新型电子与荧光灯镇流器是照明系统节能有效的重要保证

  1 前言

    当今，节能潜力最大的领域包括照明系统和电机及电子产品。上述三个领域都能够节能降耗：采用电子镇流器替代磁性镇流器可以将照明系统的功耗降低25％；采用微控制器和功率半导体对电机进行控制，可以将电动设备的功耗降低2 0％至30％；在空调系统中配备变频器可以使其能源效率提升30％到40％，以及家用电器领域，采用电磁灶替代电炉可以节约25％左右的电能。

    由上述可知，其中照明系统镇流器应用是关系到节能是否有效的重要部件。为此，本文将对应用新型电子与荧光灯镇流器控制技术与应用作说明。

    2  势在必行的新型可调光节能灯电子镇流器设计

    目前随着能源问题日益严重，调光技术在照明的应用中得到了越来越广泛的关注。目前大多数调光器以可控硅为主，这种调光器在纯阻性负载(如白炽灯)时能很稳定地工作，因为可控硅可以在正弦波的任意点被触发导通直到正弦电压接近零的时候关断。在这样的系统中，白炽灯可以很平滑地实现从几乎是0到100％的调光。而节能灯由于其发光效率高、无频闪等优点在很多场合早已替代白炽灯。但是由于节能灯的负载特性，在应用于调光系统时就需要对其电路进行调整。于是新型可调光电子镇流器应运而生。

    2.1 应用微控制器芯片为核心构建的新型电子照明镇流器

    为提高照明系统的能(源)效(率)、降低系统复杂度和成本，应用MC68HC908LB8微控制器芯片(8位)为核心构建的数控电子照明镇流器(见图1所示)是比较理想的解决方案。由于MC68Hc908LB8嵌入了PFC控制电路和高精度PWM(HRP)模块，为照明电子镇流器系统提供PFC控制和连续稳定可调光控制。MC68HC908LB8还支持数字可寻址照明接口(DALI)协议，从而为大型照明系统智能化的实现提供有效支持。数控可调光电子镇流器系统采用MC68HC908LB8时，能使元件数量减少50％。

     MC68HC908LB8芯片特征：基于Freescale的HC08 CPU内核，PFC／PWM(用于升压拓扑PFC)控制，具有 8KB闪存，128字节RAM，7通道8位ADC，16位定时器以及看门狗，其接口最多达18个；具有2通道精确半桥控制，功率因素推挽拓扑控制和运算放大器/ 模拟比较与内部时钟，以及用于键盘中断的I／0为7个键盘中断模块。

[page]    2.2 基于L6574芯片应用的调光技术

    L6574芯片是意法半导体公司的高性能镇流器驱动器,被设计为离线式600V双极-互补金属氧化半导体，是电子节能灯镇流器半桥型转换器。为了更好地调光，除了加入PFC电路之外，还加入了L6574芯片的采样及控制电路，图2为L6574芯片的应用调光控制示意图。

    通过采样灯电流以及调光器后面的输入电压的平均值，经过一定的比例调整后利用L6574内的误差放大器对开关S1／S2的频率进行调整，从而使谐振电路的阻抗变化对灯进行调光。

    另外通过调节调光器，镇流器的输入电压会下降，从而使电容C1上的母线电压降低，同样可以实现调光的作用。因此，这是调压、调频双重作用下的调光，可以使调光更加平滑，稳定。

    使用新型可调光电子镇流器的节能灯，可以直接替代白炽灯，很好地配合传统调光器一起使用。20％～100％的调光范围使它在节能方面发挥很大的优势。

    3  新型的调光萤光灯镇流器控制IC的应用

    IRS2530D和IRS2158D为600V控制IC。IRS2530D DIM8是一种采用紧凑型8管脚尺寸半桥式驱动器的线性调光镇流器控制IC。它只需要几个小型外部元件，显著地简化和缩小了电路设计，同时可实现10％的调光系统性能。图3(a)为引脚功能示意图。

[page]    从图3(a)可知，IRS2530D 为8引脚控制IC，采用IR的专利镇流器和高压技术。一个高压管脚可检测半桥电流和电压，以实现必要的镇流器保护功能；DC调光输入电压基准与AC灯电流反馈相结合，可以实现单管脚调光；IRS2530D还具有内部非零电压切换保护和内部振幅因数保护，防止灯泡故障损坏镇流器。图3(b)为IRS2530D与节能灯连接应用的示意图。

    而IRSS2158D 是16管脚荧光灯调光镇流器控制IC，适用于需要调光性能低于10％的高端应用。IRS2158D是一个完全集成、充分保护的600V镇流器控制IC，适用于驱动各种荧光灯。该器件具有全面的保护功能，包括可编程半桥过流保护、可编程预热和运行频率、可编程预热时间和死区时间、闭环半桥点火电流调整、可编程报废保护、欠压保护和调光低输入补偿运算放大器和电流或功率控制。此外，新器件还具有报废范围比较器管脚和内部事件电流检测上／下故障计数器，以满足T5灯泡和多灯泡镇流器的需要。

    尽管节能灯(CFL)在总市场中的比例仍然不及白炽灯的1／3，但其处在不断增长的态势，而白炽灯则不断下降。在节能灯的市场中，无调光的CFL受到越来越大的限制，而可调光的CFL能够进—步节能30％。但因其生产难度大、成本高，市场推广速度也比较缓慢。而IR的新型的节能灯调光镇流器控制lC IR2530D和IR2518D能够以更简单、更低的成本和更高的可靠性能加快可调光CFL的市场发展速度。 

    4 高压隔离结IC技术在电子镇流器中的应用

    节能产品应用的关键在于成本和可靠性，而这些控制IC推动了高压隔离结技术的应用以满足这两个要求。如今己普遍将控制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。

    ⑴　高压隔离结IC技术的特征

    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，使得该技术非常适合于电子镇流器产业。

    ⑵ 高压隔离结IC技术在萤光灯照明中的应用举例 

    ①　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,很快被照明技术采用，并成为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。

    ②　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，这些是更加完善控制萤光灯的要求。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萤光灯的新要求，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。

    现在面临的挑战是通过设计控制光源的新IC将它们扩展到其他照明市场部分。

[page]    5  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型化。

    5.1 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)。

    5.2 VK06TL芯片应用于荧光灯镇流驱动器

    图4为应用VK06TL驱动电路的一个荧光灯慎流器专用的驱动器,即半桥变换器设计方案图。

    即半桥变换器设计方案

    在图4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，该荧光灯镇流器专用驱动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μA。由于功率双极晶体管基极电流是在通过"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。

   [page] 6  CCFL控制器在为LCD电视背光照明提供光源中的应用

    液晶显示器LCD正在成为非常流行的显示技术被用于电视(TV)中。LCD面板实际上是电子控制的光阀,需要靠背光源产生可视的图像。大型LCD面板(如LCD电视)背光照明通常是用需CCFL(冷阴极荧光灯)提供光源，而其他照明技术，例如发光二极管(LED)，也受到一定的重视，但由于成本过高，限制了它的应用。为此就有驱动和控制多个CCFL设计方案的问题。在聚焦于LCD电视应用中，为驱动多个CCFL时所面对的设计挑战就是挑选最佳的驱动架构和多灯驱动，以及灯频及突发调光频率的精密度控制。

    6.1应对冷阴极荧光灯(CCFL)理念介绍

    冷阴极荧光灯(CCFL)是一种长而细的密封玻璃管，内充惰性气体(图5)。

    当给灯管施加高压时，气体被电离，产生紫外线(UV)。紫外线打到内壁涂敷的荧光材料上使其激发，发

出可见光。CCFL有许多优点，包括：优良的白光源；低成本；高效率(光输出与输入电功率之比)；长寿命(>25kh)；稳定、确定的工作状态；容易调节亮度；重量轻。

    然而，这些特性带来了一些特殊的设计挑战。例如，为了最大化灯管的寿命，需要采用交流波形驱动CCFL。任何直流成分会使一部分气体聚集在灯管的一端，造成不可逆转的光梯度，使灯管的一端比另一端更亮。还有，为了最大化其效率(光输出与输入电功率之比)，需要用接近正弦的波形驱动灯管。为此，CCFL通常需要一个直流-交流逆变器来将直流电源电压变成40kHz至80kHz的交流波形，工作电压通常在500VRMS至1000VRMS。

    6.2 面对驱动多个CCFL时设计挑战的关键，仅从节能的角度对应用CCFL控制器(直流-交流逆变器)的最佳方案分析

    ⑴　挑选推挽架构作为最佳的驱动架构

    之所以考虑推挽驱动器，因它有很多好处。这种架构只用到n沟道MOSFET(见图6（a）所示)，这有利于降低成本和增加逆变器效率。它很容易适应较高的逆变器直流电源电压。采用更高的逆变器直流电源电压时,只需选择具有合适的漏-源击穿电压的MOSFET即可。不管逆变器的直流电源电压如何，都可采用同样的CCFL控制器。但采用n沟道MOSFET的全桥和半桥架构就无法做到这一点。对于LCD电视非常理想，因为电视中的逆变器直流电源电压通常会被稳定在±20％。

[page]

    图 6 （a）推挽驱动器应用示意图；

    (b) 用一个多通道控制器控制多个灯示意图；

    (c) DS3984/DS3988单独驱动和监视每个灯，为LCD电视和PC监视器提供均匀亮度示意图

    CCFL已在笔记本PC、数码相机、导航系统以及其他具有较小LCD屏的设备中使用多年。这些类型的设备通常只用一个CCFL，因此，传统设计只用一个CCFL控制器。随着大尺寸LCD面板的出现，带来了对于多CCFL的需求，有必要采用新的方式来应对这种新的需求。为LCD面板提供照明的理想方案是采用多通道CCFL控制器，它的每个通道独立驱动和监视每个灯，见图6(b)。

[page]    这种多通道CCFL控制器既解决了亮度不均匀和单灯失效问题，降低了去耦要求，而且还具有高成本效益。

    ⑵　解决LCD电视背光的挑战

    图6( c )为用DS3984(4通道)和DS3988(8通道)CCFL控制器既解决了本文所提到的所有这些设计挑战。可将这些器件配置为每个通道驱动一个灯，或者每通道多个灯，用户可灵活裁减设计，以满足自己的性价比目标。多个DS3984／DS3988可轻松级联，以支持任意数量的灯，来为LCD电视屏提供背光照明。

    DS3984／DS3988采用推挽驱动架构，可使用更低成本、更高效率的n沟道MOSFET。逆变器直流电源也可采用更高的电压。单独的灯控制和监视可提供均匀的亮度，并减少了逆变器的元件总量。采用单独的灯控制时，如果某一个灯失效，那只会使这个失效的灯停止工作，其他灯继续工作，不受影响。片上振荡器产生的灯频和突发调光频率被严格规范于±5％的精密度水平，消除了对于显示图像的影响，并且也可被同步至外部时钟源。

    6.3  新型高效移相全桥CCFL控制器与应用

    高效移相全桥CCFL控制器主要特点：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；封装模式为30引脚TSSOP封装.。TPS68000高效移相全桥CCFL控制器单灯应用图见图7所示。

    TPS68000高效移相全桥CCFL控制器除了在LCD电视的CCFL背光电源上应用外，还可在桌面监视器和笔记本电脑的CCFL背光电源供应上应用。

    7 结束语

    如今荧光灯镇流器设计正在向全电子化照明系统转化，日益成熟的电子镇流器技术现在能以更低的系统成本提供更好的性能。上述介绍的控制集成电路便是最新一代电子镇流器控制集成电路的代表。磁性镇流器会产生可闻噪音，因为它使用操作于60Hz的铁芯电磁元件。设计优秀的高频电子镇流器能够弥补磁性镇流器不足，它的性能优点包括： 无闪烁照明与无可闻噪音 ，方便地增加功率因数校正。电子镇流器将60Hz电源转换成高频，因此，它将电灯闪烁降低到人感受不到的水平；高频产生更少的热，效率也更高，不会发出可闻的交流哼声。 ■