電子工程師設(shè)計(jì)：IRPLCFL3可調(diào)光鎮(zhèn)流器深度解析

一、引言

在電子鎮(zhèn)流器領(lǐng)域，傳統(tǒng)電子鎮(zhèn)流器難以與標(biāo)準(zhǔn)（相位切割）調(diào)光器配合調(diào)光，尤其是家庭常用的小型一體化鎮(zhèn)流器 - 燈具組合。這是因?yàn)樵跓o(wú)功率因數(shù)校正時(shí)，鎮(zhèn)流器電路輸入包含整流階段和連接到交流市電的大存儲(chǔ)電容，電流僅在市電電壓峰值附近從市電汲取，其余半周期不汲取。而家用和專業(yè)調(diào)光系統(tǒng)多基于三端雙向可控硅（Triac），這種調(diào)光器在電阻性負(fù)載（如普通鎢絲燈泡）上表現(xiàn)良好，但在鎮(zhèn)流器這種容性負(fù)載上存在問(wèn)題。

文件下載：IRPLCFL3.pdf

二、基本120VAC調(diào)光電路問(wèn)題

當(dāng)緊湊型鎮(zhèn)流器連接到含調(diào)光器的電路時(shí)，三端雙向可控硅僅在整流市電電壓大于存儲(chǔ)電容電壓時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)通后電容充電，可控硅隨即關(guān)閉。雖可通過(guò)調(diào)整可控硅觸發(fā)點(diǎn)在一定程度上調(diào)節(jié)鎮(zhèn)流器直流母線電壓，但無(wú)法有效控制光輸出。此外，調(diào)光器需串聯(lián)電感限制電流上升時(shí)間，否則會(huì)產(chǎn)生高頻市電電流諧波，導(dǎo)致輻射和傳導(dǎo)干擾問(wèn)題。鎮(zhèn)流器的容性負(fù)載會(huì)使三端雙向可控硅觸發(fā)時(shí)產(chǎn)生諧振，導(dǎo)致可控硅反復(fù)導(dǎo)通和關(guān)閉，造成嚴(yán)重的燈具閃爍和輸出控制失效。

三、解決方案

基于IR2156開發(fā)的系統(tǒng)，使鎮(zhèn)流器在調(diào)光器的大部分調(diào)節(jié)范圍內(nèi)能以最小閃爍運(yùn)行，光輸出可從最大調(diào)節(jié)到約10%。鎮(zhèn)流器前端設(shè)計(jì)確保三端雙向可控硅觸發(fā)后持續(xù)導(dǎo)通至市電半周期接近結(jié)束。同時(shí)，有電路檢測(cè)三端雙向可控硅的觸發(fā)角，通過(guò)增加開關(guān)頻率調(diào)節(jié)燈電流，從而控制光輸出。不過(guò)，調(diào)光器設(shè)置過(guò)低時(shí)，三端雙向可控硅可能無(wú)法觸發(fā)，鎮(zhèn)流器運(yùn)行時(shí)調(diào)光器調(diào)得過(guò)低，母線電壓可能不足以使鎮(zhèn)流器工作，且存在一定滯后現(xiàn)象。

四、功能描述

4.1 維持三端雙向可控硅導(dǎo)通

當(dāng)調(diào)光器三端雙向可控硅觸發(fā)時(shí)，電流需在市電半周期接近結(jié)束且電壓很低時(shí)仍高于維持電流。鎮(zhèn)流器通過(guò)由C5、C6和D1 - D4組成的電荷泵電路（與為Vcc供電的電荷泵不同），確保鎮(zhèn)流器汲取超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)功率三端雙向可控硅維持電流的電流。鎮(zhèn)流器工作時(shí)，Q2導(dǎo)通，L2和C15之間的電壓在市電正半周期通過(guò)D2對(duì)C5充電；Q2關(guān)閉、Q1導(dǎo)通時(shí)，L2和C15之間的電壓升高，使C6通過(guò)D1向存儲(chǔ)電容C3放電。市電負(fù)半周期則相反。電感L1確保輸入持續(xù)汲取電流，避免三端雙向可控硅在脈沖間關(guān)閉。鎮(zhèn)流器調(diào)光時(shí)頻率增加，C5或C6中的電流也增加，保證在所有調(diào)光水平下三端雙向可控硅都能導(dǎo)通。

4.2 緩沖器作用

由C2和R2組成的緩沖器用于減少調(diào)光器三端雙向可控硅觸發(fā)時(shí)串聯(lián)電感和負(fù)載電容諧振產(chǎn)生的振鈴。R1也很關(guān)鍵，選擇L1時(shí)，其直流電阻約為5歐姆可提供額外阻尼。若串聯(lián)電阻過(guò)低，鎮(zhèn)流器在低調(diào)光水平下不穩(wěn)定。

五、原理圖分析

5.1 電壓波形處理

D2和D3連接處的電壓波形（忽略高頻分量）等效于調(diào)光器的輸出電壓，是帶有直流偏移的相位切割近似正弦波。該電壓經(jīng)R8和R13組成的分壓器網(wǎng)絡(luò)降低后，輸入到D6和D15。D5陽(yáng)極僅留下代表市電正半周期的信號(hào)，再通過(guò)R7、R10和C10組成的濾波網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為直流電平。由于最小調(diào)光水平時(shí)調(diào)光器仍需為鎮(zhèn)流器提供足夠輸出，該電壓不會(huì)為零，且調(diào)光器最大時(shí)該電壓約為最小時(shí)的3倍，因此需增加偏移級(jí)。

5.2 閉環(huán)控制

運(yùn)算放大器IC1a的反相輸入連接到由R4和R5從IR2156鉗位在約15.6V的IC電源電壓分壓得到的參考電壓，增益由R11和R6的比值確定。當(dāng)R6 = R11時(shí)，Vout = 2. Vin - Vref。選擇R4和R5的值，使調(diào)光器設(shè)置為最小時(shí)IC1a的輸出為零，調(diào)光器輸出增加時(shí)IC1a的輸出增加到約0.5V。電流檢測(cè)電阻R14在燈電流最大時(shí)提供0.5V電壓。

5.3 誤差放大器

誤差放大器在IC1b中實(shí)現(xiàn)，燈電流反饋輸入到同相輸入，控制電壓輸入到反相輸入。選擇輸入電阻R12和R14以及10nF的積分電容，以獲得最佳響應(yīng)并消除閃爍，同時(shí)避免產(chǎn)生射頻干擾。IC1b的輸出作為電流源，輸出越正，提供給IR2156的CT引腳的電流越多，CT充電更快，頻率增加。若IC1b輸出為零，頻率由RT的值決定。預(yù)熱期間，頻率僅由RPH設(shè)置，IC1b無(wú)作用。

5.4 調(diào)光限制

R9確保即使IC1a輸出的調(diào)光參考電壓為零，誤差放大器反相輸入仍有小電壓，避免燈調(diào)光低于特定點(diǎn)，該點(diǎn)為燈保持點(diǎn)亮且不閃爍的最小燈水平。必要時(shí)可添加電阻R22消除低調(diào)光水平下燈可能出現(xiàn)的條紋（暗環(huán)）。

六、設(shè)計(jì)考慮

6.1 保護(hù)電路

IR2156的SD引腳用于燈具移除保護(hù)。若燈具不存在，SD引腳電壓通過(guò)R22和R21對(duì)C19充電，將被拉高超過(guò)5.1V閾值；燈具在電路中時(shí)，R21和R22連接處的電壓通過(guò)D11和R14保持低電平。電流檢測(cè)電阻R20的選擇確保在點(diǎn)火模式下頻率接近諧振時(shí)燈具未能啟動(dòng)，IC2將關(guān)閉，保護(hù)Q1和Q2。IC2的VDC引腳未使用，需通過(guò)R15連接到VCC。鎮(zhèn)流器的頻率通過(guò)閉環(huán)系統(tǒng)完全控制。

6.2 布局問(wèn)題

布局此電路時(shí)需謹(jǐn)慎，所有0V返回點(diǎn)應(yīng)有星型連接，特別是IC1引腳4、IC2引腳8、R20、C12、R14、D12、C9、C10、C11和C14，通過(guò)最短的單軌連接到C4的負(fù)極。該點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近IC2的COM引腳8，C21應(yīng)盡可能靠近IC2，使用短軌道，以避免潛在的接地環(huán)路問(wèn)題。D1 - D4、C3和C4應(yīng)緊密相鄰，連接軌道盡可能短。C5和C6到MOSFET半橋的連接軌道也應(yīng)短，并遠(yuǎn)離誤差放大器。C14應(yīng)靠近IC1和IC2，使用短軌道連接到正電源引腳，以提供最大去耦。輸出部分?jǐn)y帶高頻電流的所有軌道應(yīng)遠(yuǎn)離IC1和IC2及相關(guān)組件。

6.3 組件選擇

輸出電感和電容值應(yīng)使鎮(zhèn)流器在約40kHz的最大亮度下運(yùn)行，以最小化電感損耗。使用IR鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)輔助軟件為TC - DEL 26W燈選擇所需的預(yù)熱、點(diǎn)火和運(yùn)行頻率，得到L為2.3mH，C為6.8nF。由于C5和C6增加了諧振電容，實(shí)際使用4.7nF的輸出電容即可。計(jì)算R16、R17和C9的值，使預(yù)熱頻率為55kHz，運(yùn)行頻率為40kHz，點(diǎn)火頻率約為45kHz。

6.4 輸出電感設(shè)計(jì)

輸出電感L2應(yīng)設(shè)計(jì)為允許高峰值點(diǎn)火電流而不飽和，因?yàn)殡姼酗柡蜁?huì)觸發(fā)IR2156關(guān)閉。點(diǎn)火電流取決于使用的燈具類型，需確保正確預(yù)熱以將其降至最低。為減少電感損耗，應(yīng)使用多股線與高質(zhì)量鐵氧體磁芯結(jié)合。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能多地纏繞多股線，并留出最大間隙以實(shí)現(xiàn)正確的電感值，這樣可在電感飽和前獲得最高可用峰值電流。需注意，磁芯發(fā)熱時(shí)飽和點(diǎn)和峰值電流會(huì)降低，設(shè)計(jì)不佳的電感可能導(dǎo)致鎮(zhèn)流器在熱重啟時(shí)關(guān)閉。

6.5 燈具預(yù)熱

燈具在點(diǎn)火前必須充分預(yù)熱，可從公布的數(shù)據(jù)或國(guó)際整流器鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)輔助軟件確定正確的預(yù)熱電流。預(yù)熱時(shí)間可通過(guò)調(diào)整C10的值設(shè)置，一般規(guī)則是燈具燈絲在點(diǎn)火前應(yīng)發(fā)紅。若預(yù)熱不足，鎮(zhèn)流器可能在點(diǎn)火期間關(guān)閉，因?yàn)檩敵鲭姼袩o(wú)法在所需的高電流下運(yùn)行。輸出電感L2的輔助陰極繞組匝數(shù)應(yīng)選擇為提供足夠的預(yù)熱。對(duì)于一體化燈具鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)，可將關(guān)閉引腳接地，使電感飽和而不關(guān)閉電路。

6.6 燈絲電阻要求

燈具燈絲（陰極）在調(diào)光范圍內(nèi)的電阻必須是冷態(tài)電阻的3至5.5倍。確定熱電阻的簡(jiǎn)單方法是將一個(gè)陰極通過(guò)電流表連接到直流電源，從零緩慢增加電壓，每隔1V記錄電流，直到陰極發(fā)紅。此時(shí)不應(yīng)再增加電壓，以防止陰極損壞。然后計(jì)算每個(gè)電壓下的電阻，從而找到符合3至5.5倍冷電阻的可接受電壓范圍，冷電阻可用數(shù)字萬(wàn)用表輕松測(cè)量。鎮(zhèn)流器運(yùn)行時(shí)，可使用真有效值數(shù)字電壓表測(cè)量陰極兩端的電壓，觀察最大和最小亮度下的電壓。鎮(zhèn)流器調(diào)光時(shí)陰極電壓升高，C17和C18的值控制電壓升高的幅度，減小電容可降低電壓升高的幅度，應(yīng)選擇合適的值防止電壓在最小輸出時(shí)超過(guò)上限。需注意，使用電感上的額外繞組提供陰極加熱會(huì)增加磁芯損耗和工作溫度，鎮(zhèn)流器在最小亮度運(yùn)行時(shí)磁芯溫度最高。

七、演示板連接

CFL3演示板有兩根長(zhǎng)引線用于連接120VAC市電，不得連接超過(guò)120V的電源。板上有四個(gè)輸出連接用于連接緊湊型燈具，位于板的另一側(cè)。兩個(gè)上連接點(diǎn)連接到一個(gè)燈陰極，兩個(gè)下連接點(diǎn)連接到另一個(gè)燈陰極。

八、物料清單

文檔提供了詳細(xì)的物料清單，包括各種元件的數(shù)量、制造商、零件編號(hào)、描述和參考等信息。例如，使用National Semiconductor的LM358AM作為雙運(yùn)算放大器（IC1），International Rectifier的IR2156作為鎮(zhèn)流器控制器（IC2）等。

九、電感規(guī)格

電感采用E20/10/6（EF20）磁芯，間隙長(zhǎng)度為1.0mm，磁芯材料為Philips 3C85、Siemens N27或等效材料。主繞組從引腳1到引腳6，匝數(shù)為240 *（根據(jù)指定電感調(diào)整匝數(shù)），使用10/38多股線；陰極繞組有兩組，分別從引腳2到引腳5和引腳3到引腳4，匝數(shù)為5.5，使用26awg絕緣線。主繞組電感最小值為2.1mH，最大值為2.4mH。

十、參考與免責(zé)聲明

參考資料包括“IR2156 Ballast Control IC”的數(shù)據(jù)表和“42W Compact Fluorescent Ballast”的參考設(shè)計(jì)，還可訪問(wèn)International Rectifier網(wǎng)站www.irf.com獲取更多信息。使用IRPLCFL3鎮(zhèn)流器或根據(jù)其設(shè)計(jì)制造鎮(zhèn)流器的人員可能需要從Lutron Electronic Co., Inc.獲得相關(guān)專利（US B1 5,041,763和/或US B1 5,001,386）的許可。

作為電子工程師，在設(shè)計(jì)和使用IRPLCFL3鎮(zhèn)流器時(shí)，需綜合考慮上述各個(gè)方面，以確保鎮(zhèn)流器的性能和穩(wěn)定性。你在實(shí)際設(shè)計(jì)中遇到過(guò)哪些類似的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享。