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一种采用FAN7710V控制IC的低成本高性能节能灯镇流器

发布时间:2020-06-29 发布时间:
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摘要:FAN7710V是一种将镇流器控制电路和半桥高、低端功率MOSFET集成在同一芯片上的新型IC。基于FAN7710V的节能灯镇流器,仅有20个元件,具有灯丝预热时间、预热频率、正常运行频率可编程和有源零电压开关(ZVS)控制及过热和灯开路保护等特点。文中简要介绍了FAN7710V的主要特点,详细介绍了基于FAN7710V的节能灯镇流器原理与设计。

关键词:FAN7710V;节能灯;镇流器;预热;ZVS;无灯/过热保护

  引言

  目前电子节能灯已在世界范围内得到广泛应用。在我国,早就把推广应用电子节能灯作为一项节能减排的重大举措。在最近几年中,我国政府为了进一步推广应用电子节能灯,像家电下乡一样,采取了财政补贴政策,使消费者从中受益。

  所谓电子节能灯,主要是指采用电子镇流器的紧凑型荧光灯(CFL)。镇流器和节能灯是一体化的,安装和更换像白炽灯灯泡一样方便。电子节能灯对镇流器的基本要求是:电路尽可能简单,元件数量少,成本低,性能稳定,安全可靠,使用寿命长。最近飞兆(Fairchild)半导体推出的FAN7710V新型镇流器控制IC,就是为满足上述这些要求而专门设计的。

  1 关于FAN7710V的一般介绍

  FAN7710V芯片集成了频率可编程振荡器、灯丝预热控制电路、死区时间(即高/低端驱动信号之间的非交迭时间,旨在防止半桥高/低端MOSFET同时导通)控制电路、自适应零电压开关(ZVS)控制器、高/低端MOSFET栅极驱动器和高/低端功率MOSFET等。其中,每个功率MOSFET的耐压达440V以上,导通态电阻RON典型值是4.6Ω(@VGS=10V,ID=190mA)。MOSFET漏-源极之间续流二极管正向压降≤1.4V(@380mA),正向电流为380mA(正向脉冲电流达3.04A)。

  FAN7710V采用温度范围为-40℃~125℃的8引脚DIP封装,符合欧盟RoHS指令。FAN7710V引脚排列如图1所示。


  FAN7710V的启动电流仅约150μA,工作电流约2.6mA,在220V的AC电压下能输出20W的功率。这种控制IC的VDD启动门限为13.4V,欠压关闭门限是11.6V,内部齐纳二极管的箝位电压是15V。FAN7710V的预热时间、预热频率和正常操作运行频率均可由外部阻容元件设定,并提供有源ZVS控制和过温度及灯开路保护。

2 基于FAN7710V的节能灯电子镇流器

  由FAN7710V控制IC组成的CFL节能灯电子镇流器电路如图2所示。

  2.1 电路组成

  图2中,LF是EMI滤波电感器,RF是可熔电阻(起保险丝作用),D1~D4和C1组成桥式全波整流滤波电路,Rstart为启动电阻,CVDD为启动和退耦电容,RT为预热和运行频率设定电阻,CPH为预热时间设置电容,DB和CB分别为自举操作二极管和电容,DP1、DP2和CCP组成的电荷泵辅助电源电路,L、CP和CS组成LCC谐振输出级。

  2.2 电路启动

  接通AC电源,220V的AC电压经D1~D4全波整流和电容C1滤波,产生约310V的DC电压加至IC(FAN7710V)的引脚VDC。同时,VDC电压经启动电阻Rstart对电容CVDD充电,如图3所示。当IC引脚VDD上的电压VDD因CVDD充电达到导通门限电平VDDTH(ST+)后(约13.4V),IC启动,如图4所示。IC引脚VDD导通后,CVDD放电,VDD电压降低,在VDD降至欠电压,关闭门限VDDTH(ST-)之前(约11.6V),电荷泵对CVDD充电,VDD电压被箝位在VCL(15V)电平上。

  2.3 自举操作

  FAN7710V启动后,振荡器产生振荡,IC内低端功率MOSFET首先导通,VDD通过二极管DB对电容充电,充电电流路径是DB→CB→IC内低端MOSFET→地,如图5所示。

 随自举电容CB充电,CB上电压升高。一旦CB上电压(VB-VOUT)达到9.2V的门限,IC内高端MOSFET导通,低端MOSFET关断。一旦IC中高端MOSFET导通,CB放电。只要CB上电压降至8.6V以下,IC中高端MOSFET关断,低端MOSFET导通。如此周而复始,IC中高端和低端MOSFET轮流导通,半桥在IC引脚OUT上输出占空比为50%的高频方波电压。

  2.4 电荷泵电路操作

  一旦半桥产生输出,在输出电压斜升沿上,电荷泵电路充电,充电电流经CCP、DP1到CVDD,如图6中的(1)所示。在输出脉冲电压斜降沿上,电荷泵放电,放电电流如图6中的(2)所示。图7为电荷泵充电和放电操作示图。

  在图7中,tDT为死区时间。

  设置了由DCP1、DCP2和CCP组成的电荷泵电路后,可以使用低功率(0.25W)的启动电阻Rstart,减小其功率损耗,有助于提高系统效率。

2.5 工作模式

  FAN7710V有4种工作模式,即预热模式、点火(点灯)模式、运行与ZVS模式及关闭模式,如图8所示。

  2.5.1 预热模式A(t0~t1)

  FAN7710V上电启动后,振荡器在最高频率上振荡,IC进入预热模式。在预热模式,预热频率fPH为正常运行(振荡)频率fosc的1.6倍,即

  fPH=1.6fOSC=1.6fRUN  (1)

  一个2μA的电流源ICH从IC引脚CPH流出对电容CPH充电,如图9所示。CPH上的充电电压达到3V时,预热时间tPH结束。预热时间tPH由CPH决定,计算公式是:

    (2)

  对荧光灯灯丝预热的目的有二:一是延长灯管使用寿命;二是降低灯触发(启动)电压。

  2.5.2 点火(触发)模式B(t1~t2)

  预热结束后,对CPH的充电电流增加到IIG(12μA),振荡器频率向运行频率fRUN偏移。CPH上的电压从3V增加到5V的过程,即为点火时间tIG,计算公式为:

    (3)

  在频率下偏扫描过程中,当频率接近LCC谐振电路的固有频率时,将发生串联谐振,在电容CP上产生一个足够高的电压(600~1200V)将灯管点燃。

  2.5.3 运行模式(>t2)和有源ZVS模式(>t3)

  当电压VCPH超过5V时,IC进入运行模式,频率fRUN被RT固定在一个不变值上,计算公式为:

  fRUN=4×109/RT  (4)

  VCPH从5V到6V(t2~t3)这段时间,为有源ZVS作准备。一旦VCPH达到6V,有源ZVS被触发,GQX死区时间tDT最短(仅1μs)。IC内部功率MOSFET工作在ZVS,有最小的功率损耗。如果ZVS失效,VCPH将降低,以增加死区时间,来满足ZVS条件。

  从预热到有源ZVS模式的瞬态波形如图10所示。图11为LCC谐振槽路的传输特性。从图11可知,LCC传输函数依据灯阻抗(RL)变化,并且预热频率fPH>点火频率fIG>运行频率fRUN

  2.5.4 关闭模式

  FAN7710V的热关闭电路感测IC的结温。只要芯片温度超过约160℃,热关闭电路将会使IC操作停止。

  如果IC引脚CPH上的电压VCPH>2-1V,IC也将进入关闭模式。图12为外部关闭电路。

  FAN7710V在关闭模式,仅消耗约250μA的电流。

2.6 灯开路检测

  FAN7710V能够自动检测灯开路故障并自动关闭。图13为灯开路和重新启动时的相关电压波形。

  2.7 元件选择

  对于图2所示的节能灯电子镇流器电路,如果AC输入电压是220V,灯管功率是20W,灯丝预热时间tPH=1s,正常运行频率fRUN=49KHz,主要元件的选择如下:

  (1)频率设置电阻RT选择

  根据(5)式可得:

  

  选择RT=82kΩ,额定功率为1/4W。

  根据(1)式,预热频率为:

  。

  (2)预热电容CPH选择

  从(3)式可得:

  

  CPH选择0.68μF/25V的标准电容器。

  根据(4)式,点灯时间为:

  

  (3)其它元件的选择

  图2电路中其它元件的选择如表2所示。

表2 其它元件的选择

  3 结束语

  采用控制器FAN7710V的节能灯镇流器,仅使用20个元器件(含IC在内),其预热时间、预热频率、点灯时间、运行频率可编程,并提供有源ZVS控制、灯开路检测和热关闭保护,是目前优选方案之一。




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