基于ICB1FL02G的高功率節能燈設計

圖1：采用ICB1FL02G的120W節能燈電路圖。

     英飛凌科技公司推出的一款用于熒光燈和大功率節能燈電子鎮流器的控制芯片ICB1FL02G，包含了獨特的控制特性和全面的保護功能，可以用最少的外部元件實(shí)現單個(gè)或者多個(gè)燈管的操作。其芯片內部集成了PFC控制器和半橋控制部分，并且針對T5燈管的特殊要求進(jìn)行了優(yōu)化。針對燈管的保護功能有：可編程預熱以延長(cháng)燈管壽命、壽命終了保護(EOL)、容性模式保護、燈管整流效應和直流狀態(tài)保護、燈管移除保護，以及點(diǎn)燈電壓保護。

    ICB1FL02G共有兩個(gè)功能模塊，第一個(gè)功能模塊是BOOST PFC電路的控制，第二個(gè)功能模塊是半橋逆變電路的控制。在PFC控制電路中，這款芯片工作在臨界導通模式，并內置了數字式的PI濾波器。與傳統的控制芯片相比(例如TDA4863)，它減少了兩個(gè)引腳。在半橋逆變控制電路中，用于驅動(dòng)半橋高壓側浮地MOSFET的驅動(dòng)是利用了芯片集成的空心變壓器這種專(zhuān)利技術(shù)，使得高低壓隔離能力達到了900V，滿(mǎn)足了一些特殊規格的需要。鎮流器的預熱頻率、預熱時(shí)間和燈管工作頻率只需要外部電阻就可以設定。高度集成化也使得在大功率節能燈應用中的緊湊化成為可能。

120W節能燈設計

   接下來(lái)以一款歐司朗公司的120W節能燈為例，詳細闡述其設計過(guò)程。電路原理圖如圖1所示。鎮流器的一般參數設定如表1所示：

圖2：ICB1FL02在PFC極的保護。

    當主輸入信號接入后，電流流經(jīng)R1和R2給電容C7和C7-1充電，此刻芯片消耗的電流典型值在100μA以下，直到供電電壓V_CC達到10V。超過(guò)此電壓后，管腳RES端會(huì )輸出一個(gè)20μA的電流，用于檢測低壓側燈絲的存在。只要RES腳的電壓低于1.6V就認為燈絲是完好的。同時(shí)高壓側從PFC輸出電容C2那里，會(huì )有一個(gè)電流通過(guò)電阻R15和R16流向高壓側燈絲，然后此電流通過(guò)電阻R17、R18和R19流入LVS1。當電流大于15μA時(shí)燈絲就被視為完好的。當此芯片用在單燈管的節能燈時(shí)，需要把不用的LVS腳接地，以屏蔽此檢測功能。檢測無(wú)異常，則芯片進(jìn)入正常工作狀態(tài)，半橋驅動(dòng)電路開(kāi)始工作。

PFC極工作原理及設計

     在逆變橋運行的同時(shí)，PFC BOOST轉換器中的Q1也開(kāi)始工作。工作原理與傳統臨界導通模式下的控制芯片并無(wú)很大差異，只是在負載減小到一定程度后，會(huì )最終進(jìn)入斷續模式(DCM)。何時(shí)進(jìn)入DCM取決于內部數字PI濾波器的輸出。開(kāi)關(guān)工作在零電壓開(kāi)通模式，其工作頻率隨輸入電壓而變化。PFC電感可由以下3個(gè)公式中的最小值來(lái)確定。

圖3：從啟動(dòng)到穩態(tài)工作的頻率和燈電壓變化。

最低輸入電壓時(shí)：

最高輸入電壓時(shí)：

輕載進(jìn)入DCM時(shí)：

    其中PFC效率η_PFC為0.95，T_{ON_MAX}為IC內部固定，為23.5μs。PFC擁有完善的保護功能，涵蓋了PFC過(guò)壓、欠壓、開(kāi)環(huán)及過(guò)流保護。其保護框圖如圖2所示。因此在選擇PFC極電壓和電流采樣電阻時(shí)，要注意其相對應的保護門(mén)限。

半橋逆變電路工作原理

    ICB1FL02G逆變半橋電路的典型工作過(guò)程如圖3所示。剛開(kāi)始半橋逆變電路以固定的125kHz運行，在10ms固定時(shí)間內通過(guò)16步遞減到由R12所決定的預熱頻率。預熱的時(shí)間可以通過(guò)調整R13的阻值，在0到2,000ms之間選擇。然后工作頻率還會(huì )在40ms時(shí)間內繼續下降128步，最后運行在由R5決定的穩態(tài)工作頻率下。

    在點(diǎn)燈狀態(tài)下，因為諧振回路沒(méi)有負載，燈管會(huì )承受高電壓，諧振回路里會(huì )流過(guò)比較大的無(wú)功電流。電阻R14檢測這個(gè)無(wú)功電流。當管腳LSCS的電壓檢測到高于0.8V時(shí)，工作頻率會(huì )停止下降，然后上升一段時(shí)間，之后再繼續下降，直到再次觸發(fā)此0.8V閾值或燈管被擊穿。通過(guò)這種檢測，如果燈沒(méi)被點(diǎn)亮，點(diǎn)燈狀態(tài)的時(shí)間會(huì )從40ms增加到235ms，同時(shí)燈管上的電壓會(huì )保持設定的電壓值。如果在預熱結束后的235ms內燈還未擊穿，穩態(tài)工作頻率無(wú)法到達，則IC將進(jìn)入故障保護模式?？梢酝ㄟ^(guò)移走燈管或者重啟輸入電壓的方式進(jìn)行重新啟動(dòng)。

    位于半橋輸出端的C6、D7和D8形成一個(gè)充電泵，通過(guò)C7給IC供電。同時(shí)C7經(jīng)R30和D6給高壓側邏輯控制供電電容C4供電。另外，C6可以調節電壓的變化率，并可以制造產(chǎn)生零電壓開(kāi)關(guān)的條件。

    在逆變橋正常工作模式時(shí)，如果工作頻率輕微地偏離ZVS狀態(tài)，并靠近諧振網(wǎng)絡(luò )的容性區域時(shí)，因為充電泵電容C6的開(kāi)關(guān)狀充電，在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通瞬間會(huì )產(chǎn)生尖峰電流。這樣的情況被稱(chēng)為容性模式一(Cap Mode 1)。如果此情況持續時(shí)間500ms以上，IC會(huì )進(jìn)入故障保護模式。第二種情況就是諧振網(wǎng)絡(luò )完全進(jìn)入容性狀態(tài)，MOS管在開(kāi)通瞬間有極大正向電流流過(guò)，此情況稱(chēng)為容性模式二(Cap Mode 2)。在這種極端高損耗工作情況下，只要超過(guò)610μs，IC亦會(huì )進(jìn)入故障保護模式。

    容性模式的檢測是通過(guò)C8和C9電容的分壓來(lái)實(shí)現的。每次下管Q3開(kāi)通的瞬間，如果檢測到RES腳的電壓超過(guò)V_RESLLV之上V_REScap(典型值0.24V)值時(shí)，則進(jìn)入容性模式一。每次上管Q2開(kāi)通的瞬間，如果檢測到RES腳的電壓低于V_RESLLV之上V_REScap值(0.24V)時(shí)，則進(jìn)入容性模式二。保護點(diǎn)如圖4所示。

圖4：Cap Mode 1 和Cap Mode 2 保護檢測點(diǎn)。

     逆變橋的過(guò)流檢測是通過(guò)R14來(lái)實(shí)現的。在任何情況下，當LSCS腳的電壓超過(guò)1.6V并維持400ns以上時(shí)，芯片進(jìn)入故障保護模式。

    當熒光燈接近EOL狀態(tài)時(shí)，燈管的電壓會(huì )變的不對稱(chēng)或者會(huì )升高。通過(guò)管腳LVS檢測到流過(guò)電阻R17、R18和R19的電流，可以對應測量到燈管上的電壓。通過(guò)R17、R18和R19流入LVS的電流門(mén)限是