新型电子镇流器控制芯片IR2156_技术

新型电子镇流器控制芯片IR2156

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。

图1 IR2156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=14V±0.25V,VVDC=OPEN,RT=39.0kΩ,RPH=100.0kΩ,CT=470pF,VCPH=0.0V,VCS=0.0V,VSD=0.0V,CLO，HO=1000pF,Ta=25℃。

表1 主要电气参数

注1:该芯片内部VCC与COM之间设有15.6V稳压管，注意该脚不能直接外加电压源。详细参数见IR2156数据表。

2.2 推荐工作条件

推荐工作条件见表2。

表2 推荐工作条件符号定义最小值最大值单位 Vbs 高端浮动供电电压 VCC－0.7 Vclamp V Vs 高端浮动供电偏置电压－1 600 V VCC 供电电压 Vccuv＋ Vclamp V ICC 供电电流注2 10 mA CT CT引脚电容 220 —— pF Isd 关断引线电流－1 1 mA Ics 电流检测引线电流－1 1 mA Tj 结温－40 125 ℃ 注2：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。

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。

表3 管脚功能 1 NC 不接 2 VCC 逻辑电路及低端门极驱动供电 3 VDC IC启动及DC总线检测输入 4 RT 最小频率定时电阻 5 RPH 预热频率定时电阻 6 CT 振荡器定时电容 7 CPH 预热定时电容 8 COM IC电源及信号地线 9 SD 关断输入 10 CS 电流检测输入 11 LO 低端门极驱动输出 12 VS 高端浮地 13 HO 高端门极驱动输出 14 VB 高端门极驱动浮动供电

图2管脚排列

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200μA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4.5V，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4。

图3 IC启动供电方式

图4 CVCC电压

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。

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5μA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。

图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。

图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。

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1.3V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。

5 设计步骤1） 1)因为器件参数离散性的原因，计算的结果还需要通过实验微调

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：

tDT=CT·1475 s（1）

或

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：

fRUN= Hz(3)

或

RT=－2892 Ω（4）

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：

fPH= Hz(5)

或

RPH= Ω(6)

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13V的时间决定。一个内部的5μA电流源流入管脚CPH。预热时间的计算公式如下：

tPH=CPH·2.6e6 s（7）

或

CPH=tPH·0.385e－6 F(8)

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1.3V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如下：

IIGN= A(9)

或

RCS= Ω(10)

6 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=470pF,RT=43kΩ,RPH=68kΩ,

CPH=0.22μF,RCS=0.61Ω。

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。

表4 镇流器运行参数参数特性数值 fPH 预热频率 68kHz VPH 灯管预热电压 460Vpp tPH 预热时间 700ms Rw/Rc 灯丝预热比 4∶1 VIGN 最大触发电压 1500Vpp TIGN 触发时间 50ms fRun 运行频率 47.5kHz VRun 运行灯管电压 180Vpk Pin 镇流器运行输入功率 42W 　

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。