電子鎮(zhèn)流器控制芯片IR2156

1、電子鎮(zhèn)流器控制芯片IR21561 引言 IR2156是IR公司最新推出的多功能、低成本電子鎮(zhèn)流器控制芯片，它由一個(gè)高壓半橋門極驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)頻率可調(diào)振蕩器組成。具有預(yù)熱頻率和運(yùn)行頻率可調(diào)，預(yù)熱時(shí)間可調(diào)，死區(qū)時(shí)間可調(diào)，以及過流門限可調(diào)等特性。完善的保護(hù)性能，諸如燈管觸發(fā)失敗保護(hù)，燈絲故障保護(hù)以及自動(dòng)重啟動(dòng)功能都設(shè)計(jì)在其中。IR2156具有DIP14及SOIC14兩種封裝。圖1是其內(nèi)部原理框圖。 圖1 IR2156內(nèi)部原理框圖 2 主要電氣特性 2.1 主要電氣特性 主要電氣特性見表1。除非另有說明，一般情況下： VCC=VBS=VBIAS=14V0.25V,VVDC=OPEN,RT=39.0k,R

2、PH=100.0k,CT=470pF,VCPH=0.0V,VCS=0.0V,VSD=0.0V,CLO，HO=1000pF,Ta=25。 表1 主要電氣參數(shù) 注1:該芯片內(nèi)部VCC與COM之間設(shè)有15.6V穩(wěn)壓管，注意該腳不能直接外加電壓源。詳細(xì)參數(shù)見IR2156數(shù)據(jù)表。2.2 推薦工作條件 推薦工作條件見表2。 表2 推薦工作條件 符號(hào) 定義 最小值 最大值 單位 Vbs 高端浮動(dòng)供電電壓 VCC0.7 Vclamp V Vs 高端浮動(dòng)供電偏置電壓 1 600 V VCC 供電電壓 Vccuv Vclamp V ICC 供電電流 注2 10 mA CT CT引腳電容 220 pF Isd 關(guān)斷

3、引線電流 1 1 mA Ics 電流檢測引線電流 1 1 mA Tj 結(jié)溫 40 125 注2：VCC引線要有足夠的電流使內(nèi)部的15.6V的穩(wěn)壓管能夠穩(wěn)住電壓。 3 IR2156管腳排列及功能 器件管腳排列見圖2，管腳功能見表3。 表3 管腳功能 1 NC 不接 2 VCC 邏輯電路及低端門極驅(qū)動(dòng)供電 3 VDC IC啟動(dòng)及DC總線檢測輸入 4 RT 最小頻率定時(shí)電阻 5 RPH 預(yù)熱頻率定時(shí)電阻 6 CT 振蕩器定時(shí)電容 7 CPH 預(yù)熱定時(shí)電容 8 COM IC電源及信號(hào)地線 9 SD 關(guān)斷輸入 10 CS 電流檢測輸入 11 LO 低端門極驅(qū)動(dòng)輸出 12 VS 高端浮地 13 HO 高端

4、門極驅(qū)動(dòng)輸出 14 VB 高端門極驅(qū)動(dòng)浮動(dòng)供電 圖2管腳排列 4 功能簡介 4.1 欠壓關(guān)斷（UVLO）模式 欠壓關(guān)斷模式是當(dāng)供電電壓VCC低于IC的開啟門限電壓時(shí)，IC不工作。IR2156的欠壓關(guān)斷模式要求供電電流最小保持在200A以上，保證IC正常工作并驅(qū)動(dòng)高低端輸出。圖3為典型的從直流母線饋電和從鎮(zhèn)流器輸出級(jí)充電泵共同為IR2156供電的例子。通過供電電阻(RSUPPLY)的電流一部分作為啟動(dòng)電流流入IC，其余給啟動(dòng)電容(CVCC)充電。電阻應(yīng)能供應(yīng)兩倍的最大啟動(dòng)電流，以保證鎮(zhèn)流器在低電壓輸入下啟動(dòng)。一旦VCC腳電容電壓到達(dá)啟動(dòng)門限，且SD腳電壓低于4.5V，則IC開始工作，HO，LO振

5、蕩。由于IC工作電流增大，電容開始放電見圖4。 圖3 IC啟動(dòng)供電方式 圖4 CVCC電壓 在放電期間，充電泵產(chǎn)生的整流電流給電容充電，使VCC電壓高于IC關(guān)斷門限，充電泵和IC內(nèi)置15.6V穩(wěn)壓管來提供供電電壓。啟動(dòng)電容和緩沖電容要有足夠的容量，使供電電流滿足鎮(zhèn)流器工作需要。自舉二極管（DBOOT）和自舉電容（CBOOT）提供高端驅(qū)動(dòng)電路的工作電壓。為了在HO腳的第一個(gè)脈沖前就給高端供電，因此輸出驅(qū)動(dòng)的第一個(gè)脈沖來自LO腳。在欠壓關(guān)斷狀態(tài)，高端和低端輸出驅(qū)動(dòng)HO和LO都為低電平，CT腳在內(nèi)部連接到COM使鎮(zhèn)流器停止振蕩，CPH腳在內(nèi)部連接到COM使預(yù)熱時(shí)間復(fù)位。 4.2 預(yù)熱（PH）模式 圖

6、5為預(yù)熱電路。預(yù)熱模式工作于燈管燈絲開始加熱直至燈絲達(dá)到正常的點(diǎn)燃溫度，它是延長燈管壽命和降低點(diǎn)燃電壓所必需的步驟。當(dāng)VCC超過UVLO門限時(shí)進(jìn)入預(yù)熱模式。LO和HO開始以50占空比的預(yù)熱頻率振蕩,死區(qū)時(shí)間由外部定時(shí)電容CT和內(nèi)部死區(qū)時(shí)間電阻RDT決定。CPH腳與COM斷開，內(nèi)部5A電流源給CPH腳外接的預(yù)熱時(shí)間電容充電。CS腳的過流保護(hù)在預(yù)熱期間被屏蔽掉。 圖5 預(yù)熱電路 預(yù)熱頻率由并聯(lián)的電阻RT和RPH，以及定時(shí)電容CT決定。CT分別在到達(dá)（1/3）VCC和(3/5)VCC電壓時(shí)充電和放電，RT和RPH并聯(lián)后內(nèi)部連接到VCC，通過MOS管S1對(duì)CT指數(shù)充電（見圖1）。CT的充電時(shí)間為（1/

7、3）VCC至（3/5）VCC,分別驅(qū)動(dòng)LO和HO。一旦CT電壓超過（3/5）VCC，MOS管S1關(guān)斷，電阻RT和RPH與VCC斷開。CT通過內(nèi)部電阻RDT穿過MOS管S3對(duì)COM以指數(shù)放電。CT的放電時(shí)間為（3/5）VCC到（1/3）VCC，即輸出門極驅(qū)動(dòng)LO和HO的死區(qū)時(shí)間。CT的容量要根據(jù)RDT和要求的死區(qū)時(shí)間來選取。一旦CT放電至低于（1/3）的VCC,MOS管S3關(guān)斷，RDT與COM斷開，MOS管S1導(dǎo)通，RT和RPH連接到VCC。工作頻率始終保持在預(yù)熱頻率直到CPH腳電壓超過13V，IC進(jìn)入觸發(fā)模式。在預(yù)熱模式期間，當(dāng)CPH腳電壓高于7.5V時(shí)，恢復(fù)過流保護(hù)和DC總線欠壓復(fù)位功能。

8、4.3觸發(fā)（IGN）模式 觸發(fā)電路如圖6所示。觸發(fā)模式是指建立觸發(fā)燈管所需的高電壓并觸發(fā)燈管。當(dāng)管腳CPH上的電壓超過13V，IR2156進(jìn)入觸發(fā)模式。 圖6 觸發(fā)電路 管腳CPH內(nèi)部連接到一個(gè)P溝道的MOSFET（S4）的門極，S4連接管腳RPH和RT。當(dāng)管腳CPH上的電壓超過13V時(shí)，S4的G-S電壓開始低于S4的開通門限。管腳CPH上的電壓持續(xù)向VCC上升，S4緩慢關(guān)斷，這樣就使電阻RPH平滑地從RT上斷開，同時(shí)使工作頻率平滑地過渡到觸發(fā)頻率，再過渡到最終的運(yùn)行頻率。管腳CS的過流保護(hù)功能可以在觸發(fā)失敗或燈絲開路時(shí)保護(hù)鎮(zhèn)流器。外部電流檢測電阻RCS上的電壓即為管腳CS的電壓。RCS定義鎮(zhèn)

9、流器可提供的最大峰值電流（以及觸發(fā)電壓）。峰值觸發(fā)電流必須低于MOSFET所能承受的最大電流。當(dāng)CS上的電壓超過內(nèi)部的1.3V門限，IC進(jìn)入故障模式，輸出驅(qū)動(dòng)HO和LO都被鎖定為低電平。 4.4 運(yùn)行(RUN)模式 當(dāng)燈管觸發(fā)成功后，鎮(zhèn)流器進(jìn)入運(yùn)行模式。運(yùn)行模式是指燈弧已經(jīng)建立，燈管以給定的功率工作時(shí)IC所處的狀態(tài)。運(yùn)行模式的振蕩頻率是由定時(shí)電阻RT和定時(shí)電容CT決定的。 4.5 DC總線欠壓復(fù)位 當(dāng)DC總線電壓過低時(shí)，燈管的輸出級(jí)頻率會(huì)接近或低于諧振頻率，這時(shí)會(huì)造成硬開關(guān)，并破壞半橋的開關(guān)。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，管腳VDC測量DC總線的電壓，并在腳VDC上的電壓下降到10.9V并低于VCC

10、時(shí)，線性拉低管腳CPH電壓，這樣使得P溝道MOSFETS4在DC總線降壓時(shí)開通，并使頻率向上提高到高于諧振點(diǎn)的一個(gè)安全的工作頻率。頻率變化值由外部電阻RBUS和內(nèi)部電阻RVDC決定。通過拉低管腳CPH，觸發(fā)斜率也被復(fù)位。當(dāng)DC總線電壓過低時(shí)，整流器不進(jìn)行觸發(fā)，當(dāng)DC總線電壓再次上升時(shí)，IC將進(jìn)行自動(dòng)再觸發(fā)。當(dāng)CPH上的電壓超過7.5V時(shí)（預(yù)熱模式期間），內(nèi)部電阻RVDC連接到管腳VDC和COM之間。 4.6 故障(FAULT)模式 在預(yù)熱模式過后的任何時(shí)間，當(dāng)電流檢測腳CS上的電壓超過1.3V時(shí)，IC進(jìn)入故障模式，驅(qū)動(dòng)輸出HO和LO都被置位為低電平。CPH向COM放電，復(fù)位預(yù)熱時(shí)間，同時(shí)CT向

11、COM放電，關(guān)斷振蕩器。要想退出故障模式，VCC電壓必須下降至低于UVLO的下門限，或者關(guān)斷腳SD的電壓拉高至大于5.1V。這兩種方式都可以使IC進(jìn)入U(xiǎn)VLO模式，一旦腳VCC電壓大于開通門限，同時(shí)SD低于4.5V，IC將進(jìn)入預(yù)熱模式開始振蕩。 5 設(shè)計(jì)步驟1） 1)因?yàn)槠骷?shù)離散性的原因，計(jì)算的結(jié)果還需要通過實(shí)驗(yàn)微調(diào) 5.1 設(shè)置死區(qū)時(shí)間 通過定時(shí)電容CT和內(nèi)部死區(qū)時(shí)間電阻RDT可以定義LO和HO的死區(qū)時(shí)間tDT。死區(qū)時(shí)間為電容CT上的電壓從（3/5）VCC到（1/3）VCC的放電時(shí)間。公式如下： tDT=CT1475 s（1） 或 CT=tDT/1475 F（2） 5.2 設(shè)置運(yùn)行頻率

12、最終的運(yùn)行頻率fRUN由定時(shí)電阻RT和定時(shí)電容CT設(shè)置。電容CT上的電壓從（1/3）VCC到（3/5）VCC的充電時(shí)間為輸出驅(qū)動(dòng)HO和LO的開通時(shí)間。運(yùn)行頻率的計(jì)算公式如下： fRUN= Hz(3) 或 RT=2892 （4） 5.3 設(shè)置預(yù)熱頻率 預(yù)熱頻率fPH由定時(shí)電阻RT和RPH、定時(shí)電容CT設(shè)置。在預(yù)熱模式期間，定時(shí)電阻通過內(nèi)部連接方式并聯(lián)。預(yù)熱頻率計(jì)算公式如下： fPH= Hz(5) 或 RPH= (6) 5.4 設(shè)置預(yù)熱時(shí)間 預(yù)熱時(shí)間tPH由接在腳CPH上的電容從0充電到13V的時(shí)間決定。一個(gè)內(nèi)部的5A電流源流入管腳CPH。預(yù)熱時(shí)間的計(jì)算公式如下： tPH=CPH2.6e6 s（7

13、） 或 CPH=tPH0.385e6 F(8) 5.5 設(shè)置最大觸發(fā)電流 最大觸發(fā)電流IIGN由外部電阻RCS和內(nèi)部1.3V門限共同決定。該門限定義鎮(zhèn)流器的過流點(diǎn)，觸發(fā)頻率靠近諧振點(diǎn)或燈管觸發(fā)失敗時(shí)，會(huì)超過這個(gè)門限。最大觸發(fā)電流計(jì)算公式如下： IIGN= A(9) 或 RCS= (10) 6 設(shè)計(jì)實(shí)例 根據(jù)以上公式，按照42W緊湊型電子鎮(zhèn)流器要求，計(jì)算所有元件參數(shù)(具體計(jì)算略)。計(jì)算值向元件標(biāo)稱值靠并通過實(shí)驗(yàn)做細(xì)調(diào)，元件取值如下： CT=470pF,RT=43k,RPH=68k, CPH=0.22F,RCS=0.61。 這樣，一個(gè)功能完善的鎮(zhèn)流器就設(shè)計(jì)好了。將其安裝并測試其計(jì)算值，根據(jù)元件的離散性稍加調(diào)整，鎮(zhèn)流器就可在典型狀態(tài)下工作。具體運(yùn)行參數(shù)見表4。 表4 鎮(zhèn)流器運(yùn)行參數(shù) 參數(shù) 特性 數(shù)值 fPH 預(yù)熱頻率 68kHz VPH 燈管預(yù)熱電壓 460Vpp tPH 預(yù)熱時(shí)間 700ms Rw/Rc 燈絲預(yù)熱比 41 VIGN 最大觸發(fā)電壓 1500Vpp tIGN 觸發(fā)時(shí)間 50ms fRun 運(yùn)行頻率 47.5kHz VRun 運(yùn)行燈管電壓 180Vpk Pin 鎮(zhèn)流器運(yùn)行輸入功率 42W 7 典型波形 預(yù)熱時(shí)燈絲電壓波形如圖7所示。預(yù)熱、觸發(fā)和運(yùn)行時(shí)燈電壓波形如圖8所示。 圖7 預(yù)熱時(shí)燈絲電壓（5V/格） 圖8 預(yù)熱、觸發(fā)和運(yùn)行時(shí)燈電壓（250V/格） 運(yùn)行時(shí)