基于半桥驱动器IR2153的荧光灯电子镇流器

基于半桥驱动器IR2153的荧光灯电子镇流器

摘要：介绍了一个基于自激式半桥驱动器IR2135的荧光灯电子镇流器电路，着重介绍了灯丝预热和启动保护等单元电路的构成和的特点，并给出了详细电原理图。

关键词：电子镇流器；功率因数校正；灯丝预热；重启动

0    引言

    荧光灯的发光效率优于白炽灯已成为不争的事实，为此，近20年来，电子镇流器在世界范围内得到了迅速的普及和发展，各半导体厂家推出了众多的用于电子镇流器的驱动电路，本文介绍的电子镇流器基于IR公司开发的IR2153驱动器和摩托罗拉公司的MC33262功率因数控制器，是一种结构简单，成本低廉，可靠性高的解决方案。

1    自激式半桥驱动器IR2153介绍

    IR2153是在IR2155和IR2151基础上推出的改进型的VMOS和IGBT栅极驱动器，它将高压半桥驱动器和一个类似于555时基电路的前端振荡器集成在一个8脚芯片上，使其成为一款功能更多，更易于使用的功率驱动IC芯片。如图1所示，脚CT兼有保护关断功能，可以用一个低电压信号使驱动器停止输出。另外，输出脉冲的宽度保持相等，一旦Vcc上升到欠压闭锁阈值，驱动器能以更加稳定的频率开始起振。通过降低栅极驱动器di/dt的峰值和提高欠压闭锁阈值的滞后电压到1V，使电路的抗噪性有了实质性的提高，同时，电路引脚的整体抗噪保护方面也有所改进。

图1    IR2153内部简化功能框图

2    功率因数校正电路

    MC33262属于有源功率因数校正器，特别适用在电子镇流器和离线式开关电源中作预转换器用，如图2所示，其内部集成了许多控制功能：为便于该电路的单独使用而设有启动定时器；为实现接近于1的功率因数采用了第一象限乘法器；零电流检测能保证电路工作在临界导通方式；快速启动电路改善了电路的启动特性；还设有预校的参考电压源、跨导误差放大器和电流检测比较器；图腾柱输出结构非常适合用于驱动功率MOS管。此外，MC33262内部还集成了许多保护功能，如过压比较器能减少空载引起的失控输出电压；乘法器输出嵌位限制了最大峰值开关电流；驱动输出高位嵌位，实现了对MOS管栅极的保护；还有输入带滞后特性的欠压闭锁电路、连续限流特性和RS锁存为单脉冲测量等。

图2    MC33262内部简化功能框图

3    电路工作原理

    电子镇流器详细电原理图如图3所示，可分为EMI滤波、桥式整流、功率因数控制、半桥逆变器、灯谐振、启动和保护电路等部分。

图3    电子镇流器电原理图

3.1    输入EMI滤波电路

    除过由F1A熔断器和RVP1压敏电阻组成的过流过压保护电路外，电子镇流器的输入电路主要是EMI滤波器。这是一个典型的两级复合式低通滤波电路，其中CP1～CP4滤波电容用于滤除串模干扰信号，C1和C2的一端分别接输出，另一端作为中点连在一起接地,能有效地抑制共模干扰，LP1和LP2为共模扼流圈，用于滤除共模干扰，它的两个线圈分别绕在低损耗、高磁导率的铁氧体磁环上，当有电流流过时，两个线圈上的磁场就会互相加强，LP1和LP2的电感量与EMI滤波器的额定电流有关，滤波器的谐振频率应当远远低于镇流器的工作频率。

3.2    变频控制电路

    我们知道，荧光灯要经过预热，点燃才能进入正常发光工作状态。在这三个状态中，逆变器处于变频工作方式，首先，以比较高的频率对灯丝进行预热，使阴极达到发射电子的温度；然后，频率快速下降，当到达串联谐振频率时，产生的谐振高压使灯管瞬间击穿点燃；最后，稳定在工作频率上。IR2153的振荡频率可由式（1）决定，串联谐振频率由式（2）决定。

    fo=（1）

    fr=（2）

    通过改变IR2153外接的CT有效电容可以实现频率的控制，因此，我们可以通过一个NPN三极管QN1的导通和截止，来切换两个振荡电容连接的方式，从而实现了频率控制。图3通电后，在电容器CC14充满以前QN1不导通，电容CC18和CC19串联决定了振荡频率，当电容器CC14充满后，DC18导通，QN1导通，电容器CC19不起作用，频率由电容器CC18直接接地来决定。

3.3    预热控制电路

    通电后，DC18不导通前，QN1截止，IR2153以预热频率起振，QN2不截止，VCC经RC22给MO4栅极提供偏置电流使其导通，CO33与LO6起振，灯丝变压器工作，预热开始；随后，当CC14电压升高，使DC18导通后，QN1导通，使IR2153在正常工作频率振荡，同时，电流经RC21使QN2导通，MO4栅极电位到零，MO4关断，预热结束。

3.4    保护自锁与重启动电路

    保护电路对镇流器使用过程中出现的异常现象进行保护，一般采用幅值检测保护原理，本镇流器保护功能较多，共有5种保护，其中从RC36引入的灯管过压保护；从RC37引入的灯管欠压保护；从DC19引入的电源高压保护和从QP6经RC15引入的电源低压保护4种，汇集到了MOS管MC5的栅极，当不发生保护时，MC5不导通，脚CT由IR2153内部提供分压，得到大约8V电压，工作正常；当4种保护中有任何一种发生时，MC5导通，OP7由于基极电位接地而导通，经RC33使脚CT电压降低，IR2153停止振荡，半桥电路关断，这时，即使保护撤离，由于MC5和OP7之间的互锁，也无法恢复脚CT的高电位，只有断电再启动，镇流器才能重新恢复工作。

    从DC20引入的灯丝保护不同于其它4种保护，它没有保护互锁功能，因此可以重新启动，当灯丝烧断或灯管脱离后，QN3，QN4，QN5导通，其中QN3用来禁止保护和互锁电路，QN4接到脚CT，使IR2153停振，QN5使电容CC14放电，为重新启动做好准备，一旦新的灯管装上，QN3，QN4，QN5立即截止，启动过程重新开始预热、点燃并稳定工作。

3.5    电源VCC电路

    本镇流器中IC电源的设计主要从降低功耗考虑，电路刚启动时，先由直流高压经齐纳管DC4和DC5降压，由RC14和DC7稳压供电，由于IR2153的微功耗启动特性，保证了电路正常启动，当IR2153起振后，由扼流变压器LO4的次级经两路倍压整流，一路经DC8及RC23给IR2153供电，另一路经DPF2及RPF4给MC33262功率因数控制器供电，当电路出现保护时，半桥电路停止工作，LO4次级停止提供电压，IR2153的供电又改为微功耗供电。显然，IR2153停振后，MC33262失电停止工作，这对功率因数控制器又是一种保护。

4    测试结果

    图4是本镇流器配接OSRAM－FQ高亮T5灯管测得的灯管电压和灯丝电流波形图，功率为54W，所用仪器为远方HB5A型镇流器综合参数测试仪。

图4    灯管电压和灯丝电流波形

5    结语

    现代电子镇流器是一项知识面宽且难度较大的技术，电路板上要输入交流220V电压，经过全波整流后输出300V直流高压，再经过功率因数校正器升压储能电感，则高达400V，设计中若元器件选用不当或调试中稍有不慎，将烧坏功率管，本方案中保护电路的设计，大大减少了出现异常烧管的机会。另外，对本电路中的重启电路和谐振电路稍加改动即可用于驱动双灯管，为此笔者将另外撰文叙述。