摘要：  本文介绍了基于IR2520D的220V/55W紧凑型荧光灯(CFL)设计。由于采用了无源功率因数校正技术，该电路改善了镇流器输入功率因数，降低了电流谐波含量，并具有预热时间可调，可调运行频率，可以避免灯闪烁的高启始频率等特点。

关键字：  IR2520D，  紧凑型荧光灯，  镇流管控制IC

本文介绍了基于IR2520D的220V/55W紧凑型荧光灯(CFL)设计。该电路具有荧光灯的所有必须功能，如预热、触发、运行和保护功能，由于采用了无源功率因数校正技术，改善了镇流器输入功率因数，降低了电流谐波含量。其它特点包括：预热时间可调，可调运行频率以设置灯功率，可以避免灯闪烁的高启始频率的软启动，灯丝开路和触发失败时故障保护，低线电压输入保护及电压升高后自动重启动。

一、IR2520D镇流管控制IC

IR2520D是国际整流器公司推出的一款紧凑型节能荧光灯(Compact Fluorescent Lamp，简称CFL)镇流管控制器和600V半桥驱动器，它能适应不断改变的供应电压、频率及灯管状态，有效延长电灯寿命及提高可靠性。IR2520D具有零电压开关(ZVS)电路，在任何供应电压、频率和灯管状态下都能保持软开关运作;同时具有内部峰值因数电流过高保护和集成自举二极管。集成电路的中心是一个电压控制振荡器，其最低频率可作外部编程。

IR2520D以HVJI集成电路技术为基础。这项专利技术把高压电路从低压线路中分隔出来，让高端及低端的驱动功能可融合于单一、紧凑的晶片内，以控制多种开关转换器的布置结构。照明镇流器需配合高、低压电路才能运作，以IR HVJI技术制成的器件特别能切合该种应用。

配接式ZVS控制是IR2520D的一项主要功能。在每个半桥开关周期中，半桥电压会在停滞时间中切换至相反线轨。假如切换过程未彻底完成，使零电压在器件启动前横过适当开关，那么操作频率就会过于接近谐振，带动频率上升。

图2 IR2520D运行状态图

IR2520D内置配接式零电压开关(ZVS)及零电流开关在(ZCS)闭环控制，能把操作频率匹配至尽量接近半桥输出级谐振。透过ZVS/ZCS模式操作镇流管，能把半桥MOSFET的开关损耗减至最低，无论元件及灯管容差及线电压变异如何，都能实现最高效率及最长寿命。

IR2520D还没有先进的故障及保护电路。断丝故障会在半桥中引致硬性开关，非ZVS电路或峰值因数电路都能侦测这种情况，继而进入故障模式。两个栅驱动器输出因而锁存至低位，把电灯关掉。假如在灯丝完整无损但灯管未能点燃的情况下出现灯管未能点燃现象，灯管电压和输出级电流将在燃点斜坡中上升，直至电流过剩或谐振电感器达致饱和。

IR2520D的主要特点还包括：250/400mA的输出驱动性能、15.6V基纳二极管箝位Vcc电压、微功率启动电流和30kHz至125kHz的内置振荡器。

二、电路功能描述

基于IR2520D的镇流器由四部分组成：输入EMI滤波器、整流器、无源PFC校正电路和镇流器控制电路。C1、L1、L2和C3组成的滤波器是必须的且要满足对EMI的需求。D1、D2、D3、C5、C7和R2组成无源功率因数校正电路可以使输入功率因数提升到0.93以上。电路如图3。

图3 基于IR2520D的镇流器电路图

1.无源PFC电路

该无源功率因数校正电路的工作过程是这样的。在输入整流的每个半周期间滤波电容C5和C7以串联的形式经由D2和R2进行充电。C5和C7分别被充电至交流电压峰值的一半。加入电阻R2的目的是为了减少电容充电时的尖峰电流。由于每个电容被充电至交流峰值电压的一半，所以仅在母线电压跌落到正弦波形的峰值电压一半之下时，电容才有输出电流，此时电容实际上以并联方式给负载供电直到下半个周期交流输入整流电压再次超过逢值电压的一半为止。电容放电占空比大约是37%，除此以外负载直接由交流整流输入供电。在交流输入电压的峰值同时还给电容充电至峰值电压，充电电流的幅度和持续时间是电容放电深度和充电电路中串联电阻值的函数。

2.镇流器控制电路

IR2520D具有自适应零电压最小电流开关(ZVMCS，适应性运行频率转换为零电压开关)，内置波峰比和非零电压开关(ZVS)保护，同时也集成了自举二极管。这个IC的核心是一个具有外部编程最小频率功能的压控振荡器(CVO)和0~5V模拟电压输入。IR2520D的一个最大优点是利用VS脚(半桥中点电压)作过流保护和检测非ZVS状态(IR2520D利用低端FET导通时的Rdson作为电流传感电阻检测高压母线电压。一个内置的600V FET把VS脚和VS感应电路相连接，在LO脚为高电平期间可以使VS脚被精确地测量，在一个开关周期的其它部分，当高端FET导通，VS脚处在直流母线电位时能够承受直流母线的高压)。这样能够节省经常用来检测过电流的高精度电阻。关于IR2520D更进一步的信息请参考IR2520D的数据表和浏鉴此IC的说明图表。作为IR2520D特点的结果，电路利用IR2520D成为一个完全CFL方案比自振荡方案具有极好的可靠性和较长的灯寿命，也具有灯失效和低输入线电压保护，同时也降低了元器件数量，减小了镇流器尺寸。

图4给出了在启动、预热、触发和运行模式期间灯上的电压和谐振电感L的电流波形。

图4 在启动、预热、触发和运行模式期间灯上的电压(上波形)

3.和谐振电感LRES的电流波形

当电源开启时，IR2520D进入欠压锁定(UVLO)模式。UVLO模式被设计为维持一个很低的电源电流(<200uA)，在高端和低端输入驱动器被激活之前以保证IC的全部基本功能。在UVLO期间高低端驱动器的输出(LO和HO)均为低，VCO脚被拉低到地(COM)，复位起始频率到最大。

一旦VCC达到启动门限，IR2520D开启，半桥FET开始振荡，IC进入频率回扫模式。在启动时VCO是0V，频率非常的高，大约为2.5倍的最小频率(fmin)。这样一来在启动时使电压毛刺和灯闪烁最小化。频率向高Q输出级谐振频率靠近，引起灯电压和灯电流增加，在此期间灯丝被预热到发射温度，保证灯的长寿命。频率继续降低直到灯被触发，如果灯触发成功，IR2520D进入运行模式。

如果最小频率选择的低于或非常接近谐振频率，IC将在谐振点附近工作，频率会高于fmin，将不断地调整频率以维持半桥的零电压开关，使FET的损耗最小。如果最小频率选择得高于谐振频率，IR2520D将工作在最小频率。图5示出了在启动时谐振电感的电流和灯丝电压波形。

图5 启动时谐振电感的电流(上方)和灯丝电压(下方)波形

图6示出了在运行模式下VC(HB)电压、灯电压和灯电流波形。

图6 在运行模式下VS(HB)电压(上)灯电压(中)和灯电流(下)波形故障条件

在以下故障情况：灯丝开路、触发失败、无效灯或无灯时，IR2520D将进入故障模式。在此模式下振荡器被锁定，复位IC返回到预热模式，VCC一定在低于或高于UVLO门限间反复循环，复位干线电压。在低交流线电压输入情况时IR2520D将自动增加频率以避免非ZVS，在此种方式下，低的交流输入线电压时镇流器工作在低功率，当线电压升高后重新工作在合适的功率。

4.触发失败/无效灯保护(Protection of ignition failure and no lamp)

此保护依赖于IR2520D波峰因子保护以及非ZVS电路，当VCO脚的电压达到4.6V时这两种功能有效。

为了检测失败触发条件，IR2520D运行内部的波峰因子测量电路来检测过高的危险电流或电感饱和，此种情况发生在灯没有被点亮的失败条件下或无效灯条件下，如果没有保护，将引起半桥损坏。在低端MOSFET开通的整个期间IR2520D测量VS脚。当LO开通期间，峰值电流超过平均电流的3倍时，IC进入故障模式，两个门极驱动器将被锁定到“低”。波峰比测量电路的运行提供了一个相关的电流测量，能够消除温度或低端半桥MOSFET的不同Rdson引起的误差，对于不同类型的灯无须进行不同的调节。在正常工作时，电流将会增加直到灯被点亮。灯点亮后电流减小到标称电流。灯触发失败的现象出现在灯丝完好无损，但是灯没有被点亮的情况下。在触发过程中，灯电压和输出级电流将不断增加直到发生过流或谐振电感饱和。非ZVS电路或波峰比电路将检测这种情形，IC进入故障模式，两个门极驱动器输出被锁定为“低”。这样一来就会避免损坏半桥。

通常非ZVS保护将首先介入(因为当VCO达到4.6V时IR2520D通常已经工作在谐振点之下，IR2520D不能检测到峰值电流是由于当LO脚为高时它仅仅只能是读取)，只要运行频率再次达到谐振频率，频率将会增加，波峰比保护就会检测故障条件。输出级将出现瞬间大电流和高电压。半桥FET需要能够承受瞬间的大电流。通过相对于谐振频率和运行频率控制触发频率以及减小CVCO电容值就可以减小此瞬时时间，为了避免这种延迟，运行频率应当在高Q值LC级的谐振频率之上，以便当波峰比保护作用时系统工作在谐振频率之上(运行频率低于谐振频率的情况下，由于相移的缘故波峰比保护电路检测不到峰值电流)。在正常触发期间当CVCO超过4.6V，为了避免常规暂态干扰和电感饱和两个保护都起作用。

5.低输入线电压保护(Lower input line AC voltage)

当线电压从220V到130V变化时，IR2520D的ZVMCS电路自动增加频率以维持零电压开关。

当线电压减小时，谐振频率增加，变得接近运行频率。这将引起非ZVS。

IR2520D将会检测非ZVS，只要检测到非ZVS，就会逐步增加频率。这样就会保护了半桥MOSFET。

表1 元器件明细表

元件参数元件数量符号

103/275Vac电容1C3

1N4007二极管7D1、D2、D3、D6、D7、D8、D9

0.1uf/275Vac电容1C1

0.5 ohm/0.5W熔断器1F

2.5mH/1A电感1L1

2×5mH/1A共模电感1L2

5.1 ohm/2W电阻1R2

10K/471压敏电阻1RV1

0.1uf/25V电容1C8

0.1uf/400V电容1C12

1N4148二极管2D4、D5

1uf/25V电容1C6

1.1mH电感E1301L3

224/16V电容1C9

22uf/450V电容2C5、C7

470k/0.5W电阻1R1

153/1kv电容1C11

680pf/1000V电容1C10

62k ohm电阻1R3

IRF830场效应晶体管2Q1、Q2

IR2520D控制集成电路1U1

三、CFL镇流器设计要求

电子镇流器的工作遵循3种状态：预热、触发和运行模式。

1.预热(Preheat)

在预热阶段灯丝必须被加热到适当的发射温度以保证灯的长寿命(5000-300000次或以上)。为了使灯寿命最长，必须遵从以下条件：

(1)高的起始频率可以避免灯丝在启动时的重负。IR2520D能够自动获得高起始频率，因为它的起始频率大约是最小频率的2.5倍。

(2)预热比(Rh/Rc=预热结束时灯丝电阻与冷态时灯丝电阻之比)介于4-6.5(有时在灯的规格说明中指出了所需的预热比Rh/Rc)较大的Rh/Rc比值保证了较高的发射温度和较大的启动次数。

(3)预热时间等长于所需预热时间。预热时间不应低于200ms典型预热时间值为1s。

Rh/Rc比值可以通过设定预热结束时灯丝的电压和电流来控制。可以通过选择谐振电感L和谐振电容C的值来实现此目的。选择CVCO的值可以调整预热时间。

2.触发(lgnition)

在触发阶段，频率将逐渐下降直到谐振，灯上的电压将增加引起灯的触发。灯规格中规定了“最大触发电压”，此电压是在最坏情况下(冷灯)加在灯上的所需触发电压。镇流器的最大触发电压发生在仅由谐振电感L和谐振电容C组成的输出电路的谐振点处。通过设定谐振电感L和谐振电容C的值就能够控制此最大触发电压。

3.运行模式(Running)

在运行模式时，加在灯上的电压和电流必须保证正常的电压、电流和功率。除过发生非ZVS外，IR2520D将工作在最小频率(fmin)。通过改变谐振电感L、谐振电容C和最小频率可以调整输入功率。

本设计的PCB布线(64mm)见图7，具体元器件清单见表1。

图7 PCB布线图( 64mm)

四、结论

比较而言，其他采用自振双极晶体管方案的通用CFL镇流器虽然结构十分简单，但一般不能自行起动，而且需配合额外元件及电路，如二极管交流开关(DIAC)和续流二极管。此外，这些方案一般以不可靠及“常热”的正向温度系数(PTC)热敏电阻预热，又未能针对灯管未能点燃或断丝等情况提供适当保护，往往使元件及负载容差极容易被损坏，或对镇流管输出级元件构成艰难性故障，不仅对性能和品质大打折扣，更会引致操作故障。

本文介绍的方案由于加入了无源PFC电路后提高了镇流器的输入功率因数，降低了输入电流谐波，并有自身的一些优点和多重保护。测试数据表明，该设计完全满足CFL灯要求，是一款低成本、小型化的紧凑型节能灯解决方案。