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作者：彭少华、李强

南京理工大学自动化学院

陈嵘、张伟超、李纪明

恩智浦半导体(上海)有限公司

 

 

与传统的白炽灯相比，紧凑型荧光具有发光效率高、节能效果好、寿命长、体积小和使用方便等优点。而在市场方面，紧凑型荧光更是具有广阔的前景。根据Datapoint Research研究机构统计，全球有20%-25%的电力用于照明，到2012年，全球节能灯泡的销量将超过50亿只。同时中国发改委已经出台相关的政策，预计将在10年内禁用(禁售)白炽灯。随着白炽灯逐渐退出照明市场，人们急需一种新的节能照明方案来满足消费者的各项要求，在这种形势下，CFL和LED必将开创一个新的照明时代。不过，对于普通消费者来说，受其成本和寿命等方面的影响，LED在短时间内还无法广泛普及。在巨大的市场需求下，可以预计，CFL将会成为当下照明市场的主宰。

 

但如何才能让荧光灯的优点发挥到极致，这就引出了电子镇流器的概念。早期的CFL电子镇流器多采用变压器和晶体管等分离元件组成，这种驱动方式存在诸多缺点。随着半导体技术的发展，专用驱动IC逐渐兴起。本文以恩智浦半导体(NXP)的不可调光驱动IC UBA2211为例，介绍了CFL驱动IC的工作原理、电路设计，并给出了测试结果。

 

 

UBA2211组成的CFL典型驱动电路如图1所示，镇流器输入电压为交流220V，输入功率12W。

图1：基于UBA2211的18W CFL驱动电路。

 

整个系统由整流滤波电路、控制电路和灯谐振电路三部分组成。

 

整流滤波电路由四个二极管1N4007、CBUF和LFILT组成，它能将220V交流输入整流滤波为310V左右的DC电压。输入端的RFUSE为浪涌抑制电阻，主要用于抑制启动时所产生的浪涌电流。控制电路由UBA2211组成，主要实现对灯丝的预热、点火和稳定运行时电流的控制。谐振电路由CLA和LLA组成，主要为灯丝点火提供高压脉冲。

 

1．芯片内部结构

 

UBA2211是整个电路的核心器件，为便于后文的分析，本文首先对UBA2211的一些结构和特点进行相应的介绍。UBA2211是一款CFL专用驱动IC，它采用双列直插封装(DIP8)和14脚塑料小型封装(SO14)两种封装。芯片内部结构及特点如图2所示。

 

2．启动阶段

 

上电后，电路进入启动状态，此时上桥HS关断，下桥LS导通。内部电流源(1mA)对VDD上电容C_VDD和FS脚上电容进行充电，内部电路进行复位。此时，RC和SW将会进行接地处理。一旦V_DD>V_DD(start)(典型为11V)，而且此时未激活过温保护(OTP)电路便结束启动状态。注意：一旦V_DDDD(stop)(典型为8.5V)，电路将会从任何状态返回到启动状态。

图2：芯片内部框图。

 

3．预热阶段

 

当V_DD>V_DD(start)且OTP未激活，电路进入预热状态，在预热状态下，VDD电源由dvdt充电泵提供(见图2)。此时SW脚上电容被I_sweep充电，半桥电路开始振荡，其振荡信号如图3所示，初始振荡频率为工作频率的2.5倍，在预热过程中会逐渐下降到正常的工作频率。在预热状态下，电路对灯丝进行预热处理，以减少灯丝启动时的损耗，延长灯的使用寿命。外部电阻R_SENSE用来检测预热电流，使得R_SENSE的峰值电压等于内部参考电压V_ref(prht)(0.5V)。预热时间由外部电容C_SW来设定，一旦C_SW上电压下降到V_SW(prht)时，电路结束预热，如图4所示。

图3：振荡器、驱动器和输出信号。图4：预热、点火和正常工作频率变化。

 

4．点火阶段

 

灯丝预热结束后，频率开始下降，一旦频率达到谐振频率，在灯两端LC上发生串联谐振，产生一个600-1200V的高压将灯管击穿，完成对灯丝点火。正常运行下，RMS控制被激活，通过控制灯丝电流的RMS值，可以将IC损耗和IC温度控制在恒定值。

 

电路在运行过程中，UBA2211内部提供了一个死区时间(图3中的t_no)，防止上桥和下桥功率开关同时导通。UBA2211还提供过温保护(OTP)、冷启动下最小辉光放电控制、防饱和保护和容性模式保护。 

 

主要参数计算

 

1．工作频率

由图1中R_OSC和C_OSC可计算频率，由公式：

f_nom=1/(k*R_OSC*C_OSC)=1/(1.1*220*100)=41.3KHz

其中k=1.1

 

 

2．启动频率

f_start=2.5*f_nom=2.5*41.3k=103.25k

 

3．灯电感

 

首先确定灯两端电压的有效值，设计功率为12W，有公式：

V_lamp=P_lamp/I_lamp=12/0.15=80v

灯上电压与灯电压有效值关系如表1所示，查表可得V_{la_eff}=112V，振荡频率与灯两端电压关系为： 2，带入相应参数可得L_LA=2.87mH，实际设计时取3mH，电感磁芯采用EE16，线径为采用0.19漆包线绕制。取谐振频率60kHz，由公式： ，其中L_LA=3mH，f_res=60kHz，带入上式可得C_LA=2.34n，考虑到谐振时产生高压，实际取2.2n/1KV。

 

表1：近似灯电感电压值。

 

4．R_SENSE电阻

 

在一个振荡周期中下桥功率开关导通时，检测到的R_SENSE上的电压通过平方后转换为正向电流，对SW脚上C_SW充电。下一个振荡周期上桥导通时，通过内置参考电压源V_O(ref)RMS 产生一个反向电流对SW脚上C_SW放电，因此其充电电流和放电电流相等，故：

   

 

 

5．预热时间

 

一般情况下，灯丝的预热时间t_prh≥0.4s，预热时间由SW脚上电容C_SW来决定，由公式：

测试结果

 

采用如图1设计方案，当输入电压为交流220V，输出功率为12W时，测试波形如下所示。

 

如图5所示，CFL在点火之前经过了一段充分的预热，预热电流大概为正常工作电流的1.2倍，满足了CFL预热电流的要求。系统的工作频率在41KHz左右，电流和电压波形如图5所示。预热结束后，灯两端产生一个高压的脉冲对灯进行点火，随后进入正常运行。从图5可以看出，在正常运行状态下，灯两端的电压和电流都很稳定。

图5：实测波形(上为V_lamp，下为_lamp)。图6：实测波形(上为V_lamp，下为I_lamp)。

 

图6所示为UBA2211的SW脚对灯丝的预热和点火进行的控制，实际设计预热时间为1.52S，实测结果为1.365S，误差在可接受的范围内，从而验证了设计的正确性。

  

图7所示为RMS控制效果，从图中可以看出，在输入电压高于220V以后，控制器通过增大频率的方式使输入功率基本保持在12W左右不变，从而摆脱了对输入电压的依赖性，达到了恒定功率的控制效果。相关测试结果如表2所示。

 

图7：RMS控制效果。

 

表2：测试结果。

  

由测试结果可知，灯两端电压设计为80V，实际测量结果为74.6V，灯电流设计为0.15A，实测为0.154A。频率设计为41.3kHz，实测为41.48kHz。谐振频率设计为60kHz，实测为60.9kHz。预热时间设计为1.52S，实测为1.365S。各项指标均验证了本文设计的控制器的正确性。 

 

本文小结

 

UBA2211是一款集不可调光的CFL电子镇流驱动器和上、下半桥驱动MOSFET于一体的新型IC。采用该IC所设计的CFL电子镇流器具有低成本、高效率等特点，能够很好的实现灯丝热启动、点火和稳定运行。此外，独有的RMS控制可实现灯的恒功率，摆脱了对输入电源的依赖性。所设计电路简单，外围所需器件少，稳定性高。从实测结果可以看出，采用UBA2211设计的镇流器实现了CFL节能、高效的特点，克服了分离元件灯丝预热、启动时间延迟等缺点。

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