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T5熒光燈自從面世以來,以其高光效,小尺寸而得到了越來越多的青睞.但是,與T8燈管不同的是,T5燈管因其工作電壓相對(duì)較高,保護(hù)要求相對(duì)苛刻,而必須要配合電子式鎮(zhèn)流器工作.為此,英飛凌公司推出了智能熒光燈電子鎮(zhèn)流器控制器.這是一款將PFC和鎮(zhèn)流器控制二合一的控制芯片.其出色的數(shù)字控制功能,完善的T5燈管保護(hù)特性,緊湊的尺寸,給T5燈電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)帶來了極大的便利.尤其要特別指出的是,此款控制器可以用最少的器件數(shù)目和成本來同時(shí)驅(qū)動(dòng)4個(gè)燈管,并且每一個(gè)燈管都具有壽命終了保護(hù)(EOL)、燈管移除保護(hù)、整流狀態(tài)保護(hù)、容性狀態(tài)保護(hù)、恒定點(diǎn)燈電壓等T5燈管所要求的保護(hù)模式.


  在此芯片的Datahseet和應(yīng)用手冊(cè)中已經(jīng)給出了此芯片的工作原理與T5 54W單燈管的一般設(shè)計(jì)過程.本文將著重討論此芯片在4燈管設(shè)計(jì)過程中的特點(diǎn)和要點(diǎn).以T5 14W 4燈管鎮(zhèn)流器為例,以下是用智能控制器實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)過程.



圖1 T5 14W 4燈管電子鎮(zhèn)流器電路原理圖




  圖1就是T5 14W 4燈管電路的原理圖.此電路包含了兩個(gè)部分,芯片左邊是PFC功率因素校正部分,右邊是半橋驅(qū)動(dòng)燈管部分.燈管連接采用兩燈管串聯(lián),兩路并聯(lián)的方式,從而可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)燈管進(jìn)入異常狀態(tài)時(shí),都會(huì)被對(duì)應(yīng)的引腳檢測(cè)到.T5燈管的預(yù)熱采用帶有輔助繞組的電壓型預(yù)熱方式,從而4個(gè)燈管都可以被充分地預(yù)熱.設(shè)計(jì)時(shí),首先需要定義鎮(zhèn)流器的工作規(guī)格參數(shù)(見表1).



表1 鎮(zhèn)流器工作參數(shù)




  PFC電路設(shè)計(jì)




  此芯片PFC控制部分工作原理與傳統(tǒng)臨界導(dǎo)通(Critical CM)PFC控制芯片并無很大的不同.只是在負(fù)載減小到一定程度后,會(huì)進(jìn)入穩(wěn)定的電流斷續(xù)模式(DCM)狀態(tài).何時(shí)進(jìn)入DCM模式由內(nèi)部數(shù)字PI濾波器的輸出而定.開關(guān)工作在零電壓開通模式,其工作頻率隨輸入電壓而變化.PFC級(jí)最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)在于電感,其電感量可由以下3個(gè)公式中的最小值來確定.






輕載進(jìn)入DCM時(shí):



其中PFC效率ηPFC估計(jì)為0.95,TON_MAX為IC內(nèi)部固定,為23.5μs.計(jì)算可得L1=1.07mH.考慮到電感需要傳遞65W左右的功率,所以選擇EPCOS的N87材質(zhì).根據(jù)峰值電流可以選擇E25.4/10/7大小的磁芯.線圈匝數(shù)選為103匝.




  半橋諧振回路設(shè)計(jì)




  帶有可編程預(yù)熱和啟動(dòng)過程的控制器,其典型的工作過程如圖2所示.只需R21到R23這三個(gè)電阻就可以分別設(shè)定預(yù)熱時(shí)間,預(yù)熱頻率和工作頻率.R31~R33和R41~R43可以做燈管移除檢測(cè),燈管過壓和燈管整流狀態(tài)保護(hù).R36和R46是燈管下燈絲檢測(cè)和保護(hù).C18和C19構(gòu)成了下管MOSFET的分壓電路,可以用來檢測(cè)半橋諧振回路是否進(jìn)入到了容性模式.



圖2 從啟動(dòng)到最后正常工作的典型過程




諧振參數(shù)的確定




  半橋電路中的Q2、Q3、T1、C20和燈一起組成了LCR諧振網(wǎng)絡(luò).諧振網(wǎng)絡(luò)入端電壓有效值為:




考慮到燈管為串聯(lián)狀態(tài),此時(shí)LCR諧振網(wǎng)絡(luò)的阻尼主要是兩個(gè)燈管串聯(lián)后的阻抗.所以穩(wěn)態(tài)工作時(shí)諧振網(wǎng)絡(luò)增益滿足下式:



是穩(wěn)態(tài)工作的角頻率.除LT1和C20外,其余皆為已知項(xiàng).初選C20=2.7nF,則由上式可得LT1=3.68mH.




諧振電感的選取與設(shè)計(jì)




  對(duì)于諧振電感磁芯的準(zhǔn)確選取,難點(diǎn)在于其工作電流的計(jì)算.其實(shí)對(duì)于此諧振回路來說,流過電感的電流可以分為兩個(gè)階段.在燈管點(diǎn)亮前此電路是屬于LC諧振,因?yàn)榛芈纷枘岷苄?諧振電流和電壓都非常高.點(diǎn)燈后由于燈電阻的引入,就變成了LCR諧振,電感諧振電流相對(duì)下降了.以下就來分別計(jì)算其諧振電流值.




點(diǎn)燈狀態(tài)時(shí),調(diào)節(jié)R24和R25就可以調(diào)節(jié)最大諧振電流,也就是最高點(diǎn)燈電壓.假設(shè)我們定義燈管的最高點(diǎn)燈電壓峰值VIGN_pk為700V,則點(diǎn)燈頻率



在此點(diǎn)燈頻率下,諧振電感的電流峰值IT1_IGN_pk可以從下式得出:



這個(gè)值也是電感T1在所有正常工作狀態(tài)下的電流峰值.




  同時(shí)我們也可以計(jì)算燈在正常工作時(shí)的電感電流有效值.假設(shè)LC自然諧振頻率




  引入中間變量γ=fRUN/fo ,則此諧振網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因素為:



電感在正常工作時(shí)的電流有效值IL2_RMS可以按照Q值來計(jì)算:





得到了電感電流峰值和有效值后,通過AP法就可以得到磁芯的大概尺寸了.



其中ΔBT1_max是磁芯的最高工作磁通密度,由于是雙向工作,可以選擇2×260=520mT.DT1是繞組的電流密度,可以選擇3*106A/m2.KT1是電感窗口利用系數(shù),可以選擇0.3.這樣計(jì)算后的結(jié)果是1.16*10-9m4.按照AP=Ae*Aw,找到EPCOS N87材質(zhì)的E25.4/10/7可以滿足此AP值.繞組圈數(shù)N1=109匝.圖1中的T2與T1是完全一樣的.




相移角的影響




  與此同時(shí),Q值和γ值還會(huì)影響到諧振回路的電流形狀.圖3給出了半橋MOSFET電流與電壓的開關(guān)波形.







圖3 諧振半橋MOSFET電流與電壓波形




  在ZVS工作狀態(tài)下,電流會(huì)滯后于電壓一定的角度θ.此相移角關(guān)系到電路的諸多方面.相移角大的話可以確保工作在ZVS狀態(tài),但是電流峰值相對(duì)會(huì)變大,影響效率.相移角小可能會(huì)導(dǎo)致ZVS工作狀態(tài)丟失.因?yàn)樵谛∠嘁平乔闆r下,在半橋死區(qū)時(shí)間段內(nèi),反向諧振電流太小,可能不足以使MOSFET體二極管觸發(fā)導(dǎo)通.MOSFET開通時(shí)的電流尖峰就由此產(chǎn)生.一般根據(jù)燈電流的不同,θ值可選擇在30o到60o之間,并且可以隨燈電流的增大而減小.調(diào)節(jié)C20和LT1的比例可以調(diào)節(jié)此角度.




  此設(shè)計(jì)中,諧振電流相對(duì)于電壓的相移角為:



這個(gè)值可以確保電路工作在感性狀態(tài),所以就無需修正C20和LT1的取值了.




電壓預(yù)熱輔助電路的設(shè)計(jì)




  對(duì)于電壓型預(yù)熱電路來說,先前文獻(xiàn)較少提及其設(shè)計(jì)過程.其實(shí)當(dāng)理解了其工作原理之后,設(shè)計(jì)就變得簡單了.圖1中T1、L21、C21和上管燈絲構(gòu)成了一組電壓型輔助預(yù)熱電路,N2是諧振電感T1的副邊,并且按照N=N1:N2的關(guān)系耦合到了電感上的電壓.在預(yù)熱階段,半橋諧振電路以預(yù)熱頻率工作,電感上感應(yīng)的電壓被耦合到了預(yù)熱電路上,用來加熱燈絲.一般選擇L21和C21的自然諧振頻率等于預(yù)熱頻率,所以燈絲上的電壓就是N2上的電壓.點(diǎn)燈后,正常工作頻率會(huì)遠(yuǎn)低于預(yù)熱頻率,此時(shí)L21和C21呈現(xiàn)高阻抗,從而截?cái)嗔藷艚z的預(yù)熱電流.所以假設(shè)預(yù)熱時(shí)燈管電壓VPH要求在70V,則預(yù)熱頻率fPH為:




ωPH=2πfPH,照此預(yù)熱頻率,可以選擇C21=22nF,則電感L21




在預(yù)熱狀態(tài)下,流過燈絲的電流IF就完全由匝比N來決定了.假設(shè)燈絲阻抗為RF,則




燈絲阻抗是一個(gè)變值,對(duì)于T5 14W的燈來說,冷態(tài)阻抗在10歐姆左右,加熱后會(huì)升到40歐姆以上.由此公式,可以畫出燈絲電流隨匝比N和電阻RF變化而變化的曲線,見圖4.







圖4 燈絲電流隨燈絲電阻變化和匝比N變化的曲線




從T5 14W燈管的規(guī)格中可以了解,燈絲的預(yù)熱能量E需要滿足下式:




  其中Q是把燈絲加熱到適當(dāng)溫度的初始能量,在這里是0.9J;P是為了在預(yù)熱時(shí)間t內(nèi)維持此溫度,所需要的燈絲功率,這里是0.75W左右.根據(jù)熱態(tài)與冷態(tài)燈絲阻抗Rh/Rc要在4~6之間的規(guī)定,預(yù)熱時(shí)的燈絲電阻可以選為冷態(tài)的4倍,對(duì)于T5 14W燈而言也就是40Ω.從圖4中可知,選擇N=40,在40Ω時(shí)的預(yù)熱電流是0.14A左右,可以滿足預(yù)熱要求.由此T1副邊繞組N2可以定為3匝.




  在電路中C24和C34是作為輔助啟動(dòng)電容,來確定燈管啟動(dòng)順序和降低啟動(dòng)電壓的.由于電容電壓不能突變,所以與其并聯(lián)的上燈管會(huì)后于下燈管而點(diǎn)亮.其容值必須要遠(yuǎn)小于諧振電容C20和C30,以免影響諧振工作點(diǎn).在這里我們選擇1600V,330pF的薄膜電容.




  這樣,我們就確定了此T5 14W 4燈管電壓型預(yù)熱鎮(zhèn)流器的主要參數(shù).其余參數(shù)的設(shè)計(jì)可由芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)中的參考設(shè)計(jì)來得到,此處不再贅述.