一種新型的熒光燈電子鎮流器用振蕩電路的簡易實現方法
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上傳人：admin 上傳時間： 2007-02-08 瀏覽次數： 228 |
關鍵詞：電子鎮流器；智能功率集成電路；頻率變化曲線；CMOS方波發生器；預熱
1 引言
由于熒光燈的固有特性[1]，高頻電子鎮流器[1，2]作為一種重要的節能產品，越來越受到各國的普遍重視。在美國等一些發達國家，早在上個世紀90年代初就已開始限制生產和使用白幟燈和電感鎮流器。我國“綠色照明工程”的正式啟動，也將對我國的能源、電光源和照明技術，甚至環境保護等各個領域產生巨大影響[3]。并且，國際電工委員會標準IEC929和我國的專業標準ZBK74012-90都對電子鎮流器的性能進行了規定，如“正常情況使用時，應使燈啟動，但不對燈性能造成損害”，、“施加陰極預熱電壓的最短時間不小于0.4s”等。國際上已經出現用靈巧功率集成電路（Smart Power Integrated Circuit，縮寫SPIC）做熒光燈鎮流器的產品，例如用IR215X系列或L6569等SPIC，利用SPIC的優點之一是容易將對功率器件的控制電路及保護電路做在同一芯片上，使可靠性提高。但國外SPIC的成本高，成為制約其發展的瓶頸。
我國發明了不采用介質隔離或pn結隔離的方法（即不采用國外BCD技術方法）而用普通CMOS和BiCMOS工藝將高壓（功率）器件與低壓CMOS電路或BiCMOS電路做在一塊芯片上的方法[4，5]。這將使SIPC的成本大大下降。
實際上，燈絲為一個很小的電阻Rf，所以在燈未啟動前輸出回路是一個LCRf串聯回路輸入，因之，燈兩端電壓UR（t）是一個頻率為f（f大于f0）的正弦激勵信號，其瞬態零狀態響應為
其中，f0是LC串聯諧振回路的固有頻率點，f0=1/2π，f為輸入信號頻率，且f>f0。由上式可看出，由于電路本身的影響，燈兩端電壓將是暫態到穩態的過程[6]。可以證明，在t=0后一個短時間內，要使UR（t）不致過大，即避免燈未經預熱而發生冷啟動，則f/f0應比1大。當f/f0值為2或3時，UR（t）峰值約為Um或其一半，即可避免冷啟動。
在經過2L/Rf時間（當L取1mH時約小于0.2ms）后，進入穩態，此時燈兩端電壓為
綜合上述，我們希望輸入Uin的頻率為開始由很高的頻率fstart下降，在t1時刻到預熱頻率fph，經過0.4～1s時間的預熱后，在t2到t3時間內使頻率逐漸過濾到燃點頻率，最后穩定在使燈工作于額定功率下的。其輸入信號的頻率變化曲線如圖2中曲線2所示。
實際電路中，我們將要用到的是一個方波信號提供給后端電路如圖1，幅值為1，占空比為50%，角頻率為ω的方波U（t），其傅立葉分解為：
此方波信號經一個隔直電容后，可近似認為只有基波分量起作用，與上述原理相同。本文提出一種如何得到一個如上圖2中曲線2所示頻率變化以滿足燃燈要求的三個工作階段所需的方波信號，且又是簡單的CMOS電路的方法，使所產生的驅動信號，基本上是振蕩頻率按要求變化的一個方波信號。電路原理圖如圖3所示。
圖3中，比較器comp1和comp2參數均按常規設計，且在V+>V-時輸出低；電流源is1和is2經開關PMOS、NMOS控制分別給電容C充電，且電流源is1的電流i11比電流源is2的電流i12大很多，電流i12可由電流i11的鏡像方法得到；D觸發器為時鐘上升沿有效。
此電路共有兩個部分：一個是由兩個比較器、或非門、兩個可選電流源及控制電容C組成的預熱頻率及時間控制部分；另一個是由壓控鏡像電流及振蕩部分組成的頻率可調變的方波發生器。由于熒光燈電子鎮流器的振蕩電路的頻率變化特點（如圖3），需要一個很慢的變化時間作為預熱時間，此時間即為t2-t1的時間，大約為1s的數量級，若用一個電流源給電容C充電，則因電流源的電流較小，要想達到上述的時間要求，則需用一個很大的電容C，這樣頻率變化時間過長；若電流源的電流過大，則頻率變化過快，也不能滿足時間要求。那么如何得到一個在一段時間內近于不變的預熱頻率呢？我們采用的方法是用一個很小的鏡像電流i12給控制電容C充電。用電流鏡的方法可得到一個很小的電流給電容C充電，則電容不必很大，就可滿足在很長的時間內頻率近于不變，達到了預熱的要求，而在頻率變化要求很快的階段則用較大的電流給C充電。以下詳述如何實現頻率變化的工作過程。
開始，電容C上的電壓VC較低，由圖3中可知，VCref1時，A點電位為低，所以PMOS導通，NMOS截止，將由is1給電容C充電，由于電流源is1提供的電流i11很大，VC電壓將上升很快，t1時刻VC電壓達到Vref1時，比較器comp2翻轉，此時A點電位為高電平，PMOS截止NMOS導通，由電流源is2給電容C充電，由于電流i12很小，所以VC上的電壓將很慢上升，經過一段時間（可根據需要而設定），VC電壓緩慢上升為Vref2，t2時刻比較器comp1翻轉，又轉為is1給電容C充電，則VC電壓又快速上升，在t3時刻可達到Vdd穩定，VC電壓的波形如圖4所示。VC上的電壓經過PMOS1和NMOS1組成的倒相器倒相后，再控制后面電流鏡PMOS2、PMOS3和NMOS2的電流。由于NMOS2上的VGSN2電壓變化為VC反向變化，則i2電流和鏡象電流i3也將隨VGSN2的變化而逐漸減小，電流i2如下[9]：
其中，λ為溝道調制系數。i3是i2的鏡像電流。
由于VC的變化特點，VGSN2開始將快速下降，由公式（3）可看出i3電流因電流i2的變化亦快速減小；同理，當VGSN2電壓緩慢變化時，i3電流變化亦很小，而i3電流的大小的變化決定了振蕩電容C1的充放電速度，所以也決定了振蕩頻率的變化。由電容C1和電阻R1、NMOS3及施密特觸發器、D觸發器組成的振蕩電路部分，其原理是，電流i3給電容C1充電，當Vc1達到施密特觸發器的上閾值點S+時，觸發器輸出變高，NMOS3導通，電容C1經電阻R1放出變低，此輸出波形給D觸發器的時鐘起分頻作用，則輸出端Q得到一個占空比為50%的方波信號，且此信號頻fQ隨著電流i3給電容C1的充放電速度的變化而變化。
由i3變化的特點知，振蕩頻率開始將由很高快速降低，設在t1時刻達到預熱頻率（此頻率值可改變Rref來控制），再緩慢變化一段時間，t1到t2的時間用來做鎮流器的預熱時間，此時間由is2的電流i12和電容C控制，我們可看到此段時間內頻率變化很低直到i3電流穩定不變后，輸出頻率在t3時刻亦達到一個穩定值，此值可由調節C1、R1改變，作為熒光燈的發光工作頻率點。其輸出頻率曲線示意圖如圖2中曲線3所示。與圖2中所要求的曲線2相比，此方法用了近似的方法從而達到了簡化的目的。
對于許多電子鎮流器的控制IC，其振蕩電路部分的振蕩頻率要滿足以上的頻率變化的曲線，則必有相應的外接元件和引腳及一些控制電路，來達到預熱時間和預熱頻率的控制等。本文提出的這種實現以上頻率變化曲線的方法，可減少外接元件及引腳的數目，對于確定燈型的熒光燈的電氣特性和工作要求，參考分壓電阻Rref和Rref1以及R1可利用CMOS工藝中柵多晶硅形成在集成電路中。這樣此電路僅有兩個引腳和兩個外接元件電容C和電容C1，從而降低了成本，有利于應用和推廣。
3 該電路知電子鎮流器中的應用
該電路的原理是用兩個比較器來控制電容C的充電電流，其中i11>>i12，從而控制給振蕩電容C1充電的電流來控制輸出頻率的變化。以下我們將根據40W日光燈的電氣要求，設在直流脈動高壓均值為220V，低壓Vdd為6V下，需要的方波頻率為fpb=65kHz，fign=56kHz，frun=42kHz。以下模擬中，采用了CANDENCE模擬工具，為了更好地觀察模擬結果，取C值比實際的小，以縮短頻率變化時間，取Rref=8kΩ，Rref1=1kΩ，C=4.4nF，C1=220pF，R1=6.3kΩ；PMOS和NMOS的寬長比（設溝道長最小2μm）列于附表；電流源is1和is2所提供的電流i11和i12分別為162μA、4μA。
模擬結果示于下圖5中。圖5中，橫坐標均為時間。最上一條為曲線1，其縱坐標為電路原理圖3中A點電壓，可選擇電流源給電容C充電；曲線2的縱坐標為控制電容C上的電壓；曲線3的縱坐標是給振蕩電容充電的電流i3；最下面一條曲線4的縱坐標是D觸發器Q輸出端的電壓，即我們所需要的頻率隨時間變化的驅動電壓，由于振蕩電容C1和電阻R1經施密特觸發器后得到的振蕩頻率很高，變化太快不易看出，故這里僅給出由D觸發器分頻后的脈沖波形。
開始時A點為低電平，PMOS導通，NMOS關斷，i11給電容C充電，C上的電壓上升很快，當電壓VC上升到Vref1=4V時（此時輸出振蕩頻率為70kHz），B點變為高電平，PMOS關斷，NMOS導通，i12給電容C充電，電容C上電壓上升很慢，經1ms左右，C上的電壓上升到Vref2=4.5V（此時輸出振蕩頻率位60kHz），此時A點又變為低電平，PMOS導通NMOS關斷，i11給電容C充電，C上的電壓則很快上升到Vdd。由于VC電壓的變化，給振蕩電容C1充電的電流i3的變化曲線如圖5中曲線3所示，開始很高，其后也將出現一段緩慢變化的階段，然后迅速下降到穩定。由公式（4）看出Q點的頻率會隨電流i3的變化而變化。從圖5中可以看出，電容C上的電壓VC出現了一個比較平坦的臺階，而輸出頻率（見圖5中曲線4）在此階段以非常緩慢的趨勢下降，可以近似看作不變，此過程可作為燈絲的預熱過程；當電容C上的電壓由4.5V上升到6V的過程，頻率繼續快速下降，且可通過使燈啟動的頻率點使燈點燃；最后電容C的電壓穩定到6V后，即為熒光燈正常發光的頻率點，大約為41.7kHz。根據類回路以及日光燈的要求可以確定預熱時的頻率，因而根據公式（4）及MOS管的電流電壓方程（3）可以確定預熱時電容C上的電壓。當VC1=4.3V時，頻率為65kHz，預熱電流為0.85A。實際中將以上模擬中的控制頻率變化的電容C擴大千倍，則可以得到預熱時間將近1s。 
4 討論與結論
由以上的理論分析和模擬結果可知，該電路較好地完成了日光燈電子鎮流器用方波的頻率變化特點，即可較好的實現熒光燈的預熱、啟動及正常發光的工作要求，可達到預熱時間1～2s，快速啟動，以及頻率可調。目前有許多公司如IR、飛利浦、ST、西門子、三星等在開發與生產電子鎮流器控制IC，其實際方法各有不同。對于文獻[7]中介紹的IR21571芯片，雖具有很高的可靠性、很強的通用性，其實現該頻率變化曲線共用了六個引腳和近十個外接元件；對于一些如KA7543等控制IC其實現預熱控制及軟啟動頻率變化采用了4個引腳和相應的外接元件[8]。因此，本文提出的實際以上頻率變化的電路方法，結構簡單，節省外接元件，降低了成本，所以具有很高的應用價值。根據此電路的設計思想，電路稍做改變還可以產生頻率由低到高可調控的變化曲線等等。此電路也可應用于馬達調速控制以及其它需要電源頻率隨時間變化的場合。
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