基于IR2161專用智能控制IC的低壓鹵素?zé)綦娮幼儔浩?
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上傳人：admin 上傳時間： 2007-02-08 瀏覽次數(shù)： 291 |
關(guān)鍵詞：IR216控制器；低壓照明；電子變壓器
引言
鹵素?zé)粢卜Q為鹵鎢燈。鹵素?zé)魺艚z為鎢絲，燈管內(nèi)除充有適量的氬氣，還充入了溴或碘微量鹵素，故因此而得其名。鹵素?zé)襞c白熾燈一樣，屬于熱輻射光源。鹵素?zé)舻墓庑А勖惋@色指數(shù)均優(yōu)于普通白熾燈，故在展示廳、商業(yè)廚窗、攝影、攝像、劇院、城市亮化等照明場合，有著廣泛的應(yīng)用，其作用是其它光源不可替代的。在全球電子鎮(zhèn)流器市場，低壓照明電子變壓器占有10％的份額。
低壓鹵素?zé)纛~定工作電壓大多僅為12V。若采用220V的工頻市電供電，需使用笨重的鐵芯（降壓）變壓器。采用電子變壓器替代老式鐵芯變壓器，具有尺寸小、重量輕、節(jié)材、節(jié)電等優(yōu)點。
低壓鹵素?zé)綦娮幼儔浩髋c熒光燈電子鎮(zhèn)流器一樣，都是將工頻轉(zhuǎn)換為幾十kHz的高頻。在電路結(jié)構(gòu)上二者十分相似，大多都采用半橋逆變拓撲。但是，由于鹵素?zé)羰且环N電阻性負載，故鹵素?zé)綦娮幼儔浩髋c熒光燈電子鎮(zhèn)流器比較，存在一些不同點，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。
1）鹵素?zé)綦娮幼儔浩鞑恍枰A(yù)熱和觸發(fā)啟動時序；
2）鹵素?zé)綦娮幼儔浩鱀C總線電壓是全波整流的AC線路電壓，無需大容量濾波電容器；
3）鹵素?zé)綦娮幼儔浩鞯木€路功率因數(shù)接近1，并且無需采用功率因數(shù)校正（PFC）；
4）輸出是經(jīng)隔離的高頻低壓，安全性好。
采用分立元器件設(shè)計和制作電子變壓器，若使其具有保護功能和調(diào)光功能，需要增加很多元器件。基于IR公司生產(chǎn)的智能半橋驅(qū)動器芯片IR2161的電子變壓器，無需可飽和磁環(huán)變壓器，僅需用少量元器件，則可實現(xiàn)高性能和高可靠及調(diào)光功能
1、基于IR2161的基本低壓照明電子變壓器電路
圖1所示為基于IR2161的100W/12V鹵素?zé)綦娮幼儔浩骰倦娐贰?/FONT>
圖1 基于IR2161的100W/12V鹵素?zé)綦娮幼儔浩骰倦娐?/FONT>
在接通工頻市電電源后，橋式整流器通過Rs的電流除流入IC腳VCC上的啟動電流外，其余的大部分電流對電容CVCC1充電。當IC腳VCC上的電壓達到啟動閾值（11.8V）后，IC開始工作。一旦IC啟動，由CSNUB、DCP1和DCP2組成的電荷泵電路為IC腳VCC饋送電流。自舉二極管DB和電容CB為IC高側(cè)驅(qū)動器電路供電。齊納二極管DZ用作分流IC過剩電流，以防止IC損壞。
鹵素?zé)魺艚z電阻為帶正溫度系數(shù)，在室溫下的“冷電阻”遠小于燈工作時的“熱電阻”。在燈啟動時，會產(chǎn)生較大的浪涌電流，影響燈壽命。但IR2161提供軟啟動操作，可以避免浪涌電流產(chǎn)生。在燈啟動期間，IR2161輸出125kHz的高頻。由于系統(tǒng)中輸出高頻變壓器T1初級漏感是固定的，在較高的頻率下呈現(xiàn)較高的阻抗，初級繞組上的電壓較低，致使變壓器輸出電壓較低，燈電流較小，同時也避免了保護電路被觸發(fā)。約經(jīng)1s的時間，電路以較低頻率運行。在此過程中，IC腳3外部電容CSD上的電壓從0V增加到5V。
當空載時，VCSD=0V，振蕩器頻率約60kHz。在最大負載下，VCSD=5V，振蕩器頻率約30kHz。當輸出短路時，大電流流過半橋，被RCS感測。只要IC腳4（CS）上電壓超過1V的門限電平持續(xù)50ms以上的時間，系統(tǒng)將關(guān)閉。如果負載超過最大負載的50％，IC腳4上的電壓將超過0.5V較低的門坎電壓，在經(jīng)0.5s之后，系統(tǒng)將關(guān)閉。不論是短路保護還是過載保護，都能自動復(fù)位。IR2161還提供過熱關(guān)閉功能。當芯片結(jié)溫超過135℃的過溫度限制值時，半橋開關(guān)將停止工作，以避免MOSFET燒壞。
圖2所示為計算RCS的輸出級電路。在半橋中間點上的電壓為DC總線電壓的1/2。DC總線RMS電壓與AC線路RMS電壓相同，負載上的RMS電壓為AC線路RMS電壓的50％，通過RCS的電流為負載電流的一半。由于負載呈電阻性，電流波形為正弦包跡，半橋輸出占空比為50％，在最大負載上RCS上的峰值電壓VCS(PK)=0.4V，通過RCS的RMS電流為
ICS(RMS)=
×ILOAD(RMS)=
×
=
×
=
（1）
×ILOAD(RMS)=×=×=（1） RCS中的峰值電流為
ICS(PK)=
×ICS(RMS)（2）
×ICS(RMS)（2） RCS兩端的峰值電壓為
VCS(PK)=ICS(PK)RCS=0.4V（3）
從式（1）、式（2）和式（3）得到
RCS=
=0.141×
（4）
=0.141×（4）
圖2 計算RCS的輸出級電路
對于工作在VAC(RMS)=220V交流線路電壓下的PLOAD=100W的電子變壓器，電流感測電阻RCS值為
RCS=0.141×
=0.31Ω
=0.31Ω RCS可選擇0.33Ω/0.5W的標準電阻。
關(guān)于輸出變壓器T1的選擇程序如下。
1）在30kHz和最大負載下，選擇正確的磁芯尺寸，根據(jù)制造者提供的磁芯數(shù)據(jù)，確定最大容許功率。
2）計算初級繞組匝數(shù)。初級繞組最少匝數(shù)Np(min)可根據(jù)式（5）計算
Np(min)=
（5）
（5）式中：VPK為最高峰值總線電壓，可取其為400V；
Ton(max)為最大導(dǎo)通時間，其值可選取18μs；
Bmax為最大磁通密度，單位為T，其值可從制造者提供的鐵氧體材料工作在100℃時的曲線獲得；
Ae為磁芯有效截面積，單位為m2。
3）計算次級需要的匝數(shù)。次級繞組匝數(shù)NS可按式（6）計算。
NS=
（6）
（6）式中：VO(RMS)=12V，VAC(RMS)=220V。
IR公司在參考設(shè)計中采用Vogt或Kaschke公司環(huán)形磁芯，初級繞組78匝，次級繞組8匝，初級與次級繞組之間利用壓塑分離器隔離。
2、增強功能的電子變壓器電路
2.1、帶開路保護的鹵素?zé)綦娮幼儔浩麟娐?/FONT>
在空載條件下，IC腳VS上的高dv/dt將引起MOSFET發(fā)生硬開關(guān)，導(dǎo)致MOSFET過熱，直至其損壞。為此，可以設(shè)置如圖3所示的開路保護電路。在開路情況下，ROC上的峰值電壓足以使二極管DOC導(dǎo)通，并對電容CF充電。只要CF上的電壓超過IC腳VS上的短路保護門限電平，短路保護電路則被觸發(fā)，IR2161則關(guān)閉。為防止MOSFET過熱，IC將進入50ms導(dǎo)通和1s關(guān)斷的自動重新啟動模式。
圖3 帶開路保護的鹵素?zé)綦娮幼儔浩麟娐?/FONT>
2.2、利用頻率調(diào)節(jié)輸出電壓的電子變壓器電路
如果電子變壓器輸出電壓過低，會使燈光變暗；若輸出電壓過高（超過12V額定值的20％），將縮短燈壽命。采用圖4所示的電路提供了較好的解決方案。當輸出電壓過高時，在分壓器電阻R6上的電壓將超過IC3內(nèi)部2.5V的參考值，光電耦合器IC2中光耦晶體管導(dǎo)通，將IC1腳VS上的電位拉低，致使工作頻率升高。由于變壓器T1初級漏感的作用，頻率增加使輸出電壓降低。頻率調(diào)節(jié)電路的加入，將使IR2161的短路關(guān)閉保護電路失效。為解決這個問題，加入了由VS1、C5、D7和R3組成的短路保護電路。在短路情況下，晶閘管VS1導(dǎo)通，將IR2161的VCC腳上的電壓拉低到欠電壓鎖定門限電平（10.2V）以下，IC則關(guān)閉。
圖4 通過頻率調(diào)節(jié)輸出電壓的電子變壓器電路
2.3、調(diào)光電子變壓器電路
圖5所示為調(diào)光電子變壓器電路。其中，IC2為低成本開路集電極或漏極輸出雙比較器。由于IC2的加入需汲取電源電流，故IC1腳VCC外部電阻RS應(yīng)由270kΩ（3W）降低到56kΩ。未經(jīng)濾波的全橋整流輸出電壓通過R3和R4分壓輸入到IC2-1的同相端，IC2-1輸出端電容CT上的電壓為與AC線路電壓半周期同步的鋸齒波信號。該信號輸入到IC2-2的同相端，IC2-2的另一個輸入為電位器RP1分壓的DC電壓。IC2-2的輸出為占空因數(shù)變化的矩形波。當IC2-2輸出高電平時，通過D6將IC1腳VS上的電壓上拉到短路保護電平以上，使IR2161關(guān)閉，變壓器次級對燈不再施加電壓。這種調(diào)光方案為后沿模式相位切斷調(diào)光。通過調(diào)節(jié)RP1，可使鹵素?zé)魺艄鈴牧愕阶畲筝敵觯磸?％到100％）變化，并且消除了燈閃爍。圖6所示為DC總線電壓和燈電壓波形。
圖5 調(diào)光電子變壓器電路
圖6 DC總線電壓和燈電壓波形
與熒光燈調(diào)光電子鎮(zhèn)流器一樣，鹵素?zé)粽{(diào)光電子變壓器同樣可根據(jù)IEC929數(shù)字可尋址照明接口（DALI）總線通信協(xié)議，利用微控制器實現(xiàn)全數(shù)字調(diào)光，并且可利用同一個從屬控制系統(tǒng)，控制多個電子變壓器。
3、結(jié)語
基于智能控制器IR2161的低壓照明電子變壓器，僅需用較少量的元器件，則可以實現(xiàn)短路保護、過載保護、開路保護和過熱保護及調(diào)光功能。
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