新型電子鎮流器控制芯片IR2156

摘要：介紹了一款低成本、多功能電子鎮流器控制芯片IR2156，其主要應用于緊湊型節能燈和普通熒光燈的電子鎮流器。詳細給出了該芯片的特點、電參數、工作原理和應用。

關鍵詞：欠壓鎖定；預熱模式；觸發模式；運行模式；故障模式

1? 引言

??? IR2156是IR公司最新推出的多功能、低成本電子鎮流器控制芯片，它由一個高壓半橋門極驅動器和一個頻率可調振蕩器組成。具有預熱頻率和運行頻率可調，預熱時間可調，死區時間可調，以及過流門限可調等特性。完善的保護性能，諸如燈管觸發失敗保護，燈絲故障保護以及自動重啟動功能都設計在其中。IR2156具有DIP14及SOIC14兩種封裝。圖1是其內部原理框圖。

圖1? IR2156內部原理框圖

2? 主要電氣特性

2.1? 主要電氣特性

??? 主要電氣特性見表1。除非另有說明，一般情況下：

??? V_CC=V_BS=V_BIAS=14V±0.25V,V_VDC=OPEN,R_T=39.0kΩ,R_PH=100.0kΩ,C_T=470pF,V_CPH=0.0V,V_CS=0.0V,V_SD=0.0V,C_LO，HO=1000pF,T_a=25℃。

表1? 主要電氣參數

注1:該芯片內部VCC與COM之間設有15.6V穩壓管，注意該腳不能直接外加電壓源。詳細參數見IR2156數據表。

2.2? 推薦工作條件

??? 推薦工作條件見表2。

表2? 推薦工作條件

3? IR2156管腳排列及功能

??? 器件管腳排列見圖2，管腳功能見表3。

表3? 管腳功能

圖2管腳排列

4? 功能簡介

4.1? 欠壓關斷（UVLO）模式

??? 欠壓關斷模式是當供電電壓V_CC低于IC的開啟門限電壓時，IC不工作。IR2156的欠壓關斷模式要求供電電流最小保持在200μA以上，保證IC正常工作并驅動高低端輸出。圖3為典型的從直流母線饋電和從鎮流器輸出級充電泵共同為IR2156供電的例子。通過供電電阻(R_SUPPLY)的電流一部分作為啟動電流流入IC，其余給啟動電容(C_VCC)充電。電阻應能供應兩倍的最大啟動電流，以保證鎮流器在低電壓輸入下啟動。一旦VCC腳電容電壓到達啟動門限，且SD腳電壓低于4.5V，則IC開始工作，HO，LO振蕩。由于IC工作電流增大，電容開始放電見圖4。

圖3? IC啟動供電方式

圖4? C_VCC電壓

??? 在放電期間，充電泵產生的整流電流給電容充電，使V_CC電壓高于IC關斷門限，充電泵和IC內置15.6V穩壓管來提供供電電壓。啟動電容和緩沖電容要有足夠的容量，使供電電流滿足鎮流器工作需要。自舉二極管（D_BOOT）和自舉電容（C_BOOT）提供高端驅動電路的工作電壓。為了在HO腳的第一個脈沖前就給高端供電，因此輸出驅動的第一個脈沖來自LO腳。在欠壓關斷狀態，高端和低端輸出驅動HO和LO都為低電平，CT腳在內部連接到COM使鎮流器停止振蕩，CPH腳在內部連接到COM使預熱時間復位。

4.2? 預熱（PH）模式

??? 圖5為預熱電路。預熱模式工作于燈管燈絲開始加熱直至燈絲達到正常的點燃溫度，它是延長燈管壽命和降低點燃電壓所必需的步驟。當V_CC超過UVLO門限時進入預熱模式。LO和HO開始以50％占空比的預熱頻率振蕩,死區時間由外部定時電容C_T和內部死區時間電阻R_DT決定。CPH腳與COM斷開，內部5μA電流源給CPH腳外接的預熱時間電容充電。CS腳的過流保護在預熱期間被屏蔽掉。

圖5? 預熱電路

??? 預熱頻率由并聯的電阻R_T和R_PH，以及定時電容C_T決定。C_T分別在到達（1/3）V_CC和(3/5)V_CC電壓時充電和放電，R_T和R_PH并聯后內部連接到V_CC，通過MOS管S₁對C_T指數充電（見圖1）。C_T的充電時間為（1/3）V_CC至（3/5）V_CC,分別驅動LO和HO。一旦C_T電壓超過（3/5）V_CC，MOS管S₁關斷，電阻R_T和R_PH與V_CC斷開。C_T通過內部電阻R_DT穿過MOS管S3對COM以指數放電。C_T的放電時間為（3/5）V_CC到（1/3）V_CC，即輸出門極驅動LO和HO的死區時間。C_T的容量要根據RDT和要求的死區時間來選取。一旦C_T放電至低于（1/3）的V_CC,MOS管S3關斷，R_DT與COM斷開，MOS管S₁導通，R_T和R_PH連接到V_CC。工作頻率始終保持在預熱頻率直到CPH腳電壓超過13V，IC進入觸發模式。在預熱模式期間，當CPH腳電壓高于7.5V時，恢復過流保護和DC總線欠壓復位功能。

4.3觸發（IGN）模式

??? 觸發電路如圖6所示。觸發模式是指建立觸發燈管所需的高電壓并觸發燈管。當管腳CPH上的電壓超過13V，IR2156進入觸發模式。

圖6? 觸發電路

??? 管腳CPH內部連接到一個P溝道的MOSFET（S₄）的門極，S₄連接管腳RPH和RT。當管腳CPH上的電壓超過13V時，S₄的G-S電壓開始低于S₄的開通門限。管腳CPH上的電壓持續向V_CC上升，S₄緩慢關斷，這樣就使電阻R_PH平滑地從R_T上斷開，同時使工作頻率平滑地過渡到觸發頻率，再過渡到最終的運行頻率。管腳CS的過流保護功能可以在觸發失敗或燈絲開路時保護鎮流器。外部電流檢測電阻R_CS上的電壓即為管腳CS的電壓。R_CS定義鎮流器可提供的最大峰值電流（以及觸發電壓）。峰值觸發電流必須低于MOSFET所能承受的最大電流。當CS上的電壓超過內部的1.3V門限，IC進入故障模式，輸出驅動HO和LO都被鎖定為低電平。

4.4? 運行(RUN)模式

??? 當燈管觸發成功后，鎮流器進入運行模式。運行模式是指燈弧已經建立，燈管以給定的功率工作時IC所處的狀態。運行模式的振蕩頻率是由定時電阻R_T和定時電容C_T決定的。

4.5? DC總線欠壓復位

??? 當DC總線電壓過低時，燈管的輸出級頻率會接近或低于諧振頻率，這時會造成硬開關，并破壞半橋的開關。為了防止這種現象的發生，管腳VDC測量DC總線的電壓，并在腳VDC上的電壓下降到10.9V并低于V_CC時，線性拉低管腳CPH電壓，這樣使得P溝道MOSFETS4在DC總線降壓時開通，并使頻率向上提高到高于諧振點的一個安全的工作頻率。頻率變化值由外部電阻R_BUS和內部電阻R_VDC決定。通過拉低管腳CPH，觸發斜率也被復位。當DC總線電壓過低時，整流器不進行觸發，當DC總線電壓再次上升時，IC將進行自動再觸發。當CPH上的電壓超過7.5V時（預熱模式期間），內部電阻R_VDC連接到管腳VDC和COM之間。

4.6? 故障(FAULT)模式

??? 在預熱模式過后的任何時間，當電流檢測腳CS上的電壓超過1.3V時，IC進入故障模式，驅動輸出HO和LO都被置位為低電平。CPH向COM放電，復位預熱時間，同時CT向COM放電，關斷振蕩器。要想退出故障模式，VCC電壓必須下降至低于UVLO的下門限，或者關斷腳SD的電壓拉高至大于5.1V。這兩種方式都可以使IC進入UVLO模式，一旦腳VCC電壓大于開通門限，同時SD低于4.5V，IC將進入預熱模式開始振蕩。

5? 設計步驟^1）? 1)因為器件參數離散性的原因，計算的結果還需要通過實驗微調

5.1? 設置死區時間

??? 通過定時電容C_T和內部死區時間電阻R_DT可以定義LO和HO的死區時間tDT。死區時間為電容C_T上的電壓從（3/5）V_CC到（1/3）V_CC的放電時間。公式如下：

??? t_DT=C_T·1475????? s（1）

或

??? C_T=t_DT/1475????? F（2）

5.2? 設置運行頻率

??? 最終的運行頻率f_RUN由定時電阻R_T和定時電容C_T設置。電容C_T上的電壓從（1/3）V_CC到（3/5）V_CC的充電時間為輸出驅動HO和LO的開通時間。運行頻率的計算公式如下：

??? f_RUN=??? Hz(3)

或

??? R_T=－2892??? Ω（4）

5.3? 設置預熱頻率

??? 預熱頻率f_PH由定時電阻R_T和R_PH、定時電容C_T設置。在預熱模式期間，定時電阻通過內部連接方式并聯。預熱頻率計算公式如下：

??? f_PH=??? Hz(5)

或

??? R_PH=??? Ω(6)

5.4? 設置預熱時間

??? 預熱時間t_PH由接在腳CPH上的電容從0充電到13V的時間決定。一個內部的5μA電流源流入管腳CPH。預熱時間的計算公式如下：

??? t_PH=C_PH·2.6e^6???? s（7）

或

??? C_PH=t_PH·0.385e^－6??? F(8)

5.5? 設置最大觸發電流

??? 最大觸發電流I_IGN由外部電阻R_CS和內部1.3V門限共同決定。該門限定義鎮流器的過流點，觸發頻率靠近諧振點或燈管觸發失敗時，會超過這個門限。最大觸發電流計算公式如下：

??? I_IGN=??? A(9)

或

??? R_CS=??? Ω(10)

6? 設計實例

??? 根據以上公式，按照42W緊湊型電子鎮流器要求，計算所有元件參數(具體計算略)。計算值向元件標稱值靠并通過實驗做細調，元件取值如下：

??? C_T=470pF,R_T=43kΩ,R_PH=68kΩ,

??? C_PH=0.22μF,R_CS=0.61Ω。

這樣，一個功能完善的鎮流器就設計好了。將其安裝并測試其計算值，根據元件的離散性稍加調整，鎮流器就可在典型狀態下工作。具體運行參數見表4。

表4? 鎮流器運行參數

7? 典型波形

??? 預熱時燈絲電壓波形如圖7所示。預熱、觸發和運行時燈電壓波形如圖8所示。

圖7? 預熱時燈絲電壓（5V/格）????? 圖8? 預熱、觸發和運行時燈電壓（250V/格）

??? 運行時半橋輸出電壓和R_CS上的電壓波形如圖9所示。觸發失敗時燈電壓和R_CS上的電壓波形如圖10所示。

上：100V/格下：200mV/格

圖9運行時半橋輸出電壓和Rcs上電壓

上：500V/格下：1V/格

圖10觸發失敗時燈電壓和Rcs上電壓

8? 結語

??? IR2156是一款功能完善、性能穩定和成本低廉的電子鎮流器控制集成電路。該IC既可應用于直管瑩光燈，也可應用于緊湊型節能燈，其預熱和故障保護功能大大提高了燈管和鎮流器的壽命。極具實用推廣價值。