如何給CFL提供獨特的電壓驅(qū)動及電磁干擾

緊湊型熒光燈泡(CFL)是用于區(qū)域照明的古老白熾燈泡的節(jié)能替代品：它將大約25%的輸入電能轉(zhuǎn)換為可見光輸出，而傳統(tǒng)燈泡則為5%(提高五倍)。然而，與白熾燈泡不同，白熾燈泡可以在很寬的電壓范圍內(nèi)(取決于設計和結(jié)構(gòu)細節(jié))從AC或DC操作，或者需要20到50 mA的穩(wěn)壓直流電源的LED，CFL需要更多復雜的啟動和工作電壓序列。此外，CFL的復雜驅(qū)動電路還面臨其他挑戰(zhàn)。它必須符合EMI輻射規(guī)定，提供功率因數(shù)校正(PFC)，并處理CFL燈泡本身的故障模式，所有這些都使CFL成為一個復雜的問題。最后，如果需要對CFL進行調(diào)光(通常是這種情況)，驅(qū)動電路必須以經(jīng)濟有效且令人愉悅的方式實現(xiàn)調(diào)光，與低成本的基于Triac的白熾燈調(diào)光相當。所有必需的CFL電路，稱為鎮(zhèn)流器，必須裝在燈泡底部的外殼中，形成標準的愛迪生式螺旋燈。

CFL電壓和時序

在CFL中，來自加熱燈絲的電子流過燈泡并與汞原子碰撞。管。由于這些碰撞，照片被釋放，但它們處于UV波長范圍內(nèi)，因此不適用于照明。為了將UV轉(zhuǎn)換成可見光，熒光管的內(nèi)部涂有磷光體。當發(fā)射的紫外光子撞擊這種熒光粉時，涂層發(fā)光并發(fā)出燈泡的可見光。

聽起來很簡單，但不像使用穩(wěn)態(tài)電源軌的白熾燈和LED燈泡，CFL電壓是一系列三個電壓相(圖1)。在預點火階段，燈需要電流來預熱其燈絲。接下來，燈泡需要高壓直流電平進行點火，然后在實際運行(照明)階段需要高頻交流信號。

圖1：與白熾燈泡所需的穩(wěn)態(tài)電壓要求或LED的恒流驅(qū)動不同，CFL在關(guān)閉和正常照明之間有三個不同的電壓相位：點火，點火和操作。

所有這些電壓和電流必須來自單個交流線電壓(標稱值為120或220 VAC)。為此，首先對線電壓進行整流(全波)，并將整流的峰值電壓對電容器充電，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的直流電壓(圖2)。然后通過半橋開關(guān)電路將電容器上的該DC轉(zhuǎn)換為更高頻率的方波AC信號。最后，高頻交流驅(qū)動諧振回路，在濾波后，為回路提供正弦波電壓和電流。這種諧振回路是操作的關(guān)鍵，因為它看起來像一個在預點火期間具有高Q值的串聯(lián)LC槽電路。然而，一旦發(fā)生點火并且燈正在運行，它看起來像一個L/并聯(lián)RC槽電路。

圖2：將AC線轉(zhuǎn)換為特定的電壓和所需的順序CFL需要多個電源管理功能模塊(國際整流器公司提供)。

控制電路的鎮(zhèn)流器管理，補償和糾正操作問題。在典型設計中，控制器在導通時掃描半橋整流器的頻率，從定義的最大值向下流向鎮(zhèn)流器輸出級的諧振頻率(高Q)。當頻率降低時，這預熱燈絲，導致燈電壓和電流消耗的增加。一旦燈電壓超過其點火電壓閾值并點燃，控制器電路就會調(diào)節(jié)燈電流，以維持所需的功率，從而保持照明水平。

控制問題

CFL鎮(zhèn)流器中的控制電路必須設計成適應故障模式，例如開路燈絲，AC線路下降(掉電)和燈泡“未擊中”(非擊打)，以及其他問題：

EMI輻射：燈泡中的開關(guān)電路是不受歡迎的RF輻射源，可能會影響附近的無線鏈路，甚至會通過交流電源線向后傳播。為了最大限度地減少這些并確保設計滿足法規(guī)要求，控制器必須管理導致此EMI的邊沿轉(zhuǎn)換。

PFC ：法規(guī)要求交流線路負載具有功率因數(shù)接近1(單位)，具體功率因數(shù)值由負載的功率設定。通常，PF為0.9或更高是理想的;與高功率因數(shù)相關(guān)的是低THD(《30%是該應用的合理目標)。盡管CFL燈泡本身是燈絲負載并因此具有PF = 1的電阻，但AC線和燈絲之間的電路是電容性的，因此改變了負載的阻抗類型。因此，鎮(zhèn)流器必須采用幾種PFC技術(shù)中的一種; “谷填充”無源PFC是最常用的方法，因為它在CFL的典型功率水平下具有低成本和有效性。

波峰因數(shù)：這是兩者之間的比率負載的峰值電流和平均電流。即使燈絲完好無損，燈也可能無法“撞擊”或點燃(通常是溫度或短暫的情況)。在這種情況下，燈電壓將上升，過電流將流過，內(nèi)部電感可能會飽和。這會損壞鎮(zhèn)流器的半橋電路中的MOSFET，從而導致無用的燈。為了避免這個問題，如果峰值/平均電流和電流過高，正確設計的鎮(zhèn)流器將監(jiān)測波峰因數(shù)，并關(guān)閉MOSFET周圍的內(nèi)部電路。

燈調(diào)光：使用三端雙向可控硅開關(guān)對白熾燈泡進行調(diào)光是很簡單的：在交流波形相位的不同點開啟/關(guān)閉線路AC，這會降低在保持峰值電壓的同時輸送到燈泡的平均功率，確保適當?shù)陌谉攵?。這種方法與CFL的驅(qū)動需求不兼容，并且使用帶有CFL的標準調(diào)光器在范圍，一致性和線性方面沒有輸出或差的調(diào)光操作。

控制調(diào)光，使用更復雜的反饋驅(qū)動電路。雖然有幾種方法可以實現(xiàn)調(diào)光，但是一種方法使用AC燈電流的測量結(jié)果與對應于所需調(diào)光水平的DC參考電壓相結(jié)合。然后，控制器通過調(diào)節(jié)半橋電路的工作頻率來調(diào)節(jié)組合AC + DC信號的低點或谷值，這又使燈電流的幅度發(fā)生變化。在峰谷設計中，隨著DC參考電壓的增加，谷底也會增加，反饋電路會使頻率降低;這增加了諧振回路的增益，從而增加了燈電流。簡而言之：CFL調(diào)光不是一個簡單的過程。

IC使驅(qū)動，調(diào)光更有效

雖然有可能構(gòu)建一個CFL鎮(zhèn)流器，滿足分立元件的各種操作和故障要求，性能將是微不足道的，控制一致性差，PFC不足，防止故障的保護將是最小的，而成本和物理尺寸將很高。幸運的是，IC供應商將CFL鎮(zhèn)流器視為一個重要機遇，并開發(fā)出具有內(nèi)部復雜性和復雜性的器件，有效地解決了這些問題;有些還提供調(diào)光功能。例如，恩智浦半導體的UBA20261具有兩個內(nèi)部350 V，1Ω，5 A MOSFET(以及類似的UBA20262，具有兩個內(nèi)部600 V，3Ω，2.7 A MOSFET)在20引腳IC中完成CFL驅(qū)動和功率控制功能所需的電路，如其內(nèi)部框圖的復雜性所示(圖3)。該IC支持CFL功能，包括使用標準開/關(guān)電源開關(guān)進行四級步進調(diào)光調(diào)節(jié)，可調(diào)節(jié)的步進調(diào)光存儲器保持時間以及可調(diào)節(jié)的最小調(diào)光水平。

圖3：集成了許多所需的功能模塊和功能，使CFL更高效，更緊湊，成本更低，如恩智浦半導體的20引腳UBA20261器件的內(nèi)部框圖所示。

其內(nèi)部狀態(tài)圖表是管理CFL所需的多個步驟的證明。 IC中的邏輯實現(xiàn)狀態(tài)圖，提供在各個階段和故障模式下管理CFL所需的功能，包括在升壓和燒毀狀態(tài)下防止過熱，電容模式故障，過功率模式和過流(圖4)。

圖4：UBA20261還實現(xiàn)了CFL功能的時序和順序的狀態(tài)圖。

當然，完整的CFL燈組件仍需要無源外部元件(圖5);在這里，UBA20261供應商提供的方程式可讓設計人員計算出特定燈泡和應用的最佳值;供應商還為典型的CFL燈泡提供詳細的BOM。

圖5：完整的CFL燈組件需要驅(qū)動和管理功能，以及選擇的無源元件和適當?shù)某叽缫援a(chǎn)生所需的操作性能，以及匹配所選特定CFL燈泡的固有特性。

最后，演示板允許用戶評估和微調(diào)性能，同時還顯示演示板完整組件的整個工作核心可以裝入帶有愛迪生型底座的CFL燈底座(圖6)，并擰入標準插座。

圖6：基于UBA20261的整個CFL驅(qū)動電路，包括IC和相關(guān)無源器件，均可安裝在本演示/評估中心的圓形PC板上因為它們的高效率，緊湊的外形，緊湊型熒光燈(CFL)正在迅速成為浪費能源的白熾燈泡的有吸引力的替代品，因此可以安裝在標準的愛迪生燈泡中。 ，而且成本低。與可以直接從各種電壓的交流或直流電源或需要低壓直流電流源的LED燈一起工作的白熾燈不同，CFL需要一個電源(“鎮(zhèn)流器”)，它可以提供啟動(沖擊)電壓以及適當?shù)墓ぷ麟妷骸１疚难芯苛巳绾翁峁〤FL獨特的電壓驅(qū)動要求以及相關(guān)的電磁干擾，功率因數(shù)校正(PFC)以及調(diào)整CFL的挑戰(zhàn)。