基于智能功率技术的荧光灯驱动电路设计

编者按：在照明应用电子变换器实现中，成本制约因素驱动着技术的选择。除下文要介绍的创新的纵向智能功率(VIPower)解决方案外，市场上还存在另外两种不同的经典方法。
第一种方法是基于IC器件，与若干个外部无源器件一起，驱动两个高压(通常高于400V)功率MOS晶体管，实现一个半桥变换器。

第二种方法基于两个高压双极晶体管和大量的无源器件，但是只能实现前文提到的另外两个解决方案集成的具体功能中的部分功能。双极解决方案被用于成本极其低廉、性能中低的应用中。

相对于经典的方法，本文提出了一个创新的解决方案，它的成本具有很强的竞争力，而且性能也可得到增强。

VK06TL采用意法半导体(ST)独有的智能功率VIPower M3-3制造技术，这项技术允许在同一芯片上集成控制部分和功率级。功率级是一个“发射极开关”，这个“发射极开关”通过在一个共射-共基放大器结构中放置一个双极高压达林顿晶体管和一个低压MOS场效应晶体管制成的，因此，这个解决方案实现了双极器件的低压降与断态时高击穿电压之间的平衡，以及MOS场效应晶体管的开关速度快的特性。

由于在关断状态时，双极晶体管级处于共基极模式，因此，从双极晶体管的基极抽出贮存电荷的负基极电流基本上是集电极电流，因为这个原因，这个“发射极开关”结构可以实现一个很高的频率(200kHz左右)。

这个特性使共射-共基放大器结构的开关性能比一个标准双极晶体高出很多，可与一个场效应MOS晶体管媲美。因此，我们说这个器件没有电荷贮存效应。这项技术的控制部分是采用BCD(双极-互补MOS-双扩散MOS)单元库实现的。

荧光灯镇流器驱动器

在VIPower M3-3技术基础之上，我们设计了一个荧光灯镇流器专用的驱动器(VK06TL)。这个器件采用两种不同的封装：SO-16表面组装封装和ST19通孔组装封装。

在图1的变换器半桥中，VK06TL被指定用于上桥臂和下桥臂，因为采用两个VK06TL，几乎无需外部器件，只用两个二次绕组就可以导通一次侧扼流圈，所以，设计一个效率极高而成本极低的荧光灯变换器是可行的。

 
图1：M3-3 横截面图

这个变换器能够恰当地管理一个高端荧光灯应用的全部必备的工作条件：启动、预热频率和时长控制、点火和稳态阶段。这个半桥可以实现过流保护(EOL：灯管寿命终止)、整流效应保护和过温保护，从而创造一个全保护系统。如图2：VK06TL的简化块图所示，我们考虑到了以下几个因素：

 
图2：VK06TL简化块图

功率级是由一个双极高压达林顿晶体管和一个低压MOS场效应晶体管组成的共射-共基放大器，这个解决方案实现了双极器件的低压降与断态时高击穿电压之间的平衡，以及MOS场效应晶体管的开关速度快的特性。这个功率级由双极晶体管的基极上的固定电流供电，并由栅极端子控制。在导通状态(Vg > Vthreshold)，集电极电流可以通过MOS晶体管流向集电极，贮存阶段开始。

在这个阶段，发射极电流不再流动，而且集电极电流变成负基极电流。因为发射机开关操作，贮存时长降低到几百纳秒(无贮存效应)。一旦所有的基极电荷都被抽空，功率级就进入断态。由于贮存时间短，功率级能够以高于标准双极晶体管的频率工作(最高500KHz)，同时还能维持一个很高的标准功率MOS无法达到的耐压能力(最高1KV)，而且导通损耗极低。

控制级和功率级都是由Vcc引脚供电，Vcc引脚通过一个电阻电容(R-C)网络与直流总线相连。在启动阶段，电容通过一个高阻值的电阻器充电，因此，只需几百微安。由于功率双极晶体贮存基极电流是在通过‘Vcc充电网络’连接Vcc引脚的电容上恢复的，因此，在工作阶段，器件是自己给自己供电。

VK06TL这项特殊功能允许使用功耗更小的电阻器，而且上电桥臂电源无需充电泵。

必须从连接二次绕组的SEC引脚触发、接通这个器件，同时，启动振荡电路还需要一个二极管交流开关管的功能。通过SEC引脚，系统可以负载谐振频率振荡，同时，通过CAP1、CAP2和CapPREH引脚管理预热和稳态频率。特别是，CapPREH引脚上的电容器用于设定预热时长。

通过CapEOL引脚，系统可以确保灯管寿命终止(EOL)和过温保护功能。如果检测到这些故障功能中的任意一个，CapEOL电容器就会被充电，引起功率级关断闩锁。CapEOL的电容值用于设定保护时间。

值得再次强调的是，这个单片方法无需外部电阻器和连接器就实现了功率级电流检测。此外，如上文所述，只需一个单片器件就可以集成一个温度保护电路。

两个高压二极管用于续流和二极管交流开关管通道，直流总线上的典型电压是400V，因为在多数应用中，需要连接一个PFC级(功率因数控制器)，同时，这个器件的集电极-源极击穿电压保证在最高600V。

 
图3：VK06TL应用原理图

应用电路板

目前开发出了两个参考板：一个使用SO-16封装(表面安装封装)，另一个使用SIP9封装(通孔封装)。两个电路板都基于图3所示的原理图。

应用提示

为了测试电路板的目的，在输入端子连接一个电解电容(10μF, 450V)十分重要，以便旁通直流电源电压与电路板之间连线上出现的寄生电感。

预热频率必须固定，以确保电流值足以预热阴极，而不会导致灯管点火。

参考电路板的预热频率大约59KHz，峰流大约800mA。由于谐振电容C=8.2nF，在预热阶段，它的电压低于一个58W T8灯管的预热额定电压(350V峰压)。预热时长大约0.84s。

采用表面组装封装电路板上的主波形的稳态阶段：工作频率大约为34KHz，峰流大约为700mA。

参考电路板的热分析

我们对图3中电路板进行了热分析，同时测量了器件的温度。每个器件的散热铜面积大约100mm2。温度是通过在SO-16封装顶部放置K型热电耦测量的。测量环境有种不同的外界温度：室温(大约25oC)和外界温度(50oC)测量结果见汇总表1：

 
表1：器件外壳温度

结论

本文简要介绍了ST开发的采用固定频率半桥拓扑驱动线性荧光灯管的创新解决方案。

采用了系统芯片的方法：在同一个芯片上集成控制部分、保护电路和功率级。

由于采用这种单片电路的方法，系统可靠性得到了提高，此外，系统集成和超小型封装还实现了更小、更便宜的应用电路板，向系统微型化迈出了一大步。