基于控制器IRS2530D的節(jié)能燈調(diào)光鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)

 引言
    目前，電子節(jié)能燈已進(jìn)入千家萬戶和樓堂館所。國產(chǎn)電子節(jié)能燈中的電子鎮(zhèn)流器，大多都采用分立元器件裝配，優(yōu)點(diǎn)是電路簡單、成本低，但需使用磁環(huán)式驅(qū)動(dòng)變壓器，并且不帶預(yù)熱和調(diào)光功能，因此性能不佳、可靠性差、容易損壞。由于鎮(zhèn)流器和節(jié)能燈是一體化的，一旦電子鎮(zhèn)流器損壞，未損壞的燈管也就被扔掉，造成極大的浪費(fèi)。如果在設(shè)計(jì)中采用IR公司最近推出的調(diào)光鎮(zhèn)流器控制器IRS2530D單片IC，則可以彌補(bǔ)使用分立元器件帶來的不便。

1 IRS2530D的主要性能和特點(diǎn)
    IRS2530D集成了調(diào)光鎮(zhèn)流器控制和半橋驅(qū)動(dòng)器，采用8引腳DIP封裝。IRS2530D引腳l(VCC)上的電源電壓被內(nèi)部齊納二極管鉗位在15．6V，啟動(dòng)電流為250μA，最大電源電流為5mA。IC半橋高端引腳7(HO)和低端引腳5(LO)上的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器輸出死區(qū)(即非交疊)時(shí)間被固定在2 μ S，輸出源電流為180mA，輸出灌入電流為260mA，輸出高電平(以地作參考)電壓為VCC。在IC壓控振蕩器輸入端引腳4(VCO)上的電壓為0～6V，輸出最高頻率fmax=115kHz(VVCO=0V)，最低頻率fmin=(34．2±2．2)kHz(Vvco=6V)。
    IRS2530D采用簡單燈電流調(diào)光控制方法，燈絲預(yù)熱時(shí)間可編程，采用波峰因數(shù)(燈電流峰值與平均值之比)檢測(cè)執(zhí)行過電流保護(hù)，同時(shí)還提供非零電壓開關(guān)保護(hù)，而不需要半橋電流傳感電阻和保護(hù)電路。

2 基于IRS2530D的節(jié)能燈調(diào)光鎮(zhèn)流器
    1)電路拓?fù)?br />    一種基于IRS2530D的螺旋型緊湊熒光燈(CFL)調(diào)光電子鎮(zhèn)流器電路如圖1所示。
    在圖1中，BR1為橋式整流器，CF、LF和CBUS組成濾波電路，IRS2530D和VTl、VT2等組成半橋逆變器電路，LRESA和CRES等組成諧振輸出級(jí)，RCS、RFB和CFB為燈電流感測(cè)和反饋網(wǎng)絡(luò)，VDCP1、VDCP2、CSNUB等組成電荷泵輔助電源，RVCC1、RVCC2為啟動(dòng)電阻，CVCC1為啟動(dòng)電容、CVCC2用作高頻濾波，RLIM1、RLIM2：為限流電阻。
    2)電路運(yùn)行時(shí)序和工作原理
   (1)電路啟動(dòng)和IC電源
    接通AC市電電源，全波整流濾波電路輸出約300V的DC總線電壓VBUS，VBUS通過啟動(dòng)電阻RVcc1／Rvcc2對(duì)電容Cvcc1(1μF)充電。當(dāng)IC引腳VCC上的電壓超過12．5V的門限時(shí)，VCC腳導(dǎo)通，引腳HO和LO產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)輸出而開始振蕩。半橋一旦產(chǎn)生輸出，引腳VCC則由VDCP1(18V／0．5w)、CSNUB(1nF／lkV)和VDCP2組成的電荷泵并經(jīng)限流電阻RLIM1、RLIM2：(均為10Ω)供電，這樣可以減小啟動(dòng)電阻上的損耗。CVCC1，值應(yīng)足夠大，引腳VCC在接收電荷泵輸入電流時(shí)不能降至欠壓鎖定(UVLO)關(guān)斷門限(10．5V)以下。
    當(dāng)半橋低端MOSFET(VT2)導(dǎo)通時(shí)，引腳VCC上的電壓經(jīng)內(nèi)部自舉MOSFET對(duì)引腳VB與VS之間的自舉電容CBS充電，充電電流經(jīng)VT2流入到地。當(dāng)CBs上的充電電壓超過9V時(shí)，IC高端驅(qū)動(dòng)器使能，驅(qū)動(dòng)VT1導(dǎo)通。當(dāng)VT1導(dǎo)通時(shí)，VT2截止。在高端驅(qū)動(dòng)器導(dǎo)通時(shí)，CBS放電。一旦CBs上的電壓低于8V，VT1截止，而VT2再次導(dǎo)通。如此周而復(fù)始，VTl和VT2交替導(dǎo)通，在半橋中間點(diǎn)(引腳6)輸出高頻方波脈沖，經(jīng)輸出級(jí)為燈管供電。
    (2)燈絲預(yù)熱／燈管觸發(fā)
    IC一旦啟動(dòng)，在引腳4(VCO)內(nèi)部的一個(gè)50μA的快速啟動(dòng)電流和一個(gè)1μA的電流源對(duì)外接電容cPH充電，鎮(zhèn)流器輸出最高頻率fmax開始對(duì)燈絲預(yù)熱，VCO腳上的電壓Uvco迅速升至0．85V。一旦UVCO達(dá)到0．85V，IC內(nèi)部的50μA電流被切斷，只有1μA的電流源對(duì)VCO腳上的電容充電，UVCD緩慢上升(見圖2(a))，頻率從fmax開始線性降低見圖2(b))。諧振電感器LRESA的兩個(gè)輔助繞組LRESB、LRESC為燈絲預(yù)熱繞組，為燈絲提供預(yù)熱電壓。LRESB、CH1和LRESC、CH2為帶通濾波器，在燈點(diǎn)亮之后，燈絲預(yù)熱電壓被衰減，以減小燈絲上的熱量損耗。

    當(dāng)鎮(zhèn)流器輸出頻率接近或達(dá)到輸出級(jí)高Q值的諧振頻率時(shí)，燈絲預(yù)熱結(jié)束(預(yù)熱時(shí)間由CpH設(shè)置)，LRESA和CRES等發(fā)生串聯(lián)諧振，在CRES上產(chǎn)生一個(gè)足夠高的電壓使燈管觸發(fā)而點(diǎn)亮。一旦燈管被點(diǎn)亮，IC則進(jìn)入調(diào)光模式。如果燈未被點(diǎn)亮，UVCO將超過4V，IC則進(jìn)入故障模式并關(guān)閉其輸出，芯片僅消耗250μA的電流。
    為保證頻率下降斜坡通過諧振以對(duì)燈點(diǎn)火，最低頻率fmin應(yīng)低于鎮(zhèn)流器輸出級(jí)高Q值的諧振頻率，如圖3所示。

    (3)調(diào)光模式
    l～10V的DC調(diào)光輸入電壓經(jīng)電阻分壓器RDIM1／RDIM2輸入到IC的引腳3(調(diào)光端DIM)。與燈下端燈絲連接的燈電流傳感電阻RCS上產(chǎn)生的交流電壓經(jīng)RFB和CFB也耦合至IC的DIM腳。在DIM腳上的(DC+AC)電壓通過控制環(huán)路調(diào)節(jié)，使AC電壓谷值在COM(地)電平上。當(dāng)DIM腳上的DC參考電壓減小時(shí)，AC電壓谷值被延伸到COM電平之下。為減小燈電流使燈光變暗，調(diào)光控制電路將提高鎮(zhèn)流器頻率，以增加LRESA的阻抗(z=2πfLRESA)直到AC電壓谷值恢復(fù)到COM電平之上。為了提高燈亮度電平，當(dāng)DIM腳上的DC參考電壓減小時(shí)，AC電壓谷值將在COM電平之上，調(diào)光控制電路將降低鎮(zhèn)流器頻率，以增加燈電流，直到DIM腳的AC電壓谷值再回到COM電平上。采用這種燈電流閉環(huán)控制調(diào)光方法，可以使AC燈電流峰一峰值被調(diào)節(jié)到期望的數(shù)值上。
    (4)非ZVS保護(hù)
    如果系統(tǒng)操作太接近或進(jìn)入諧振容性側(cè)，將出現(xiàn)非ZVS容性模式轉(zhuǎn)換，在半橋MOSFET中會(huì)產(chǎn)生高幅度的大電流，很可能使MOSFET損壞。為防止這種情況發(fā)生，引腳6(VS)內(nèi)部的感測(cè)電路在低端LO輸出前沿上檢測(cè)VVS電壓。如果VVS>4．5V，非ZVS控制電路將提高鎮(zhèn)流器頻率，直到恢復(fù)到ZVS。
    (5)波峰因數(shù)(CF)過電流保護(hù)
    當(dāng)流過MOSFET的峰值電流超過平均電流的5．5倍(即CF>5．5)時(shí)，意味著燈絲失效，或者燈管未接入，或者燈變?yōu)槿ゼせ?，諧振電感器LRESA將出現(xiàn)飽和。IC在此情況下會(huì)進(jìn)入故障保護(hù)模式，并自行關(guān)閉。
    (6)故障模式
    在故障期間，IC內(nèi)部故障鎖存器置位，HO關(guān)斷，L0開路，IC僅消耗250μA的電流。如果等未接入，電阻RLMP1和RLMP2將會(huì)把引腳LO上的電壓拉高到8．75V以上，IC則退出故障模式而進(jìn)入U(xiǎn)VLO模式。當(dāng)接上燈管時(shí)，引腳LO上的電壓將被拉低到8．75V以下，于是IC退出UVLO模式而進(jìn)入預(yù)熱／觸發(fā)模式。[!--empirenews.page--]
    3)主要元件的選擇
    (1)啟動(dòng)電阻RVCC1／RVCC2的選擇引腳Vcc上的導(dǎo)通門限是12．5V，啟動(dòng)電流為250μA，若AC線路電壓VAC=220V，啟動(dòng)電阻
值則為

   
    可選取Rvccl=Rvcc2=620kΩ。
    (2)預(yù)熱電容CPH值的確定
    CPH，用于編程燈絲預(yù)熱時(shí)間tPH，計(jì)算公式為

   
    若預(yù)熱時(shí)間tPH=0．8s，CpH值為200nF。
    (3)燈電流檢測(cè)電阻RCS的計(jì)算
    在調(diào)光期間，若RMS燈電流為ILAMP(min)，在RCS允許的峰值電壓為0.1V?？紤]到反饋網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)的衰減，宜附加一個(gè)5的倍乘因子，于是RCS值可按下式計(jì)算：

   
    (4)輸出級(jí)元件的選擇
    對(duì)于14～26W的節(jié)能燈，諧振電容CRES可選擇3.3nF或4.7nF，耐壓1kV。
    諧振電感LRESA視燈的規(guī)格而定，其電感量約為2．5～3．3mH；其輔助繞組LRESB、LRESC與LRESA的匝數(shù)比通常為l：25，若LRESA線圈繞組是150匝，兩個(gè)輔助繞組則為6匝。
    鎮(zhèn)流器其他元器件的選擇如表1所示。

    4)PCR參考線路
    鎮(zhèn)流器控制和半橋驅(qū)動(dòng)器電路印刷電路板(PCB)參考設(shè)計(jì)見圖4。

3 結(jié)束語
    推廣電子節(jié)能燈是實(shí)施綠色照明的重要內(nèi)容，是節(jié)能減排的一項(xiàng)重要舉措。IR公司新推出的調(diào)光鎮(zhèn)流器控制器IRS2530D，僅需外加很少量的元件，就可以構(gòu)建帶燈絲預(yù)熱、簡單燈電流調(diào)光、非ZVS保護(hù)、波峰因數(shù)檢測(cè)／過電流保護(hù)等功能的高性能和高可靠節(jié)能燈電子鎮(zhèn)流器。