基于FAN7710V的CFL鎮(zhèn)流器原理與設(shè)計

0 引言

緊湊型熒光燈(CFL)燈管不是直管形的，而是彎曲而成的，管徑較細(xì)。CFL與鎮(zhèn)流器是一體化的，一般使用與白熾燈通用的燈頭，安裝十分方便。目前被廣泛應(yīng)用的2U、3U和螺旋型節(jié)能燈，都屬于CFL。CFL對鎮(zhèn)流器的要求之一是占位小。

國內(nèi)生產(chǎn)的CFL電子鎮(zhèn)流器大多采用分立元器件制作，需使用磁環(huán)變壓器，一般都沒有燈絲預(yù)熱功能。采用控制IC設(shè)計CFL鎮(zhèn)流器，不需要磁環(huán)變壓器，并提供燈絲預(yù)熱和保護(hù)功能，能使元件數(shù)量大幅縮減，幾乎不需要調(diào)試，非常適合于大批量生產(chǎn)。

1 FAN7710V鎮(zhèn)流器控制IC

飛兆半導(dǎo)體推出新型CFL鎮(zhèn)流器控制器芯片F(xiàn)AN7710V采用符合歐盟RoHS指令的無鉛8引腳DIP封裝，引腳排列如圖1所示。

圖1 FAN7710V引腳排列

FAN7710V芯片集成了CFL鎮(zhèn)流器控制電路、保護(hù)電路、半橋逆變器中的高/低端驅(qū)動器和兩個高壓(>440V)功率MOSFET。

FAN7710V引腳VDC可以承受440V以上的DC(總線)電壓;高端懸浮通道電壓從IC引腳VB輸入，為自舉操作可達(dá)465V;芯片控制電路和低端驅(qū)動器電源電壓從IC引腳VDD施加，內(nèi)部被15.2V的齊納二極管鉗位;引腳RT連接振蕩器頻率設(shè)置電阻(RT);引腳CPH連接燈陰極預(yù)熱時間設(shè)置電容(CPH);引腳OUT為半橋輸出，同時又是高端浮置電源回復(fù)端;SGND是信號地;PGND為電源地。

FAN7 7 1 0V啟動電流和工作電流分別低至120μA和2.6mA,運行頻率和燈絲預(yù)熱時間可調(diào)節(jié)，內(nèi)含有源零電壓開關(guān)(ZVS)電路，并能檢測燈開路狀態(tài)，提供無燈(no lamp)保護(hù)和熱關(guān)閉(@165℃)保護(hù)，具有抗高dU /dt噪聲入侵能力。

2 基于FAN7710V的CFL鎮(zhèn)流器

基于控制器FAN7710V的典型CFL電子鎮(zhèn)流器電路如圖2所示。

圖2 基于FAN7710V的CFL電子鎮(zhèn)流器電路

1)工作原理

(1)電路啟動與電荷泵供電電源

接通AC線路，橋式全波整流器(電容)濾波電路輸出DC總線電壓通過啟動電阻R start對電容CVDD充電。一旦IC引腳VDD上的電壓VDD達(dá)到欠電壓鎖定(UVLO)導(dǎo)通門限VDDTH(ST+)電平(典型值是13.5V)，IC引腳VDD開通，IC內(nèi)振蕩器啟動。如果V D D電壓降至關(guān)閉門限VDDTH(ST-)電平(典型值是11.6V，帶0.8V滯后)，IC則關(guān)斷。在IC引腳VDD導(dǎo)通后，C VDD則放電。為防止IC啟動之后因C VDD放電使VDD低于11.6V而關(guān)斷，C VDD電容量應(yīng)足夠大，以在VDD電壓降至UVLO關(guān)閉門限之前就接收電荷泵電流，對C VDD充電。

一旦IC啟動，半橋低端驅(qū)動器首先被激活，驅(qū)動低端MOSFET導(dǎo)通，VDD電壓則通過自舉二極管VDB對自舉電容C B充電，充電電流流經(jīng)C B和IC引腳OUT內(nèi)的低端MOSFET到地。當(dāng)IC高端驅(qū)動器電路電壓(U B-U OUT)因C B充電達(dá)到導(dǎo)通門限VDDTH(ST+)電平(典型值是9.2V)時，高端MOSFET則導(dǎo)通，而IC內(nèi)低端MOSFET截止。在IC高端MOSFET導(dǎo)通后，C B放電。當(dāng)高端驅(qū)動器電壓降至門限VDDTH(ST-)電平(典型值是8.6V)時，高端MOSFET關(guān)斷，而低端MOSFET導(dǎo)通。如此周而始，IC內(nèi)半橋高、低端MOSFET輪流導(dǎo)通，從而在IC引腳OUT上產(chǎn)生半橋高壓高速電壓輸出。

半橋產(chǎn)生高頻輸出后，則由C C P、V D P 1和VDP2組成的電荷泵為IC引腳VDD提供工作電流，這樣就可以使用額定功率較小的啟動電阻R start。

當(dāng)半橋輸出U OUT為高電平時，電感器電流和C CP產(chǎn)生一個帶斜率dU /dt 的輸出轉(zhuǎn)換，輸出上升沿充電C CP，通過C CP的電流為：I≈C CP·(dU /dt )。

充電電流經(jīng)VDP1對CVDD充電，如圖3中的電流流動路徑(1)所示。當(dāng)輸出U OUT從高電平轉(zhuǎn)換到低電平時，C CP通過VDP2放電，電流流動路徑如圖3中(2)所示。

圖3 電荷泵電路產(chǎn)生一個附加電源

(2)工作模式

FAN7710V有4種工作模式，即①預(yù)熱模式、②點火(即觸發(fā))模式、③運行和有源ZVS模式和④關(guān)閉模式，如圖4所示。

圖4 不同工作模式FAN7710V引腳CPH的電壓、頻率和死區(qū)時間

①預(yù)熱模式(t 0～t 1)

一旦I C開始工作，內(nèi)部一個2 μA的電流源(I PH)對引腳CPH上的外接電容C PH充電。C PH上的電壓從0V開始線性增加到3V的這個過程，即為預(yù)熱模式。在該模式，燈管阻抗R L非常大，預(yù)熱電流經(jīng)過燈絲、C S和C P到地。對燈絲預(yù)熱可以降低燈點火電壓，并延長燈管壽命。預(yù)熱頻率fPH為燈點亮后的運行頻率fRUN的1.6倍，即：

預(yù)熱時間t PH是U CPH從0V增加到3V所需要的時間，計算公式為：

在預(yù)熱期間，死區(qū)時間t DT被固定在最大值3.1μs上。

②點火模式(t 1～t 2)

在預(yù)熱模式結(jié)束后，對C PH的充電電流I IGN為I PH的6倍(即12μA)，U CPH上升速度增大，振蕩器頻率衰減。當(dāng)頻率偏移至接近LCC諧振槽路的固有頻率時，則發(fā)生諧振，在電容C P上產(chǎn)生一個高電壓將燈管擊穿而點亮。U CPH從3V增加到5V的時間為點火時間t IGN,計算公式為：

點火頻率為：

在點火模式結(jié)束時，U CPH=5V，從式(4)可知，此式fIGN=fRUN，這意味著進(jìn)入運行模式。

③運行模式和有源ZVS模式

當(dāng)U CPH>5V時，工作頻率被固定再由R T決定的運行頻率fRUN上，其值為：

一旦U CPH達(dá)到6V(即t =t 3)以上，有源ZVS則被激活。FAN7710V通過控制死區(qū)時間來滿足ZVS條件。如果ZVS失效，IC將減小U CPH以延長死區(qū)時間。

圖5 所示L C C諧振槽路依據(jù)燈阻抗R L的傳輸特性，圖6為從預(yù)熱到有源ZVS模式的瞬態(tài)波形。

圖5 LCC諧振槽路傳輸特性[!--empirenews.page--]

圖6 從預(yù)熱到有源ZVS模式的瞬態(tài)波形

④關(guān)閉模式

如果利用圖7所示的外部電路，使I C 引腳C P H 上的電壓降至2.1V以下，IC則進(jìn)入關(guān)閉模式。如果芯片結(jié)溫超過160℃，IC也會進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)而停止工作。IC在關(guān)閉模式，僅消耗250μA的電流。

圖7 外部關(guān)閉控制電路

(3)燈開路自動檢測如果燈出現(xiàn)開路，諧振槽路將失效，半橋輸出將是電荷泵電容C CP充電和放電，出現(xiàn)電容性負(fù)載驅(qū)動，不再滿足ZVS條件，使IC功率耗散迅速增加，有可能使其損壞。FAN7710V能自動檢測燈開路故障，通過降低電壓U CPH增加死區(qū)時間，以滿足ZVS條件。一旦U CPH降至2V以下，IC則自動關(guān)閉，如圖8所示。為了重新啟動IC，VDD必須降至門限VDDTH(ST-)以下，以復(fù)位內(nèi)部鎖存器電路。

圖8 燈開路時的相關(guān)電壓波形

2)設(shè)計實例

如果鎮(zhèn)流器驅(qū)動的燈管功率是20W，運行頻率fRUN=44.4kHz,預(yù)熱時間t PH=0.75s,主要元件的選擇如下：

(1)啟動電阻R start選擇。

FAN7710V的啟動電流I st=120μA，IC引腳VDD上的啟動門限電壓VDDTH(ST+)=13.5V，引腳VDD上的鉗位電壓U CL=15V。對于220V的AC電壓輸入，DC總線電壓U DC= √2×220V=311V。

R start的選擇應(yīng)為滿足下式：

因此可得：R start<2479kΩ。

當(dāng)選擇低成本的1/4W電阻時，下式成立：

于是可得：R start > 4 (U DC -U CL ) 2 = 4 ×(311V-15V)2=350kΩ

R start可選擇470kΩ/0.25W的電阻。

啟動時間t start為：

如果C VDD=10μF,由式(8)可得t start≈0.26s。

(2)R T和C PH的確定：

根據(jù)式( 5 ) 得：R T = 4 × 10 9 / f RUN = 4 ×109/44.4kHz=90kΩ

根據(jù)式(1)，預(yù)熱頻率為：fPH=1.6fRUN=1.6×44.4kHz≈71kHz

根據(jù)式(2)，預(yù)熱時間設(shè)置電容為C PH=(t PH×2μA)/3=(0.75×2μA)/3=0.5μF

C PH選擇0.47μF/25V的電容器。

燈點火時間根據(jù)式( 3 ) 計算：t IGN= 2C PH/12μA=2×0.47μF/12μA=78ms。

(3)電荷泵元件選擇。

電容C CP連接在半橋輸出。當(dāng)半橋輸出電壓從零開始斜升時，C CP被充電，充電電流施加到IC引腳VDD，如圖9所示。充電電流為：

圖9 電荷泵操作

當(dāng)半橋輸出從最大值斜降時，C CP通過二極管VDP2放電。在IC的一個開關(guān)周期中為IC提供的總電流為：

在一個開關(guān)周期內(nèi)所能提供的平均電流為：

t為開關(guān)周期;fsw為開關(guān)頻率，fsw= fRUN

為保證IC穩(wěn)定工作，施加到IC的平均電流選擇6.5mA。根據(jù)式(11)得：C CP=I avg/ (U DC×fsw ) = 6 . 5 m A / ( 311 V×44.4kHz) ≈470PF

二極管VDP1和VDP2選用1kV、1A的超快速恢復(fù)UF4007。

(4)其他元件的選擇L F選用1mH的電感器，R F選用0.5Ω/0.5W的可熔電阻，VD1～VD4選擇1N4007，C 1選用2 2 μF / 400 V的高溫鋁電解電容器，C VDD選用10μF/50V的高溫(105℃)鋁電解電容器，C P選用3.3nF/1kV的電容，C S選用3.3nF/630V的電容。

L 選用EE19165磁芯，280匝，電感值為2.6mH。

3 結(jié)束語

FAN7710V是一種簡單低成本CFL鎮(zhèn)流器控制IC?；贔AN7710V的CFL鎮(zhèn)流器，僅需非常少量的元件(不必外加兩個功率MOSFET)，并且其預(yù)熱時間、預(yù)熱頻率和運行頻率可由外部電阻(R T)和電容(C PH)設(shè)置，同時提供燈開路檢測及過熱保護(hù)。