直到今天,熒光燈仍是一種以最少電能消耗(流明/瓦)產生白光的最廉價方法。現在,小型熒光燈的每年銷售規模達數億只,而對熒光燈可靠性的要求也不斷提高。如今的照明系統需要鎮流器控制功能以驅動小型熒光燈,但這樣增加了成本和設計時間,而且這些鎮流器控制功能必須根據每種不同類型的熒光燈重新調節。

因此,設計工程師需要集成了所有控制功能的解決方案,以便將更多精力集中在燈管的輸出級設計上,并縮短產品上市時間。本文介紹如何利用集成了多種控制功能的單片IC來設計25W小型熒光燈鎮流器,另外還討論輸出級設計、可編程器件的選擇、原理圖、鎮流器測量波形,以及仿真結果和實測結果的比較。

可利用基于標準諧振電路拓撲的簡化模型來設計燈管輸出級(圖1)。燈管要求在給定的時間內有電流來預熱燈絲,有高電壓來點亮燈絲,然后開始工作。選擇合適的電感和電容并改變輸入電壓頻率可以滿足這些要求。為預熱和點亮燈絲,此時燈管并不導通,電路為電感-電容串聯形式。燈管點亮后,燈管處于導通狀態,電路成為電感并聯電阻-電容串的形式。

根據電路的傳遞函數可得到燈管預熱、點亮和正常照明三種狀態下的輸出級工作點(圖2)。頻率在確定的預熱時間內從起始頻率開始平滑下降到最終工作頻率。在頻率下降過程中,燈絲被預熱,燈管兩端的電壓隨著頻率接近高Q值L-C電路的諧振點而不斷增加。當電壓足夠高時,燈管即被點亮,工作點轉移到低Q值L-C曲線。頻率則繼續下降,最終達到工作頻率。

圖1：簡化的燈管輸出級模型是一個基本的R-L-C電路。

高Q值串聯L-C電路的傳遞函數為：

其中Vin為輸入方波電壓的幅值(V),Vign為燈絲點亮電壓的幅值(V),L等于輸出級電感(H),C等于輸出級電容(F),fign為燈管點亮時的頻率(Hz)。根據式1得到fign的表達式：

式2給出了高Q值L-C傳輸曲線上燈管點亮時的工作點的頻率。需要注意的是,這里采用輸入方波(Vin)的基頻進行線性分析。一旦燈管點亮,其電阻不能再被忽略,系統變成具有如下傳遞函數的低Q值串并聯R-C-L電路：

從式3可得到低Q值R-L-C傳輸曲線上的工作頻率：

這里R為由熒光燈工作功率和電壓決定的熒光燈電阻。

其中,Prun等于工作功率(瓦),Vrun為燈管的工作電壓(伏)。最后,根據所用IC的電控制振蕩器(VCO)最大頻率得到高Q值L-C曲線上的起始頻率工作點。

利用這些等式以及熒光燈和鎮流器的參數,可設計出熒光燈輸出級。25W CFL型熒光燈和鎮流器(由230V交流電源供電)的參數為：Vin=280V, Vign=380V(峰值),Prun=25W,Vrun=175V(峰值),frun=45kHz。

選擇C=6.8nF并利用式4,使L從0.1mH開始逐漸增大直到獲得預期的工作頻率。確定L和C后,利用式2和式6計算點亮和起始頻率。所采用的IC為IR2520,其頻率可以從起始頻率掃描到工作頻率(圖3),為保證熒光燈能夠正常點亮,點亮頻率必須大于工作頻率,采用上述設計方法可確定電感值為2.3mH。

圖2：這些曲線描述了輸出級具有不同工作點的傳輸函數。

鎮流器的設計

本文設計了一個25W迷你型鎮流器演示板,并對之進行性能測試。輸入級針對230V交流電源而設計,利用鎮流器控制IC對頻率和預熱時間進行編程,并執行頻率掃描和驅動高端和低端半橋MOSFET。該IC也提供熄燈復位功能及在沖擊失效、非零電壓開/關、燈絲開路和拆卸燈管時的保護功能。

采用上述設計方法計算L、C及燈管輸出級的頻率,并根據計算結果選擇可編程IC(圖4)。分別選取電感和電容為2.3mH和6.8nF,將電容、電感值和計算出的工作頻率值代入下式,計算可編程IC的輸入參數：

其中,由RFMIN設置期望的工作頻率(frun),由CVCO ;設置期望的預熱/點亮時(tph ) ,元件RSUPPLY、CVCC 、DCP1 、DCP2 和CSNUB則被用來為IC提供電源電壓。起初,隨著交流電壓的增加,RSUPPLY給電容CVCC 充電,直到電壓升高到等于IC的內部導通電壓。在導通前,IC僅汲取數微安的電流,因此RSUPPLY可以取較高的值以將功耗降到最低。當VCC超過IC的內部導通電壓時,由柵極驅動的輸出LO和HO開始振蕩,振蕩頻率等于起始頻率,占空比為50%。CSNUB、DCP1 和DCP2 構成的電荷泵電源為IC的主電源,它使VCC保持在15.6V的內部鉗制電壓水平。電容CSNUB也可在半橋輸出端提供緩沖,以增大上升和下降時間,從而減少電磁輻射(EMI)。

圖3：IR2520D隨電壓(上圖)和頻率(下圖)變化的燈管控制序列。

電容CDC為振蕩電路提供隔直,以維持熒光燈的交流工作電流和電壓。這可以防止熒光燈內汞的遷移,汞遷移會造成燈管兩端發黑,縮短燈管壽命。對試驗板進行測試,并將測試值與預計仿真值進行比較。在啟動和點亮過程中,電壓電流波形為正弦波。

實測頻率與預計頻率之間的偏差小于5%,而其它類型的燈管和元件配置產生的偏差可達10%。這樣的偏差在預料之中,因為上述設計方法忽略了諧波、非線性電阻、燈絲電阻、電感損耗及元件容差。因此需要對元件進行再次篩選。

在采用上述方法構建全功能迷你型鎮流器參考設計方案的過程中,考慮了溫度、燈管壽命、性能裕量、封裝、布局、可制造性和成本等所有因素。對于多種不同幾何形狀(流線型和緊湊型)和不同功率(各種功率)的燈管,采用上述方法預計燈管的工作點得到了良好結果。

這個設計方法不僅可以顯著縮短針對市面上不同類型的燈管設計鎮流器的時間,它還是一個優化鎮流器尺寸和成本的有效工具。此外,該方法還有助于減少鎮流器產品系列的數量,從而提高可制造性。

圖4：輸入為交流230V的25W迷你型鎮流器演示板電路圖。