基于FSM7401的熒光燈鎮流器系統的設計

摘要：介紹FMS7401型數字功率控制器的結構、功能、特點(diǎn)及基于FSM7401的鎮流器系統的設計。
關(guān)鍵詞：FMS7401；DPC；數字調光；鎮流器；設計

1 引言

為了控制預熱時(shí)間、最低與最高驅動(dòng)頻率及正常工作頻率等各種參數，模擬電子鎮流器的控制器外部必須連接一些阻容元件。這些無(wú)源元件的參數存在一些容差，而且隨著(zhù)溫度的變化而變化。基于模擬控制集成電路的可調光電子鎮流器需要用模擬信號控制。為了發(fā)送模擬調光信號，外部微控制器或微處理器必須通過(guò)D／A轉換器進(jìn)行數／模轉換。

飛兆半導體公司推出的FMS7401型數字功率控制器(DPC)為實(shí)現鎮流器控制、電機控制和電池管理功能提供了理想的解決方案。基于FMS7401的簡(jiǎn)單、低成本、全數字調光電子鎮流器能夠提供更多的功能。例如熒光燈觸發(fā)電壓監測、無(wú)燈檢測、燈壽終(EOL)識別及最佳預熱時(shí)間設置等。

2 FMS7401的內部結構及引腳功能

FMS7401采用CMOS工藝制作，內置8位微控制器內核、1K字節代碼EEPROM、64字節動(dòng)態(tài)隨機讀寫(xiě)存儲器(DRAM)、5通道8位ADC、帶死區時(shí)間控制的12位PWM定時(shí)器、振蕩器、增益為16的自動(dòng)調零放大器及獨立放大器、電平可編程比較器、看門(mén)狗復位電路及數字濾波器等。其內部結構如圖2所示。表1列出FMS7401的引腳功能。

3 FMS7401的主要功能與特點(diǎn)

FMS7401基于數字硬件提供快速PWM和PFM。數字硬件結構含有所有傳統微控制器特點(diǎn)，例如EEPROM、RAM、ADC和可編程參考電壓等。為了實(shí)現快速控制，FMS7401內部還集成了運算放大器和模擬比較器。片內的PLL支持內部數字PWM頻率高達64MHz。對于250kHz的PWM頻率有8位的分辨率。

FMS7401輸出可變頻率脈沖，可用作驅動(dòng)鎮流器輸出級LC串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò )，對燈絲進(jìn)行預熱。FMS740l監控燈電流，能識別過(guò)電流、過(guò)電壓、過(guò)溫度、燈觸發(fā)失敗和燈絲斷路等故障。

FM7401支持數據EEPROM、代碼EEPROM和初始化寄存器電路內部編程。電路內部編程由4線(xiàn)串行接口組成。為將器件設置成編程模式，系統復位期間10位操作碼必須移位進(jìn)入器件。器件有100000個(gè)數據變化，數據保留期間40年。

4　數字鎮流器系統設計

基于FMS7401的可編程特點(diǎn)，用其可以設計數字化電子鎮流器。用這種電子鎮流器驅動(dòng)Biax T／E型32W燈管，工作頻率為180kHz，預熱頻率為400kHz，系統效率為90％，輸入功率為36W。

4.1　設置系統時(shí)鐘

FMS7401內部時(shí)鐘FCLK可以調節，并通過(guò)設置初始寄存器來(lái)測試，FCLK可設置在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是數字倍增器或PLL輸入時(shí)鐘。PLL的倍增因數利用FS[1：O]的2位可以在4MHz、8MHz、16MHz和32MHz幾個(gè)點(diǎn)頻上調節。其中。FS[1：0]為PSCALE[6：5]，并且PLLEN的使能輸入=PSCALE[7]。若將FCLK設置在2MHz，數字倍增器的輸出取決于FS[1：0]，可以為8／16／32／64MHz，并到達數字開(kāi)關(guān)輸入B。如果FSEL=1(FSEL=PSCALE[4])，數字開(kāi)關(guān)Y可以是8／16／32／64MHz：如果FSEL=0，則Y為1MHz。數字開(kāi)關(guān)的輸出Y變成內部數字PWM計數器的基本時(shí)鐘頻率FPWM。FMS7401的時(shí)鐘控制寄存器PSCALE的設置如表2所示。

若PLLEN=“1”，PLL使能：若PLLEN=“0”，PLL禁止。

若FSEL=“1”，F_PWM=F_CLK4(FS=#OOb)，或F_PWM=F_CLK8(FS=#01b)，或F_PWM=F_CLK16(FS=#1Ob)，或F_PWM=F_CLK32(FS=#11b)；若FSEL=“0”，并且F_CLK=2MHz，F_PWM則為1MHz。

若FM=“1”，軟件執行基本時(shí)鐘Coreclk=F_CLK/2(FS=#OOb)，或Coreclk=F_CLK(FS=#01b)，或Coreclk=F_CLK2(FS=#為10b)，或Coreclk=F_CLK4(FS=#11b)。若FM=“0”，Coreclk=F_CLK/2。

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

4.2 設置PWM單元

圖4為FMS7401的PWM結構框圖。來(lái)自PLL輸出的FPWM，通過(guò)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器TIMER1的基本時(shí)鐘。T1RA是預加載計數器寄存器。當TIMER1值等于T1RA時(shí)，TIMER1自動(dòng)復位。改變TIRA值?？梢钥刂芇WM頻率。

為了避免半橋中的高／低側2個(gè)功率MOSFET“貫通”，FMS7401提供死區時(shí)間(即非交疊時(shí)間)，并通過(guò)設置DTIME寄存器來(lái)控制。PWM輸出信號和比較功能由寄存器T1CMPA和T1CMPB提供。如果TIMER1計數值超過(guò)T1CMPA值，則數字比較器輸出OA變?yōu)楦唠娖?，如圖5所示。

數字比較器輸出OA成為與門(mén)和或門(mén)的輸入。比較器輸出通過(guò)延遲單元(1／2N)按照6位DTIME設置值延時(shí)。經(jīng)延時(shí)的輸出DOA成為與門(mén)和或門(mén)的另一個(gè)輸入。與門(mén)和或門(mén)輸出OH與OL，成為半橋高／低側MOSFET的柵極驅動(dòng)信號。由于延遲電路的時(shí)鐘來(lái)自FPWM，利用6位DTIME寄存器可以使死區時(shí)間從32MHz(周期tPWN=31.25ns)，FPWN時(shí)鐘的0到2N之間進(jìn)行調節。如果FPWM=32MHz，通過(guò)設置PSCALE=OxDO(#11010000b)，可將死區時(shí)間控制在0-2μs(64x31.25ns=2μs)。

為了得到適當的OH和OL輸出波形，并使數字比較器的OL電平反轉，必須利用PORT-GC和PORTGD寄存器，設置PGO=“1”。在本設計中，高端和低端輸出信號被定義為輸出腳。

4.3 鎮流器系統設計方案

圖6所示為基于FMS7401的32W熒光燈全數字調光電子鎮器電路。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(xiàn)電壓是相同的(約300V)。IC2和IC3分別為高側MOSFET (V1)和低側MOSFET(V2)的柵極驅動(dòng)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所示為鎮流器的驅動(dòng)頻率曲線(xiàn)。在半橋電路啟動(dòng)之后，首先輸出預熱頻率fpre以加熱燈絲。預熱時(shí)間tpre可由IC1根據不同功率和型號的燈管編程設置，不需要任何無(wú)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。推薦預熱時(shí)間tpre=2s。預熱時(shí)間由IC1軟件程序中的等待循環(huán)設置。在結束預熱階段后，驅動(dòng)頻率通過(guò)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 頻率接近輸出LC電路的諧振頻率時(shí)，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(diǎn)亮。在L2=330μH和Cres=1.5nF下，諧振頻率為226kHz。

燈一旦觸發(fā)，驅動(dòng)頻率降至最低值f_run-low，鎮流器進(jìn)入調光模式。在頻率從f_run-low開(kāi)始向f_run-high線(xiàn)性增加過(guò)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寄存器設置如下：

為使驅動(dòng)頻率有125kHz～500kHz的變化范圍，IC1的時(shí)鐘設置在2MHz，死區時(shí)間(t_dead)設置在0.1μs。在驅動(dòng)頻率為f_run-low(178kHz)時(shí)，燈亮度最大(100％)；當驅動(dòng)頻率升至f_run-high(267kHz)時(shí)，燈光最暗。

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

利用FMS7401還可以設計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字調光電子鎮流器。