原创 具有功率因数校正、控制和保护功能的荧光灯镇流器集成电路

荧光灯镇流器设计正在向全电子化照明系统转化。与五年前的器件相比，日益成熟的电子镇流器技术正以更低的系统成本提供更好的性能。其中，IR2166和IR2167便是最新一代电子镇流器控制IC的代表。它们能够弥补磁性镇流器不足之处，其优点包括：
无闪烁照明；
无可闻噪音；
轻易增加功率因数校正。
对电灯闪烁的考虑是很重要的。磁性镇流器在60Hz工作时会产生闪烁，而电子镇流器将60Hz电源转成高频，将电灯闪烁降低到感受不到的水平。另外，高频产生更少的热，效率也更高。
磁性镇流器使用的铁芯电磁元件工作在60Hz，会产生可闻噪音，而设计优秀的高频电子镇流器不会发出可闻的交流噪声。
PFC(功率因数校正)可以很容易加到电子镇流器中，但是对磁性镇流器来说就很困难。PFC电路可修正交流电流，使输入电压和电流转化为正弦波，并将谐波含量变得非常小。另外，由PFC电路得到的高功率因数也能提高效率、减小成本。镇流器谐波的目标是保持低于照明系统谐波电流的国际标准IEC 61000-3-2 C级限制。
功率因数校正与总谐波失真(THD，即由镇流器产生的功率谐波)也有关系。由镇流器产生的任何谐波会对其它连接在同一个电源的电子系统造成坏的影响。功率因数为1.0，意味着输入功率是纯正弦波且无谐波失真(THD=0%)，因此最好是有高功率因数(PF)和低THD。

当决定采用全电子方案后，设计师需考虑用于照明系统的多个控制IC的特性。这些特性能影响电子镇流器的整体系统成本。最大的成本因素大概是使用元件的数量，它影响硬件存放、元件布局及整体工程设计，主要的问题是：
?单片IC能否提供完整的镇流器控制以减小了硬件的成本、简化了镇流器到灯的接口？
?储存适用于所有系统配置的单片IC能减小硬件库存。IC是否适用于宽范围的灯类型和尺寸?
?控制IC是否可以编程，以便根据应用的要求设置系统特性，从而使系统设计更灵活？
?IC是否内置了可以减小整体元件数量的PFC电路？
?是否有可以简化照明系统的设计的演示板？
?演示板是否备有计算机辅助设计软件以减小产品投放市场的时间？
IR2166和IR2167给上面的问题的回答都是肯定的。老一代电子镇流器控制器采用一颗分离的控制IC、栅极驱动IC和PFC IC，而IR2166和IR2167采用单芯片方案，减低系统成本。除了减少元件数量外，这些IC也简化安装，提高可靠性和节省设计时间。另外，它们也减小新荧光灯照明系统投放市场的时间。
IR2166器件备有状态机以控制镇流器的工作时序，包括欠压锁定、预热、触发、运行和故障模式。该芯片集成了可编程预热时间和频率，能将灯丝加热到适当的发射温度。这种特性能将电灯寿命延长达三十倍，同时降低所需触发电压。可编程的死区时间、预热和运行频率的特性使IR2166能通过简单地修改元件就可以适配许多不同类型的灯。另外，通用的90V~260V交流输入能针对全球市场简化电路设计，减低为不同地区进行特殊设计的需要。
这种集成电路能在电压或电流尖峰时提供保护，从而进一步延长电灯及镇流器的寿命，同时提供无闪烁的高质量照明。这些保护项目包括：欠压锁定、软启动、触发故障、灯丝失效、过电流、寿命完结保护、更换电灯后自动重启，以及直流总线欠压复位。
PFC是IR2166和IR2167的主要集成功能。没有PFC，控制器将产生谐波电流，引起电源分布系统的损耗和发热，甚至损坏发电设备。虽然单个控制器的功率一般较低，但多个控制器产生的综合谐波电流能产生较大影响。如果产生了足够的负载，便可能触发断路器，干扰其它产品或引起火灾。
IR2166和IR2167两者也有类似的PFC电路在芯片上。传统的PFC电路以非常低的增益工作，以实现高功率因数和低THD，但问题是在灯触发时，直流总线电压会大幅下降，阻碍灯触发或使灯熄灭。IR2166和IR2167可在预热和触发期间动态地改变至高增益模式，防止直流总线电压下降，然后在正常运行时变回低增益模式以得到高功率因数和低THD。为镇流器模式的功能加入PFC增益体现了集成的好处，它的性能比现有PFC方法更优秀。没有PFC阶段，THD会高于100%，功率因数会低至0.50。
图1为IR2167镇流器控制系统原理图。交流电一般接口到为IC提供直流电的桥式整流器。IC驱动两个外部低成本功率MOSFET以控制荧光灯管和另外一个用于PFC电路的外部MOSFET。PFC电路是一个工作于临界导通和自由运行模式的有源升压变换器。在整个通用输入电压范围内，PFC电路实现大于99%的功率因数和低于10%的总谐波失真(THD)。
IR2167是一个完整保护的600V镇流器控制IC，容易适配于不同类型的电灯。IC灵活性高，设计者可以独立设置预热和触发频率。镇流器控制部分的核心是一个具有外部可编程死区时间的变频振荡器。其控制部分也提供电灯故障检测、关断和更换电灯后自动重启所需的电路。Vcc内部的15.6V齐纳二极管可防止直流的过电压影响输入。IR2167 IC备有20脚PDIP和宽体SOIC封装。
该IC有多方面的保护功能，包括电灯触发失效、灯丝失效、低交流电压、热过载、正常工作时电灯失效，同时提供电灯暗保护和寿命完结保护。此外，IC也具有容性模式保护、抗锁定能力和ESD保护。
可编程特性提供了高度的设计灵活性，包括预热时间和频率、触发斜率、过电流和运行频率。其它工作特性包括内部故障计数器、动态重启、欠压锁定和150mA启动电流。
基本上这两个IC的PFC控制是一样的，但镇流器控制却不同。IR2167具有额外的特性，如欠电流保护、低于谐波点保护和热过载保护。IR2167也简化了电灯并联、多灯和多类型电灯的设计。IR2167具有更多的功能，其封装为20脚，而IR2166是16脚。
IR2167的CS接脚负责检测故障情况，如触发失败、正常工作时过电流、硬开关、无负载和低于谐振点工作。如检测到以上任何一种状态，故障锁存器便会置位，振荡器关上，栅极驱动器输出变低，芯片进入微功率模式。对于过电流、触发失败和硬开关故障，芯片在预热尾声时可启动外部可编程正向CS+临限，而正向临限的水平由外部电阻值决定。
IR2166和IR2167同样具有演示板，可简化照明系统的样机设计。演示板专为驱动快速启动荧光灯而设计，具有高效率、高功率因素和固定输出电子镇流器。这些演示板包括EMI滤波器、有源功率因数校正和一个镇流器控制电路。
镇流器控制部分提供一个具备外部可编程死区时间的变频振荡器，可简单适配于不同类型的电灯。镇流器控制部分也提供电灯故障检测、关断和更换电灯后自动重启所需的电路。表1列出了IR2166和IR2167演示板的特点，它们也代表了典型的荧光灯系统。演示板附有一套计算机辅助设计软件。设计者只需选择荧光灯类型和可编程功能的值，软件便能提供原理图和材料清单。■