高使局部放电产生的,这样会影响灯的寿命.灯启动时有蓝光是由于阴极预热不足.预热频率比运行频率更高,以确保灯阴极两端没有足够的电压使灯管击穿.,2020/5/1,.,38,IR2156触发,2020/5/1,.,39,触发失败的原因,即使灯管的阴极没有损坏的情况下也有很多原因使灯管不能触发。触发失败的原因主要有：过流或着是出现了硬开关现象。镇流器要有保护功能避免对灯管及自身的损坏。,2020/5/1,.,40,IR2156的保护功能,当灯管移走时在插坐上会有很高的电压，处于安全的原因这时镇流器必须关闭.当灯管放回原地时镇流器应自动重启动。,BigVoltage,2020/5/1,.,41,IR2156的保护功能-DC欠压复位,当DC总线电压过低时，灯管的输出级频率会接近或低于谐振频率，这样同样会造成硬开关，并破坏半桥的开关。为了防止这种现象的发生，管脚VDC测量DC总线的电压，并在管脚VDC上的电压低于10.9V时线性拉低管脚CPH电压，这样使得P沟道MOSFETS4在DC总线降压时关断，并使频率向上提高到高于谐振点的一个安全的工作频率DC总线在频率移动时通过外部电阻RBUS和内部电阻RVDC决定。通过拉低管脚CPH，触发斜率也被复位。但DC总线电压过低时，镇流器不进行触发，当DC总线电压再次上升时，IC将进行自动再触发,2020/5/1,.,42,IR2156工作时序图,2020/5/1,.,43,IR2156样品,Compactballast,LinearBallast,2020/5/1,.,44,IR公司用于电子镇流器的高压驱动控制芯片,IR21571,2020/5/1,.,45,IR21571特点介绍,预热时间和频率可编程。触发沿可控。故障-击穿保护。过流保护。欠压保护。更换灯管可重新启动。过热保护。死区时间可编程。综合的600V电平转换门级驱动。VCC管脚内部稳压二极管钳位15.6V。微功率启动。所有管脚都有抗锁定和静电防护。,2020/5/1,.,46,IR21571内部结构框图,2020/5/1,.,47,IR21571典型应用电路,2020/5/1,.,48,IR21571状态图,2020/5/1,.,49,IR21571系统的优点,能够对各种类型的快速启动荧光灯控制。各种功能和保护措施给镇流器设计工程师提供了高度灵活的设计方法。所须外围器件少。,2020/5/1,.,50,IR21571样品,2020/5/1,.,51,IR公司用于电子镇流器的高压驱动控制芯片,IR21592,2020/5/1,.,52,IR21592可调光电子镇流器控制芯片功能,集成镇流器控制和半桥驱动闭环功率控制预热电流可调触发到调光时间可调0.5V到5V调光控制输入最小和最大灯管功率调节最小频率可调电流检测抗干扰灯管损坏保护自动重启动微功率启动VCC稳压管钳位过热保护,2020/5/1,.,53,调光方案,灯电流检测要求用变压器与灯丝电流隔离。相控用串在低端开关的电阻来检测电流的过零点并计算出相位。,1)灯电流检测,2)相控,2020/5/1,.,54,相位与灯功率的关系,相位与灯功率的关系是线性的,所以相控是有可能实现线性调光的。,2020/5/1,.,55,IR21592触发到调光输出级特性,灯管触发后输出级阻抗与频率响应的变化。,2020/5/1,.,56,IR21592调光,基准相位和输出电流相位的相位差，强制VCO引导频率做正确的变化，该误差是由输出级的传导函数决定的，并强制该误差为零。在调光模式期间管脚内部连接的15A电流源对VCO电容放电，并向锁定点降低频率。,2020/5/1,.,57,IR21592调光,相控定时图表,2020/5/1,.,58,IR21592的保护功能-电流检测,在调光模式期间，电流检测电路对硬开关进行过流检测，并且过零测量总负载电流的相位为避免低端MOSFET或IGBT开通时的开关噪声干扰，IC内部的数字电流检测电路屏蔽掉管脚LO变高电平时，过零检测电容上最初的400ns变化。,2020/5/1,.,59,IR21592的保护功能-电流检测,当镇流器工作在最小相移时（最大功率），内部屏蔽电路会对调光范围产生微小的影响，管脚MAX的外接电阻选择时，应注意避开屏蔽时间的影响。,2020/5/1,.,60,IR21592系统的优点,可在1%到100%进行调光。可在任意调光点触发灯管损坏检测不需运算放大器只需微小的改动就可将非调光镇流器变为可调光镇流器,2020/5/1,.,61,IR21592样品,2020/5/1,.,62,IR2166单片IC集成镇流器控制和功率因数校正,IR公司用于电子镇流器的高压驱动控制芯片,2020/5/1,.,63,背景-产品所要解决的问题,需要两个或更多的IC电感式镇流器与电子镇流器的比较-节能变的越来越重要.-电子镇流器比电感镇流器节能40%(没有硅元素).-政府能源部门通过立法强制制造商停止生产40W传统的电感镇流器新立法要求PFC-PFC在许多国家被强制执行.-欧洲立法通过大于26W的应用.电感镇流器没有针对T5灯的解决方案-T5是快速发展的一种灯灯寿保护-许多镇流器没有保护功能而导致起火.,2020/5/1,.,64,电感式镇流器-能源利用率不高-不符合PFC和THD的标准传统电路中有很少的保护功能-增加保护功能需要大量的外围元件电感镇流器提供照明品质低（有频闪）而且具有可听见的噪声传统方案使灯的寿命很短镇流器的体积和重量很大,选择方案一:,利用磁性元件电路,2020/5/1,.,65,需要许多的元件2IC解决方案-镇流器控制IC(IR2156,UBA2021/2)+分离的PFCIC(ST6560)3IC解决方案-微控制器+基本的驱动器(IR2104)+分离PFCIC(ST6560)低成本分离PFC有8个引脚-IR2166仅有4个引脚-需要电流检测或交流线检测-布线复杂设计周期-前端和后端之间没有反馈,选择方案二：用IC和分离的PFCIC,2020/5/1,.,66,EXISTING,IRPFCMETHOD,仅在PFC级就省去了9个元件-省去1个昂贵的电流检测电阻-省去4个总线和保护电阻-省去1个电容-省去3个自举元件,IRPFC与分离PFCIC的比较,2020/5/1,.,67,最大总线电压调整,PFC两种工作模式提高了性能:在预热和触发期间PFC工作在高增益模式减少了总线电压下跌在运行期间PFC工作在低增益模式使得有高PF和低THD,IRPFC与分离PFCIC对比,2020/5/1,.,68,IR2166PFC特征,升压类型(调节DC总线)临界导通模式:每个周期电感电流放电到0。Toff由检测到的电感过零点决定。总线调节控制PFCMOSFET的开通时间.Ton由检测的总线电压决定。自由运行频率(当输入电压低时高,当输入电压高时低)没有乘法器,2020/5/1,.,69,Upto5%improvementinTHD,BetterPFatallvoltages,THD和PF比标准PFCIC有改进,2020/5/1,.,70,IRPFC控制方框图,变增益优化闭环响应时间,可变电流调制开通时间以减小THD,镇流器控制级反馈，镇流器与功率因数校正错误共享,仅有4个控制端,2020/5/1,.,71,开通时间与交流输入的关系,自由运行频率(在电流最大值和最小值接近过零点时的高频）TON调制接近线电流过零点来减小THD,2020/5/1,.,72,线：黄功率因数红THD绿总线电压,IRPFC特征,Note:IR2166demoboardresults,EMIfiltertoaddtofulfillTHDrequirementsEN61000-3-2,2020/5/1,.,73,IR2166andIR2167PFC特征,来自IR的专利仅有4个控制管脚不需电流检测电阻不需交流检测很少的外围元件与镇流器控制一起工作PF与镇流器之间有反馈,2020/5/1,.,74,灯寿检测和保护,SD脚内部有2V的基准电压.在灯管达到最大使用寿命期间，灯管电压将对称上升或不对称上升.SD脚的峰峰值也将上升(有2V的偏制)任何一种情况都会超出1V到3V窗口比较器的界定,因此触发关断.,470pF,660Kohm,REOL4,470nF,CRES,SD,2V,1Mohm,InsidetheIR2166/IR2167,2020/5/1,.,75,单片解决方案不需要电流检测电阻不需要交流线检测外围元件数目少快速启动并且无闪烁灯寿特征完整的镇流器控制和保护符合所有的PFC和THD规格与镇流器控制联合工作PF与镇流器控制共用同一个保护电路市场上第一块集成功率因数校正和镇流器的芯片,对客户的优点,2020/5/1,.,76,完整的单片集成镇流器IC预热次序:有预热能延长灯管寿命30倍运行和预热频率可编程能适用于任何类型的标准灯和非标准灯利用很少的不同外围元件可以对不同类型的灯进行设计门级驱动电流250/400mA16脚封装,保护特性:欠压输出锁存软启动触发失败保护灯丝开路保护过流点可编程有可关断脚DC总线欠压复位灯寿保护（IR专利）灯管复位自动重启动故障计数器通用输入(80-260VAC)-消除了必需的细节设计,Itemsinredareuniquevaluedrivers,IR2166产品描述,2020/5/1,.,77,WhiteLineInputVoltageBlueLineCurrentCurrent,PowerFactor=0.55THD=128%,GreenLineInputVoltageBlueLineCurrent,Ballastwith35WloadwithnoPFC120VACinput,PowerFactor=0.99THD10%,IR2166Ballastwith35Wload120VACinput,IRPFC的性能-0.99PFand4,2020/5/1,.,116,noover-current,inductorsaturation,damageordestructhalf-bridgeMosfets,High-Q,Low-Q,Preheat,Ignition,Run,High-Q,Preheat,Vout,Vin,frequency,VS,IL,!,不触发故障条件下(CSpin),2020/5/1,.,117,灯丝开路条件下(CSpin),High-Q,Low-Q,Preheat,Ignition,Run,fr(HQ),fr(LQ),VS,IL,VS,IS1,IS2,!,2020/5/1,.,118,较少的元件数,仅有18个元件!,典型应用图,2020/5/1,.,119,新的8脚IC的特点,完整的CFL方案高功率容量比自振荡方案更可靠延长灯的寿命MOSFET低损耗灯丝开路保护触发故障保护减少元件数量仅有8个脚,2020/5/1,.,120,设计软件介绍,Pin=34W,Vign=1600Vppk,Vph=600Vppk,tph=1secLres=2mH,Cres=8.2nF,2020/5/1,.,121,IR产品的优点,真正的微功率启动，减小功耗提高效率。输出缓冲减小了输出级的di/dt，从而减小了电磁干扰提高了EMC性能。具有抗锁定能力和静电防护，防止自身的损坏。温度特性好，器件温升小，提高了系统的可靠性延长了镇流器系统的使用寿命。预热频率/时间可控，运行频率可控，死区时间可控有各种保护功能给电子镇流器设计工程师提供了更加方便的条件,使设计变的更加简单。,2020/5/1,.,122,IR公司全方位满足客户的需要,IR公司拥有各种不同的产品从低端到高端满足客户不同的需求。IR公司还为客户提供一整套完整的电子镇流器设计方案并且为客户提供全面的技术支持。,2020/5/1,.,123,镇流器IC的可编程特性,2020/5/1,.,124,镇流器设计参考,组合完整并调试的PCB板文件包括：原理图，原料清单，PCB图，应用指导，数据表。可从,Reference,Design,BallastIC,Description,IRPLCFL2,IR2156,42W,Single,