基于IC的新型节能照明电源技术的设计

1 前言

　　用于建筑照明方面的电力管理解决办法，如电感荧光灯，电子荧光灯，紧凑型荧光灯（CFL），卤素灯控制集成电路以及高压气体放电灯（H1D）技术等，用于范围宽广的居民区、商业和汽车中，减少了它们所需要的电力，在节能方面向前迈进了巨大的一步。其控制集成电路中的自适应控制技术和高电压半导体结隔离技术是其中的一部分，获得了广泛应用。值此对新型建筑节能照明控制IC技术及应用作研讨。

　　应该说，目前照明控制IC的主要应用领域在：工业建筑和办公室用直管和紧凑型荧光灯照明设备；住宅和旅馆用紧凑型荧光灯照明设备CFL及冷阴极荧光灯CCFL；零售照明设备市场的卤素灯和室外照明设备的HID；单白光LED及照相机闪光灯；OLED及TFT显示器等等。

　　2 新型建筑照明控制IC技术的特征

　　目前，在照明控制IC（即电子变换器）设计方面，存在两种不同的典型方法。第一种方法基于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，但是只能实现部分功能。双极解决方案被用于成本极其低廉的中低端应用。

　　2.1 适合于电子镇流器的高压隔离结IC技术

　　这些控制IC推动了高压隔离结技术以满足节能产品应用成本和可靠性的两个要求。如今普遍将控制IC-高压隔离结技术应用到镇流器中，生产出了具有竞争性、高性能和高度可靠的产品。现在面临的挑战是通过控制光源的新IC将它们扩展到其他照明市场部分。

　　2.1.1 高压隔离结IC技术的特征

　　这项高压隔离结IC技术允许电路放置在隔离的“井”里面，这个“井”到低压电路可以有600V隔离，见图1黄色粗线所示。这是因为当今不少照明技术均与高电压功率MOSFET技术相联在一起的，其分离产品系列包括大量不同型号的器件，范围从桥式整流器和肖特基二极管到功率MOSFET和IGBT。

图1  高压隔离结IC技术示意图（灰色粗线所示为高压隔离井）

　　高压隔离结IC技术的特征是，使高端及低端的驱动功能融合于单一芯片内，以控制多种开关转换器的拓扑结构。这些拓扑结构之一是广泛应用在电子镇流器中的半桥结构。这使得该技术非常适合于电子镇流器产业。

　　2.1.2 荧光灯照明的 IR2153与IR2166控制 IC

　　*IC IR2153把标准555时基电路与高端和低端半桥驱动器结合在一起。这个IC与高压MOSFET一起，很快就被照明技术采用，并成为了电子镇流器的一个标准控制器，可以作为未来照明设备控制IC发展的基础。由于IR2153被广泛应用并作改进成为IRS2153D，其顶部更加坚实耐用，且集成了必要的自举二极管。

　　*IR2156和IR2166控制IC是在IR2153基础上改进的镇流器技术，它集成了另外的功能到IR2153中，这是更加完善控制荧光灯的要求。它们包括最大化灯寿命和提高镇流器可靠性所必需的预加热和故障保护功能。IR2166进一步改进，并集成了有源功率因素校正（PFC）控制，与镇流器控制一起实现整个镇流器的单芯片解决方案。因为对于功率级别在25W以上，PFC在欧洲是强制的，世界的其他地方正在跟随同样的趋向。

　　IR2166在同一个IC中包括二个分开的振荡器，一个用于控制镇流器输入而另一个用于控制灯。并且，为了满足T5荧光灯的新要求，IR2166设有寿命终期（EOL）引脚以探测灯在接近寿命末期时发生的过压，在这些高电压产生损害之前安全地关闭镇流器。[!--empirenews.page--]

　　2.2 智能功率技术的荧光灯驱动电路技术

　　它是采用固定频率（高达200KHz左右）半桥拓扑驱动线性荧光灯管的解决方案。该方案采用了系统芯片的方法：在同一个芯片VK06T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，系统集成和小型封装还实现了更小。

　　2.2.1 技术特征

　　VK06TL驱动电路芯片应用智能功率VIPovver M3-3制造技术，允许在同一芯片VK06TL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。因此，这个“发射极开关”结构可以实现一个很高的频率（200KHz左右）。

　　2.2.2 VK06TL芯片应用于荧光灯镇流驱动器

　　图2为应用VK06TL驱动电路的一个荧光灯镇流器专用的驱动器，即半桥变换器设计方案图。

图2  应用VK06TL驱动电路的一个荧光灯镇流器专用的驱动器，即半桥变换器设计方案图

　　在图2的半桥变换器中，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，该荧光灯慎流器专用的驱动器-半桥变换器是一个效率极高而成本极低的荧光灯变换器。

　　这个变换器能够恰当地管理一个高端荧光灯应用全部必备的工作条件，即启动、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。

　　芯片的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（RC）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。还必须从连接次级绕组的SEC引脚触发、接通这个器件。

　　需要指出的是，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。[!--empirenews.page--]

　　3 应用于紧凑型荧光灯（CFL）CFL的IC IR2520D与CCFL的TPS68000

　　3.1 IC IR2520D特征与应用

　　3.1.1 IR2520D的呈现

　　照明控制IC的另一个主要部分，包括紧凑型荧光灯（CFL）与CCFL。传统的控制这灯的电路是自振荡类型的，并且对成本非常敏感。由于可靠性问题，自振荡方案实际上阻碍了快速发展。

　　因HVJI技术主要被用于隔离高电压电路和电平转换栅极驱动信号电路。采用IR2520D，HVJI功能被扩展来实现必要的检测功能。先前的IC要求一个分开的引脚用于某种检测譬如直流总线欠压，过流，灯丝开路或灯被移除。IR2520D采用HVJI技术和新控制算法，通过单一引脚来检测所有要求的参数。然而，这个引脚是在COM端和高压直流总线之间经常交换的半桥中点，这意味着，检测必须是在低端半桥开关导通时完成，而在半桥高端开关导通时电路必须能承受高压，IR2520D用第三个内部高压MOSFET来达到这个功能。IR2520D接着使用新控制算法譬如“非零电压开关（ZVS）保护”和“波峰检测”来实现必要的镇流器功能，其他的控制引脚用于设置最小的工作频率和预热时间。最后，再加上频率振动功能，它通常把频率转移到几千赫以上并回降到最小的频率，从而来达到减少外部EMI滤波的需要。把所有这些功能集成在简单的8引脚封装内，IR2520D的设计目标是应用于CFL产品中。这种新解决方案将减少尺寸大小和CFL镇流器的费用，提高制造能力，并提高可靠性以有助于CFL产品的采用和这个市场占额的进一步发展。见图3为IR2520D应用于CFL示意图。

图3  应用IR2520D IC干紧凑型萤光灯（CFL）的示意框图

　　（IR2520D引脚功能 1-Vec  2-COM  3-VCO  4-EMIN  5-LO  6-VS  7-HO  8-VB）

　　3.2 IR2520D集成电路主要特征

　　具有智能的半桥驱动器、自动复位短路保护、自动复位过载保护、锁存过温保护、频率摆动（有更好的EMl）、微功率启动（150uA）、用于前缘／后缘的相位调光、输出电压漂移比较（更长灯寿命）、真正的软启动（防止过度驱动灯）、自适应的死区时间、小的8引脚DIP／SOIC封装。其系统包含：

　　内部振荡器、先进的过载和短路保护、输出电压负载补偿、采用外部相位调光器实现调光、更长的灯寿命、优越的产品可靠性、减少元件数目。

　　4 CCFL背光控制器

　　4.1 技术基础

　　输入电压一背光电源通常由电池或稳压器提供。对于背光电源来说，为了选择最佳的IC及电源转换拓扑电路以产生照明灯所需的输出电源，先对可用的输入电压有所了解是十分重要的。

　　照明灯特性（输出功率）-一般的CCFL灯需要250VAC至1000VAC（2至10mA）以支持运转。而输入电压与输出电压间的关系指示出了最佳的JC及电源拓扑结构。

　　电源拓扑-此部分以不同的方式控制变压器。有时输入／输出关系指示出某一确定的拓扑结构。而不同的拓扑机构则对应了不同的电源转换效率。[!--empirenews.page--]

　　变压器类型-压电式（PieZO）在某些应用中可实现更小的尺寸及更高的效率。

　　控制选项-单或双灯控制、亮度控制。

　　4.2 技术特点

      针对CCFL的完全电源控制；

      磁感式或压电式变压器控制；

      开灯（openlamp）保护及变压器保护；

      脉冲亮度调节控制以获得高效及更宽的亮度调节范围；

      四种不同的电源拓扑，包括半桥<Half-bridge），反激式，自振荡，推挽式（Push-pull）。

　　4.3 CCFL（冷阴极荧光灯背光源）TPS68000高效移相全桥CCFL控制器与应用

　　主要特点：输入电压范围：8V至30V；集成了门驱动的全桥技术，用于4-NMOS转换；同步恒定工作频率；可编程相位延迟用于控制从操作的运行频率；光—电压稳压以及光—电流稳流；模拟调光及脉冲调光；多控制器件下的可调节分置式脉冲调光；启动或出错状态下可程序化的校正电压时长；开灯保护和短路保护；内置高温保护与低电压锁定模式；封装模式：30引脚TSSOP封装， TPS68000高效移相全桥CCFL控制器导单灯应用图见图4所示。

图4  TPS68000应用于CCFL示意图

　　可在桌面监视器和LCD电视的CCFL背光电源供应与笔记本电脑的CCFL背光电源供应上应用

　　4 结束语

　　由上可见，随着建筑新照明技术或已有技术的派生得到了发展，譬如直径很细的荧光管甚至LED，它们将与其相关的应用一起创造自己的新市场领域，其结果是进一步推广电子节能照明产品以使整个市场受益。