高性能電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)及其專用集成控制器

1、高性能電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)及其專用集成控制器A High Performance Electronic Ballast and Its Special Integrated Controller 上海交通大學(xué)微電子技術(shù)研究所陸鳴張宇（上海200052）摘要：討論高性能電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)必需具備的電路結(jié)構(gòu)、功率因子校正電路的基本原理，介紹美國(guó)微線性公司（MicroLinearCorporation）的電子鎮(zhèn)流器專用集成控制器及其構(gòu)成的高性能電子鎮(zhèn)流器電路。Abstract: Circuit structure essential for a high performance electronic ball

2、ast system, and fundamental circuits of power factor correction were discussed first. After that, a series of special electronic ballast integrated controllers of Micro Linear Corporation and a high performance electronic ballast system were described. 關(guān)鍵詞：電子鎮(zhèn)流器功率因子校正集成電路控制器Keywords： Electronic ball

3、ast， Power factor correction， Integrated circuit controller 1引言1997年10月1日，我國(guó)“綠色照明工程”正式啟動(dòng)，這是照明技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)一項(xiàng)重大決策和舉措，必將對(duì)我國(guó)的能源、電光源和照明技術(shù)，甚至環(huán)境保護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響。據(jù)國(guó)家經(jīng)貿(mào)委人士稱：我國(guó)將把采用電子鎮(zhèn)流器和緊湊型熒光燈組成的一體化節(jié)能燈取代白熾燈作為“綠色照明工程”的重要目標(biāo)，“九五”期間，將推廣各種節(jié)能燈3億只以上，形成終端節(jié)電220億度的能力，相當(dāng)于節(jié)約電力建設(shè)資金(490630)億元，扣除節(jié)電投入，實(shí)際可減少社會(huì)支出(300400)億元。又據(jù)信息產(chǎn)業(yè)部有關(guān)專家認(rèn)為

4、，在相同光通量條件下，節(jié)能燈比白熾燈可節(jié)約電能80，用于購(gòu)買節(jié)能燈的費(fèi)用，在(810)個(gè)月的電費(fèi)節(jié)余中就可以收回。普通家庭和企事業(yè)單位、賓館飯店、商業(yè)系統(tǒng)等使用電子節(jié)能燈，比白熾燈更為合算。但是，目前在工頻下工作的老式電感鎮(zhèn)流器，普遍存在耗能高、效率低、體積大，需大量銅材等缺點(diǎn)。所以，國(guó)家已把高頻電子鎮(zhèn)流器取代傳統(tǒng)電感式鎮(zhèn)流器定為一項(xiàng)政策。目前，市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些電子鎮(zhèn)流器，表1列出這些電子鎮(zhèn)流器的性能比較。按照國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC929和我國(guó)的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ZBK7401290關(guān)于電子鎮(zhèn)流器在“正常情況下使用時(shí)，應(yīng)使燈啟動(dòng)，但不對(duì)燈性能造成損害”；“施加陰極預(yù)熱電壓的最短時(shí)間應(yīng)不少于0.4s”和

5、“開(kāi)路電壓的波峰系數(shù)不得超過(guò)1.8；在最低預(yù)熱期間，不得產(chǎn)生即使是極窄的、不影響有效值的電壓峰值”等規(guī)定，則表1中所列，除高檔電子鎮(zhèn)流器外，均屬不合格產(chǎn)品。特別要強(qiáng)調(diào)的是，早在1982年，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）就制定了名為“家用設(shè)備及類似電器設(shè)備對(duì)供電系統(tǒng)干擾的標(biāo)準(zhǔn)”，即IEC5552標(biāo)準(zhǔn)。1987年，歐洲也制定了類似的EN605552標(biāo)準(zhǔn)。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都嚴(yán)格限定了設(shè)備的功率因子必須接近1，而且還明確作出300W以上設(shè)備，自1992年起；300W以下設(shè)備，自1994年起，凡不符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品不準(zhǔn)銷售的規(guī)定。鑒于功率因子低造成的危害極大，強(qiáng)行貫徹電子設(shè)備和產(chǎn)品的功率因子必須接近1的規(guī)定非常重要，也非

6、常必要，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在雖尚無(wú)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，但可以確信相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)是遲早的事。高性能電子鎮(zhèn)流器自然亦不例外。表1低、中、高檔電子鎮(zhèn)流器簡(jiǎn)要比較性能低檔中檔高檔網(wǎng)側(cè)功率因子0.5.70.9左右0.9以上三次諧波電流6080約2010 故障保護(hù)設(shè)置無(wú)少數(shù)有設(shè)置有燈管控制不控制少數(shù)考慮控制燈絲預(yù)熱控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單不太復(fù)雜較復(fù)雜我們認(rèn)為，高性能電子鎮(zhèn)流器應(yīng)該是既具有功率因子校正，同時(shí)兼?zhèn)錈艄軣艚z預(yù)熱、燈光調(diào)節(jié)和燈電路保護(hù)等功能，且完全符合IEC5552及類似標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，為此，本文就高性能電子鎮(zhèn)流器必須具備的電路結(jié)構(gòu)和功率因子校正電路的基本原理作簡(jiǎn)要討論，著重介紹美國(guó)微線性公司的電子鎮(zhèn)流器專用集成控制器ML483

7、1，ML4832，ML4833及由其構(gòu)成的高性能電子鎮(zhèn)流器電路。2高性能電子鎮(zhèn)流器的電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中RFI和EMI濾波器將來(lái)自電網(wǎng)的傳導(dǎo)射頻干擾和電磁干擾濾除，同時(shí)阻礙鎮(zhèn)流器電路產(chǎn)生的傳導(dǎo)射頻及電磁干擾進(jìn)入電網(wǎng)。橋式整流電路將輸入交流變換成直流。功率因子校正電路則起改善輸入交流電流波形的作用，確保輸入電流正弦化并與輸入電壓同相位，實(shí)現(xiàn)功率因子接近或等于1。逆變電路完成直流高壓向高頻交流的變換，通過(guò)燈電路網(wǎng)絡(luò)將輸入功率最終傳輸給熒光燈管。燈網(wǎng)絡(luò)除了傳遞電功率之外，還將實(shí)施熒光燈燈絲的預(yù)熱、燈管工作狀態(tài)信號(hào)的取樣和反饋。燈工作狀態(tài)的反饋信號(hào)取自功率因子校正電路和調(diào)光信號(hào)，經(jīng)控制電路

8、處理得到正確的逆變電路中開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖。圖1高性能電子鎮(zhèn)流器的電路結(jié)構(gòu)2.1功率因子校正電路系統(tǒng)的功率因子（PowerFactor，PF），定義為PF=cos1(1)式中=I1/IRMS，是輸入電流的基波有效值與輸入總電流有效值之比，稱電流的失真因子（DistortionFactor,DF），1為基波電流與電壓的相移角。如果系統(tǒng)的輸入電壓與電流無(wú)相移（即系統(tǒng)為純電阻性），且無(wú)任何諧波分量（即DF=1），該系統(tǒng)的PF必然等于1。遺憾的是，目前絕大多數(shù)電子設(shè)備與工頻電網(wǎng)相接的輸入整流濾波單元都采用不控二極管和大容量電解電容器組成，網(wǎng)側(cè)電流的瞬時(shí)值相當(dāng)高（一般約為IRMS的2倍3倍），持續(xù)時(shí)間非

9、常短（通常不超過(guò)4ms），呈嚴(yán)重非正弦化特征，故系統(tǒng)的PF遠(yuǎn)低于1。功率因子校正就是針對(duì)傳統(tǒng)不控整流電路的弊病，采取相應(yīng)的電路措施，在提高系統(tǒng)DF值的同時(shí)，盡量減小輸入基波電流和電壓的相移，最終實(shí)現(xiàn)PF值等于1的目標(biāo)。圖2所示為電子鎮(zhèn)流器中常用的升壓型有源功率因子校正電路。控制電路以輸入電壓信號(hào)作基準(zhǔn)，輸入電流和輸出電壓信號(hào)的乘積作調(diào)制源，得到正弦脈寬調(diào)制（SPWM）信號(hào)給升壓型DC/DC功率變換電路，以調(diào)節(jié)功率開(kāi)關(guān)的通、斷時(shí)間比，最后獲得穩(wěn)定的直流高壓。升壓型功率變換電路中的功率開(kāi)關(guān)器件，由于在控制電路輸出的SPWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)下高速通、斷，故可確保流經(jīng)與整流橋相串聯(lián)的電感中的電流波形為正弦波，

10、且與輸入電壓同相，從而得到系統(tǒng)輸入電流的失真因子=1和1=0,即cos1=1,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率因子為1。圖2電子鎮(zhèn)流器中的PFC電路2.2逆變電路逆變電路最主要的功能是將經(jīng)功率因子校正電路輸出的高壓直流變換為供熒光燈使用的高頻交流。圖3所示為電子鎮(zhèn)流器中最常用的電流饋送推挽零電壓開(kāi)關(guān)（ZeroVoltageSwitching，ZVS）諧振逆變電路及其相關(guān)波形。圖中功率MOSFET推挽管（V1和V2）在占空比為50的驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)下交替地通、斷，并在功率變壓器初級(jí)電感和電容構(gòu)成的并聯(lián)諧振回路中電流過(guò)零時(shí)換向，實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS），對(duì)高壓直流實(shí)行斬波。零電壓開(kāi)關(guān)能消除與MOSFET管的輸出電容和寄生

11、電容充電相關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗，而且柵極驅(qū)動(dòng)電荷最小，有利于減少柵極的損耗。圖3右側(cè)所示為功率變壓器初級(jí)所呈現(xiàn)的電壓和流過(guò)的電流波形。由于功率變壓器次級(jí)耦合得到的高頻交流是直接饋送至燈路網(wǎng)絡(luò)的，故燈電流（即功率變壓器次級(jí)電流）與逆變電路的輸出電流（即功率變壓器初級(jí)電流）不存在相移?？紤]到燈網(wǎng)絡(luò)的總阻抗在高頻時(shí)會(huì)減小，以及熒光燈自身的負(fù)阻特性，可以發(fā)現(xiàn)隨著燈電流的減?。ㄏ喈?dāng)于燈的光強(qiáng)減弱），逆變電路的圖3電流饋送推挽ZVS諧振逆變電路及相關(guān)波形輸出電流將會(huì)增加。2.3燈電路網(wǎng)絡(luò)燈電路網(wǎng)絡(luò)除須將逆變電路輸出的高頻交流功率輸送給燈管，完成電光的高效轉(zhuǎn)換外，還包括諸如燈絲預(yù)熱、燈電流檢測(cè)反饋以及整個(gè)電子鎮(zhèn)流器

12、系統(tǒng)的輔助供電源等功能。圖4為實(shí)用雙燈管燈電路網(wǎng)絡(luò)的實(shí)例。圖中功率變壓器T初級(jí)接逆變電路，通過(guò)電容直接向燈管輸送燈正常發(fā)光所需的燈電流，次級(jí)繞組則向燈管提供預(yù)熱和維持工作的燈絲電流。電流互感器TA執(zhí)行對(duì)燈電流的檢測(cè)和傳感，通過(guò)燈電流的變化隨時(shí)將有關(guān)燈工作情況的信號(hào)送往控制電路?？刂齐娐房筛鶕?jù)燈電流的大小（甚至包括燈管脫連和斷路），判斷燈的發(fā)光強(qiáng)弱，然后向逆變電路發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)。圖4燈電路網(wǎng)絡(luò)示例2.4控制電路高性能電子鎮(zhèn)流器專用的控制電路應(yīng)該具有包括功率因子校正、燈光調(diào)節(jié)、開(kāi)燈預(yù)熱、燈管斷路警報(bào)、燈再起動(dòng)程序調(diào)控等一系列功能。目前，國(guó)內(nèi)外器件市場(chǎng)上出現(xiàn)的一些供電子鎮(zhèn)流器用的集成電路控制器，

13、基本上多是以PFC控制為主，適當(dāng)添加燈路控制功能，或通過(guò)外部電路實(shí)施燈路控制的產(chǎn)品。相關(guān)產(chǎn)品列于表2，以供參考。值得強(qiáng)調(diào)的是，表2所列產(chǎn)品中，真正稱得上高性能電子鎮(zhèn)流器專用的集成控制器只有美國(guó)微線性公司的ML4830/31/32/33系列產(chǎn)品。3ML4830系列高性能電子鎮(zhèn)流器專用集成控制器表2電子鎮(zhèn)流器用集成電路控制器產(chǎn)品簡(jiǎn)表制造廠家型號(hào)工作模式備注MicroLinearML4830ML4831ML4832ML4833平均電流型，升壓式峰值電流型，升壓式平均電流型，升壓式峰值電流型，升壓式可調(diào)預(yù)熱，燈電流可控MotorolaMC34261MC34262峰值電流型，升壓式峰值電流型，升壓式Un

14、itrodeUC3871ZVS推挽驅(qū)動(dòng)，降壓式燈開(kāi)路檢測(cè)SiemensTDA4816TDA4817連續(xù)電流，升壓式不連續(xù)電流，升壓式有起動(dòng)、停止電路單環(huán)控制SiliconGeneralSG3561電壓型，升壓式韓國(guó)三星KA7514KA7524峰值電流，升壓式ML4830/31/32/33是美國(guó)微線性公司專為高性能電子鎮(zhèn)流器開(kāi)發(fā)的集成電路控制器。第一代產(chǎn)品ML4930已淘汰；第二代產(chǎn)品ML4831系采用雙極型集成電路工藝制造；第三代產(chǎn)品ML4832采用Bicmos工藝替代原先的雙極型工藝，電路偏置電流大大減小，自耗顯著降低；第四代產(chǎn)品ML4833不僅采用Bicmos工藝，內(nèi)部結(jié)構(gòu)亦有重大改進(jìn)，故

15、功能增強(qiáng)，性能更好。這些器件盡管都可采用圖5功能框圖，實(shí)際上ML4831和ML4832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及ML4833的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分別如圖6及圖7所示。圖5ML4831/32/33功能框圖圖6ML4831/32內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖圖7ML4833內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖3.1ML4831/32功能簡(jiǎn)介ML4831/32均為由平均電流控制的連續(xù)電流型升壓式功率因子校正級(jí)組成,具有多種鎮(zhèn)流控制環(huán)節(jié)的電子鎮(zhèn)流器專用控制電路。燈管起輝和再起動(dòng)定時(shí)能通過(guò)選用外電路元件實(shí)現(xiàn)，從而可對(duì)不同類型的燈管進(jìn)行寬范圍的控制。鎮(zhèn)流環(huán)節(jié)采用調(diào)頻和調(diào)節(jié)壓控振蕩器頻率范圍的附加可編程方法，對(duì)燈功率控制，故適應(yīng)各種類型的輸出網(wǎng)絡(luò)。ML4831/32中的增

16、益調(diào)制器對(duì)大功率開(kāi)關(guān)器件切換造成的干擾有很強(qiáng)的抗擾能力。如圖6所示，增益調(diào)制器的輸出將作為電流誤差放大器的基準(zhǔn)出現(xiàn)在放大器的反相輸入端，數(shù)值為式中：Isine是取自交流輸入的電流；UEA為誤差放大器的輸出（管腳1）。增益調(diào)制器的輸出限為1V。PFC控制環(huán)節(jié)中的PWM調(diào)整器將通過(guò)管腳4傳感電阻上產(chǎn)生的負(fù)電壓，對(duì)由乘法器輸出產(chǎn)生的正電壓進(jìn)行補(bǔ)償。同時(shí)通過(guò)每周限流對(duì)功率MOSFET實(shí)施防高速電流瞬態(tài)的保護(hù)。一旦管腳4的電壓低于1V，PWM周期便馬上終止。ML4831/32的過(guò)壓保護(hù)（OVP）端（管腳18）用于當(dāng)燈管突然脫開(kāi)時(shí)保護(hù)功率電路免受高壓傷害。利用分壓電阻直接掛到高壓直流總線的方式可對(duì)OVP的

17、起跳點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置。只要管腳18的電壓超過(guò)2.75V，功率因子校正（PFC）晶體管將被截止，鎮(zhèn)流環(huán)節(jié)的工作仍可繼續(xù)。OVP的閾值應(yīng)設(shè)定在功率器件能安全工作，但又不太低以致影響升壓型功率變換環(huán)節(jié)工作的數(shù)值上。器件內(nèi)部的運(yùn)算跨導(dǎo)放大器執(zhí)行PFC的電壓反饋、電流傳感和環(huán)流放大三方面工作。該跨導(dǎo)放大器按具有小信號(hào)正向跨導(dǎo)比較低的特性設(shè)計(jì)，以使在補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中可采用大阻值電阻作負(fù)載及小容量（97.5效率85燈管電源波峰系數(shù)1.70 總諧波失真（THD）起動(dòng)時(shí)間/ms工作電壓范圍/V160260最低起動(dòng)溫度/0燈管連接方式串聯(lián)或并聯(lián)均可5結(jié)論鑒于目前市場(chǎng)上低檔電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)品，質(zhì)量低劣、可靠性差、失效率高，而且參數(shù)

18、與日光燈管不匹配，影響燈管的發(fā)光效率和使用壽命，電路輸出的高次諧波含量高，對(duì)電網(wǎng)干擾大等缺點(diǎn)，高性能電子鎮(zhèn)流器的開(kāi)發(fā)研制，無(wú)論從社會(huì)效益，還是經(jīng)濟(jì)效益方面看，都是一項(xiàng)非常迫切的任務(wù)。另外，高性能電子鎮(zhèn)流器的價(jià)格盡管高于老式電感型鎮(zhèn)流器，但考慮電費(fèi)上漲及元器件價(jià)格下降等因素，從長(zhǎng)期節(jié)電的費(fèi)用上考慮還是能得到明顯補(bǔ)償?shù)?，所以高性能電子?zhèn)流器的發(fā)展前景仍然看好。特別是隨著城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，無(wú)論建筑、街道、居室的照明和美化都離不開(kāi)新光源的裝飾，各種現(xiàn)代光源專用鎮(zhèn)流器的開(kāi)發(fā)研制必將形成熱點(diǎn)。本文介紹的美國(guó)微線性公司ML4831/32/33高性能電子鎮(zhèn)流器專用集成控制器，希望能對(duì)我國(guó)高性能電子鎮(zhèn)流器及現(xiàn)代光源專用鎮(zhèn)流器的開(kāi)發(fā)研制起到借鑒和促進(jìn)的作用。參考文獻(xiàn)1 Micro Linear Corporation .Electronic Ballast Controller ML4831. Micro Linear 1997 Databook, 1997： 9 17 9 30 2 Micro Linear Corporation.Electronic Ballast Controller ML4832. Micro Lin