基于IC的節能照明電源技術(shù)設計
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1 前言
用于建筑照明方面的電力管理解決辦法，如電感熒光燈，電子熒光燈，緊湊型熒光燈（CFL），鹵素燈控制集成電路以及高壓氣體放電燈（H1D）技術(shù)等，用于范圍寬廣的居民區、商業(yè)和汽車(chē)中，減少了它們所需要的電力，在節能方面向前邁進(jìn)了巨大的一步。其控制集成電路中的自適應控制技術(shù)和高電壓半導體結隔離技術(shù)是其中的一部分，獲得了廣泛應用。值此對新型建筑節能照明控制IC技術(shù)及應用作研討。
應該說(shuō)，目前照明控制IC的主要應用領(lǐng)域在：工業(yè)建筑和辦公室用直管和緊湊型熒光燈照明設備；住宅和旅館用緊湊型熒光燈照明設備CFL及冷陰極熒光燈CCFL；零售照明設備市場(chǎng)的鹵素燈和室外照明設備的HID；單白光LED及照相機閃光燈；OLED及TFT顯示器等等。
2 新型建筑照明控制IC技術(shù)的特征
目前，在照明控制IC（即電子變換器）設計方面，存在兩種不同的典型方法。第一種方法基于IC器件，與若干個(gè)外部無(wú)源器件一起，驅動(dòng)兩個(gè)高壓（通常高于400V）功率MOS晶體管，實(shí)現一個(gè)半橋變換器；第二種方法基于兩個(gè)高壓雙極晶體管和大量的無(wú)源器件，但是只能實(shí)現部分功能。雙極解決方案被用于成本極其低廉的中低端應用。
2.1 適合于電子鎮流器的高壓隔離結IC技術(shù)
這些控制IC推動(dòng)了高壓隔離結技術(shù)以滿(mǎn)足節能產(chǎn)品應用成本和可靠性的兩個(gè)要求。如今普遍將控制IC-高壓隔離結技術(shù)應用到鎮流器中，生產(chǎn)出了具有競爭性、高性能和高度可靠的產(chǎn)品?，F在面臨的挑戰是通過(guò)控制光源的新IC將它們擴展到其他照明市場(chǎng)部分。
2.1.1 高壓隔離結IC技術(shù)的特征
這項高壓隔離結IC技術(shù)允許電路放置在隔離的“井”里面，這個(gè)“井”到低壓電路可以有600V隔離，見(jiàn)圖1黃色粗線(xiàn)所示。這是因為當今不少照明技術(shù)均與高電壓功率MOSFET技術(shù)相聯(lián)在一起的，其分離產(chǎn)品系列包括大量不同型號的器件，范圍從橋式整流器和肖特基二極管到功率MOSFET和IGBT。
圖1 高壓隔離結IC技術(shù)示意圖（灰色粗線(xiàn)所示為高壓隔離井）
高壓隔離結IC技術(shù)的特征是，使高端及低端的驅動(dòng)功能融合于單一芯片內，以控制多種開(kāi)關(guān)轉換器的拓撲結構。這些拓撲結構之一是廣泛應用在電子鎮流器中的半橋結構。這使得該技術(shù)非常適合于電子鎮流器產(chǎn)業(yè)。
2.1.2 熒光燈照明的 IR2153與IR2166控制 IC
*IC IR2153把標準555時(shí)基電路與高端和低端半橋驅動(dòng)器結合在一起。這個(gè)IC與高壓MOSFET一起，很快就被照明技術(shù)采用，并成為了電子鎮流器的一個(gè)標準控制器，可以作為未來(lái)照明設備控制IC發(fā)展的基礎。由于IR2153被廣泛應用并作改進(jìn)成為IRS2153D，其頂部更加堅實(shí)耐用，且集成了必要的自舉二極管。
*IR2156和IR2166控制IC是在IR2153基礎上改進(jìn)的鎮流器技術(shù)，它集成了另外的功能到IR2153中，這是更加完善控制熒光燈的要求。它們包括最大化燈壽命和提高鎮流器可靠性所必需的預加熱和故障保護功能。IR2166進(jìn)一步改進(jìn)，并集成了有源功率因素校正（PFC）控制，與鎮流器控制一起實(shí)現整個(gè)鎮流器的單芯片解決方案。因為對于功率級別在25W以上，PFC在歐洲是強制的，世界的其他地方正在跟隨同樣的趨向。
IR2166在同一個(gè)IC中包括二個(gè)分開(kāi)的振蕩器，一個(gè)用于控制鎮流器輸入而另一個(gè)用于控制燈。并且，為了滿(mǎn)足T5熒光燈的新要求，IR2166設有壽命終期（EOL）引腳以探測燈在接近壽命末期時(shí)發(fā)生的過(guò)壓，在這些高電壓產(chǎn)生損害之前安全地關(guān)閉鎮流器。
2.2 智能功率技術(shù)的熒光燈驅動(dòng)電路技術(shù)
它是采用固定頻率（高達200KHz左右）半橋拓撲驅動(dòng)線(xiàn)性熒光燈管的解決方案。該方案采用了系統芯片的方法：在同一個(gè)芯片VK06T上集成控制部分、保護電路和功率級。由于采用這種單片電路的方法，系統可靠性得到了提高，此外，系統集成和小型封裝還實(shí)現了更小。
2.2.1 技術(shù)特征
VK06TL驅動(dòng)電路芯片應用智能功率VIPovver M3-3制造技術(shù)，允許在同一芯片VK06TL上集成控制部分和功率級。功率級是一個(gè)“發(fā)射極開(kāi)關(guān)”，這個(gè)“發(fā)射極開(kāi)關(guān)”通過(guò)在一個(gè)共射-共基放大器結構中放置一個(gè)雙極高壓達林頓晶體管和一個(gè)低壓MOS場(chǎng)效應晶體管制成的。因此，這個(gè)方案實(shí)現了雙極器件的低壓降與斷態(tài)時(shí)高擊穿電壓之間的平衡，以及MOS場(chǎng)效應晶體管的開(kāi)關(guān)速度快的特性。因此，這個(gè)“發(fā)射極開(kāi)關(guān)”結構可以實(shí)現一個(gè)很高的頻率（200KHz左右）。
2.2.2 VK06TL芯片應用于熒光燈鎮流驅動(dòng)器
圖2為應用VK06TL驅動(dòng)電路的一個(gè)熒光燈鎮流器專(zhuān)用的驅動(dòng)器，即半橋變換器設計方案圖。
圖2 應用VK06TL驅動(dòng)電路的一個(gè)熒光燈鎮流器專(zhuān)用的驅動(dòng)器，即半橋變換器設計方案圖
在圖2的半橋變換器中，VK06TL被指定用于上橋臂和下橋臂。因為采用兩個(gè)VK06TL，幾乎無(wú)需外部器件，只用兩個(gè)二次繞組就可以導通一次側扼流圈。所以，該熒光燈慎流器專(zhuān)用的驅動(dòng)器-半橋變換器是一個(gè)效率極高而成本極低的熒光燈變換器。
這個(gè)變換器能夠恰當地管理一個(gè)高端熒光燈應用全部必備的工作條件，即啟動(dòng)、預熱頻率和時(shí)長(cháng)控制、點(diǎn)火和穩態(tài)階段。這個(gè)半橋可以實(shí)現過(guò)流保護（EOL：燈管壽命終止）、整流效應保護和過(guò)溫保護，從而創(chuàng )造一個(gè)全保護系統。
芯片的控制級和功率級都是由Vcc引腳供電，Vcc引腳通過(guò)一個(gè)電阻電容（RC）網(wǎng)絡(luò )與直流總線(xiàn)相連。在啟動(dòng)階段，電容通過(guò)一個(gè)高阻值的電阻器充電，因此，只需幾百微安。由于功率雙極晶體貯存基極電流是在通過(guò)"Vcc充電網(wǎng)絡(luò )”連接Vcc引腳的電容上恢復的，因此，在工作階段，器件是自己給自己供電。VK06TL這項特殊功能允許使用功耗更小的電阻器，而且上電橋臂電源無(wú)需充電泵。還必須從連接次級繞組的SEC引腳觸發(fā)、接通這個(gè)器件。
需要指出的是，這個(gè)單片方法無(wú)需外部電阻器和連接器就實(shí)現了功率級電流檢測。此外，如上文所述，只需一個(gè)單片器件就可以集成一個(gè)溫度保護電路。
3 應用于緊湊型熒光燈（CFL）CFL的IC IR2520D與CCFL的TPS68000
3.1 IC IR2520D特征與應用
3.1.1 IR2520D的呈現
照明控制IC的另一個(gè)主要部分，包括緊湊型熒光燈（CFL）與CCFL。傳統的控制這燈的電路是自振蕩類(lèi)型的，并且對成本非常敏感。由于可靠性問(wèn)題，自振蕩方案實(shí)際上阻礙了快速發(fā)展。
因HVJI技術(shù)主要被用于隔離高電壓電路和電平轉換柵極驅動(dòng)信號電路。采用IR2520D，HVJI功能被擴展來(lái)實(shí)現必要的檢測功能。先前的IC要求一個(gè)分開(kāi)的引腳用于某種檢測譬如直流總線(xiàn)欠壓，過(guò)流，燈絲開(kāi)路或燈被移除。IR2520D采用HVJI技術(shù)和新控制算法，通過(guò)單一引腳來(lái)檢測所有要求的參數。然而，這個(gè)引腳是在COM端和高壓直流總線(xiàn)之間經(jīng)常交換的半橋中點(diǎn)，這意味著(zhù)，檢測必須是在低端半橋開(kāi)關(guān)導通時(shí)完成，而在半橋高端開(kāi)關(guān)導通時(shí)電路必須能承受高壓，IR2520D用第三個(gè)內部高壓MOSFET來(lái)達到這個(gè)功能。IR2520D接著(zhù)使用新控制算法譬如“非零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）保護”和“波峰檢測”來(lái)實(shí)現必要的鎮流器功能，其他的控制引腳用于設置最小的工作頻率和預熱時(shí)間。最后，再加上頻率振動(dòng)功能，它通常把頻率轉移到幾千赫以上并回降到最小的頻率，從而來(lái)達到減少外部EMI濾波的需要。把所有這些功能集成在簡(jiǎn)單的8引腳封裝內，IR2520D的設計目標是應用于CFL產(chǎn)品中。這種新解決方案將減少尺寸大小和CFL鎮流器的費用，提高制造能力，并提高可靠性以有助于CFL產(chǎn)品的采用和這個(gè)市場(chǎng)占額的進(jìn)一步發(fā)展。見(jiàn)圖3為IR2520D應用于CFL示意圖。
圖3 應用IR2520D IC干緊湊型螢光燈（CFL）的示意框圖
?。↖R2520D引腳功能 1-Vec 2-COM 3-VCO 4-EMIN 5-LO 6-VS 7-HO 8-VB）
3.2 IR2520D集成電路主要特征
具有智能的半橋驅動(dòng)器、自動(dòng)復位短路保護、自動(dòng)復位過(guò)載保護、鎖存過(guò)溫保護、頻率擺動(dòng)（有更好的EMl）、微功率啟動(dòng)（150uA）、用于前緣／后緣的相位調光、輸出電壓漂移比較（更長(cháng)燈壽命）、真正的軟啟動(dòng)（防止過(guò)度驅動(dòng)燈）、自適應的死區時(shí)間、小的8引腳DIP／SOIC封裝。其系統包含：
內部振蕩器、先進(jìn)的過(guò)載和短路保護、輸出電壓負載補償、采用外部相位調光器實(shí)現調光、更長(cháng)的燈壽命、優(yōu)越的產(chǎn)品可靠性、減少元件數目。
4 CCFL背光控制器
4.1 技術(shù)基礎
輸入電壓一背光電源通常由電池或穩壓器提供。對于背光電源來(lái)說(shuō)，為了選擇最佳的IC及電源轉換拓撲電路以產(chǎn)生照明燈所需的輸出電源，先對可用的輸入電壓有所了解是十分重要的。
照明燈特性（輸出功率）-一般的CCFL燈需要250VAC至1000VAC（2至10mA）以支持運轉。而輸入電壓與輸出電壓間的關(guān)系指示出了最佳的JC及電源拓撲結構。
電源拓撲-此部分以不同的方式控制變壓器。有時(shí)輸入／輸出關(guān)系指示出某一確定的拓撲結構。而不同的拓撲機構則對應了不同的電源轉換效率。
變壓器類(lèi)型-壓電式（PieZO）在某些應用中可實(shí)現更小的尺寸及更高的效率。
控制選項-單或雙燈控制、亮度控制。
4.2 技術(shù)特點(diǎn)
針對CCFL的完全電源控制；
磁感式或壓電式變壓器控制；
開(kāi)燈（openlamp）保護及變壓器保護；
脈沖亮度調節控制以獲得高效及更寬的亮度調節范圍；
四種不同的電源拓撲，包括半橋Half-bridge），反激式，自振蕩，推挽式（Push-pull）。
4.3 CCFL（冷陰極熒光燈背光源）TPS68000高效移相全橋CCFL控制器與應用
主要特點(diǎn)：輸入電壓范圍：8V至30V；集成了門(mén)驅動(dòng)的全橋技術(shù)，用于4-NMOS轉換；同步恒定工作頻率；可編程相位延遲用于控制從操作的運行頻率；光—電壓穩壓以及光—電流穩流；模擬調光及脈沖調光；多控制器件下的可調節分置式脈沖調光；啟動(dòng)或出錯狀態(tài)下可程序化的校正電壓時(shí)長(cháng)；開(kāi)燈保護和短路保護；內置高溫保護與低電壓鎖定模式；封裝模式：30引腳TSSOP封裝， TPS68000高效移相全橋CCFL控制器導單燈應用圖見(jiàn)圖4所示。
圖4 TPS68000應用于CCFL示意圖
可在桌面監視器和LCD電視的CCFL背光電源供應與筆記本電腦的CCFL背光電源供應上應用
4 結束語(yǔ)
由上可見(jiàn)，隨著(zhù)建筑新照明技術(shù)或已有技術(shù)的派生得到了發(fā)展，譬如直徑很細的熒光管甚至LED，它們將與其相關(guān)的應用一起創(chuàng )造自己的新市場(chǎng)領(lǐng)域，其結果是進(jìn)一步推廣電子節能照明產(chǎn)品以使整個(gè)市場(chǎng)受益。
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