镇流器控制与半桥驱动器IR2156的功能及应用

    摘要：IR2156是IR公司推出的镇流器控制/半桥驱动器系列IC之一。它的主要特点是可对预热时间、预热频率、运行工作频率、死区时间以及过电流保护等进行编程控制，因而为设计人员提供了高度的灵活性。另外，IR2156内部还设计有灯轰击失败、灯失效保护及自动再启动等功能。

    关键词：镇流器 控制 半桥驱动器 IR2156

1 概述

IR2156是美国IR公司继IR3253/IR2155/IR2157/IR2159之后推出的镇流器与半桥驱动器系列IC之一。与IR2156同时推出的系列专用IC还有IR21571/IR21591/IR2167等。IR2156采用14脚PDIP和SOIC两种封装，它所需外部元件少，适用性强。图1为IR2156的内部电路框图。

    IR2156的主要特点如下：

●镇流器控制和半桥驱动器集成在同一片IC中；

●预热频率、预热时间、死区时间、同部点火斜坡、工作频率以及过电流保护门限等功能或参数均可编程设置。

●具有DC总线欠压复位功能；

●具有关闭脚（SD脚）滞后功能，扰噪扰能力强；

●可微功率启动（150μA）；

●Vcc脚可被内部15.6V的齐纳二极管钳位；

●全部引脚均具有闭锁抗噪与静电放电（ESD）保护功能。

高端浮置电源电压VBS：Vcc-0.7～15.6V；

稳态高端浮置电源偏移电压Vs:-1～600V；

电源电压Vcc：11.5～15.6V；

电源最大电流Icc:10mA；

关闭（SD）脚电流IDS：-1～1mA；

电流感测（CS）脚电流ICS:-1～1mA；

结温TJ：-40～125℃。

2 功能及原理

2.1 欠电压封锁（UVLO）模式

图2给出了IR2156的启动与电源电路及启动电容CVCC上的电压波形。当电路接通电源后，流经启动电阻RSUP的电流对CVCC充电。当CVCC上的充电电压按指数规律升高到IC脚Vcc的启动门限（Vccuv+=11.5V）以上，并且SD脚上的电压低于4.5V时，IC导通，振荡器启动，HO和LO脚输出占空比为50%的方波驱动电压。由于IC工作电流的增强，CVCC开始放电。在CVCC放电过程中，半桥输出信号经缓冲电容CSNUB和二极管DCP1整流后，又对CVCC充电。但电荷泵充电不会使CVCC上的电压降至IC关断门限（VCCUV-=9.5V）以下，因为，IC脚Vcc上的电压会被Vcc脚内的齐纳二极管钳位于15.6V，在IR2156驱动下，当外部低端开关管M2导通而使高端开关M1截止时，CVCC通过自举二极管DBOOT对自举电容CBOOT充电。当M1导通而M2关断时，DBOOT反向偏置，CBOOT作为高端驱动器CMOS电路的电源。当Vcc脚电压降至UVLO门限（Vccuv-=9.5V）以下时，振荡器截止，HO与LO脚均输出低电平。

2.2 预热（PH）模式

IR2156启动后，首先输出一个带50%占空比的预热频率fPH，其死区时间由CT脚外部的定时电容CT及内部电容（RDr）来设定。图3所示的镇流器预热及点火电阻简图。在预热期间，IC内部的5μA的电流源对CPH脚外部预热时间电容CPH充电，CS脚上的过电流保护功能不起作用，预热频率由IC外部并联电阻RT和RPH及CT决定。CT充电与放电发生于Vcc/3与3Vcc/5之间。CT充电依靠RT与RPH并联组合电阻通过内部开关S1（MOSFET）连接到Vcc来实现。从Vcc/3到3Vcc/5的这段充电时间是输出栅极驱动器的按时（on time）导通时间。一旦CT脚上电压超过3Vcc/5，S1断开，CT通过内部电阻RDT与开关S3放电（到COM）。从3Vcc/5到Vcc/3的CT放电时间是HO与LO两路输出的死区时间。只要CT放电到Vcc/3以下，S3（MOSFET）就接通，以将RT与RPH再次连接到Vcc。CPH脚上的电压超过13V之前，输出频率将保持在预热频率。在预热期间，当CPH脚上的电压超过7.5V后，系统将启动过电流保护和DC总线欠压复位上的电压。这时预热频率只对灯丝加热而不会在灯两端产生高压使灯启动。

2.3 灯点引燃（IGN）模式

当CPH脚上的电压超过13V后，IR2156将进入点火模式。此时，CPH脚连接内部P沟道MOSFET（S4）的栅极，以使RPH和RT脚在IC内部连接在一起。随着CPH脚上电压平滑地沿斜坡升至Vcc，开关S4也将缓慢切断，从而使RPH与RT脚在内部断开，这样可使预热频率沿向下的斜坡从灯启动（点火）频率降低到运行（点燃）频率。在点火模式期间，工作频率的降低可使镇流器输出端LC电路发生谐振，并在灯两端产生一个高电压使灯管击穿导通而引燃。

2.4 运行（RUN）模式

一旦灯启动成功，镇流器即进入运行模式。运行工作频率由RT与CT的值决定。很显然，fPH>fIGN>fRUN，即预热频率>点火频率>运行频率。点火时间通常为预热时间的1/4，即TIGN≤1/4TPH。

图4所示是IR2156的运行程序图。

2.5 DC总线欠压复位

在DC总线电压过低时，镇流器的谐振输出级频率可能会接近或低于谐振频率，这样将有可能在半桥开关中形成硬开关而使MOSFET损坏。为此，IC脚VDC将实时检测DC总线电压，当VDC脚上电压降至10.9V（低于Vcc）时，P沟道MOSFET（S4）接通，从而使频率偏移到谐振频率之上的安全工作点。在这个过程中，CPH脚上的电压被拉低，点火斜坡也复位。一旦DC总线电压升高，灯将再次被点火。

2.6 故障（FAULT）模式

在预热之后的任何时间内，只要IC脚CS上的电压超过1.3V，IC就时进入故障模式，HO和LO脚的输出也将被锁定在低电平。为复位预热时间和终止振荡，CPH和CT脚均被放电（到COM）。如需退出故障模式，Vcc必须地降低到关闭门限电压（Vccuv-）以下，而SD脚必须拉高到5.1V之。当Vcc升到导通门限（Vccuv+）以上且SD脚低于4.5V时，IC将重新开始振荡并再次进入预热模式。

3 应用电路

运行（工作）频率fRUN=43kHz；

预热频率fPH=70kHz；

死区时间tDT=0.6μs；

灯最大点火电流IIEN（PK）=2A。

如果要求电子镇流器采取功率因素校正（PFC）措施，可以在桥式整流器之外增设PFC升压变换器电路。为减少高功率因数和低谐波畸变镇流器的元件数量，IR公司还推出了集镇流器控制与PFC于一体的IR2167单片IC。而IR2156控制IC适用于输出功率较低的紧凑型荧火灯（CFL）交流电子镇流器。