基于IR21592的调光电子镇流器的原理与设计

1 引言
    近几年，可调光荧光灯电子镇流器得到长足发展，成为倍受用户青睬的典型“绿色照明”产品。由于荧光灯是一种非线性负载，并且灯管有额定导通电压，如果灯管上的电压低于额定值，则会熄灭或不能发光，所以荧光灯的调光并非像白炽灯调光那样简单。荧光灯调光电子镇流器分为模拟调光和数字调光，而具体的调光方法主要有频率调制(即调频)和相位控制。从本质上讲，荧光灯调光是通过调节灯管电流实现的。灯管额定功率上有最大输出电平，亮度调节不能超过最大输出电平(即100％)。性能优良的调光电子镇流器的调光范围为100%~10％。
    可调光电子镇流器必须以专用控制电路为基础。目前可供选用的调光镇流器控制电路有几十个类型的器件，其中包含上海复旦微电子股份有限公司生产的FM281l和FM2822，美国IR公司推出的IR2159、IR21592和IR21593，都是最具有代表性的控制电路。

2 IR21592的主要特点
    IR21592型控制器集成了调光镇流器控制器和600V半桥驱动器，采用16引脚DIP和SOIC封装。IR21592的核心是带外部可编程最低频率的压控振荡器(VCO)。
    IR21592的主要特点如下：
    (1)具有欠压锁定(UVLO)模式、预热模式、调光模式和故障模式；
    (2)提供无变压器的灯功率检测相位控制，只需很少的改动，即可将非调光镇流器改为可调光镇流器，调光控制输入DC电压范围为O.5 V~5 V(5 V的DC输入对应最大功率，最小相移)；
    (3)预热时间、预热电流、触发(点火)到调光时间等参数可控，均可利用外部元件编程设置，为镇流器设计提供了高度灵活性；
    (4)提供灯触发失败、灯丝失败、热过载(热关断温度为165℃)、正常工作期间灯失效及AC线路欠压保护与VCC欠电压锁定(VCC关断电平约为10．9V)。

3 基于IR21592的调光电子镇流器
    由L6561和[R21592型控制器组成的高功率因数36 W荧光灯调光电子镇流器电路如图1所示。其中，图1(a)为基于L6561型控制器的有源功率因数校正(PFC)升压型预变换器电路，其前端为EMI滤波器和桥式整流器(BRl)；图l(b)为基于IR21592型控制器的调光镇流器电路。

3.1 工作原理
    PFC升压变换器为镇流器电路提供接近于1的线路功率因数和低总谐波电流失真THD(<15％)及400V的DC总线电压VBUS。在输入接通AC供电线路后，桥式整流器输出DC脉动电压VDC通过R5和RLM2(10 Ω)对IC2的VCC引脚上的电容器CVCC2(4.7μF)充电。当CVCC2上的电压超过12.5 V的导通阈值时，IC2启动，IC2内VCO起振，半桥驱动器开始工作。只要半桥产生输出，C12、VSI和D4组成的电荷泵电路为IC2的VCC脚供电。半桥输出高频信号经C12、二极管Dl整流和C4滤波为IC1的8引脚(VCC)供电，使IC1启动并使PFC变换器开始工作。
    IC2引脚1上由R4和RVCD组成的分压器用作检测经全波整流的线路电压。只有当VCC引脚上的电压超过导通门限电压并且VDC引脚上的电压大于5.1 V时，IC2才能启动并进入预热模式。在预热模式，IC2引脚2内部VCO在最高频率上振荡，半桥输出带50％的占空因数，HO引脚与LO引脚上的驱动输出之间的死区时间内部设定为2μs，从而避免Q2和Q3“直通”。预热时间由IC2引脚3外部电容器CCPH确定。当CCPH上的电压大于5.1 V时，预热阶段结束后，IC2进入触发模式。在触发模式下，工作频率从预热频率向最低频率fMIN偏移。最低工作频率由IC2引脚7外部电阻器RFMIN设定。在频率线性降低过程中，当接近输出级LC串联电路固有频率时，将发生谐振，在CRES上产生的高压脉冲施加到灯管的两端，使灯管击穿而点亮。一旦灯触发成功，IC2则进入运行模式，若失败，IC2则进入故障保护模式。
    IR21592有1个调光接口，如图2所示。IC2引脚4允许0.5 V~5 V的DC电压输入，执行模拟灯功率控制。5 V的电压对应于最小相位移(最大灯功率)。调光接口输出是IC2引脚MIN的电压，该电压与IC2内部定时电容器(CT)上的电压VCT相比较，产生频率独立的数字接口相位。CT从l V～5V的充电时间确定IC2输出栅极驱动器(H0与LO)的导通时间。在负载电流中可能对应于-180°的相位移。对于0°~90°的调光范围，利用引脚MIN和引脚MAX上的外部电阻器将IC2引脚MIN上的电压限制在1 V~3 V之间。对应于DIM引脚上5 V的输入，RMAX决定最小相移参考(最大灯功率)。RMIN设置最大相移(最小灯功率)，对应于0.5 V的调光输入。
    Q3源极电阻器RCS感测半桥电流。只要IC2引脚CS上的电压超过1.6V，则电路进入故障保护模式。由R17和R16组成的分压器和C1l组成灯检测电路。在灯出现故障时，IC2关闭。IC2引脚8外部电阻RIPH设置基准峰值预热电流。自举二极管D3和电容器C7组成IC2内部高侧驱动器的供电电路。

3.2 镇流器电路设计
    根据灯管要求，选择基于IR21592的镇流器输出级元件和可编程输入元件。36W T8型灯管的参数见表1。

3.2.1 镇流器输出级LRES和CRES的选择
    对于给定的LRES电感值L、CRES电容值C和DC总线电压VDC，预热期间的灯管电压Vph、预热频率fph、触发频率fign、触发电流Iign、满载下的工作频率f100%和在1％亮度灯功率上的阴极预热电流Icath(1%)依次由公式(1)到公式(6)给出：

    为防止预热期间点火，要求Vph<Vph(max)；同时要求fph-fign>5 kHz。为避免电感器饱和，要求Iign<Iign(max)。为防止在调光期间灯熄灭，要求丘Icath(1%)≥Icath(min)。所计算的L和C值，必须满足这几个约束条件。
    根据公式(1)到公式(6)，可以求出在LRES的L值一定时，即L=2 mH下不同的C值对应的镇流器输出级参数，如表2所列。

    将表2与表1相比较,当L=2mH和C=6.8 nF时，由于Vph=700Vpp，大于T8型灯管允许的限制值(600 Vpp)，同时Icath(min)=0.32 Arms，小于T8型灯管要求值(0.35 Arms)，故选择C=6.8 nF是不适宜的。若选取C=10 nF，则可以满足灯管要求。但在调光期间，随着灯功率的降低，灯阻抗会负向增加，灯电压会升高。在1％亮度下，灯电压可达到最大值，产生最大灯丝电流，使灯丝过热。因此，lO nF的电容值略偏大。选择C=8.2 nF完全符合灯管要求，不会出现灯阴极过热。因此，选择L=2mH和C=8.2nF是可行的。
3.2.2 IR21592的可编程输入参数设计
    为了编程调光接口MIN和MAX设置，必须计算在最小和最大功率下的输出电流相位ψ％。计算公式如下：

    根据灯管要求和L、C选定值及最大和最小相位计算值，IR21592的可编程输入元件值可由公式(9)到公式(14)得到：

    表3所列为利用公式(7)到公式(14)计算的IR21592的输入参数值。

    IR21592的输入元件还有VCC引脚上的启动电阻器R5和VDC引脚上的分压电阻器R4及RVDC。
    IC2引脚VCC启动门限电压最大值Vth(max)=13 V，启动电流最大值IST(max)=0.33 mA。R5的选择应保证在最低AC线路电压VAC(min)=185 V下提供足够的启动电流：

    设在最高AC线路VAC(max)=265 V下，R5的功率PR5≤0.5 W,R5必须满足下列条件：

    由于260 kΩ≤R5<714 kΩ，选择Rs=470 kΩ。
    IC2引脚VDC上正常工作门限电压是5.1 V。R4与RVDC之间的关系为：

    通常选择RVDC=10 kΩ~27 kΩ。根据公式(17)可得：当RVDC=10 kΩ时，R4≤739 kΩ；当RVDC=27 kΩ,时，R4≤1.995 MΩ。
    IR公司提供成套的IR21592设计组件和工具，其中包括调光镇流器电路设计软件。该软件允许选择不同的灯管类型、不同的AC输入电压范围和不同的灯管配置，进行必要的设计迭代，产生新的方案和元器件及材料清单。
    利用IR21592和微控制器或微处理器可以组成高端全数字调光电子镇流器。微控制器是IR21592和数字可寻址照明接口(DALI)之间的界面。DALI协议为16位，支持直到64个镇流器各自的寻址，控制64个不同的镇流器。

4 结束语
    基于压控振荡器(VCO)的IR21592单片IC是高性能调光镇流器控制器和600 V半桥驱动器。IR21592利用相位控制实现无变压器的灯功率传感调光。由IR21592组成的电子镇流器仅需很少数目的元件。镇流器预热电流、预热时间、点火到调光时间和最低工作频率均可通过外部输入阻容元件根据需要设置。灯触发失败保护、灯丝开路、欠电压保护和过热保护提高了系统的可靠性。文中给出的公式为设计工作提供了依据和便利。