摘 要 ： 介 绍 了 一 款 低 成 本 、 多 功 能 电 子 镇 流 器 控 制 芯 片 IR2156， 其 主 要 应 用 于 紧 凑 型 节 能 灯 和 普 通 荧 光 灯 的 电 子 镇 流 器 。 详 细 给 出 了 该 芯 片 的 特 点 、 电 参 数 、 工 作 原 理 和 应 用 。
关键词 ： 欠 压 锁 定 ； 预 热 模 式 ； 触 发 模 式 ； 运 行 模 式 ； 故 障 模 式
1 引 言
IR2156是 IR 公 司 最 新 推 出 的 多 功 能 、 低 成 本 电 子 镇 流 器 控 制 芯 片 ， 它 由 一 个 高 压 半 桥 门 极 驱 动 器 和 一 个 频 率 可 调 振 荡 器 组 成 。 具 有 预 热 频 率 和 运 行 频 率 可 调 ， 预 热 时 间 可 调 ， 死 区 时 间 可 调 ， 以 及 过 流 门 限 可 调 等 特 性 。 完 善 的 保 护 性 能 ， 诸 如 灯 管 触 发 失 败 保 护 ， 灯 丝 故 障 保 护 以 及 自 动 重 启 动 功 能 都 设 计 在 其 中 。 IR2156具 有 DIP14及 SOIC14两 种 封 装 。 图 1是 其 内 部 原 理 框 图 。
2 主 要 电 气 特 性
2.1 主 要 电 气 特 性
主 要 电 气 特 性 见 表 1。 除 非 另 有 说 明 ， 一 般 情 况 下 ：
VCC=VBS=VBIAS=14 V± 0.25 V,VVDC=OPEN,RT=39.0 kΩ ,RPH=100.0 kΩ ,CT=470pF,VCPH=0.0 V, VCS=0.0 V,VSD=0.0 V,CLO， HO=1 000 pF,Ta=25 ℃ 。
2,2 推 荐 工 作 条 件
推 荐 工 作 条 件 见 表 2。
3 IR2156管 脚 排 列 及 功 能
器 件 管 脚 排 列 见 图 2， 管 脚 功 能 见 表 3。
4 功 能 简 介
4.1 欠 压 关 断 （ UVLO） 模 式
欠 压 关 断 模 式 是 当 供 电 电 压 VCC低 于 IC的 开 启 门 限 电 压 时 ， IC不 工 作 。 IR2156的 欠 压 关 断 模 式 要 求 供 电 电 流 最 小 保 持 在 200 μ A以 上 ， 保 证 IC正 常 工 作 并 驱 动 高 低 端 输 出 。 图 3为 典 型 的 从 直 流 母 线 馈 电 和 从 镇 流 器 输 出 级 充 电 泵 共 同 为 IR2156供 电 的 例 子 。 通 过 供 电 电 阻 (RSUPPLY)的 电 流 一 部 分 作 为 启 动 电 流 流 入 IC， 其 余 给 启 动 电 容 (CVCC)充 电 。 电 阻 应 能 供 应 两 倍 的 最 大 启 动 电 流 ， 以 保 证 镇 流 器 在 低 电 压 输 入 下 启 动 。 一 旦 VCC脚 电 容 电 压 到 达 启 动 门 限 ， 且 SD脚 电 压 低 于 4.5 V， 则 IC开 始 工 作 ， HO， LO振 荡 。 由 于 IC工 作 电 流 增 大 ， 电 容 开 始 放 电 见 图 4。
在 放 电 期 间 ， 充 电 泵 产 生 的 整 流 电 流 给 电 容 充 电 ， 使 VCC电 压 高 于 IC关 断 门 限 ， 充 电 泵 和 IC内 置15.6V稳 压 管 来 提 供 供 电 电 压 。 启 动 电 容 和 缓 冲 电 容 要 有 足 够 的 容 量 ， 使 供 电 电 流 满 足 镇 流 器 工 作 需 要 。 自 举 二 极 管 （ DBOOT） 和 自 举 电 容 （ CBOOT） 提 供 高 端 驱 动 电 路 的 工 作 电 压 。 为 了 在 HO脚 的 第 一 个 脉 冲 前 就 给 高 端 供 电 ， 因 此 输 出 驱 动 的 第 一 个 脉 冲 来 自 LO脚 。 在 欠 压 关 断 状 态 ， 高 端 和 低 端 输 出 驱 动 HO和 LO都 为 低 电 平 ， CT脚 在 内 部 连 接 到 COM使 镇 流 器 停 止 振 荡 ， CPH脚 在 内 部 连 接 到 COM使 预 热 时 间 复 位 。
注：VCC引线要有足够的电流使内部的15.6V的
稳压管能够稳住电压。
4.2 预 热 （ PH） 模 式
图 5为 预 热 电 路 。 预 热 模 式 工 作 于 灯 管 灯 丝 开 始 加 热 直 至 灯 丝 达 到 正 常 的 点 燃 温 度 ， 它 是 延 长 灯 管 寿 命 和 降 低 点 燃 电 压 所 必 需 的 步 骤 。 当 VCC超 过 UVLO门 限 时 进 入 预 热 模 式 。 LO和 HO开 始 以 50％ 占 空 比 的 预 热 频 率 振 荡 , 死 区 时 间 由 外 部 定 时 电 容 CT和 内 部 死 区 时 间 电 阻 RDT决 定 。 CPH脚 与 COM断 开 ， 内 部 5μ A电 流 源 给 CPH脚 外 接 的 预 热 时 间 电 容 充 电 。 CS脚 的 过 流 保 护 在 预 热 期 间 被 屏 蔽 掉 。
预 热 频 率 由 并 联 的 电 阻 RT和 RPH， 以 及 定 时 电 容 CT决 定 。 CT分 别 在 到 达 （ 1/3） VCC和 (3/5)VCC电 压 时 充 电 和 放 电 ， RT和 RPH并 联 后 内 部 连 接 到 VCC， 通 过 MOS管 S1对 CT指 数 充 电 （ 见 图 1） 。 CT的 充 电 时 间 为 （ 1/3） VCC至 （ 3/5） VCC,分 别 驱 动 LO和 HO。 一 旦 CT电 压 超 过 （ 3/5） VCC， MOS管 S1关 断 ， 电 阻 RT和 RPH与 VCC断 开 。 CT通 过 内 部 电 阻 RDT穿 过 MOS管 S3对 COM以 指 数 放 电 。 CT的 放 电 时 间 为 （ 3/5） VCC到（ 1/3） VCC， 即 输 出 门 极 驱 动 LO和 HO的 死 区 时 间 。 CT的 容 量 要 根 据 RDT和 要 求 的 死 区 时 间 来 选 取 。 一 旦 CT放 电 至 低 于 （ 1/3） 的 VCC, MOS管 S3关 断 ， RDT与 COM断 开 ， MOS管 S1导 通 ， RT和 RPH连 接 到 VCC。 工 作 频 率 始 终 保 持 在 预 热 频 率 直 到 CPH 脚 电 压 超 过 13V， IC进 入 触 发 模 式 。 在 预 热 模 式 期 间 ， 当 CPH脚 电 压 高 于 7.5V时 ， 恢 复 过 流 保 护 和 DC总 线 欠 压 复 位 功 能 。
4.3 触 发 （ IGN） 模 式
触 发 电 路 如 图 6所 示 。 触 发 模 式 是 指 建 立 触 发 灯 管 所 需 的 高 电 压 并 触 发 灯 管 。 当 管 脚 CPH上 的 电 压 超 过 13V， IR2156进 入 触 发 模 式 。
管 脚 CPH内 部 连 接 到 一 个 P沟 道 的 MOSFET （ S4） 的 门 极 ， S4连 接 管 脚 RPH和 RT。 当 管 脚 CPH上 的 电 压 超 过 13 V时 ， S4的 G S电 压 开 始 低 于 S4的 开 通 门 限 。 管 脚 CPH上 的 电 压 持 续 向 VCC上 升 ， S4缓 慢 关 断 ， 这 样 就 使 电 阻 RPH平 滑 地 从 RT上 断 开 ， 同 时 使 工 作 频 率 平 滑 地 过 渡 到 触 发 频 率 ， 再 过 渡 到 最 终 的 运 行 频 率 。 管 脚 CS的 过 流 保 护 功 能 可 以 在 触 发 失 败 或 灯 丝 开 路 时 保 护 镇 流 器 。 外 部 电 流 检 测 电 阻 RCS上 的 电 压 即 为 管 脚 CS的 电 压 。 RCS定 义 镇 流 器 可 提 供 的 最 大 峰 值 电 流 （ 以 及 触 发 电 压 ） 。 峰 值 触 发 电 流 必 须 低 于 MOSFET所 能 承 受 的 最 大 电 流 。 当 CS上 的 电 压 超 过 内 部 的 1.3 V门 限 ， IC进 入 故 障 模 式 ， 输 出 驱 动 HO和 LO都 被 锁 定 为 低 电 平 。
4.4 运 行 (RUN)模 式
当 灯 管 触 发 成 功 后 ， 镇 流 器 进 入 运 行 模 式 。 运 行 模 式 是 指 灯 弧 已 经 建 立 ， 灯 管 以 给 定 的 功 率 工 作 时 IC所 处 的 状 态 。 运 行 模 式 的 振 荡 频 率 是 由 定 时 电 阻 RT和 定 时 电 容 CT决 定 的 。
4.5 DC总 线 欠 压 复 位
当 DC总 线 电 压 过 低 时 ， 灯 管 的 输 出 级 频 率 会 接 近 或 低 于 谐 振 频 率 ， 这 时 会 造 成 硬 开 关 ， 并 破 坏 半 桥 的 开 关 。 为 了 防 止 这 种 现 象 的 发 生 ， 管 脚 VDC测 量 DC总 线 的 电 压 ， 并 在 脚 VDC上 的 电 压 下 降 到 10.9V并 低 于 VCC时 ， 线 性 拉 低 管 脚 CPH电 压 ， 这 样 使 得 P沟 道 MOSFET S4在 DC总 线 降 压 时 开 通 ， 并 使 频 率 向 上 提 高 到 高 于 谐 振 点 的 一 个 安 全 的 工 作 频 率 。 频 率 变 化 值 由 外 部 电 阻 RBUS和 内 部 电 阻 RVDC决 定 。 通 过 拉 低 管 脚 CPH， 触 发 斜 率 也 被 复 位 。 当 DC总 线 电 压 过 低 时 ， 整 流 器 不 进 行 触 发 ， 当 DC总 线 电 压 再 次 上 升 时 ， IC将 进 行 自 动 再 触 发 。 当 CPH上 的 电 压 超 过 7.5V 时 （ 预 热 模 式 期 间 ） ， 内 部 电 阻 RVDC连 接 到 管 脚 VDC 和 COM之 间 。
4.6 故 障 (FAULT)模 式
在 预 热 模 式 过 后 的 任 何 时 间 ， 当 电 流 检 测 脚 CS上 的 电 压 超 过 1.3 V时 ， IC进 入 故 障 模 式 ， 驱 动 输 出 HO和 LO都 被 置 位 为 低 电 平 。 CPH向 COM放 电 ， 复 位 预 热 时 间 ， 同 时 CT向 COM放 电 ， 关 断 振 荡 器 。 要 想 退 出 故 障 模 式 ， VCC电 压 必 须 下 降 至 低 于 UVLO的 下 门 限 ， 或 者 关 断 脚 SD的 电 压 拉 高 至 大 于 5.1 V。 这 两 种 方 式 都 可 以 使 IC进 入 UVLO模 式 ， 一 旦 脚 VCC电 压 大 于 开 通 门 限 ， 同 时 SD低 于 4.5 V， IC将 进 入 预 热 模 式 开 始 振 荡 。
5 设 计 步 骤 1）
5.1 设 置 死 区 时 间
通 过 定 时 电 容 CT和 内 部 死 区 时 间 电 阻 RDT可 以 定 义 LO和 HO的 死 区 时 间 tDT。 死 区 时 间 为 电 容 CT上 的 电 压 从 （3/5） VCC到 （1/3） VCC的 放 电 时 间 。 公 式 如 下 ：
或 tDT=CT· 1475 s（1）
CT=tDT/1475 F（2）
5.2 设 置 运 行 频 率
最 终 的 运 行 频 率 fRUN由 定 时 电 阻 RT和 定 时 电 容 CT设 置 。 电 容 CT上 的 电 压 从 （ 1/3） VCC到 （ 3/5） VCC的 充 电 时 间 为 输 出 驱 动 HO和 LO的 开 通 时 间 。 运 行 频 率 的 计 算 公 式 如 下 ：
5.3 设 置 预 热 频 率
预 热 频 率 fPH由 定 时 电 阻 RT和 RPH、 定 时 电 容 CT设 置 。 在 预 热 模 式 期 间 ， 定 时 电 阻 通 过 内 部 连 接 方 式 并 联 。 预 热 频 率 计 算 公 式 如 下 ：
5.4 设 置 预 热 时 间
预 热 时 间 tPH由 接 在 脚 CPH上 的 电 容 从 0充 电 到 13 V的 时 间 决 定 。 一 个 内 部 的 5 μ A电 流 源 流 入 管 脚 CPH。 预 热 时 间 的 计 算 公 式 如 下 ：
5.5 设 置 最 大 触 发 电 流
最 大 触 发 电 流 IIGN由 外 部 电 阻 RCS和 内 部 1.3 V门 限 共 同 决 定 。 该 门 限 定 义 镇 流 器 的 过 流 点 ， 触 发 频 率 靠 近 谐 振 点 或 灯 管 触 发 失 败 时 ， 会 超 过 这 个 门 限 。 最 大 触 发 电 流 计 算 公 式 如 下 ：
6 设 计 实 例
根 据 以 上 公 式 ， 按 照 42 W紧 凑 型 电 子 镇 流 器 要 求 ， 计 算 所 有 元 件 参 数 (具 体 计 算 略 )。 计 算 值 向 元 件 标 称 值 靠 并 通 过 实 验 做 细 调 ， 元 件 取 值 如 下 ：
CT=470 pF,RT=43 kΩ ,RPH=68 kΩ ,
CPH=0.22 μ F,RCS=0.61 Ω 。
这 样 ， 一 个 功 能 完 善 的 镇 流 器 就 设 计 好 了 。 将 其 安 装 并 测 试 其 计 算 值 ， 根 据 元 件 的 离 散 性 稍 加 调 整 ， 镇 流 器 就 可 在 典 型 状 态 下 工 作 。 具 体 运 行 参 数 见 表 4。
7 典 型 波 形
预 热 时 灯 丝 电 压 波 形 如 图 7所 示 。 预 热 、 触 发 和 运 行 时 灯 电 压 波 形 如 图 8所 示 。
运 行 时 半 桥 输 出 电 压 和 RCS上 的 电 压 波 形 如 图 9所 示 。 触 发 失 败 时 灯 电 压 和 RCS上 的 电 压 波 形 如 图 10所 示 。
8 结 语
IR2156是 一 款 功 能 完 善 、 性 能 稳 定 和 成 本 低 廉 的 电 子 镇 流 器 控 制 集 成 电 路 。 该 IC既 可 应 用 于 直 管 莹 光 灯 ， 也 可 应 用 于 紧 凑 型 节 能 灯 ， 其 预 热 和 故 障 保 护 功 能 大 大 提 高 了 灯 管 和 镇 流 器 的 寿 命 。 极 具 实 用 推 广 价 值 。
