電子鎮(zhèn)流器控制器／半橋驅(qū)動器ＩＲ２５２０Ｄ

何曉薇

IR2520D是美國國際整流器(IR)公司最近研制的熒光燈電子鎮(zhèn)流器控制器和半橋驅(qū)動器單片IC。該新型器件的主要特點是含有自適應零電壓開關(guān)(ZVS)和波峰因數(shù)(即峰值電流與平均電流之比值)過電流保護。IR2520D的核心是一個0～5V的壓控振蕩器(VCO)，其最低頻率(即燈正常燃點時的輸出頻率)可由外部電阻來編程。IR2520D的半橋驅(qū)動器輸出專門用作驅(qū)動MOSFET或IGBT。IR2520D僅需要用很少量的元件，即可組成高性能和高可靠的熒光燈電子鎮(zhèn)流器。

1.內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳功能

IR2520D采用8引腳PDIP和SOIC封裝，在芯片上集成了電壓控制振蕩器、600V半橋驅(qū)動器、外部低端MOSFET電流感測(即VS感測)電路、自適應ZVS邏輯和故障邏輯電路及自舉二極管等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳排列如圖1所示。引腳功能如表1所示。

2.主要特點及工作條件

IR2520D的主要特點如下：

(1)將自適應鎮(zhèn)流器控制器和600V半橋驅(qū)動器集成在同一芯片上，自適應ZVS使功率開關(guān)MOSFET有最低的功率損耗；(2)在Vcc腳內(nèi)置15.6V的齊納二極管，將IC電源電壓箝位在15.6V的電平上；(3)VCO的最低頻率(即熒光燈正常點燃時的工作頻率)可通過FMIN腳外部電阻編程設定；(4)內(nèi)置電流感測和波峰因數(shù)過電流保護及自舉二極管，從而使外部元件減少到最小化；(5)微功率啟動(啟動電流僅約150μA)。IR2520D的推薦工作條件如表2所列。

3.應用電路

IR2520D的典型應用電路如圖2所示。圖中，D1~D4為橋式整流器，C1和L1為LC濾波電路，IR2520D及功率MOSFET(Q1、Q2)等組成半橋式變換器，L2和C6組成LC串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(在燈啟動之后，L2起限流作用)。

(1)運行模式

IR2520D及其應用電路的工作原理可通過運行模式來說明。

欠壓鎖定(UVLO)模式 在電子鎮(zhèn)流器接通AC線路之后，通過IC腳Vcc上電阻R1的電流對電容C2充電。在C2上電壓被充電到13.2V以上時，IR2520D導通，內(nèi)部VCO啟動。一旦腳Vcc上的電壓降至10.5V的門限(UVLO-)以下，IC則進入UVLO狀態(tài)。在此模式下，IC僅消耗約150μA的靜態(tài)電流，腳4上電壓VCO和腳3上電壓VFMIN均為0V。

IR2520D內(nèi)部自舉二極管和腳VB與腳VS之間的外部自舉電容C4為IC中高端驅(qū)動器提供電源電壓。電容C5和二極管D5及D6組成電荷泵電路，為IC中低端驅(qū)動器提供工作電壓，并通過D6施加到Vcc腳。在電路啟動之后，半橋中低端開關(guān)(Q2)首先導通，Vcc經(jīng)IC內(nèi)自舉二極管對C4充電。當C4上電壓充電至9V以上時，高端驅(qū)動器被賦能，在腳HO上產(chǎn)生脈沖驅(qū)動Q1導通。在Q1導通時，Q2截止。如此周而復始，Q1和Q2輪流導通，輸出交變高頻信號。

頻率掃描模式 當Vcc腳上電壓超過13.2V(UVLO+)門限后，一個內(nèi)部電流源對腳VCO外部電容C3充電，腳VCO上電壓沿向上斜坡線性升高，振蕩頻率則沿向下斜坡下降，向鎮(zhèn)流器輸出級高Q值LC諧振頻率移動。當VCO腳上電壓超過2V時，波峰因數(shù)檢測和ZVS都被賦能。隨VCO腳上電壓繼續(xù)升高，頻率繼續(xù)降低，直到L2和C6及C7與C8組成的LC電路發(fā)生串聯(lián)諧振，在C6兩端產(chǎn)生一個高壓脈沖使燈管擊穿則點燃。由于C7=C8＞＞C6，諧振頻率主要由L2和燈啟動電容C6決定(fo≈1/2π√L2·C6)。燈一旦引燃，L2只起鎮(zhèn)流作用。

若燈點火成功，腳VCO上電壓則繼續(xù)升高，直到被內(nèi)部限制在5.2V的電平上，而頻率繼續(xù)下降，最后停留在由腳FMIN外部電阻設定的最低頻率fmin上。所期望的燈預熱時間，可通過調(diào)節(jié)腳VCO上電容C3(即調(diào)節(jié)VCO腳上電壓上升斜率〉來設定。

正常運行(即燈燃點)模式在燈啟動之后，LC串聯(lián)電路失諧，頻率降至fmin，系統(tǒng)進入正常運行模式。此時，VCO腳上電壓被限制在5.2V。鎮(zhèn)流器交付給燈管的功率由DC干線電壓、扼流圈L2和fmin值決定，并應與燈額定功率盡量匹配。

如果在運行期間發(fā)生非零電壓開關(guān)，例如，在LO導通之前，有一個電壓橫跨外部開關(guān)(在非交迭死區(qū)時間之內(nèi)沒能轉(zhuǎn)向COM電平)，則被VS腳內(nèi)部電路感測，通過自適應ZVS邏輯電路閉環(huán)控制，最終能保持ZVS操作。

故障模式在燈達到壽終(EOL)或在故障條件下，燈不能被啟動引燃。在燈點火期間，燈電壓和輸出級電流增加，引起諧振電感器飽和或發(fā)生電容性模式開關(guān)。一旦發(fā)生這種情況，半橋低端開關(guān)MOSFET(Q2)的電流增加，在Q2導通電阻RDS(ON)上的壓降增大，從而被VS腳內(nèi)部電路感測。利用RDS(ON)檢測電流，可省略Q2源極串聯(lián)的電流傳感電阻。只要通過低端開關(guān)Q2的峰值電流超過平均電流的3倍(即波峰因數(shù)等于3以上)，經(jīng)低端開關(guān)約70個周期，IC進入故障模式，腳HO和腳LO均被鎖定在低電平，Q1和Q2截止，從而實現(xiàn)波峰因數(shù)過電流保護功能。

如果燈絲燒斷或燈陰極開路，在半橋?qū)l(fā)生硬開關(guān)。IC的波峰因數(shù)檢測電路將檢測這個條件，在故障發(fā)生約70個開關(guān)周期之后，IC將關(guān)閉在腳HO和腳LO上的輸出，Q1和Q2截止。

IR2520D的工作狀態(tài)運行圖見圖3。利用該圖可以明晰IC的四種工作模式及其相互關(guān)系，有助于理解其操作原理。

(2)元件的選擇

IC啟動元件R1和C2 IC電源電流Icc最大不超過20mA，推薦值不超過10mA，但Icc不能太小，可選擇R1=33～68kΩ(1/2W)。電容C2應足夠大，以保證在AC線路半周期內(nèi)使Vcc腳上電壓在UVLO門限(10.5V)以上，可選22～47μF。

功率MOSFET的選擇 IR2520D主要用作驅(qū)動40W以下尤其是緊湊型熒光燈，Q1和Q2選擇視燈功率而定，通?？梢赃x用耐壓高于400V、額定漏極電流ID為1～4A的MOSFET。例如，當燈功率為13～28W時，可選用IRFC420型MOSFET(VDSS≥500V，ID≤2.4A)。

諧振元件L2和C6的選擇當燈功率在20W以下時，扼流圈L2的電感值約為2～3.5mH，燈啟動電容C6容量為2.2～4.7nF(耐壓高于400V)；若燈功率大于20W，L2電感值則低于2mH(通過調(diào)試確定)，C6容值為4.7～6.8nF。若出現(xiàn)燈管兩端亮而中間不亮，需降低C6的容量。

最低頻率設定電阻R2的選擇推薦R2取10～100kΩ。當選擇R2為82kΩ時，振蕩器最低頻率為35kHz，最高頻率為100kHz。