基于FSM7401的荧光灯镇流器系统的设计

摘要：介绍FMS7401型数字功率控制器的结构、功能、特点及基于FSM7401的镇流器系统的设计。
关键词：FMS7401；DPC；数字调光；镇流器；设计

1 引言

    为了控制预热时间、最低与最高驱动频率及正常工作频率等各种参数，模拟电子镇流器的控制器外部必须连接一些阻容元件。这些无源元件的参数存在一些容差，而且随着温度的变化而变化。基于模拟控制集成电路的可调光电子镇流器需要用模拟信号控制。为了发送模拟调光信号，外部微控制器或微处理器必须通过D／A转换器进行数／模转换。

    飞兆半导体公司推出的FMS7401型数字功率控制器(DPC)为实现镇流器控制、电机控制和电池管理功能提供了理想的解决方案。基于FMS7401的简单、低成本、全数字调光电子镇流器能够提供更多的功能。例如荧光灯触发电压监测、无灯检测、灯寿终(EOL)识别及最佳预热时间设置等。

2 FMS7401的内部结构及引脚功能

    FMS7401采用CMOS工艺制作，内置8位微控制器内核、1K字节代码EEPROM、64字节动态随机读写存储器(DRAM)、5通道8位ADC、带死区时间控制的12位PWM定时器、振荡器、增益为16的自动调零放大器及独立放大器、电平可编程比较器、看门狗复位电路及数字滤波器等。其内部结构如图2所示。表1列出FMS7401的引脚功能。

3 FMS7401的主要功能与特点

    FMS7401基于数字硬件提供快速PWM和PFM。数字硬件结构含有所有传统微控制器特点，例如EEPROM、RAM、ADC和可编程参考电压等。为了实现快速控制，FMS7401内部还集成了运算放大器和模拟比较器。片内的PLL支持内部数字PWM频率高达64MHz。对于250kHz的PWM频率有8位的分辨率。  

    FMS7401输出可变频率脉冲，可用作驱动镇流器输出级LC串联谐振网络，对灯丝进行预热。FMS740l监控灯电流，能识别过电流、过电压、过温度、灯触发失败和灯丝断路等故障。

    FM7401支持数据EEPROM、代码EEPROM和初始化寄存器电路内部编程。电路内部编程由4线串行接口组成。为将器件设置成编程模式，系统复位期间10位操作码必须移位进入器件。器件有100000个数据变化，数据保留期间40年。

4　数字镇流器系统设计

    基于FMS7401的可编程特点，用其可以设计数字化电子镇流器。用这种电子镇流器驱动Biax T／E型32W灯管，工作频率为180kHz，预热频率为400kHz，系统效率为90％，输入功率为36W。

4.1　设置系统时钟

    FMS7401内部时钟FCLK可以调节，并通过设置初始寄存器来测试，FCLK可设置在2MHz。初始寄存器INT2带飞兆公司的感光乳胶与仿真程序工具(Tool kit)。FCLK是数字倍增器或PLL输入时钟。PLL的倍增因数利用FS[1：O]的2位可以在4MHz、8MHz、16MHz和32MHz几个点频上调节。其中。FS[1：0]为PSCALE[6：5]，并且PLLEN的使能输入=PSCALE[7]。若将FCLK设置在2MHz，数字倍增器的输出取决于FS[1：0]，可以为8／16／32／64MHz，并到达数字开关输入B。如果FSEL=1(FSEL=PSCALE[4])，数字开关Y可以是8／16／32／64MHz：如果FSEL=0，则Y为1MHz。数字开关的输出Y变成内部数字PWM计数器的基本时钟频率FPWM。FMS7401的时钟控制寄存器PSCALE的设置如表2所示。

    若PLLEN=“1”，PLL使能：若PLLEN=“0”，PLL禁止。

    若FSEL=“1”，F_PWM=F_CLK×4(FS=#OOb)，或F_PWM=F_CLK×8(FS=#01b)，或F_PWM=F_CLK×16(FS=#1Ob)，或F_PWM=F_CLK×32(FS=#11b)；若FSEL=“0”，并且F_CLK=2MHz，F_PWM则为1MHz。

    若FM=“1”，软件执行基本时钟Coreclk=F_CLK/2(FS=#OOb)，或Coreclk=F_CLK(FS=#01b)，或Coreclk=F_CLK×2(FS=#为10b)，或Coreclk=F_CLK×4(FS=#11b)。若FM=“0”，Coreclk=F_CLK/2。

    当FM设置为“1”时，Coreclk则为1MHz；当FS=“0”时，Coreclk=FPWM/2。从表2可知，FM=PSCALE[3]。通过设置FM=“1”，软件指令时间变为1μs。如果PSCALE设置到#11010000b。则PWM频率FPWM变为32MHz，最低输出频率为125kHz。基于这些设置，通过减小T1RAL寄存器值，可以获得较高的输出驱动频率。表3列出FS1、FS0和FM设置与相关频率。  

4.2 设置PWM单元

    图4为FMS7401的PWM结构框图。来自PLL输出的FPWM，通过PS[2：0]=PSCAL[2：0]寄存器／2N，除法器的输出是自由运行上行计数器TIMER1的基本时钟。T1RA是预加载计数器寄存器。当TIMER1值等于T1RA时，TIMER1自动复位。改变TIRA值。可以控制PWM频率。  

    为了避免半桥中的高／低侧2个功率MOSFET“贯通”，FMS7401提供死区时间(即非交叠时间)，并通过设置DTIME寄存器来控制。PWM输出信号和比较功能由寄存器T1CMPA和T1CMPB提供。如果TIMER1计数值超过T1CMPA值，则数字比较器输出OA变为高电平，如图5所示。

    数字比较器输出OA成为与门和或门的输入。比较器输出通过延迟单元(1／2N)按照6位DTIME设置值延时。经延时的输出DOA成为与门和或门的另一个输入。与门和或门输出OH与OL，成为半桥高／低侧MOSFET的栅极驱动信号。由于延迟电路的时钟来自FPWM，利用6位DTIME寄存器可以使死区时间从32MHz(周期tPWN=31.25ns)，FPWN时钟的0到2N之间进行调节。如果FPWM=32MHz，通过设置PSCALE=OxDO(#11010000b)，可将死区时间控制在0-2μs(64x31.25ns=2μs)。

    为了得到适当的OH和OL输出波形，并使数字比较器的OL电平反转，必须利用PORT-GC和PORTGD寄存器，设置PGO=“1”。在本设计中，高端和低端输出信号被定义为输出脚。

4.3 镇流器系统设计方案

    图6所示为基于FMS7401的32W荧光灯全数字调光电子镇器电路。110V的AC输入采用倍压整流电路，220V的AC输入采用全桥整流滤波电路。因此，二种AC输入产生的DC总线电压是相同的(约300V)。IC2和IC3分别为高侧MOSFET (V1)和低侧MOSFET(V2)的栅极驱动器。L2和Cres组成LC串联谐振网络，C6、C7、VD6、C8、VS1、R3、VS2和C9等组成：IC1、IC2和IC3的供电电路。  

    图7所示为镇流器的驱动频率曲线。在半桥电路启动之后，首先输出预热频率fpre以加热灯丝。预热时间tpre可由IC1根据不同功率和型号的灯管编程设置，不需要任何无源元件。对于GE照明公司的32W BiaxT／E灯管，额定电压是100V，额定电流为0.32A。推荐预热时间tpre=2s。预热时间由IC1软件程序中的等待循环设置。在结束预热阶段后，驱动频率通过增加软件程序中的T1RA值降低。随频率向低处扫描，灯电压增加，并接近灯触发电压电平。当 频率接近输出LC电路的谐振频率时，发生LC串联谐振。在Cres上产生足够高的电压使灯管击穿而点亮。在L2=330μH和Cres=1.5nF下，谐振频率为226kHz。

    灯一旦触发，驱动频率降至最低值f_run-low，镇流器进入调光模式。在频率从f_run-low开始向f_run-high线性增加过程中，L2的阻抗逐渐增大，灯电流减小，灯光渐暗。

    不同工作模式的频率f和周期T由T1RA寄存器设置如下：

    为使驱动频率有125kHz～500kHz的变化范围，IC1的时钟设置在2MHz，死区时间(t_dead)设置在0.1μs。在驱动频率为f_run-low(178kHz)时，灯亮度最大(100％)；当驱动频率升至f_run-high(267kHz)时，灯光最暗。

    在故障情况下，IC1输出控制端口被设置到低电平，IC2和IC3的HO脚及LO脚驱动输出被禁止V1和V2截止。

    利用FMS7401还可以设计F8T15／8W、F15T8／15W、F32T8／32W和F40T12／40W等不同型号和不同功率的荧光灯的数字调光电子镇流器。