基于FSM7401的熒光燈鎮(zhèn)流器系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：介紹FMS7401型數(shù)字功率控制器的結(jié)構(gòu)、功能、特點及基于FSM7401的鎮(zhèn)流器系統(tǒng)的設(shè)計。
關(guān)鍵詞：FMS7401；DPC；數(shù)字調(diào)光；鎮(zhèn)流器；設(shè)計

1 引言

    為了控制預(yù)熱時間、最低與最高驅(qū)動頻率及正常工作頻率等各種參數(shù)，模擬電子鎮(zhèn)流器的控制器外部必須連接一些阻容元件。這些無源元件的參數(shù)存在一些容差，而且隨著溫度的變化而變化?；谀M控制集成電路的可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器需要用模擬信號控制。為了發(fā)送模擬調(diào)光信號，外部微控制器或微處理器必須通過D／A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)／模轉(zhuǎn)換。

    飛兆半導(dǎo)體公司推出的FMS7401型數(shù)字功率控制器(DPC)為實現(xiàn)鎮(zhèn)流器控制、電機(jī)控制和電池管理功能提供了理想的解決方案?；贔MS7401的簡單、低成本、全數(shù)字調(diào)光電子鎮(zhèn)流器能夠提供更多的功能。例如熒光燈觸發(fā)電壓監(jiān)測、無燈檢測、燈壽終(EOL)識別及最佳預(yù)熱時間設(shè)置等。

2 FMS7401的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳功能

    FMS7401采用CMOS工藝制作，內(nèi)置8位微控制器內(nèi)核、1K字節(jié)代碼EEPROM、64字節(jié)動態(tài)隨機(jī)讀寫存儲器(DRAM)、5通道8位ADC、帶死區(qū)時間控制的12位PWM定時器、振蕩器、增益為16的自動調(diào)零放大器及獨立放大器、電平可編程比較器、看門狗復(fù)位電路及數(shù)字濾波器等。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。表1列出FMS7401的引腳功能。

3 FMS7401的主要功能與特點

    FMS7401基于數(shù)字硬件提供快速PWM和PFM。數(shù)字硬件結(jié)構(gòu)含有所有傳統(tǒng)微控制器特點，例如EEPROM、RAM、ADC和可編程參考電壓等。為了實現(xiàn)快速控制，F(xiàn)MS7401內(nèi)部還集成了運算放大器和模擬比較器。片內(nèi)的PLL支持內(nèi)部數(shù)字PWM頻率高達(dá)64MHz。對于250kHz的PWM頻率有8位的分辨率。  

    FMS7401輸出可變頻率脈沖，可用作驅(qū)動鎮(zhèn)流器輸出級LC串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，對燈絲進(jìn)行預(yù)熱。FMS740l監(jiān)控?zé)綦娏鳎茏R別過電流、過電壓、過溫度、燈觸發(fā)失敗和燈絲斷路等故障。

    FM7401支持?jǐn)?shù)據(jù)EEPROM、代碼EEPROM和初始化寄存器電路內(nèi)部編程。電路內(nèi)部編程由4線串行接口組成。為將器件設(shè)置成編程模式，系統(tǒng)復(fù)位期間10位操作碼必須移位進(jìn)入器件。器件有100000個數(shù)據(jù)變化，數(shù)據(jù)保留期間40年。

4　數(shù)字鎮(zhèn)流器系統(tǒng)設(shè)計

    基于FMS7401的可編程特點，用其可以設(shè)計數(shù)字化電子鎮(zhèn)流器。用這種電子鎮(zhèn)流器驅(qū)動Biax T／E型32W燈管，工作頻率為180kHz，預(yù)熱頻率為400kHz，系統(tǒng)效率為90％，輸入功率為36W。

4.1　設(shè)置系統(tǒng)時鐘

    FMS7401內(nèi)部時鐘FCLK可以調(diào)節(jié)，并通過設(shè)置初始寄存器來測試，F(xiàn)CLK可設(shè)置在2MHz。初始寄存器INT2帶飛兆公司的感光乳膠與仿真程序工具(Tool kit)。FCLK是數(shù)字倍增器或PLL輸入時鐘。PLL的倍增因數(shù)利用FS[1：O]的2位可以在4MHz、8MHz、16MHz和32MHz幾個點頻上調(diào)節(jié)。其中。FS[1：0]為PSCALE[6：5]，并且PLLEN的使能輸入=PSCALE[7]。若將FCLK設(shè)置在2MHz，數(shù)字倍增器的輸出取決于FS[1：0]，可以為8／16／32／64MHz，并到達(dá)數(shù)字開關(guān)輸入B。如果FSEL=1(FSEL=PSCALE[4])，數(shù)字開關(guān)Y可以是8／16／32／64MHz：如果FSEL=0，則Y為1MHz。數(shù)字開關(guān)的輸出Y變成內(nèi)部數(shù)字PWM計數(shù)器的基本時鐘頻率FPWM。FMS7401的時鐘控制寄存器PSCALE的設(shè)置如表2所示。

    若PLLEN=“1”，PLL使能：若PLLEN=“0”，PLL禁止。

    若FSEL=“1”，F(xiàn)_PWM=F_CLK×4(FS=#OOb)，或F_PWM=F_CLK×8(FS=#01b)，或F_PWM=F_CLK×16(FS=#1Ob)，或F_PWM=F_CLK×32(FS=#11b)；若FSEL=“0”，并且F_CLK=2MHz，F(xiàn)_PWM則為1MHz。

    若FM=“1”，軟件執(zhí)行基本時鐘Coreclk=F_CLK/2(FS=#OOb)，或Coreclk=F_CLK(FS=#01b)，或Coreclk=F_CLK×2(FS=#為10b)，或Coreclk=F_CLK×4(FS=#11b)。若FM=“0”，Coreclk=F_CLK/2。

    當(dāng)FM設(shè)置為“1”時，Coreclk則為1MHz；當(dāng)FS=“0”時，Coreclk=FPWM/2。從表2可知，F(xiàn)M=PSCALE[3]。通過設(shè)置FM=“1”，軟件指令時間變?yōu)?μs。如果PSCALE設(shè)置到#11010000b。則PWM頻率FPWM變?yōu)?2MHz，最低輸出頻率為125kHz?；谶@些設(shè)置，通過減小T1RAL寄存器值，可以獲得較高的輸出驅(qū)動頻率。表3列出FS1、FS0和FM設(shè)置與相關(guān)頻率。  

4.2 設(shè)置PWM單元

    圖4為FMS7401的PWM結(jié)構(gòu)框圖。來自PLL輸出的FPWM，通過PS[2：0]=PSCAL[2：0]寄存器／2N，除法器的輸出是自由運行上行計數(shù)器TIMER1的基本時鐘。T1RA是預(yù)加載計數(shù)器寄存器。當(dāng)TIMER1值等于T1RA時，TIMER1自動復(fù)位。改變TIRA值?？梢钥刂芇WM頻率。  

    為了避免半橋中的高／低側(cè)2個功率MOSFET“貫通”，F(xiàn)MS7401提供死區(qū)時間(即非交疊時間)，并通過設(shè)置DTIME寄存器來控制。PWM輸出信號和比較功能由寄存器T1CMPA和T1CMPB提供。如果TIMER1計數(shù)值超過T1CMPA值，則數(shù)字比較器輸出OA變?yōu)楦唠娖剑鐖D5所示。

    數(shù)字比較器輸出OA成為與門和或門的輸入。比較器輸出通過延遲單元(1／2N)按照6位DTIME設(shè)置值延時。經(jīng)延時的輸出DOA成為與門和或門的另一個輸入。與門和或門輸出OH與OL，成為半橋高／低側(cè)MOSFET的柵極驅(qū)動信號。由于延遲電路的時鐘來自FPWM，利用6位DTIME寄存器可以使死區(qū)時間從32MHz(周期tPWN=31.25ns)，F(xiàn)PWN時鐘的0到2N之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果FPWM=32MHz，通過設(shè)置PSCALE=OxDO(#11010000b)，可將死區(qū)時間控制在0-2μs(64x31.25ns=2μs)。

    為了得到適當(dāng)?shù)?SPAN lang=EN-US>OH和OL輸出波形，并使數(shù)字比較器的OL電平反轉(zhuǎn)，必須利用PORT-GC和PORTGD寄存器，設(shè)置PGO=“1”。在本設(shè)計中，高端和低端輸出信號被定義為輸出腳。

4.3 鎮(zhèn)流器系統(tǒng)設(shè)計方案

    圖6所示為基于FMS7401的32W熒光燈全數(shù)字調(diào)光電子鎮(zhèn)器電路。110V的AC輸入采用倍壓整流電路，220V的AC輸入采用全橋整流濾波電路。因此，二種AC輸入產(chǎn)生的DC總線電壓是相同的(約300V)。IC2和IC3分別為高側(cè)MOSFET (V1)和低側(cè)MOSFET(V2)的柵極驅(qū)動器。L2和Cres組成LC串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，C6、C7、VD6、C8、VS1、R3、VS2和C9等組成：IC1、IC2和IC3的供電電路。  

    圖7所示為鎮(zhèn)流器的驅(qū)動頻率曲線。在半橋電路啟動之后，首先輸出預(yù)熱頻率fpre以加熱燈絲。預(yù)熱時間tpre可由IC1根據(jù)不同功率和型號的燈管編程設(shè)置，不需要任何無源元件。對于GE照明公司的32W BiaxT／E燈管，額定電壓是100V，額定電流為0.32A。推薦預(yù)熱時間tpre=2s。預(yù)熱時間由IC1軟件程序中的等待循環(huán)設(shè)置。在結(jié)束預(yù)熱階段后，驅(qū)動頻率通過增加軟件程序中的T1RA值降低。隨頻率向低處掃描，燈電壓增加，并接近燈觸發(fā)電壓電平。當(dāng) 頻率接近輸出LC電路的諧振頻率時，發(fā)生LC串聯(lián)諧振。在Cres上產(chǎn)生足夠高的電壓使燈管擊穿而點亮。在L2=330μH和Cres=1.5nF下，諧振頻率為226kHz。

    燈一旦觸發(fā)，驅(qū)動頻率降至最低值f_run-low，鎮(zhèn)流器進(jìn)入調(diào)光模式。在頻率從f_run-low開始向f_run-high線性增加過程中，L2的阻抗逐漸增大，燈電流減小，燈光漸暗。

    不同工作模式的頻率f和周期T由T1RA寄存器設(shè)置如下：

    為使驅(qū)動頻率有125kHz～500kHz的變化范圍，IC1的時鐘設(shè)置在2MHz，死區(qū)時間(t_dead)設(shè)置在0.1μs。在驅(qū)動頻率為f_run-low(178kHz)時，燈亮度最大(100％)；當(dāng)驅(qū)動頻率升至f_run-high(267kHz)時，燈光最暗。

    在故障情況下，IC1輸出控制端口被設(shè)置到低電平，IC2和IC3的HO腳及LO腳驅(qū)動輸出被禁止V1和V2截止。

    利用FMS7401還可以設(shè)計F8T15／8W、F15T8／15W、F32T8／32W和F40T12／40W等不同型號和不同功率的熒光燈的數(shù)字調(diào)光電子鎮(zhèn)流器。