基于FAN7710V的CFL镇流器原理与设计

0 引言

紧凑型荧光灯(CFL)灯管不是直管形的，而是弯曲而成的，管径较细。CFL与镇流器是一体化的，一般使用与白炽灯通用的灯头，安装十分方便。目前被广泛应用的2U、3U和螺旋型节能灯，都属于CFL。CFL对镇流器的要求之一是占位小。

国内生产的CFL电子镇流器大多采用分立元器件制作，需使用磁环变压器，一般都没有灯丝预热功能。采用控制IC设计CFL镇流器，不需要磁环变压器，并提供灯丝预热和保护功能，能使元件数量大幅缩减，几乎不需要调试，非常适合于大批量生产。

1 FAN7710V镇流器控制IC

飞兆半导体推出新型CFL镇流器控制器芯片FAN7710V采用符合欧盟RoHS指令的无铅8引脚DIP封装，引脚排列如图1所示。

 

 

图1 FAN7710V引脚排列

FAN7710V芯片集成了CFL镇流器控制电路、保护电路、半桥逆变器中的高/低端驱动器和两个高压(>440V)功率MOSFET。

FAN7710V引脚VDC可以承受440V以上的DC(总线)电压;高端悬浮通道电压从IC引脚VB输入，为自举操作可达465V;芯片控制电路和低端驱动器电源电压从IC引脚VDD施加，内部被15.2V的齐纳二极管钳位;引脚RT连接振荡器频率设置电阻(RT);引脚CPH连接灯阴极预热时间设置电容(CPH);引脚OUT为半桥输出，同时又是高端浮置电源回复端;SGND是信号地;PGND为电源地。

FAN7 7 1 0V启动电流和工作电流分别低至120μA和2.6mA,运行频率和灯丝预热时间可调节，内含有源零电压开关(ZVS)电路，并能检测灯开路状态，提供无灯(no lamp)保护和热关闭(@165℃)保护，具有抗高dU /dt噪声入侵能力。

2 基于FAN7710V的CFL镇流器

基于控制器FAN7710V的典型CFL电子镇流器电路如图2所示。

 

 

图2 基于FAN7710V的CFL电子镇流器电路

1)工作原理

(1)电路启动与电荷泵供电电源

接通AC线路，桥式全波整流器(电容)滤波电路输出DC总线电压通过启动电阻R start对电容CVDD充电。一旦IC引脚VDD上的电压VDD达到欠电压锁定(UVLO)导通门限VDDTH(ST+)电平(典型值是13.5V)，IC引脚VDD开通，IC内振荡器启动。如果V D D电压降至关闭门限VDDTH(ST-)电平(典型值是11.6V，带0.8V滞后)，IC则关断。在IC引脚VDD导通后，C VDD则放电。为防止IC启动之后因C VDD放电使VDD低于11.6V而关断，C VDD电容量应足够大，以在VDD电压降至UVLO关闭门限之前就接收电荷泵电流，对C VDD充电。

一旦IC启动，半桥低端驱动器首先被激活，驱动低端MOSFET导通，VDD电压则通过自举二极管VDB对自举电容C B充电，充电电流流经C B和IC引脚OUT内的低端MOSFET到地。当IC高端驱动器电路电压(U B-U OUT)因C B充电达到导通门限VDDTH(ST+)电平(典型值是9.2V)时，高端MOSFET则导通，而IC内低端MOSFET截止。在IC高端MOSFET导通后，C B放电。当高端驱动器电压降至门限VDDTH(ST-)电平(典型值是8.6V)时，高端MOSFET关断，而低端MOSFET导通。如此周而始，IC内半桥高、低端MOSFET轮流导通，从而在IC引脚OUT上产生半桥高压高速电压输出。

半桥产生高频输出后，则由C C P、V D P 1和VDP2组成的电荷泵为IC引脚VDD提供工作电流，这样就可以使用额定功率较小的启动电阻R start。

当半桥输出U OUT为高电平时，电感器电流和C CP产生一个带斜率dU /dt 的输出转换，输出上升沿充电C CP，通过C CP的电流为：I≈C CP·(dU /dt )。

充电电流经VDP1对CVDD充电，如图3中的电流流动路径(1)所示。当输出U OUT从高电平转换到低电平时，C CP通过VDP2放电，电流流动路径如图3中(2)所示。

 

 

图3 电荷泵电路产生一个附加电源

(2)工作模式

FAN7710V有4种工作模式，即①预热模式、②点火(即触发)模式、③运行和有源ZVS模式和④关闭模式，如图4所示。

 

 

图4 不同工作模式FAN7710V引脚CPH的电压、频率和死区时间

①预热模式(t 0～t 1)

一旦I C开始工作，内部一个2 μA的电流源(I PH)对引脚CPH上的外接电容C PH充电。C PH上的电压从0V开始线性增加到3V的这个过程，即为预热模式。在该模式，灯管阻抗R L非常大，预热电流经过灯丝、C S和C P到地。对灯丝预热可以降低灯点火电压，并延长灯管寿命。预热频率fPH为灯点亮后的运行频率fRUN的1.6倍，即：

 

 

预热时间t PH是U CPH从0V增加到3V所需要的时间，计算公式为：

 

 

在预热期间，死区时间t DT被固定在最大值3.1μs上。

②点火模式(t 1～t 2)

在预热模式结束后，对C PH的充电电流I IGN为I PH的6倍(即12μA)，U CPH上升速度增大，振荡器频率衰减。当频率偏移至接近LCC谐振槽路的固有频率时，则发生谐振，在电容C P上产生一个高电压将灯管击穿而点亮。U CPH从3V增加到5V的时间为点火时间t IGN,计算公式为：

 

 

点火频率为：

 

 

在点火模式结束时，U CPH=5V，从式(4)可知，此式fIGN=fRUN，这意味着进入运行模式。

③运行模式和有源ZVS模式

当U CPH>5V时，工作频率被固定再由R T决定的运行频率fRUN上，其值为：

 

 

一旦U CPH达到6V(即t =t 3)以上，有源ZVS则被激活。FAN7710V通过控制死区时间来满足ZVS条件。如果ZVS失效，IC将减小U CPH以延长死区时间。

图5 所示L C C谐振槽路依据灯阻抗R L的传输特性，图6为从预热到有源ZVS模式的瞬态波形。

 

 

图5 LCC谐振槽路传输特性[!--empirenews.page--]

 

 

图6 从预热到有源ZVS模式的瞬态波形

④关闭模式

如果利用图7所示的外部电路，使I C 引脚C P H 上的电压降至2.1V以下，IC则进入关闭模式。如果芯片结温超过160℃，IC也会进入关闭状态而停止工作。IC在关闭模式，仅消耗250μA的电流。

 

 

图7 外部关闭控制电路

(3)灯开路自动检测如果灯出现开路，谐振槽路将失效，半桥输出将是电荷泵电容C CP充电和放电，出现电容性负载驱动，不再满足ZVS条件，使IC功率耗散迅速增加，有可能使其损坏。FAN7710V能自动检测灯开路故障，通过降低电压U CPH增加死区时间，以满足ZVS条件。一旦U CPH降至2V以下，IC则自动关闭，如图8所示。为了重新启动IC，VDD必须降至门限VDDTH(ST-)以下，以复位内部锁存器电路。

 

 

图8 灯开路时的相关电压波形

2)设计实例

如果镇流器驱动的灯管功率是20W，运行频率fRUN=44.4kHz,预热时间t PH=0.75s,主要元件的选择如下：

(1)启动电阻R start选择。

FAN7710V的启动电流I st=120μA，IC引脚VDD上的启动门限电压VDDTH(ST+)=13.5V，引脚VDD上的钳位电压U CL=15V。对于220V的AC电压输入，DC总线电压U DC= √2×220V=311V。

R start的选择应为满足下式：

 

 

因此可得：R start<2479kΩ。

当选择低成本的1/4W电阻时，下式成立：

 

 

于是可得：R start > 4 (U DC -U CL ) 2 = 4 ×(311V-15V)2=350kΩ

R start可选择470kΩ/0.25W的电阻。

启动时间t start为：

 

 

如果C VDD=10μF,由式(8)可得t start≈0.26s。

(2)R T和C PH的确定：

根据式( 5 ) 得：R T = 4 × 10 9 / f RUN = 4 ×109/44.4kHz=90kΩ

根据式(1)，预热频率为：fPH=1.6fRUN=1.6×44.4kHz≈71kHz

根据式(2)，预热时间设置电容为C PH=(t PH×2μA)/3=(0.75×2μA)/3=0.5μF

C PH选择0.47μF/25V的电容器。

灯点火时间根据式( 3 ) 计算：t IGN= 2C PH/12μA=2×0.47μF/12μA=78ms。

(3)电荷泵元件选择。

电容C CP连接在半桥输出。当半桥输出电压从零开始斜升时，C CP被充电，充电电流施加到IC引脚VDD，如图9所示。充电电流为：

 

 

 

 

图9 电荷泵操作

当半桥输出从最大值斜降时，C CP通过二极管VDP2放电。在IC的一个开关周期中为IC提供的总电流为：

 

 

在一个开关周期内所能提供的平均电流为：

 

 

t为开关周期;fsw为开关频率，fsw= fRUN

为保证IC稳定工作，施加到IC的平均电流选择6.5mA。根据式(11)得：C CP=I avg/ (U DC×fsw ) = 6 . 5 m A / ( 311 V×44.4kHz) ≈470PF

二极管VDP1和VDP2选用1kV、1A的超快速恢复UF4007。

(4)其他元件的选择L F选用1mH的电感器，R F选用0.5Ω/0.5W的可熔电阻，VD1～VD4选择1N4007，C 1选用2 2 μF / 400 V的高温铝电解电容器，C VDD选用10μF/50V的高温(105℃)铝电解电容器，C P选用3.3nF/1kV的电容，C S选用3.3nF/630V的电容。

L 选用EE19165磁芯，280匝，电感值为2.6mH。

3 结束语

FAN7710V是一种简单低成本CFL镇流器控制IC。基于FAN7710V的CFL镇流器，仅需非常少量的元件(不必外加两个功率MOSFET)，并且其预热时间、预热频率和运行频率可由外部电阻(R T)和电容(C PH)设置，同时提供灯开路检测及过热保护。