基于UBA2211的高效CFL驱动器设计-----UBA2211 application
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。
CFL驱动设计
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。
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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
DDV
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
DD
DD(stop)(典型为8.5V),电路将会从任何状态返回到启动状态。
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图2:芯片内部框图。
3.预热阶段
当V
DDV
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。
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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。
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![](http://m.amcfsurvey.com/uphotos/fetch/20121121/19_2_5_4.jpg)
输入电压
|
频率
|
灯电压
|
|||||||
≤20V
|
≈30V
|
≈40V
|
≈50V
|
≈60V
|
≈80V
|
≈100V
|
|||
220 Vac
|
50Hz
|
138
|
136
|
133
|
130
|
125
|
112
|
95
|
V
la_eff[V]
|
230 Vac
|
50Hz
|
145
|
143
|
140
|
140
|
134
|
122
|
106
|
|
240 Vac
|
50Hz
|
153
|
151
|
148
|
148
|
143
|
131
|
116
|
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:
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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:
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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。
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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。
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图7:RMS控制效果。
V
in(rms)
|
P
in
|
V
LA(rms)
|
I
LA(rms)
|
P
o
|
η
|
f
nom
|
f
res
|
t
prh
|
220V
|
12.4W
|
74.6V
|
0.154A
|
11.4W
|
91.93%
|
41.48kHz
|
60.9kHz
|
1.365S
|
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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