基于IR2156的电子镇流器的设计 (2).doc

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1、 摘 要本设计通过对各种镇流器的比较，根据其节能性、发光稳定性、起点可靠性、功率因数、输入功率与输出光通量、灯管寿命、噪声及是否可调光强等特性综合考虑选用镇流器集成芯片IR2156作为日光灯镇流器的主要设计芯片，构造基于IR2156的日光灯镇流器电路，并通过对其相关参数的检测，说明电子镇流器相对于传统电感镇流器的优点。先对IR2156的基本原理及功能介绍，合适地选择相应的拓扑网络和现代集成电子镇流器控制芯片，设置了相关的参数，（如死区时间，运行频率，预热频率，预热时间，最大触发电流等）制作出了节能、体积小、重量轻、工作状态稳定（避免频率闪烁）、功率因数高，灯管寿命长的荧光灯镇流器。本设计对于改

2、善我们日常生活照明环境，节省电能，使我国照明水平符合国际PFC和THD的标准具有实际性的意义。关 键 词：IR2156 ；镇流器 ；日光灯IABSTRACTThe main approach used in this design is the compare of different kinds of ballast. In terms of the comprehensive consideration of power-saving, lighting-stability, starting-stability, power-factor, power-input and light-o

3、utput, the life of lamp, noise, and lighting-intensify and so on. I choose the integrated circuit IR2156 as the main chip of my design to construct the lamp. Use the check of the system to illustrate the advantage of modern-electronic ballast over the traditional-inductive ballast. Through the intro

4、duction of the IR2156, we can choose the parameter of the circuits and the chip properly, such as the time of die, the frequency of operation, preheating time, the frequency of preheating, and the max current impulse. So we can design the power-saving, small volume, work-stabile, high power-factor,

5、and long life lamp ballast! The design is beneficial for our daily-lighting-life and power-saving; it is significant for the lighting level of our country to reach the standard of PFC and THD.KEYWORD: IR2156; ballast; lampII目 录目 录1 绪论11.1 研究意义11.2 研究目的12 镇流器介绍32.1 镇流器基本原理32.2 电感镇流器和电子镇流器的工作条件32.3 电感

6、镇流器的工作原理32.4 电子镇流器的工作原理42.5 电感镇流器与电子镇流器的优缺点53 电子镇流器控制IC IR2156简介73.1 IR2156的基本原理73.2 IR2156功能简介83.2.1 欠压关断（UVLO）模式83.2.2 预热（PH）模式103.2.3 触发（IGN）模式113.2.4 运行(RUN)模式123.2.5 DC总线欠压复位123.2.6 故障(FAULT)模式124 设计方案及步骤134.1 设计方案134.2 设计步骤134.2.1 设置死区时间134.2.2 设置运行频率134.2.3 设置预热频率134.2.4 设置预热时间144.2.5 设置最大触发电

7、流145 设计实例155.1 参数确定155.2 系统电路图165.3 典型波形186 结果分析19 IV咸宁学院学士学位论文7 结论21致 谢23参考文献25附 录27即可1绪论1绪论1.1 研究意义随着世界能源危机的出现，节约能源的紧迫感使许多公司致力于节能光源和荧光灯电子镇流器的研究，随着半导体技术飞速发展，各种高反压功率开关器件不断涌现，为电子镇流器的开发提供了条件，70年代末，国外厂家率先推出了第一代电子镇流器，是照明发展史上一项重大的创新。由于它具有节能等许多优点，引起了全世界的极大关注和兴趣，认为是取代电感镇流器的理想产品。由于微电子技术突飞猛进，促进了电子镇流器向高性能高可靠性

8、方向发展，许多半导体公司推出了专用功率开关器件和控制集成电路的系列产品，1984年，西门子公司开发出了TPA4812等有源功率因数校正电器IC，功率因数达到0.99。随后一些公司相继推出集成电子镇流器，89年芬兰赫尔瓦利公司又成功推出可调光单片集成电路电子镇流器，电子镇流器目前在全世界特别是发达国家已全国推广应用。同时，在我国气体放电灯的镇流器的节能和照明质量还没有得到足够重视。镇流器是一个高耗能器件，例如广泛应用的直管荧光灯的镇流器，其自身功耗为光源功率的13%-15%，是一个相当高的比例。因此能够设计出高能效和质量的镇流器对于我国实施绿色照明、加强电子生产技术、提高人们居家生活水平具有十分

9、重要的意义1。1.2 研究目的通过对比传统和当代的各种类型的镇流器，找出其优缺点，合适地选择相应的拓扑网络和现代集成电子镇流器，制作出节能（节约10%-20%的电力）、体积小（约为传统电感镇流器的1/5-1/3）、重量轻（约为传统电感镇流器的1/5）、工作状态稳定（避免频率闪烁）、功率因数高（高达0.95-0.99），灯管寿命长的荧光灯（寿命5000小时以上）镇流器2。1咸宁学院学士学位论文22 镇流器介绍2 镇流器介绍2.1 镇流器基本原理镇流器：通过振荡电路（传统电感镇流器使用LC谐振；现代电子镇流器使用集成电路芯片控制电路产生高频振荡），使电路以一定的频率谐振，由于谐振时电路中电流为原始

10、电路的Q倍，故可周期性点燃荧光灯，当振荡周期小于人眼视觉停留效应可以察觉的频率时，可让人感觉灯光的持续性与稳定性，这样既可以达到节能，又可以实现高压电离灯管气体发光的效果。实现此功能的部件就叫镇流器。2.2 电感镇流器和电子镇流器的工作条件a、 灯丝的预热电流3。b、 高电压启动。c、 限制工作电流。2.3 电感镇流器的工作原理图2-1电感镇流器简图3当开关闭合电路中施加220V 50HZ的交流电源时，电流流过镇流器，灯管灯丝启辉器给灯丝加热（启辉器开始时是断开的，由于施压了一个大于190V以上的交流电压，使得启辉器内的跳泡内的气体弧光放电，使得双金属片加热变形，两个电极靠在一起，形成通路给灯

11、丝加热），当启动器的两个电极靠在一起后，由于没有弧光放电，双金属片冷却，两极分开，由于电感镇流器呈感性，当电路突然中断时，在灯两端会产生持续时间约1ms-1s的600V-1500V的脉冲电压，其确切的电压值取决于灯的类型，在放3咸宁学院学士学位论文电的情况下，灯的两端电压立即下降，此时镇流器一方面对灯电流进行限制作用，另一方面使电源电压和灯的工作电流之间产生55-65度的相位差，从而维持灯的二次启动电压，使灯能更稳定的工作。电感镇流器由于结构简单、寿命长，作为第一种荧光灯镇流器，它的市场占有率还是比较大的，但是，由于它的功率因数较低，低电压启动性能差，耗能大，闪频等诸多缺点，它的市场慢慢被电子

12、镇流器所取代。（一般电感镇流器能量损耗：40W（灯管功率）+10W（电感镇流器自身发热损耗）等于整套灯具总耗电为50W。）2.4 电子镇流器的工作原理滤波器 半桥 半桥功率因数校正器 整流输出级 驱动 电压门限 灯故障 输入 灯 控制IC 图2-2 电子镇流器原理图电子镇流器是一个将工频交流电源转换成高频交流电源的变换器，工频电源经过射频干扰（RFI）滤波器，全波整流和无源（或有源）功率因数校正器（PPFC或APFC）后，变为直流电源。通过DC/AC变换器，输出20K-100KHZ的高频交流电源，加到与灯连接的LC串联谐振电路加热灯丝，同时在电容器上产生谐振高压，加在灯管两端，但使灯管放电变成

13、导通状态，再进入发光状态，此时高频电感起限制电流增大的作用，保证灯管获得正常工作所需的灯电压和灯电流，为了提高可靠性，常增设各种保护电路，如异常保护，浪涌电压和电流保护，温度保护等等3。42 镇流器介绍2.5 电感镇流器与电子镇流器的优缺点1、确保灯管寿命：传统铜铁式镇流器老化或劣化时，其所提供电流有可能过大，容易伤害灯管，造成寿命缩短，一般荧光灯灯管售价相当的高，如果使用电子镇流器比较容易保证灯管的寿命。因此只要在5,000小时内有更换灯管的记录，对业者而言，使用电子式会比传统式划算4。2、防变色：如果使用传统铜铁式安定器，使用2,000小时之后，金卤灯的色温会开始产生偏移，甚至高达30%以

14、上变色，对卖场商品产生严重影响，使用电子镇流器，至灯管寿命终了前，色温改变局限于5%以内4。3、省电：和传统铜铁式镇流器比较，电子式可以节省10%20%电力成本。4、重量轻：和传统铜铁式镇流器比较，电子式重量约为传统式的1/3左右。尤其特别适合35w及20w小瓦特数的金卤灯或者轨道式灯具的设计。5、承受电压变动：电子镇流器因为采取主动功率电路，可以承受大范围电压变动，而传统镇流器只能承受10%范围以内。6、补偿电容器：电子镇流器不需要补偿电容器。7、启辉器：电子镇流器不需要启辉器。8、频闪：电子镇流器无灯管闪烁的问题。6咸宁学院学士学位论文Equation Chapter (Next) Sec

15、tion 13 电子镇流器控制IC IR2156简介3 电子镇流器控制IC IR2156简介3.1 IR2156的基本原理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5。它有一个高压半桥门极驱动器和频率可调振荡器组成的一个功能完善的电子镇流器控制芯片。具有预热频率和运行频率可调、预热时间和死区时间可调以及过流门限可调等特性。同时，该芯片还将灯管触发失败保护、灯丝故障保护以及自动重启动等功能集成在一起。图3-1 IR2156（a) 直插式 （b) 贴片式 （c)引脚图表3-1 IR2156的引脚功能1NC不接2 Vcc逻辑及低端门极驱动供电3VDCIC启动及DC总线检测输入4

16、RT最小频率定时电阻5RPH预热频率定时电阻6CT振荡器定时电容7CPH预热定时电容8COMIC电源及信号地线9SD关断输入10Cs电流检测输入11LO低端门极驱动输出12Vs高端浮地13HO高端门极驱动输出14VB高端门极驱动浮动供电9图3-2 其内部原理框图3.2 IR2156功能简介3.2.1 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200A以上，保证IC正常工作并驱动高低端输出。图3-3为典型的从直流母线馈电和从镇流器输出级充电泵同为IR2156供电的例子。通过供电电阻(RSUPPLY)

17、的电流一部分作为启动电流流入IC，其余电流用来给启动电容(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(关断输入)脚电压低于4.5V，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3-4。图3-3 IC启动供电方式图3-4 CVCC电压在放电期间，充电泵产生的整流电流给电流充电，使VCC电压高于IC关断电压门限，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）自举电容（CBOOT）提供高端驱动电路的工作电压。

18、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。3.2.2 预热（PH）模式图3-5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5A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

19、被屏蔽。图3-5 预热电路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并联后从内部连接到VCC，通过MOS管S1对CT指数充电（见图3-1）。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3 电子镇流器控制IC IR2156简

20、介死区时间来选取。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。3.2.3 触发（IGN）模式触发电路如图3-6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。图3-6触发电路管脚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13V时，S4的G-S

21、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1.3V门限，IC进入故障模式，输出驱动HO和LO都被锁定为低电平。11 3.2.4 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

22、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。3.2.5 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MOSFETS4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

23、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。 3.2.6 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1.3V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5.1V。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4.5V，IC将进入预热模式开始振荡。 Equation Chapter (Next)

24、Section 14 设计方案及步骤4.1 设计方案选用集成镇流器控制芯片IR2156作为设计的电路主芯片，添加合适的整流（二极管整流）、滤波（RC低通滤波）半桥驱动（NMOS串联电路）、高频扼流（环形扼流圈）等电路，构建出设计要求的荧光灯镇流器。4.2 设计步骤4.2.1 设置死区时间通过定时电容和内部死区时间电阻RDT可以定义LO和HO的死区时间。死区时间为电容上的电压从VCC到VCC的放电时间。公式6如下： S （4-1） 或 F （4-2） 式中：死区时间/S； 定时电容/pF；4.2.2 设置运行频率最终的运行频率由定时电阻和定时电容决定，设置电容上的电压从1/3VCC到3/5VCC

25、的充电时间为输出驱动HO和LO的开通时间。运行频率计算公式6： Hz (4-3) 或 （4-4）式中：运行频率/Hz； 定时电阻/；4.2.3 设置预热频率预热频率由定时电阻和、定时电容设置。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6如下页所示： 咸宁学院学士学位论文 Hz (4-5) 或 (4-6) 式中：预热频率/Hz； 预热电阻/；4.2.4 设置预热时间预热时间由接在脚上的电容从0充电到13V的时间决定。一个内部的5A电流源流入管脚。预热时间的计算公式6如下： S （4-7） 或 F (4-8) 式中：预热时间/S； 预热电容/ pF；4.2.5 设置最大触发电流

26、最大触发电流由外部电阻和内部1.3V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6如下： A (4-9) 或 (4-10)式中：最大触发电流/A； 内部电阻/；14 5 设计实例5 设计实例根据以上公式，按照42W紧凑型电子镇流器要求，计算所有元件参数(具体计算见下)。使计算值向元件标称值靠近并通过实验做细调，元件取值如下： 5.1 参数确定CT=470pF,RT=43k,RPH=68k, CPH=0.22F,RCS=0.61。 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

27、在典型状态下工作。具体参数计算如下：（1）由公式4-1，且IR2156内部死区时间为0.0000007 S7，故可得CT=470pF；（2）由运行频率与电源频率一致，故=50Hz，由公式4-4，且CT=470Pf,故可得RT=43 K;（3）由公式4-6，且CT=470pF,RT=43k,RPH=68k；可得RPH=68k；（4）由公式4-8，设定预热时间为700ms，故可得CPH=0.22F；（5）由公式4-10，=50ms，=2.13A，故可得RCS=0.61；155.2 系统电路图图5-1系统电路图电路工作过程：交流电压经过二极管构成的整流电路、滤波电路、电阻分压电路的处理，变为直流，分

28、为两部分，以部分为镇流器控制IC IR2156提供电源，另一部分经过MOS（金属氧化物效应管），与IR2156的HO、LO内部振荡电路够成谐振，通过VS脚输出，点亮荧光灯；电路在不同状态下IR2156会对应不同的模式：例如当Vcc5 设计实例过小时，IR2156处于欠压关短模式，IC不启动，处于保护模式；当电路中工作电流过大时，IC进入故障模式，电路停止振荡，Ct放电，直到Vcc小于UVLO门限电压时，电路再进入预热模式。具体运行参数见表5-2。表5-2 镇流器运行参数参数 特性 数值 预热频率 68kHz 灯管预热电压 460Vpp 预热时间 700ms 灯丝预热比 41 最大触发电压 15

29、00Vpp触发时间 50ms 运行频率 47.5kHz 运行灯管电压 180Vpk 镇流器运行输入功率 42W 17咸宁学院学士学位论文5.3 典型波形预热灯丝电压波形如图5-2所示。预热、触发和运行时灯电压波形如图5-3所示。图5-2预热时灯丝电压（5V/格） 图5-3预热、触发和运行时灯电压（250V/格）运行时半桥输出电压和RCS上的电压波形如图5-420所示。触发失败时灯电压和RCS上的电压波形如图5-4所示。图5-520运行时,半桥输出电压和RCS上电压 (上：100V/格下：200mV/格)图5-6触发失败时灯电压和RCS上电压 (上：500V/格下：1V/格)186 结果分析6

30、结果分析通过对比了传统与现代各种镇流器特点，分析传统镇流器与现代电子镇流器的优缺点，选择具有预热频率和运行频率可调、预热时间和死区时间可调以及过流门限可调等特性。同时，该芯片还将灯管触发失败保护、灯丝故障保护以及自动重启动等功能的集成芯片IR2156，组建荧光灯拓扑网络。 该系统具有以下优点： （1）节能。荧光灯的电子镇流器，多使用20-60KHz频率供给灯管，使灯管光效比工频提高约10%（按长度为4尺的灯管），且自身功耗低，使灯的总输入功率下降约20%，有更佳的节能效果。 （2）消除了频闪，发光更稳定。有利于提高视觉分辨率，提高功效；降低连续作业的视觉疲劳，有利于保护视力。 （3）起点更可靠

31、。预热灯管后一次起点成功，避免了多次起点。 （4）功率因数高。符合国家标准的25W以上的荧光灯，其功率因数高于0.95。但应注意，国家标准对25W以下的灯管规定的谐波限值很高，以致使其功率因数下降到0.7到0.8。 （5）稳定输入功率和输出光通量：高品质产品有良好的稳压性能，在电源、电压偏差很大时，仍能保持光源恒定功率，稳定光照度，有利于节能。 （6）延长灯管寿命。高品质产品的恒功率和灯管电流下降，以及起点可靠等因素可使灯管寿命延长。 （7）噪音低。高品质电子镇流器噪音可达35db以下，人们感觉不到噪音。 （8）可以调光。对于需要调光的场所，如：原使用白炽灯或卤钨灯调光的场所，代之以高效荧光灯

32、配可调光电子镇流器，可实现在2%到100%的大范围调光。 19咸宁学院学士学位论文207 结论7 结论通过对IR2156的介绍，在对其功能有所了解的基础上研究IR2156的实际应用电路，找出了其优缺点，合适地选择相应的拓扑网络和现代集成电子镇流器，设置了相关的参数，（如死区时间，运行频率，预热频率，预热时间，最大触发电流等）制作出了节能、体积小、重量轻、工作状态稳定（避免频率闪烁）、功率因数高，灯管寿命长的荧光灯镇流器。21咸宁学院学士学位论文22致 谢致 谢在我做毕业设计的这段时间，要感谢的人很多，特别要感谢我的指导老师，徐武雄老师，以及所有给予我帮助过得人！感谢他们在毕业设计期间对我的关心、帮助、教诲！谢谢老师用他们渊博的知识，严谨的治学态度，缜密的思维能力指导着我，让我一步步有计划，有方向地完成自己的毕业设计，同时也让我学了很多新的知识，有了很多的收获，让我终身受用！24咸宁学院学士学位论文附 录实物图传统电感镇流器基于IR2156的电子镇流器29