用FMS7401型功率控制器設計的數字調光熒光燈鎮流器

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?；谀M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?；趂ms7401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

fms74采用14引腳pdip、soic和tssop封裝，引腳排列如圖1所示。

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。

fms740l的片內振蕩器外部無(wú)需電阻器和電容器。振蕩器有1μs的指令周期時(shí)間。對于一般用途的i／o腳，可以多輸入喚醒?？焖?2位pwm定時(shí)器提供死區時(shí)間控制和半橋輸出驅動(dòng)。5通道8位adc有1.2lv的內部參考電壓，轉換時(shí)間為21μs。片內有1ma的電流源產(chǎn)生器。fms7401的可編程讀／寫(xiě)具有禁止功能，軟件i／o可隨意選擇。

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

圖3所示為fms7401的時(shí)鐘與pll電路結構。

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”，fpwm=fclk×4(fs=#oob)，或fpwm=fclk×8(fs=#01b)，或fpwm=fclk×16(fs=#1ob)，或fpwm=fclk×32(fs=#11b)；若fsel=“0”，并且fclk=2mhz，fpwm則為1mhz。

若fm=“1”，軟件執行基本時(shí)鐘coreclk=fclk/2(fs=#oob)，或coreclk=fclk(fs=#01b)，或coreclk=fclk×2(fs=#為10b)，或coreclk=fclk×4(fs=#11b)。若fm=“0”，coreclk=fclk/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?？梢钥刂苝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frun-low，鎮流器進(jìn)入調光模式。在頻率從frun-low開(kāi)始向frun-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：

#0x50：fpre=400khz,周期tple=2.5μs；

#0x82：fign=246khz,周期tign=4.06μs；

#0x78：frun-low=267khz,周期trun-low=3.75μs；

#0x84：frun-high=178khz,周期trun-high=5.625μs。

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(tdead)設置在0.1μs。在驅動(dòng)頻率為frun-low(178khz)時(shí)，燈亮度最大(100％)；當驅動(dòng)頻率升至frun-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l(fā)o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。