基于控制器IRS2530D的节能灯调光镇流器设计

 引言
    目前，电子节能灯已进入千家万户和楼堂馆所。国产电子节能灯中的电子镇流器，大多都采用分立元器件装配，优点是电路简单、成本低，但需使用磁环式驱动变压器，并且不带预热和调光功能，因此性能不佳、可靠性差、容易损坏。由于镇流器和节能灯是一体化的，一旦电子镇流器损坏，未损坏的灯管也就被扔掉，造成极大的浪费。如果在设计中采用IR公司最近推出的调光镇流器控制器IRS2530D单片IC，则可以弥补使用分立元器件带来的不便。

1 IRS2530D的主要性能和特点
    IRS2530D集成了调光镇流器控制和半桥驱动器，采用8引脚DIP封装。IRS2530D引脚l(VCC)上的电源电压被内部齐纳二极管钳位在15．6V，启动电流为250μA，最大电源电流为5mA。IC半桥高端引脚7(HO)和低端引脚5(LO)上的两个驱动器输出死区(即非交叠)时间被固定在2 μ S，输出源电流为180mA，输出灌入电流为260mA，输出高电平(以地作参考)电压为VCC。在IC压控振荡器输入端引脚4(VCO)上的电压为0～6V，输出最高频率fmax=115kHz(VVCO=0V)，最低频率fmin=(34．2±2．2)kHz(Vvco=6V)。
    IRS2530D采用简单灯电流调光控制方法，灯丝预热时间可编程，采用波峰因数(灯电流峰值与平均值之比)检测执行过电流保护，同时还提供非零电压开关保护，而不需要半桥电流传感电阻和保护电路。

2 基于IRS2530D的节能灯调光镇流器
    1)电路拓扑
    一种基于IRS2530D的螺旋型紧凑荧光灯(CFL)调光电子镇流器电路如图1所示。
    在图1中，BR1为桥式整流器，CF、LF和CBUS组成滤波电路，IRS2530D和VTl、VT2等组成半桥逆变器电路，LRESA和CRES等组成谐振输出级，RCS、RFB和CFB为灯电流感测和反馈网络，VDCP1、VDCP2、CSNUB等组成电荷泵辅助电源，RVCC1、RVCC2为启动电阻，CVCC1为启动电容、CVCC2用作高频滤波，RLIM1、RLIM2：为限流电阻。
    2)电路运行时序和工作原理
   (1)电路启动和IC电源
    接通AC市电电源，全波整流滤波电路输出约300V的DC总线电压VBUS，VBUS通过启动电阻RVcc1／Rvcc2对电容Cvcc1(1μF)充电。当IC引脚VCC上的电压超过12．5V的门限时，VCC脚导通，引脚HO和LO产生驱动输出而开始振荡。半桥一旦产生输出，引脚VCC则由VDCP1(18V／0．5w)、CSNUB(1nF／lkV)和VDCP2组成的电荷泵并经限流电阻RLIM1、RLIM2：(均为10Ω)供电，这样可以减小启动电阻上的损耗。CVCC1，值应足够大，引脚VCC在接收电荷泵输入电流时不能降至欠压锁定(UVLO)关断门限(10．5V)以下。
    当半桥低端MOSFET(VT2)导通时，引脚VCC上的电压经内部自举MOSFET对引脚VB与VS之间的自举电容CBS充电，充电电流经VT2流入到地。当CBs上的充电电压超过9V时，IC高端驱动器使能，驱动VT1导通。当VT1导通时，VT2截止。在高端驱动器导通时，CBS放电。一旦CBs上的电压低于8V，VT1截止，而VT2再次导通。如此周而复始，VTl和VT2交替导通，在半桥中间点(引脚6)输出高频方波脉冲，经输出级为灯管供电。
    (2)灯丝预热／灯管触发
    IC一旦启动，在引脚4(VCO)内部的一个50μA的快速启动电流和一个1μA的电流源对外接电容cPH充电，镇流器输出最高频率fmax开始对灯丝预热，VCO脚上的电压Uvco迅速升至0．85V。一旦UVCO达到0．85V，IC内部的50μA电流被切断，只有1μA的电流源对VCO脚上的电容充电，UVCD缓慢上升(见图2(a))，频率从fmax开始线性降低见图2(b))。谐振电感器LRESA的两个辅助绕组LRESB、LRESC为灯丝预热绕组，为灯丝提供预热电压。LRESB、CH1和LRESC、CH2为带通滤波器，在灯点亮之后，灯丝预热电压被衰减，以减小灯丝上的热量损耗。

    当镇流器输出频率接近或达到输出级高Q值的谐振频率时，灯丝预热结束(预热时间由CpH设置)，LRESA和CRES等发生串联谐振，在CRES上产生一个足够高的电压使灯管触发而点亮。一旦灯管被点亮，IC则进入调光模式。如果灯未被点亮，UVCO将超过4V，IC则进入故障模式并关闭其输出，芯片仅消耗250μA的电流。
    为保证频率下降斜坡通过谐振以对灯点火，最低频率fmin应低于镇流器输出级高Q值的谐振频率，如图3所示。

    (3)调光模式
    l～10V的DC调光输入电压经电阻分压器RDIM1／RDIM2输入到IC的引脚3(调光端DIM)。与灯下端灯丝连接的灯电流传感电阻RCS上产生的交流电压经RFB和CFB也耦合至IC的DIM脚。在DIM脚上的(DC+AC)电压通过控制环路调节，使AC电压谷值在COM(地)电平上。当DIM脚上的DC参考电压减小时，AC电压谷值被延伸到COM电平之下。为减小灯电流使灯光变暗，调光控制电路将提高镇流器频率，以增加LRESA的阻抗(z=2πfLRESA)直到AC电压谷值恢复到COM电平之上。为了提高灯亮度电平，当DIM脚上的DC参考电压减小时，AC电压谷值将在COM电平之上，调光控制电路将降低镇流器频率，以增加灯电流，直到DIM脚的AC电压谷值再回到COM电平上。采用这种灯电流闭环控制调光方法，可以使AC灯电流峰一峰值被调节到期望的数值上。
    (4)非ZVS保护
    如果系统操作太接近或进入谐振容性侧，将出现非ZVS容性模式转换，在半桥MOSFET中会产生高幅度的大电流，很可能使MOSFET损坏。为防止这种情况发生，引脚6(VS)内部的感测电路在低端LO输出前沿上检测VVS电压。如果VVS>4．5V，非ZVS控制电路将提高镇流器频率，直到恢复到ZVS。
    (5)波峰因数(CF)过电流保护
    当流过MOSFET的峰值电流超过平均电流的5．5倍(即CF>5．5)时，意味着灯丝失效，或者灯管未接入，或者灯变为去激活，谐振电感器LRESA将出现饱和。IC在此情况下会进入故障保护模式，并自行关闭。
    (6)故障模式
    在故障期间，IC内部故障锁存器置位，HO关断，L0开路，IC仅消耗250μA的电流。如果等未接入，电阻RLMP1和RLMP2将会把引脚LO上的电压拉高到8．75V以上，IC则退出故障模式而进入UVLO模式。当接上灯管时，引脚LO上的电压将被拉低到8．75V以下，于是IC退出UVLO模式而进入预热／触发模式。[!--empirenews.page--]
    3)主要元件的选择
    (1)启动电阻RVCC1／RVCC2的选择引脚Vcc上的导通门限是12．5V，启动电流为250μA，若AC线路电压VAC=220V，启动电阻
值则为

   
    可选取Rvccl=Rvcc2=620kΩ。
    (2)预热电容CPH值的确定
    CPH，用于编程灯丝预热时间tPH，计算公式为

   
    若预热时间tPH=0．8s，CpH值为200nF。
    (3)灯电流检测电阻RCS的计算
    在调光期间，若RMS灯电流为ILAMP(min)，在RCS允许的峰值电压为0.1V。考虑到反馈网络对信号的衰减，宜附加一个5的倍乘因子，于是RCS值可按下式计算：

   
    (4)输出级元件的选择
    对于14～26W的节能灯，谐振电容CRES可选择3.3nF或4.7nF，耐压1kV。
    谐振电感LRESA视灯的规格而定，其电感量约为2．5～3．3mH；其辅助绕组LRESB、LRESC与LRESA的匝数比通常为l：25，若LRESA线圈绕组是150匝，两个辅助绕组则为6匝。
    镇流器其他元器件的选择如表1所示。

    4)PCR参考线路
    镇流器控制和半桥驱动器电路印刷电路板(PCB)参考设计见图4。

3 结束语
    推广电子节能灯是实施绿色照明的重要内容，是节能减排的一项重要举措。IR公司新推出的调光镇流器控制器IRS2530D，仅需外加很少量的元件，就可以构建带灯丝预热、简单灯电流调光、非ZVS保护、波峰因数检测／过电流保护等功能的高性能和高可靠节能灯电子镇流器。