电子镇流器控制芯片IR2156.docx
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电子镇流器控制芯片IR2156
电子镇流器控制芯片IR2156
1 引言
IR2156是IR公司最新推出的多功能、低成本电子镇流器控制芯片,它由一个高压半桥门极驱动器和一个频率可调振荡器组成。
具有预热频率和运行频率可调,预热时间可调,死区时间可调,以及过流门限可调等特性。
完善的保护性能,诸如灯管触发失败保护,灯丝故障保护以及自动重启动功能都设计在其中。
IR2156具有DIP14及SOIC14两种封装。
图1是其内部原理框图。
图1 IR2156内部原理框图
2 主要电气特性
2.1 主要电气特性
主要电气特性见表1。
除非另有说明,一般情况下:
VCC=VBS=VBIAS=14V±0.25V,VVDC=OPEN,RT=39.0kΩ,RPH=100.0kΩ,CT=470pF,VCPH=0.0V,VCS=0.0V,VSD=0.0V,CLO,HO=1000pF,Ta=25℃。
表1 主要电气参数
注1:
该芯片内部VCC与COM之间设有15.6V稳压管,注意该脚不能直接外加电压源。
详细参数见IR2156数据表。
2.2 推荐工作条件
推荐工作条件见表2。
表2 推荐工作条件
符号
定义
最小值
最大值
单位
Vbs
高端浮动供电电压
VCC-0.7
Vclamp
V
Vs
高端浮动供电偏置电压
-1
600
V
VCC
供电电压
Vccuv+
Vclamp
V
ICC
供电电流
注2
10
mA
CT
CT引脚电容
220
——
pF
Isd
关断引线电流
-1
1
mA
Ics
电流检测引线电流
-1
1
mA
Tj
结温
-40
125
℃
注2:
VCC引线要有足够的电流使内部的15.6V的稳压管能够稳住电压。
3 IR2156管脚排列及功能
器件管脚排列见图2,管脚功能见表3。
表3 管脚功能
1
NC
不接
2
VCC
逻辑电路及低端门极驱动供电
3
VDC
IC启动及DC总线检测输入
4
RT
最小频率定时电阻
5
RPH
预热频率定时电阻
6
CT
振荡器定时电容
7
CPH
预热定时电容
8
COM
IC电源及信号地线
9
SD
关断输入
10
CS
电流检测输入
11
LO
低端门极驱动输出
12
VS
高端浮地
13
HO
高端门极驱动输出
14
VB
高端门极驱动浮动供电
图2管脚排列
4 功能简介
4.1 欠压关断(UVLO)模式
欠压关断模式是当供电电压VCC低于IC的开启门限电压时,IC不工作。
IR2156的欠压关断模式要求供电电流最小保持在200μA以上,保证IC正常工作并驱动高低端输出。
图3为典型的从直流母线馈电和从镇流器输出级充电泵共同为IR2156供电的例子。
通过供电电阻(RSUPPLY)的电流一部分作为启动电流流入IC,其余给启动电容(CVCC)充电。
电阻应能供应两倍的最大启动电流,以保证镇流器在低电压输入下启动。
一旦VCC脚电容电压到达启动门限,且SD脚电压低于4.5V,则IC开始工作,HO,LO振荡。
由于IC工作电流增大,电容开始放电见图4。
图3 IC启动供电方式
图4 CVCC电压
在放电期间,充电泵产生的整流电流给电容充电,使VCC电压高于IC关断门限,充电泵和IC内置15.6V稳压管来提供供电电压。
启动电容和缓冲电容要有足够的容量,使供电电流满足镇流器工作需要。
自举二极管(DBOOT)和自举电容(CBOOT)提供高端驱动电路的工作电压。
为了在HO脚的第一个脉冲前就给高端供电,因此输出驱动的第一个脉冲来自LO脚。
在欠压关断状态,高端和低端输出驱动HO和LO都为低电平,CT脚在内部连接到COM使镇流器停止振荡,CPH脚在内部连接到COM使预热时间复位。
4.2 预热(PH)模式
图5为预热电路。
预热模式工作于灯管灯丝开始加热直至灯丝达到正常的点燃温度,它是延长灯管寿命和降低点燃电压所必需的步骤。
当VCC超过UVLO门限时进入预热模式。
LO和HO开始以50%占空比的预热频率振荡,死区时间由外部定时电容CT和内部死区时间电阻RDT决定。
CPH脚与COM断开,内部5μA电流源给CPH脚外接的预热时间电容充电。
CS脚的过流保护在预热期间被屏蔽掉。
图5 预热电路
预热频率由并联的电阻RT和RPH,以及定时电容CT决定。
CT分别在到达(1/3)VCC和(3/5)VCC电压时充电和放电,RT和RPH并联后内部连接到VCC,通过MOS管S1对CT指数充电(见图1)。
CT的充电时间为(1/3)VCC至(3/5)VCC,分别驱动LO和HO。
一旦CT电压超过(3/5)VCC,MOS管S1关断,电阻RT和RPH与VCC断开。
CT通过内部电阻RDT穿过MOS管S3对COM以指数放电。
CT的放电时间为(3/5)VCC到(1/3)VCC,即输出门极驱动LO和HO的死区时间。
CT的容量要根据RDT和要求的死区时间来选取。
一旦CT放电至低于(1/3)的VCC,MOS管S3关断,RDT与COM断开,MOS管S1导通,RT和RPH连接到VCC。
工作频率始终保持在预热频率直到CPH脚电压超过13V,IC进入触发模式。
在预热模式期间,当CPH脚电压高于7.5V时,恢复过流保护和DC总线欠压复位功能。
4.3触发(IGN)模式
触发电路如图6所示。
触发模式是指建立触发灯管所需的高电压并触发灯管。
当管脚CPH上的电压超过13V,IR2156进入触发模式。
图6 触发电路
管脚CPH内部连接到一个P沟道的MOSFET(S4)的门极,S4连接管脚RPH和RT。
当管脚CPH上的电压超过13V时,S4的G-S电压开始低于S4的开通门限。
管脚CPH上的电压持续向VCC上升,S4缓慢关断,这样就使电阻RPH平滑地从RT上断开,同时使工作频率平滑地过渡到触发频率,再过渡到最终的运行频率。
管脚CS的过流保护功能可以在触发失败或灯丝开路时保护镇流器。
外部电流检测电阻RCS上的电压即为管脚CS的电压。
RCS定义镇流器可提供的最大峰值电流(以及触发电压)。
峰值触发电流必须低于MOSFET所能承受的最大电流。
当CS上的电压超过内部的1.3V门限,IC进入故障模式,输出驱动HO和LO都被锁定为低电平。
4.4 运行(RUN)模式
当灯管触发成功后,镇流器进入运行模式。
运行模式是指灯弧已经建立,灯管以给定的功率工作时IC所处的状态。
运行模式的振荡频率是由定时电阻RT和定时电容CT决定的。
4.5 DC总线欠压复位
当DC总线电压过低时,灯管的输出级频率会接近或低于谐振频率,这时会造成硬开关,并破坏半桥的开关。
为了防止这种现象的发生,管脚VDC测量DC总线的电压,并在脚VDC上的电压下降到10.9V并低于VCC时,线性拉低管脚CPH电压,这样使得P沟道MOSFETS4在DC总线降压时开通,并使频率向上提高到高于谐振点的一个安全的工作频率。
频率变化值由外部电阻RBUS和内部电阻RVDC决定。
通过拉低管脚CPH,触发斜率也被复位。
当DC总线电压过低时,整流器不进行触发,当DC总线电压再次上升时,IC将进行自动再触发。
当CPH上的电压超过7.5V时(预热模式期间),内部电阻RVDC连接到管脚VDC和COM之间。
4.6 故障(FAULT)模式
在预热模式过后的任何时间,当电流检测脚CS上的电压超过1.3V时,IC进入故障模式,驱动输出HO和LO都被置位为低电平。
CPH向COM放电,复位预热时间,同时CT向COM放电,关断振荡器。
要想退出故障模式,VCC电压必须下降至低于UVLO的下门限,或者关断脚SD的电压拉高至大于5.1V。
这两种方式都可以使IC进入UVLO模式,一旦脚VCC电压大于开通门限,同时SD低于4.5V,IC将进入预热模式开始振荡。
5 设计步骤1) 1)因为器件参数离散性的原因,计算的结果还需要通过实验微调
5.1 设置死区时间
通过定时电容CT和内部死区时间电阻RDT可以定义LO和HO的死区时间tDT。
死区时间为电容CT上的电压从(3/5)VCC到(1/3)VCC的放电时间。
公式如下:
tDT=CT·1475 s
(1)
或
CT=tDT/1475 F
(2)
5.2 设置运行频率
最终的运行频率fRUN由定时电阻RT和定时电容CT设置。
电容CT上的电压从(1/3)VCC到(3/5)VCC的充电时间为输出驱动HO和LO的开通时间。
运行频率的计算公式如下:
fRUN=
Hz(3)
或
RT=
-2892 Ω(4)
5.3 设置预热频率
预热频率fPH由定时电阻RT和RPH、定时电容CT设置。
在预热模式期间,定时电阻通过内部连接方式并联。
预热频率计算公式如下:
fPH=
Hz(5)
或
RPH=
Ω(6)
5.4 设置预热时间
预热时间tPH由接在脚CPH上的电容从0充电到13V的时间决定。
一个内部的5μA电流源流入管脚CPH。
预热时间的计算公式如下:
tPH=CPH·2.6e6 s(7)
或
CPH=tPH·0.385e-6 F(8)
5.5 设置最大触发电流
最大触发电流IIGN由外部电阻RCS和内部1.3V门限共同决定。
该门限定义镇流器的过流点,触发频率靠近谐振点或灯管触发失败时,会超过这个门限。
最大触发电流计算公式如下:
IIGN=
A(9)
或
RCS=
Ω(10)
6 设计实例
根据以上公式,按照42W紧凑型电子镇流器要求,计算所有元件参数(具体计算略)。
计算值向元件标称值靠并通过实验做细调,元件取值如下:
CT=470pF,RT=43kΩ,RPH=68kΩ,
CPH=0.22μF,RCS=0.61Ω。
这样,一个功能完善的镇流器就设计好了。
将其安装并测试其计算值,根据元件的离散性稍加调整,镇流器就可在典型状态下工作。
具体运行参数见表4。
表4 镇流器运行参数
参数
特性
数值
fPH
预热频率
68kHz
VPH
灯管预热电压
460Vpp
tPH
预热时间
700ms
Rw/Rc
灯丝预热比
4∶1
VIGN
最大触发电压
1500Vpp
tIGN
触发时间
50ms
fRun
运行频率
47.5kHz
VRun
运行灯管电压
180Vpk
Pin
镇流器运行输入功率
42W
7 典型波形
预热时灯丝电压波形如图7所示。
预热、触发和运行时灯电压波形如图8所示。
图7 预热时灯丝电压(5V/格) 图8 预热、触发和运行时灯电压(250V/格)
运行时半桥输出电压和RCS上的电压波形如图9所示。
触发失败时灯电压和RCS上的电压波形如图10所示。
上:
100V/格下:
200mV/格
图9运行时半桥输出电压和Rcs上电压
上:
500V/格下:
1V/格
图10触发失败时灯电压和Rcs上电压
8 结语
IR2156是一款功能完善、性能稳定和成本低廉的电子镇流器控制集成电路。
该IC既可应用于直管莹光灯,也可应用于紧凑型节能灯,其预热和故障保护功能大大提高了灯管和镇流器的寿命。
极具实用推广价值。