新型節(jié)能照明電源的控制技術(shù)

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新型節(jié)能照明電源的控制技術(shù)

前言

用于建筑照明方面的電力管理解決辦法，如電感熒光燈，電子熒光燈，緊湊型熒光燈(CFL)，鹵素?zé)艨刂萍呻娐芬约案邏簹怏w放電燈(H1D)技術(shù)等, 用于范圍寬廣的居民區(qū)、商業(yè)和汽車(chē)中，減少了它們所需要的電力,在節(jié)能方面向前邁進(jìn)了巨大的一步。其控制集成電路中的自適應(yīng)控制技術(shù)和高電壓半導(dǎo)體結(jié)隔離技術(shù)是其中的一部分,獲得了廣泛應(yīng)用。

應(yīng)該說(shuō),目前照明控制IC的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋汗I(yè)建筑和辦公室用直管和緊湊型熒光燈照明設(shè)備;住宅和旅館用緊湊型熒光燈照明設(shè)備CFL及冷陰極熒光燈CCFL;零售照明設(shè)備市場(chǎng)的鹵素?zé)艉褪彝庹彰髟O(shè)備的HID;單白光LED及照相機(jī)閃光燈;OLED及TFT顯示器等。

新型建筑照明控制IC技術(shù)

目前，在照明控制IC(即電子變換器)設(shè)計(jì)方面，存在兩種不同的典型方法。第一種方法基于IC器件，與若干個(gè)外部無(wú)源器件一起，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)高壓(通常高于400V)功率MOS晶體管，實(shí)現(xiàn)一個(gè)半橋變換器;第二種方法基于兩個(gè)高壓雙極晶體管和大量的無(wú)源器件，但是只能實(shí)現(xiàn)部分功能。雙極解決方案被用于成本極其低廉的中低端應(yīng)用。

適合于電子鎮(zhèn)流器的高壓隔離結(jié)IC技術(shù)

這些控制IC推動(dòng)了高壓隔離結(jié)技術(shù)以滿足節(jié)能產(chǎn)品應(yīng)用成本和可靠性的兩個(gè)要求。如今普遍將控制IC-高壓隔離結(jié)技術(shù)應(yīng)用到鎮(zhèn)流器中，生產(chǎn)出了具有競(jìng)爭(zhēng)性、高性能和高度可靠的產(chǎn)品?，F(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)是通過(guò)控制光源的新IC將它們擴(kuò)展到其他照明市場(chǎng)部分。

這項(xiàng)高壓隔離結(jié)IC技術(shù)允許電路放置在隔離的“井”里面，這個(gè)“井”到低壓電路可以有600V隔離。

圖1　高壓隔離結(jié)IC技術(shù)示意圖

這是因?yàn)楫?dāng)今不少照明技術(shù)均與高電壓功率MOSFET技術(shù)相聯(lián)在一起的,其分離產(chǎn)品系列包括大量不同型號(hào)的器件，范圍從橋式整流器和肖特基二極管到功率MOSFET和IGBT。

高壓隔離結(jié)IC技術(shù)的特征是,使高端及低端的驅(qū)動(dòng)功能融合于單一芯片內(nèi)，以控制多種開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一是廣泛應(yīng)用在電子鎮(zhèn)流器中的半橋結(jié)構(gòu)。這使得該技術(shù)非常適合于電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)業(yè)。

熒光燈照明的 IR2153與IR2166控制 IC

IC IR2153把標(biāo)準(zhǔn)555時(shí)基電路與高端和低端半橋驅(qū)動(dòng)器結(jié)合在一起。這個(gè)IC與高壓MOSFET一起,很快就被照明技術(shù)采用，并成為了電子鎮(zhèn)流器的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)控制器,可以作為未來(lái)照明設(shè)備控制IC發(fā)展的基礎(chǔ)。由于IR2153被廣泛應(yīng)用并作改進(jìn)成為IRS2153D，其頂部更加堅(jiān)實(shí)耐用，且集成了必要的自舉二極管。

IR2156和IR2166控制IC是在IR2153基礎(chǔ)上改進(jìn)的鎮(zhèn)流器技術(shù)，它集成了另外的功能到IR2153中，這是更加完善控制熒光燈的要求。它們包括最大化燈壽命和提高鎮(zhèn)流器可靠性所必需的預(yù)加熱和故障保護(hù)功能。IR2166進(jìn)一步改進(jìn)，并集成了有源功率因素校正(PFC)控制，與鎮(zhèn)流器控制一起實(shí)現(xiàn)整個(gè)鎮(zhèn)流器的單芯片解決方案。因?yàn)閷?duì)于功率級(jí)別在25W以上，PFC在歐洲是強(qiáng)制的，世界的其他地方正在跟隨同樣的趨向。

IR2166在同一個(gè)IC中包括二個(gè)分開(kāi)的振蕩器,一個(gè)用于控制鎮(zhèn)流器輸入而另一個(gè)用于控制燈。并且，為了滿足T5熒光燈的新要求，IR2166設(shè)有壽命終期(EOL)引腳以探測(cè)燈在接近壽命末期時(shí)發(fā)生的過(guò)壓，在這些高電壓產(chǎn)生損害之前安全地關(guān)閉鎮(zhèn)流器。

智能功率技術(shù)的熒光燈驅(qū)動(dòng)電路

這是采用固定頻率(高達(dá)200KHz左右)半橋拓?fù)潋?qū)動(dòng)線性熒光燈管的解決方案。該方案采用了系統(tǒng)芯片的方法：在同一個(gè)芯片VK06T上集成控制部分、保護(hù)電路和功率級(jí)。由于采用這種單片電路的方法，系統(tǒng)可靠性得到了提高，此外，系統(tǒng)集成和小型封裝還實(shí)現(xiàn)了更小。

圖2　應(yīng)用VK06TL驅(qū)動(dòng)電路的一個(gè)熒光燈鎮(zhèn)流器專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)器

VK06TL驅(qū)動(dòng)電路芯片應(yīng)用智能功率VIPovver M3-3制造技術(shù),允許在同一芯片VK06TL上集成控制部分和功率級(jí)。功率級(jí)是一個(gè)“發(fā)射極開(kāi)關(guān)”，這個(gè)“發(fā)射極開(kāi)關(guān)”通過(guò)在一個(gè)共射-共基放大器結(jié)構(gòu)中放置一個(gè)雙極高壓達(dá)林頓晶體管和一個(gè)低壓MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管制成的。因此，這個(gè)方案實(shí)現(xiàn)了雙極器件的低壓降與斷態(tài)時(shí)高擊穿電壓之間的平衡，以及MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的開(kāi)關(guān)速度快的特性。因此，這個(gè)“發(fā)射極開(kāi)關(guān)”結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)很高的頻率(200KHz左右)。

圖2為應(yīng)用VK06TL驅(qū)動(dòng)電路的一個(gè)熒光燈鎮(zhèn)流器專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)器,即半橋變換器設(shè)計(jì)方案。

在圖2的半橋變換器中，VK06TL被指定用于上橋臂和下橋臂。因?yàn)椴捎脙蓚€(gè)VK06TL，幾乎無(wú)需外部器件，只用兩個(gè)二次繞組就可以導(dǎo)通一次側(cè)扼流圈。所以，該熒光燈慎流器專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)器-半橋變換器是一個(gè)效率極高而成本極低的熒光燈變換器。

這個(gè)變換器能夠恰當(dāng)?shù)毓芾硪粋€(gè)高端熒光燈應(yīng)用全部必備的工作條件,即啟動(dòng)、預(yù)熱頻率和時(shí)長(zhǎng)控制、點(diǎn)火和穩(wěn)態(tài)階段。這個(gè)半橋可以實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)(EOL：燈管壽命終止)、整流效應(yīng)保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)，從而創(chuàng)造一個(gè)全保護(hù)系統(tǒng)。

芯片的控制級(jí)和功率級(jí)都是由Vcc引腳供電，Vcc引腳通過(guò)一個(gè)電阻電容網(wǎng)絡(luò)與直流總線相連。在啟動(dòng)階段，電容通過(guò)一個(gè)高阻值的電阻器充電，因此，只需幾百微安。由于功率雙極晶體貯存基極電流是在通過(guò)"Vcc充電網(wǎng)絡(luò)”連接Vcc引腳的電容上恢復(fù)的，因此，在工作階段，器件是自己給自己供電。VK06TL這項(xiàng)特殊功能允許使用功耗更小的電阻器，而且上電橋臂電源無(wú)需充電泵。還必須從連接次級(jí)繞組的SEC引腳觸發(fā)、接通這個(gè)器件。

需要指出的是，這個(gè)單片方法無(wú)需外部電阻器和連接器就實(shí)現(xiàn)了功率級(jí)電流檢測(cè)。此外，如上文所述，只需一個(gè)單片器件就可以集成一個(gè)溫度保護(hù)電路。

應(yīng)用于CFL的IC IR2520D與CCFL的TPS68000 IR2520D

照明控制IC的另一個(gè)主要部分,包括緊湊型熒光燈(CFL)與冷陰極熒光管(CCFL)。傳統(tǒng)的控制這種燈的電路是自振蕩類(lèi)型的，并且對(duì)成本非常敏感。由于可靠性問(wèn)題，自振蕩方案實(shí)際上阻礙了快速發(fā)展。

因HVJI技術(shù)主要被用于隔離高電壓電路和電平轉(zhuǎn)換柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)電路。采用IR2520D，HVJI功能被擴(kuò)展來(lái)實(shí)現(xiàn)必要的檢測(cè)功能。先前的IC要求一個(gè)分開(kāi)的引腳用于某種檢測(cè)譬如直流總線欠壓、過(guò)流、燈絲開(kāi)路或燈被移除。IR2520D采用HVJI技術(shù)和新控制算法，通過(guò)單一引腳來(lái)檢測(cè)所有要求的參數(shù)。然而，這個(gè)引腳是在COM端和高壓直流總線之間經(jīng)常交換的半橋中點(diǎn)，這意味著，檢測(cè)必須是在低端半橋開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)完成，而在半橋高端開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)電路必須能承受高壓，IR2520D用第三個(gè)內(nèi)部高壓MOSFET來(lái)達(dá)到這個(gè)功能。IR2520D使用新控制算法譬如“非零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)保護(hù)”和“波峰檢測(cè)”來(lái)實(shí)現(xiàn)必要的鎮(zhèn)流器功能，其他的控制引腳用于設(shè)置最小的工作頻率和預(yù)熱時(shí)間。最后，再加上頻率振動(dòng)功能，它通常把頻率轉(zhuǎn)移到幾千赫以上并回降到最小的頻率，從而來(lái)達(dá)到減少外部EMI濾波的需要。把所有這些功能集成在簡(jiǎn)單的8引腳封裝內(nèi)，IR2520D的設(shè)計(jì)目標(biāo)是應(yīng)用于CFL產(chǎn)品中。這種新解決方案將減少尺寸和CFL鎮(zhèn)流器的費(fèi)用，提高制造能力，并提高可靠性以有助于CFL產(chǎn)品的采用和這個(gè)市場(chǎng)占額的進(jìn)一步發(fā)展。圖3為IR2520D應(yīng)用于CFL示意圖。

圖3　應(yīng)用IR2520D IC于緊湊熒光燈(CFL)的示意圖

CCFL背光控制器

圖4　TPS68000應(yīng)用于CCFL示意圖

CCFL控制特點(diǎn)選用TPS68000高效移相全橋CCFL控制器。

TPS68000主要特點(diǎn)：輸入電壓范圍8V至30V;集成了門(mén)驅(qū)動(dòng)的全橋技術(shù)，用于4-NMOS轉(zhuǎn)換;

同步恒定工作頻率;可編程相位延遲用于控制從操作的運(yùn)行頻率;光—電壓穩(wěn)壓以及光—電流穩(wěn)流;模擬調(diào)光及脈沖調(diào)光;多控制器件下的可調(diào)節(jié)分置式脈沖調(diào)光;啟動(dòng)或出錯(cuò)狀態(tài)下可程序化的校正電壓時(shí)長(zhǎng);開(kāi)燈保護(hù)和短路保護(hù);內(nèi)置高溫保護(hù)與低電壓鎖定模式。TPS68000高效移相全橋CCFL控制器應(yīng)用電路見(jiàn)圖4。

鹵素?zé)艮D(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器IC

市場(chǎng)中的鹵素?zé)粽?jīng)受可靠性的挑戰(zhàn),。由于過(guò)載和短路故障，電子變壓器經(jīng)常受到損壞。但是，采用合適的技術(shù)，鹵素轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器IC就可以成為解決方案,那就是可以使用一個(gè)三端的雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件實(shí)現(xiàn)鹵素?zé)艄芷骄彾B續(xù)的調(diào)光。IR2161面臨的挑戰(zhàn)就是在小型的8引腳封裝內(nèi)提供廣泛的保護(hù)特性、燈管電壓調(diào)節(jié)和調(diào)光功能(圖5)。

圖5　應(yīng)用IR2161于鹵素?zé)艨驁D

IR2161鹵素?zé)艚鉀Q方案是一個(gè)簡(jiǎn)單、優(yōu)良的設(shè)計(jì)，減少了總元件數(shù)目，并且提供了更高的性能。IC+MOSFET相結(jié)合的解決方案將大大提高這些產(chǎn)品的制造能力和可靠性，也有助于這個(gè)市場(chǎng)進(jìn)一步發(fā)展。

結(jié)語(yǔ)

隨著建筑新照明技術(shù)或已有技術(shù)的派生得到了發(fā)展，譬如直徑很細(xì)的熒光管甚至LED，它們將與其相關(guān)的應(yīng)用一起創(chuàng)造自己的新市場(chǎng)領(lǐng)域,其結(jié)果是進(jìn)一步推廣電子節(jié)能照明產(chǎn)品以使整個(gè)市場(chǎng)受益。