自适应电子镇流器控制器IR2520原理及应用

摘要：IR2520是自适应镇流器控制器与600V半桥驱动器单片IC，可用来驱动半桥配置中的荧光灯。文中介绍了IR2520的主要特点和基本原理，给出了它的典型应用电路。 关键词：自适应镇流器；控制／半桥驱动器；IR2520 １　引言 国际整流器公司ＩＲ、飞利浦公司和意法半导体公司ＳＴ是生产荧光灯电子镇流器控制芯片和功率器件的三大著名厂商。ＩＲ２５２０是ＩＲ公司继ＩＲ２１５６、ＩＲ２１５７１、ＩＲ２１５９３、ＩＲ２１６６和ＩＲ２１６７之后推出的又一款自适应零电压开关ＺＶＳ镇流器控制器。它采用８脚ＰＤＩＰ封装（ＩＲ２５２０Ｄ)和８脚ＳＯＩＣ封装（ＩＲ２５２０Ｓ)，由于ＩＲ公司已在该芯片内集成了自适应镇流器控制器和６００Ｖ半桥驱动器。因而可方便地驱动３０Ｗ以下紧凑型荧光灯ＣＦＬ（俗称节能灯)。 ＩＲ２５２０的主要特点如下： ●集成有６００Ｖ的半桥驱动器、高压自举二极管及１５．６Ｖ的ＶＣＣ齐纳箝位二极管； ●内置０～５Ｖ ＤＣ电压控制振荡器； ●由于采用自适应ＺＶＳ技术，故器件功耗很小； ●具有波峰因数检测过电流保护功能，可省去外部电流感测电阻； ●最小频率正常燃点时的工作频率可编程； ●启动电流很小（１５０μＡ)。 ２　结构功能及工作参数 ＩＲ２５２０芯片的内部电路组成如图１所示。表１列出了ＩＲ２５２０的引脚功能。ＩＲ２５２０的推荐工作条件如表２所列。在表２中，ＶＣＣＵＶ＋１３．２Ｖ是Ｖｃｃ导通门限电压；ＶＣＬＡＭＰ(１５．６Ｖ）为ＶＣＣ齐纳箝位电压。 表1 IR2520的引脚功能 引 脚 名 称 功 能 1 Vcc 电源电压 2 COM IC信号和电源地 3 FMIN 最小频率设定 4 VCO 电压控制振荡器输入 5 LO 低端栅极驱动器输出 6 VS 高端浮置电源回复 7 HO 高端栅极驱动器输出 8 VB 高端栅极驱动器浮置电源 表2 推荐工作条件 符 号 参数定义 最小值 最大值 单 位 Vcc 电源电压 VCCUV+ VCLAMP V Icc 电源电流 6 10 mA RFMIN 最低频率设定电阻 10 100 kΩ Vvco VCO脚电压 0 5 V Tj 结温 -25 125 ℃ ３　应用电路 由ＩＲ２５２０组成的紧凑型荧光灯ＣＦＬ电子镇流器电路如图２所示。该镇流器的ＡＣ输入电压可从１８０Ｖ直到２７０Ｖ，输出端可配接７～３２Ｗ的灯管。 图２中，Ｆ１为浪涌电流 限制电阻，ＢＲ为桥式整流器，Ｃ１和Ｌ１组成ＬＣ滤波电路，ＩＲ２５２０和外部元件组成半桥变换器，ＤＣＰ１、ＤＣＰ２和ＣＣＰ组成电荷泵电路，ＬＲＥＳ和ＣＲＥＳ等组成ＬＣ串联谐振网络。由于Ｃ２＝Ｃ３ＣＲＥＳ，因此，ＬＣ谐振电路频率ｆ０主要由ＬＲＥＳ和ＣＲＥＳ决定ｆ０≈１／２π√ＬＲＥＳ ＣＲＥＳ 。当ＬＲＥＳ和ＣＲＥＳ发生串联谐振时，ＣＲＥＳ上产生的高压脉冲施加到灯管上，即可使灯管击穿而点亮。一旦灯被启动，ＬＲＥＳ只起稳流作用。 下面对图２中各部分的主要功能作以说明： ３．１ 欠压锁定（ＵＶＬＯ)模式 当图２中的启动电路工作时，流过启动电阻ＲＳＵＰＰＬＹ的电流将对启动电容ＣＶＣＣ进行充电，并使ＣＶＣＣ上的电压逐渐升高。在ＶＣＣ脚电压达到启动门限电平１３．２Ｖ之前，电源电流ＩＱＣＣ约为１５０μＡ，ＩＣ脚３和脚４上的电压ＶＦＭＩＮ和ＶＶＣＯ均为０Ｖ，半桥截止。一旦脚ＶＣＣ上的电压超过１３．２Ｖ，ＩＣ将导通并开始振荡。 图2 ＩＣ内自举二极管和ＶＢ脚与ＶＳ脚之间的电容ＣＢＯＯＴ可用于决定ＩＣ内高端驱动器电路的电压，ＩＣ外部的二极管ＤＣＰ１、ＤＣＰ２和电容ＣＣＰ组成的电荷泵电路可用于为ＩＣ低端驱动电路提供工作电压。ＩＣ启动之后，ＬＯ脚上的驱动输出首先使功率开关Ｍ２导通，然后由ＶＣＣ通过自举二极管对自举电容充电。当ＣＢＯＯＴ上的电压超过９Ｖ时，ＩＣ高端驱动器被使能。而在高端与低端驱动器之间的１．５μｓ死区时间内，控制电路可用于保证半桥高端开关Ｍ１和低端功率开关Ｍ２不会发生直通。 ３．２ 频率扫描模式 一旦ＶＣＣ脚上电压超过１３．２Ｖ，ＩＲ２５２０将进入频率扫描模式。此时，ＩＲ２５２０内部的电流源将对ＶＣＯ脚外部电容ＣＶＣＯ充电，从而使脚ＶＣＯ上的电压从０Ｖ线性增加，同时使ＶＣＯ振荡从最大值开始线性降低。当频率降至镇流器输出级ＬＣ串联谐振频率时，ＬＣ电路发生谐振并产生高压将灯点亮。只要灯启动成功，ＶＣＯ脚上的电压将一直升高到５．２Ｖ，频率ｆ则降至最小值ｆＭＩＮ。当ＶＶＣＯ超过２Ｖ以后，ＺＶＳ和波峰因数峰值电流与平均值电流之比值检测均被使能。当ｆ与ｆＭＩＮ相等时，ＦＭＩＮ脚上的电压ＶＦＭＩＮ为５．１Ｖ。 ３．３ 正常运行模式 在灯点火之后，镇流器输出级变为低Ｑ值ＲＣＬ电路，此时ＶＶＣＯ被限制在５．２Ｖ，频率降至ｆＭＩＮ，实际上，这时的最低工作频率即是灯正常燃点时的工作频率。该状态下的灯功率由谐振电感(扼流圈ＬＲＥＳ）、谐振电容(灯启动电容ＣＲＥＳ）、ＤＣ总线电压ＶＢＵＳ和ｆＭＩＮ共同确定。如果发生非ＺＶＳ，即在死区时间内也就是两个开关Ｍ１与Ｍ２之间的非交迭时间(电压不能回落到零（在低端开关Ｍ２导通之前，会有一个电压横跨低端开关）。ＩＣ脚ＶＣＯ上的电压ＶＶＣＯ将因外部电容ＣＶＣＯ的充电电流减小而降低， 从而引起频率升高。通过ＶＳ感测和自适应ＺＶＳ控制逻辑可使ＩＣ自动保持ＺＶＳ操作。由图可知，ＶＣＯ脚外部电容ＣＶＣＯ的充电电流受该脚内部ＭＯＳ晶体管控制，进而控制ＶＣＯ脚上的电压和振荡频率。 当ＩＣ外部高端开关Ｍ１接通时，ＩＣ脚ＶＳ上的电压即为ＤＣ干线电压。ＩＲ２５２０的６００Ｖ高压工艺允许ＶＳ脚进行精密测量，并能承受ＤＣ干线高压。 ３．４ 故障模式 如果灯点火期间出现故障，灯电压和输出级电流都会增加，直到扼流圈饱和或进入电容性开关模式。ＩＲ２５２０无需外部电流传感元件，而是利用低端ＭＯＳＦＥＴ（Ｍ２)的导通电阻ＲＤＳｏｎ并通过ＶＳ脚来感测半桥电流。如果在ＬＯ的７０个开关周期内，也就是在低端开关Ｍ２导通期间，电流波峰因数超过３，那么，ＩＣ将进入故障模式，并使两个栅极驱动器均输出低电平，从而使Ｍ１、Ｍ２均截止。 若灯丝开路，半桥将发生硬开关，并通过波峰因数电路检测。在故障发生约７０个周期之后，ＩＣ进入故障模式，半桥截止。为使ＩＣ复位到频率扫描模式，ＶＣＣ必须从内部欠压锁定（ＵＶＬＯ)门限以下（＜１０．５Ｖ)再回复到ＵＶＬＯ以上（＞１３．２Ｖ)。 图３给出了ＩＲ２５２０的运行状态和工作流程。