採用IR21592的調光電子鎮流器的原理與設計

概述：介紹IR21592型調光鎮流器控制器的特點，詳細闡述基於IR21592的36 W螢光燈調光電子鎮流器電路的工作原理與設計。

1 引言
近幾年，可調光螢光燈電子鎮流器得到長足發展，成為倍受用戶青睬的典型「綠色照明」產品。由於螢光燈是一種非線性負載，並且燈管有額定導通電壓，如果燈管上的電壓低於額定值，則會熄滅或不能發光，所以螢光燈的調光並非像白熾燈調光那樣簡單。螢光燈調光電子鎮流器分為模擬調光和數字調光，而具體的調光方法主要有頻率調製(即調頻)和相位控制。從本質上講，螢光燈調光是通過調節燈管電流實現的。燈管額定功率上有最大輸出電平，亮度調節不能超過最大輸出電平(即100％)。性能優良的調光電子鎮流器的調光範圍為100%~10％。
可調光電子鎮流器必須以專用控制電路為基礎。目前可供選用的調光鎮流器控制電路有幾十個類型的器件，其中包含上海復旦微電子股份有限公司生產的FM281l和FM2822，美國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
IR21592型控制器集成了調光鎮流器控制器和600V半橋驅動器，採用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的主要特點如下：
(1)具有欠壓鎖定(UVLO)模式、預熱模式、調光模式和故障模式；
(2)提供無變壓器的燈功率檢測相位控制，只需很少的改動，即可將非調光鎮流器改為可調光鎮流器，調光控制輸入DC電壓範圍為O.5 V~5 V(5 V的DC輸入對應最大功率，最小相移)；
(3)預熱時間、預熱電流、觸發(點火)到調光時間等參數可控，均可利用外部元件編程設置，為鎮流器設計提供了高度靈活性；
(4)提供燈觸發失敗、燈絲失敗、熱過載(熱關斷溫度為165℃)、正常工作期間燈失效及AC線路欠壓保護與VCC欠電壓鎖定(VCC關斷電平約為10．9V)。

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

3.1 工作原理
PFC升壓變換器為鎮流器電路提供接近於1的線路功率因數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供電線路後，橋式整流器輸出DC脈動電壓VDC通過R5和RLM2(10 Ω)對IC2的VCC引腳上的電容器CVCC2(4.7μF)充電。當CVCC2上的電壓超過12.5 V的導通閾值時，IC2啟動，IC2內VCO起振，半橋驅動器開始工作。只要半橋產生輸出，C12、VSI和D4組成的電荷泵電路為IC2的VCC腳供電。半橋輸出高頻信號經C12、二極體Dl整流和C4濾波為IC1的8引腳(VCC)供電，使IC1啟動並使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經全波整流的線路電壓。只有當VCC引腳上的電壓超過導通門限電壓並且VDC引腳上的電壓大於5.1 V時，IC2才能啟動並進入預熱模式。在預熱模式，IC2引腳2內部VCO在最高頻率上振蕩，半橋輸出帶50％的佔空因數，HO引腳與LO引腳上的驅動輸出之間的死區時間內部設定為2μs，從而避免Q2和Q3「直通」。預熱時間由IC2引腳3外部電容器CCPH確定。當CCPH上的電壓大於5.1 V時，預熱階段結束後，IC2進入觸發模式。在觸發模式下，工作頻率從預熱頻率向最低頻率fMIN偏移。最低工作頻率由IC2引腳7外部電阻器RFMIN設定。在頻率線性降低過程中，當接近輸出級LC串聯電路固有頻率時，將發生諧振，在CRES上產生的高壓脈衝施加到燈管的兩端，使燈管擊穿而點亮。一旦燈觸發成功，IC2則進入運行模式，若失敗，IC2則進入故障保護模式。
IR21592有1個調光接口，如圖2所示。IC2引腳4允許0.5 V~5 V的DC電壓輸入，執行模擬燈功率控制。5 V的電壓對應於最小相位移(最大燈功率)。調光接口輸出是IC2引腳MIN的電壓，該電壓與IC2內部定時電容器(CT)上的電壓VCT相比較，產生頻率獨立的數字接口相位。CT從l V～5V的充電時間確定IC2輸出柵極驅動器(H0與LO)的導通時間。在負載電流中可能對應於-180°的相位移。對於0°~90°的調光範圍，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。對應於DIM引腳上5 V的輸入，RMAX決定最小相移參考(最大燈功率)。RMIN設置最大相移(最小燈功率)，對應於0.5 V的調光輸入。
Q3源極電阻器RCS感測半橋電流。只要IC2引腳CS上的電壓超過1.6V，則電路進入故障保護模式。由R17和R16組成的分壓器和C1l組成燈檢測電路。在燈出現故障時，IC2關閉。IC2引腳8外部電阻RIPH設置基準峰值預熱電流。自舉二極體D3和電容器C7組成IC2內部高側驅動器的供電電路。

3.2 鎮流器電路設計
根據燈管要求，選擇基於IR21592的鎮流器輸出級元件和可編程輸入元件。36W T8型燈管的參數見表1。

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

為防止預熱期間點火，要求VphVph(max)；同時要求fph-fign>5 kHz。為避免電感器飽和，要求IignIign(max)。為防止在調光期間燈熄滅，要求丘Icath(1%)≥Icath(min)。所計算的L和C值，必須滿足這幾個約束條件。
根據公式(1)到公式(6)，可以求出在LRES的L值一定時，即L=2 mH下不同的C值對應的鎮流器輸出級參數，如表2所列。

將表2與表1相比較,當L=2mH和C=6.8 nF時，由於Vph=700Vpp，大於T8型燈管允許的限制值(600 Vpp)，同時Icath(min)=0.32 Arms，小於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。但在調光期間，隨著燈功率的降低，燈阻抗會負向增加，燈電壓會升高。在1％亮度下，燈電壓可達到最大值，產生最大燈絲電流，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，不會出現燈陰極過熱。因此，選擇L=2mH和C=8.2nF是可行的。
3.2.2 IR21592的可編程輸入參數設計
為了編程調光接口MIN和MAX設置，必須計算在最小和最大功率下的輸出電流相位ψ％。計算公式如下：

根據燈管要求和L、C選定值及最大和最小相位計算值，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)計算的IR21592的輸入參數值。

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

設在最高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：

由於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之間的關係為：

通常選擇RVDC=10 kΩ~27 kΩ。根據公式(17)可得：當RVDC=10 kΩ時，R4≤739 kΩ；當RVDC=27 kΩ,時，R4≤1.995 MΩ。
IR公司提供成套的IR21592設計組件和工具，其中包括調光鎮流器電路設計軟體。該軟體允許選擇不同的燈管類型、不同的AC輸入電壓範圍和不同的燈管配置，進行必要的設計迭代，產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字調光電子鎮流器。微控制器是IR21592和數字可尋址照明接口(DALI)之間的界面。DALI協議為16位，支持直到64個鎮流器各自的尋址，控制64個不同的鎮流器。

4 結束語
基於壓控振蕩器(VCO)的IR21592單片IC是高性能調光鎮流器控制器和600 V半橋驅動器。IR21592利用相位控制實現無變壓器的燈功率傳感調光。由IR21592組成的電子鎮流器僅需很少數目的元件。鎮流器預熱電流、預熱時間、點火到調光時間和最低工作頻率均可通過外部輸入阻容元件根據需要設置。燈觸發失敗保護、燈絲開路、欠電壓保護和過熱保護提高了系統的可靠性。文中給出的公式為設計工作提供了依據和便利。

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