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基于UBA2211的高效CFL驱动器设计
作者:彭少华 李强 陈嵘
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灯具, 节能灯, LED照明, 日光灯, 荧光灯, ...
与传统的白炽灯相比,紧凑型荧光具有发光效率高、节能效果好、寿命长、体积小和使用方便等优点。而在市场方面,紧凑型荧光更是具有广阔的前景。根据Datapoint Research研究机构统计,全球有20%-25%的电力用于照明,到2012年,全球节能灯泡的销量将超过50亿只。同时中国发改委已经出台相关的政策,预计将在10年内禁用(禁售)白炽灯。随着白炽灯逐渐退出照明市场,人们急需一种新的节能照明方案来满足消费者的各项要求,在这种形势下,CFL和LED必将开创一个新的照明时代。不过,对于普通消费者来说,受其成本和寿命等方面的影响,LED在短时间内还无法广泛普及。在巨大的市场需求下,可以预计,CFL将会成为当下照明市场的主宰。

但如何才能让荧光灯的优点发挥到极致,这就引出了电子镇流器的概念。早期的CFL电子镇流器多采用变压器和晶体管等分离元件组成,这种驱动方式存在诸多缺点。随着半导体技术的发展,专用驱动IC逐渐兴起。本文以恩智浦半导体(NXP)的不可调光驱动IC UBA2211为例,介绍了CFL驱动IC的工作原理、电路设计,并给出了测试结果。

CFL驱动设计

UBA2211组成的CFL典型驱动电路如图1所示,镇流器输入电压为交流220V,输入功率12W。

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图1:基于UBA2211的18W CFL驱动电路

整个系统由整流滤波电路、控制电路和灯谐振电路三部分组成。

整流滤波电路由四个二极管1N4007、CBUF和LFILT组成,它能将220V交流输入整流滤波为310V(2202)左右的DC电压。输入端的RFUSE为浪涌抑制电阻,主要用于抑制启动时所产生的浪涌电流。控制电路由UBA2211组成,主要实现对灯丝的预热、点火和稳定运行时电流的控制。谐振电路由CLA和LLA组成,主要为灯丝点火提供高压脉冲。

1.芯片内部结构

UBA2211是整个电路的核心器件,为便于后文的分析,本文首先对UBA2211的一些结构和特点进行相应的介绍。UBA2211是一款CFL专用驱动IC,它采用双列直插封装(DIP8)和14脚塑料小型封装(SO14)两种封装。芯片内部结构及特点如图2所示。

2.启动阶段

上电后,电路进入启动状态,此时上桥HS关断,下桥LS导通。内部电流源(1mA)对VDD上电容CVDD和FS脚上电容进行充电,内部电路进行复位。此时,RC和SW将会进行接地处理。一旦VDD>VDD(start)(典型为11V),而且此时未激活过温保护(OTP)电路便结束启动状态。注意:一旦VDDnewmaker.com
图2:芯片内部框图

3.预热阶段

当VDD>VDD(start)且OTP未激活,电路进入预热状态,在预热状态下,VDD电源由dvdt充电泵提供(见图2)。此时SW脚上电容被Isweep充电,半桥电路开始振荡,其振荡信号如图3所示,初始振荡频率为工作频率的2.5倍,在预热过程中会逐渐下降到正常的工作频率。在预热状态下,电路对灯丝进行预热处理,以减少灯丝启动时的损耗,延长灯的使用寿命。外部电阻RSENSE用来检测预热电流,使得RSENSE的峰值电压等于内部参考电压Vref(prht)(0.5V)。预热时间由外部电容CSW来设定,一旦CSW上电压下降到VSW(prht)时,电路结束预热,如图4所示。

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图3:振荡器、驱动器和输出信号

4.点火阶段

灯丝预热结束后,频率开始下降,一旦频率达到谐振频率,在灯两端LC上发生串联谐振,产生一个600-1200V的高压将灯管击穿,完成对灯丝点火。正常运行下,RMS控制被激活,通过控制灯丝电流的RMS值,可以将IC损耗和IC温度控制在恒定值。

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图4:预热、点火和正常工作频率变化

电路在运行过程中,UBA2211内部提供了一个死区时间(图3中的tno),防止上桥和下桥功率开关同时导通。UBA2211还提供过温保护(OTP)、冷启动下最小辉光放电控制、防饱和保护和容性模式保护。

主要参数计算

1.工作频率

由图1中ROSC和COSC可计算频率,由公式:

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其中=1.1

2.启动频率

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3.灯电感

首先确定灯两端电压的有效值,设计功率为12W,有公式:

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灯上电压与灯电压有效值关系如表1所示,查表可得Vla_eff=112V,振荡频率与灯两端电压关系为:

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带入相应参数可得LLA=2.87mH,实际设计时取3mH,电感磁芯采用EE16,线径为采用0.19漆包线绕制。取谐振频率60kHz,由公式:

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其中LLA=3mH,fres=60kHz,带入上式可得CLA=2.34n,考虑到谐振时产生高压,实际取2.2n/1KV。

表1:近似灯电感电压值
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4.RSENSE电阻

在一个振荡周期中下桥功率开关导通时,检测到的RSENSE上的电压通过平方后转换为正向电流,对SW脚上CSW充电。下一个振荡周期上桥导通时,通过内置参考电压源VO(ref)RMS 产生一个反向电流对SW脚上CSW放电,因此其充电电流和放电电流相等,故:

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两边开方

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取1.8Ω标准电阻,功率为1W。

5.预热时间

一般情况下,灯丝的预热时间tprh≥0.4s,预热时间由SW脚上电容CSW来决定,由公式:

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其它参数如图1所示。

测试结果

采用如图1设计方案,当输入电压为交流220V,输出功率为12W时,测试波形如下所示。

如图5所示,CFL在点火之前经过了一段充分的预热,预热电流大概为正常工作电流的1.2倍,满足了CFL预热电流的要求。系统的工作频率在41KHz左右,电流和电压波形如图5所示。预热结束后,灯两端产生一个高压的脉冲对灯进行点火,随后进入正常运行。从图5可以看出,在正常运行状态下,灯两端的电压和电流都很稳定。

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图5:实测波形(上为Vlamp,下为lamp)。

图6所示为UBA2211的SW脚对灯丝的预热和点火进行的控制,实际设计预热时间为1.52S,实测结果为1.365S,误差在可接受的范围内,从而验证了设计的正确性。

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图6:实测波形(上为Vlamp,下为Ilamp)

图7所示为RMS控制效果,从图中可以看出,在输入电压高于220V以后,控制器通过增大频率的方式使输入功率基本保持在12W左右不变,从而摆脱了对输入电压的依赖性,达到了恒定功率的控制效果。相关测试结果如表2所示。

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图7:RMS控制效果

表2:测试结果
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由测试结果可知,灯两端电压设计为80V,实际测量结果为74.6V,灯电流设计为0.15A,实测为0.154A。频率设计为41.3kHz,实测为41.48kHz。谐振频率设计为60kHz,实测为60.9kHz。预热时间设计为1.52S,实测为1.365S。各项指标均验证了本文设计的控制器的正确性。

本文小结

UBA2211是一款集不可调光的CFL电子镇流驱动器和上、下半桥驱动MOSFET于一体的新型IC。采用该IC所设计的CFL电子镇流器具有低成本、高效率等特点,能够很好的实现灯丝热启动、点火和稳定运行。此外,独有的RMS控制可实现灯的恒功率,摆脱了对输入电源的依赖性。所设计电路简单,外围所需器件少,稳定性高。从实测结果可以看出,采用UBA2211设计的镇流器实现了CFL节能、高效的特点,克服了分离元件灯丝预热、启动时间延迟等缺点。
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (7/12/2011)
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