可调光荧光灯交流电子镇流器设计

只看该作者 · 2020-4-7 23:26

可调光荧光灯交流电子镇流器设计

引言

　　目前节能灯是应用最广泛的一种电光源。虽然因半导体照明的异军突起，电子节能灯已不再处于照明领域的技术前沿，但其发展潜力是不容置疑的。在普通照明领域，LED光源在相当长的时间内不可能完全取代节能灯。

　　面对全球能源短缺的严峻形势，调光技术在照明领域日益引起人们的关注。用户根据实际需要对节能灯进行调光，是一种节能的举措。对节能灯调光，有数种方案可供选择。其中，三端双向晶闸管（Triac）传统调光器，是一种低成本简单模拟调光方案。采用Triac调光器对基于控制IC的电子镇流的节能灯调光，其基本前提是镇流器控制IC必须具备可调光功能。可调光节能灯控制芯片有很多，ST公司生产的L6574就是其中的一种代表性器件。

　　1 可调光镇流器控制器L6574简介

L6574采用16引脚SO和DIP封装，引脚排列如图1所示。

　　图1 L6574的引脚排列

　　表1列示了L6574的各个引脚功能。

　　表1 L6574的引脚功能

　　L6574的工作原理可以用图2来说明。

　　图2 L6574工作原理图

　　L6574上、下两个驱动器指定驱动外接半桥开关（MOSFET）。L6574含有压控振荡器和灯丝预热定时比较器。当IC振荡器启动后，首先输出预热频率fPRE，其值由IC引脚2上的外接电阻RPRE、引脚4上的外接电阻RING和引脚3上的外接电容CF设定，计算公式是：

　　灯丝加热时间tPRE由IC引脚1外部接地电容CPRE设定，并可按照（2）式计算：

　　预热结束后，频率从fPRE向低处的正常运行频率fING扫描。当频率通过负载LC网络的谐振频率时，在灯电容上产生一个高压脉冲将灯点亮。点灯时间tIGN为预热时间的10%，即：

　　灯引燃后，在运行频率fING上工作。fING可以按照（4）式计算：

　　L6574含有一个高输入阻抗、宽带、大共模范围和低输出阻抗的运算放大器，用来闭环控制灯光电流，并实现调光功能。

　　L6574引脚EN1、EN2内部是门限电压为0.6V的比较器，可以识别来自输入端上的小于200ns的短脉冲，对过电压或灯丝熔断、灯未接入起保护作用。当IC引脚EN1出现高电平时，则强制IC进入关闭模式，振荡电路停止振荡。当引脚EN2输入高电平电压时，IC重新进入启动时序。

　　L6574引脚VS上的导通电压为10.2V，欠电压关闭门限时8V，VS电压被内部稳压二极管箝位在15.6V的电平上。

2 基于L6574的典型可调光镇流器电路

　　基于L6574的典型58W可调光镇流器半桥逆变器和谐振输出级电路如图3所示。

　　图3 基于L6574的58W镇流器电路

　　根据国际标准IEC61000-3-2要求，由于灯功率>25W，所以必须采用功率因数校正（PFC）。图3电路的前端，是基于L6561的有源PFC升压转换器，为图3所示的镇流器部分提供400V的DC总线电压，并保证系统输入功率因数达0.99，AC输入电流总谐波失真（THD）<10%。

　　启动电阻R3和R4连接在桥式整流输出端，而不是连接在DC400V的母线上，可以使R3和R4承受较低的电压。IC2启动后，只要半桥开始产生输出，高频电压经C11耦合，VD2整流和C6、C20滤波，加至IC2引脚12，为IC2供电。引脚12上的电压VS被VDZ1箝位在14V。

　　IC2引脚2上的电位器R14调至最大时的电阻值是4.7kΩ，因此，RPRE=R13+R14+R15=100kΩ+4.7kΩ+1.5kΩ=106.2kΩ。IC2引脚4上的接地电阻R19=RING=100kΩ，引脚3上的电容C13=CF=470PF，引脚1上的电容C14=CPRE=0.82μF，按照（1）～（4）式计算：

　　fPRE=60kHz，tPRE=1.2s，tIGN=0.12s，fING≈30kHz。

　　如果灯管未接入，IC2引脚12上的电压VS经电阻R26和R27加至引脚8（EN1），CMOS比较器将强制IC2进入关闭模式，半桥电路截止。在灯丝预热之后，如果灯不能被点亮，电阻R30上将产生一个额外电压，经VD4整流和C15滤波，加至IC2引脚9（EN2），IC2则重新进入预热和点灯程序。

　　半桥下面MOSFET源极上连接的R25是电流检测电阻，R25上的电流检测信号经R33加至IC2的引脚6（OPIN_）。IC2的引脚5（OPOUT）与引脚4（RING）之间连接VD3和R18，VD3的作用是防止开关频率低于由R13等设定的频率。在灯点火时，R25上的电压增加，IC2中的运算放大器则开始对灯电流进行闭环控制。调节R14的电阻值，则可以改变开关频率，从而调节灯电流和灯功率，实现调光功能。

　　3 Triac调光器调光的实现

　　1）普通电子镇流器利用Triac调光器调光会出现灯闪烁

　　白炽灯是一种纯正电阻性负载，利用传统Triac调光器对白炽灯进行调光，Triac在AC输入正弦波的任意时刻都能被触发导通，直到正弦电压接近零时才被关断。因此，白炽灯可以实现几乎从0%到100%的平滑调光。

　　电子镇流器的情况与白炽灯比较是完全不同的，Ttiac调光器连接在桥式整流器（或EMI滤波器）输入端，如图4所示。

　　图4 Triac调光器连接在桥式整流器输入端

　　我们先不考虑调光器接入的情况。由于整流二极管具有单向导电性，只有正向偏置时才会导通。只有在AC输入电压峰值附近，AC电压才会高于储能电容C1上的电压，二极管才会有电流通过。因此，AC输入电流不再呈正弦形状，而是高幅度的尖峰脉冲，如图5所示。在10ms的半周期中，二极管导通时间仅约3ms，对应的导通角仅约60°。

　　图5 不考虑调光器时AC输入电压、输入电流和整流滤波输出电压

　　当将白炽灯使用的调光器连接在电子镇流器输入端（见图4）时，Triac只有在AC输入电压大于平滑电容器C1上的电压时才会被触发导通。这样虽然在一定程度上也能对荧光灯进行调光，但会使灯光闪烁，不能实用。

　2）Triac调光解决方案

　　为了实现采用白炽灯可控硅调光器对电子镇流器的平滑调光，消除灯闪烁，解决方案如图6所示。

　　除了对灯电流感测反馈之外，还要对调光器之后的AC输入电压进行感测，并将感测信号输入到L6574的运算放大器的同相端，作为参考控制电压。电压检测电路非常简单，可利用一个电阻分压器采样，然后加一个整流滤波网络。

　　对调光器之后的电压进行检测，实际上是对调光电位器的旋钮位置（亦即Triac的导通角）进行控制。

　　为了实现平滑调光，必须对镇流器电路附加一个单级PFC电路。在图6中，C2、C3、VD5、VD6、L2、C3和功率MOSFETVT1、VT2则为单级PFC电路。

　　为了说明单级功率因数校正（PFC）电路的工作原理，我们假定开关的死区时间（即VT1关断后到VT2导通之间的时间间隔）可以忽略；VT1与VT2的占空比为50%；在一个开关周期内，电容C2和C3上的电压是恒定的。图7给出了一个开关周期中通过电感L2的电流iL2的波形。

　　iL2可以分为4个阶段。

　　t0～t1：该时段L2充电。在t=t0时，VT1已开通，VT2断开，C2通过VD5、VT1给L2充电，iL2线性增大，在t1时刻，VT1关断，VT2开通，iL2达到正向峰值。

　　t1

　　t2

　　t3

　　事实上，单级PFC电路是由两个升压电路构成的，iL2双向工作，并且在临界不连续模式操作。加入单级PFC电路后，AC输入电流可连续通过整流器中的二极管，Triac几乎可以在0°～180°的任意时刻上被触发导通，直到AC正弦电压接近零时才被关断，这样就扩大了调光范围。

　　图6 Triac调光解决方案框图

　　对于图6所示的电路，如果负载是20W的节能灯，并且AC输入电压范围为180～260VAC，最低开关频率是45kHz，L2=L1=2.8mH，C1=10μF，C4=0.1μF，C5=5.6nF，VT1和VT2为STD4NK50型MOSFET，在220V/50Hz下的调光特性如图8所示。

　　图7 单个开关周期电感L2电流

　　图8 220Vac、50Hz条件下的调光特性

　　其中，Ton为Triac在AC线路半周期（10ms）内的导通时间，Plamp是实测灯功率。从图8可以看到，随着Triac导通时间的增加，灯功率相应增加，从而使灯亮度增加。反之，Ton越短，灯功率则越小，灯光也就越暗。

　　图9为AC输入电压和电流波形。由该图可以看出，虽然AC电流在其峰值附近出现了尖峰，但Triac在任意点上都可以导通，在半周期中的整流二极管导通几乎从0°到180°，而未采用单级PFC电路时的导通角仅为60°（见图5），线路功率因数达到0.9以上。当然，加入单级PFC电路的目的最主要的还是使Triac在0°～180°之间的任意点都可以被触发导通。