用于低压照明的100VA调光电子变换器

作者：PeterGreen用于低压照明的100VA调光电子变换器内容目录介绍功能描述IR2161供电软启动运行模式关断计算RCS输出变压器选择短路电流适应的死区时间调光EMC问题设计问题器件选择材料清单介绍到目前为止，几乎所有用于低压灯丝照明应用的电子变换器（经常称为电子变压器）都是基于自激的双极晶体管半桥电路。有一个新的方法，使用功率MOS管，由一个集成了该应用所需附加功能的控制IC驱动，就是IR2161。IRPLHALO1E参考设计示范了这个典型应用。IR2161是一个专为卤素灯变换器或“电子变压器”设计，以中高端性能低压照明应用为目标的智能半桥驱动芯片。目标是尽可能集成多的功能，采用低成本8个引脚DIP或SOIC封装，以较少器件数量，实现可靠性和性能优势超越现有的电路。电子变压器通常用来替换线绕降压变压器，给广泛使用的象卤素灯这样的低压（通常12V）灯丝提供合适的电源。优点是：1)尺寸小和重量轻2)故障保护电路3)因低输出电压，很安全(1)数据表的“变换器”与IEC61047标准一致，“为灯丝供电的直流或交流变换器——性能要求”。对于低压照明应用，电子变压器已经很流行了。产品范围从很小的50W，能够驱动一个50W灯，到300W，能够驱动6个50W灯。在许多应用中，灯在一个轨道里，电源安装在外面。由于电压仅有大约12V，因此没有显示出任何安全问题。通常电子变压器比线绕变压器小和轻，并可能具有短路和热保护，而线绕变压器没有。通常一个设计很好的电子变压器可以调光，调光器是相前沿斩波双向可控调光器或后沿晶体管调光器。基于卤素灯变换器的IR2161功能描述图1。IRPLHALO1E电路图IR2161为半桥MOS管或IGBTs提供高低端输出驱动。半桥输出连接高频降压变压器，输出提供大约12Vrms电源来驱动灯。IR2161也结合了系统中所需要的保护性能，而不需要很多外部器件。启动时，在大约一秒内，频率从高频125kHz向下扫描到正常运行频率30到40kHz。由于变压器中漏感使输出电压在灯启动时，从较小值逐渐增加到12V正常电压水平。它减小了启动时的浪涌电流。当灯丝冷态时，灯丝电阻较低，浪涌电流较大，可能引起关断电路错误触发。芯片包括短路保护，如果检测到大电流，大约50ms输出关闭。相同地，如果检测到大于50%的过载，大约500mS输出关断。需说明在过载情况下，由于过载幅值关闭时间可能减少。这种双重模式关闭电路将保护输出的故障情况，当变换器调光时也会起作用，不象自激方案。它也将保护输出端的短路。通常需要一个电子变压器在整个负载范围内提供合理地不变的输出电压，因此IC通过电流检测电阻检测负载，当负载减少时，增加频率达到输出变压器负载调节补偿。也有通过线电压半波调置频率来扩展谐波和减少所需的EMC滤波器件尺寸和成本。IR2161包括了所有必要的保护性能，也允许变换器通过外部标准相前沿或后沿斩波来调光。由于软启动和输出电压漂移补偿（负载调节），芯片提供了灯长寿命优势。它使变换器在较高负载运行时谐波最优（近乎功率因素1）（双极器件方案在大负载有谐波问题，由于振荡器每半个循环启动停止导致交叉失真）。芯片也包括自适应的死区时间来实现软开关，实现低温下运行MOS管（同时改善EMI，由于在线电压半周内的频率调节）。当与荧光灯电子镇流器相比，在设计卤素灯变换器电路设计时需要考虑的几点是：•灯丝是阻性的•不需要预热或触发•直流母线是线电压的全波整流，没有平滑。•接近于功率因素1是系统固有的•可以用双向可控调光器调光（标准国内型号）•通过交流线电压的相斩波实现调光•输出是隔离的低电压•需要输出短路或过负载关断，不是开路。•关断必须是自动重置保护电路是自动重置的，因此如果输出短路，系统将周期性的重启然后再次关断。当短路排除后，灯将能再次开启而不需要交流电掉电和重新上电。CSD管脚的外部电容可具有多种工作模式功能，因此芯片可以缩小到8个管脚。CSD管脚通过内部逻辑电路控制，在不同的模式时连接到不同的电路。电流检测输入连接到电压补偿和关断电路。CSD电容通过内部传输门在不同的电路之间转换。振荡器是电压控制型，在正常操作中它的输入连接到CSD电容。在过热或外部关断情况下，芯片将进入故障模式。在这种模式下，芯片锁定关断，只能通过重设交流电重启。在过压或过载情况下，芯片将进入自动重置模式。芯片运行的不同模式和系统含义都在这里有描述（参考IR2161数据表）提供VCC到IR2161低压锁定模式（UVLO）是当芯片VCC低于开通阈值时的一种状态。为了识别芯片的不同模式，请参考IR2161数据表状态图。在欠压锁定状态时，IR2161维持一个超低电流，低于300uA，并保证在高低端输出驱动激活前，芯片功能正常起作用。电容（CVCC）通过电阻（RS）充电，减去流入芯片的电流。通过电阻充电CVCC到UVLO阈值，此时IR2161开始运行，LO和HO有输出。在一个卤素灯变换器中，考虑直流母线不是完全平滑的，是全波整流形状。CVCC应该足够大以保证VCC的电压在半个周期内保持在UVLO阈值以上，因为它仅在峰值充电。充电泵由CSNUB连接到两个二极管，DCP1和DCP2组成，它启动后，从半桥(VS)到VCC回馈电流并保持给芯片供电。这种安排避免了通过RS提供所有电流到VCC，在220VAC供给系统，RS消耗大约2W。这是不期望的，当2W功率产生的热量将明显增加变换器的温度。当选择RS值时，要考虑功率损耗和当调光器设定在低水平时的启动能力。当调光器设定最低时要启动变换器，直流母线电压很小，因此RS必须足够小来提供充足的启动电流给VCC。RS值越小，消耗的功率越多。应该指出以上的考虑在一个220VAC供给系统中很重要，但在一个120VAC供给系统中充电泵不是很必要，RS能提供VCC而不消耗很多功率。其他的考虑象大电流在120VAC系统是主要问题。一个外部的16V稳压二极管DZ代替内部稳压管避免了内部损耗功率（它应该在1.3W）。如果变换器使用前沿相控调光器，和CD串联的RD电阻是必须的。当双相可控在半周的中点触发时高dv/dt允许大电流快速流过这个路径，将CVCC充电到最大VCC电压。这样每半个周期，当双相可控触发时，系统都会接受到一个快速的VCC充电。外部稳压管DZ通过分流过多的电流到COM上，将防止对芯片可能的损坏，。一旦VCC上的电容电压达到启动阈值，芯片启动，HO和LO开始振荡。自举二极管（DB）和供电电容（CB）组成高端驱动电路电源。保证高端第一个输出脉冲前，高端电源充上电，输出驱动的第一次脉冲来自LO。在欠压锁定模式，HO和LO高低端驱动输出都为低。软启动操作软启动模式被定义为当灯丝冷态时系统运行时芯片的状态。任何类型的白炽灯，卤素灯有正的灯丝温度系数，冷态电阻（当关闭灯很长时间冷却时）比热态电阻（灯运行）低很多。这种情况经常导致变换器启动时产生很大的冲击电流。最坏情况下，它会触发关断电路。为了克服这个问题，IR2161设计了软启动功能。当芯片开始振动，频率最初很高（大约125kHz）。由于系统中的高频变压器有一个固定的初始漏感，在高频下其有较高的阻抗，允许初级边有较小的交流电压。这就使变换器的输出电压较低。少的输出电压将自然产生小的灯电流，它减轻了冲击电流，从而避免触发关断电路，并减少灯丝应力以及半桥MOS管（M1和M2）的电流。大约1s的时间（100nF的CSD电容）频率向下扫描逐渐从125kHz到最小频率。在此期间，CSD管脚的外部电容从0V充到5V，通过内部电压控制振动（VCO）控制振动频率。CSD值将决定软启动扫描的的持续时间。尽管如此，由于它也支配关断电路延迟，应该保持在100nF的值来达到正确操作。图2.没有和有软启动功能的启动电流RunMode运行模式当完成软启动，系统转换到运行模式。在此期间系统提供从最小到最大负载时的输出电压调整。在这种类型系统中，供给灯的电压不超过特别限制是令人满意的。如果灯电压变的很高，灯丝温度也会很高，灯寿命将缩短。问题是输出变压器不可能完美耦合的，因此将会降低负载调整率。设计的变压器要在最高负载时，灯电压足够高来保证充分的灯输出。最小负载时，电压将变的较高，可能超过最大预期的灯电压。负载电流通过电流检测电阻（RSC）获得。在电压补偿模式，峰值电流被检测和在芯片内放大，出现在CSD管脚。CSD电容上的电压，从最小负载的0V到最大负载时的5V变化。这说明要为最大额定负载和变换器的线电压下选择正确的电流检测电阻值。一个100W，220-240V交流线变换器的电阻为0.33Ohm(0.5W)。（需要指出RCS电阻值对于设定关断电路阈值也很关键）。在运行模式中，振荡频率从大约30kHz，VCSD是5V（最大负载）到大约60kHz，当VCSD是0V（无负载）间变化。结果是在较轻负载时，例如，如果单个35W灯连接到一个100W变换器上，频率将向上调整，使输出电压降低到灯可接受的最大值以下。这为负载提供了充分的补偿来保证灯电压将永远在可以接受限制范围内，而不需要复杂和昂贵的输出反馈系统。包括的一个额外的内部电流源对外部电容放电。如果CSD是100nF，这将提供两倍线频率波纹。这个频率调制的优势在于在线电压半周期过程中，振荡器频率将有几kHz变化，分散了整个频率范围EM传导和辐射，避免了特定频率下高振幅峰值。这样滤波器件有可能和一般双极晶体管自激振荡系统中相似。关断运行IR2161包含一个双重模式自动重置关断电路，可以检测输出的短路或过载情况。CS管脚检测负载电流来判断这些情况。如果变换器的输出短路，一个很大的电流将在半桥中流过，系统必须在几个交流电压周期内关断，否则MOS管将由于超过芯片温度而损坏。CS管脚有一个内置阈值电压，约1.0V，如果电压超过此值50ms以上，系统就会关闭。芯片包括一个延期电路用于防止由于启动时灯浪涌电流（这个电流仍然高于正常的软启动运行）或如果用一个外部双相可控调光器可能发生的瞬间电流的误触发另有一个较低的阈值，0.5V。在关断系统之前有更长的延期。它提供了过载保护，如果过多灯连接到输出端，或者输出短路发生在接线盒的末端，由于有足够阻抗而使电流不够大到出现短路保护。在这种情况下，也有过多电流通过半桥电路，在较长时间内引起器件过热而最终损坏过载关闭的阈值大约是最大负载的50%以上，关断延迟时间约0.5秒。这个电流波形基于包罗是正弦的具有50%占空比高频方波电流。两种关断模式是自动重设，它允许振荡器关断大约1s之后再次起振。如果故障消失，系统可以再次正常运行，不需交流电关断和再上电。它也给终端用户提供了超载的提示，因为如果连接太多灯，灯将不停闪烁。关断电路也用外部CSD电容作为定时功能。当CS端超过0.5V阈值时，CSD从内部电压补偿电路断开并连接到关断电路。CSD电容用于关断电路定时使振荡器工作在最小频率。当超过0.5V阈值，CSD被快速充电到4V。当超过0.5V的关断阈值，CSD电容通过电流源I_OL充电，当超过1.2V阈值时，它也由I_SD充电。如果超过1.2V，CSD将在大约50ms从4V充到12V。当超过0.5V但没有超过1.0V，CSD将在大约0.5秒从4V充到12V。定时计数是大约50%占空比的高频脉冲，和一个正弦包罗出现在CS端。仅在交流线电压峰值考虑I_SD和I_OL值，使比较器输出为高，电容在每半个周期峰值阶梯充电。如果发现故障但在CSD达到12V之前消失，CSD将放电到2.5V，然后系统将回到补偿模式而不会中断输出。同样，当系统延迟后再次启动，CSD电容将由内部开关切换回到电压补偿电路。如果故障仍然存在，系统将立即转换CSD到关断电路。图3,短路和过载检测红色踪迹表示两种故障模式下的输出电流，蓝色踪迹表示CSD电容充放电。IR2161可以通过在CS管脚加0.5VCC以上的电压关断。这将使系统在大约1uS之后直接进入故障模式，可以用VCC的上下电来重新启动系统。IR2161也包括过温关断，当芯片温度超过130-140°C，将关断变换器。这里假设芯片温度在变换器内高与环境温度大约20°C。取决