高功率因数高效率紧密型荧光灯管电子可调光镇流控制器

南京航空航天大学严仰光(南京210016.html" target="_blank" title="210016">210016)摘要:ML4835采用BI?COMS工艺,是复合了PFC/CFL二大功能的单片集成电路,具有简易单环路补偿升压式功率因数校正(PFC)与灯管寿命检测的可调光与不调光电子镇流控制器功能,特别适用于工民建中的小型荧光灯(CFL)绿色照明系统.

关键词:高功率因数高效率紧密型荧光灯管电子可调光镇流控制器

1引言

小型荧光灯电子调光镇流控制器ML4835复合了PFC/CFL二大功能,其内部结构框图见图1.

复合PFC/CFL单片集成电路ML4835是一种完整的高功率因数和高效率的可调光/不调光电子镇流控

引脚号 符号 功能

1 PVFB/OVP PFC误差放大器反相输入和OVP比较器输入

2 PEAO PFC误差放大器输出和补偿连接点

3 PIFB 检测升压电感电流和PFC峰值电流,进行逐周限流

4 PIFBO 电流传感放大器输出,该脚到地接一只电容,用来平均电感电流

5 LAMPFB 灯管误差放大器反相输入,用作传感和调节灯弧电流,也是可调光输入节点

6 LEAO 灯管电流误差互导放大器输出,用作灯管电流环路补偿

7 RSET 外接电阻设定振荡器最高频率fmax,为RX/CX提供充电电流

8 RT2 振荡器定时元件,设定起动频率

9 RT/CT 振荡器定时元件

10 INTERRUPT 输入用于灯管脱落检测和再起动.当该脚低于1V电压时,将复位IC并在可编程时间之后再起动

11 Rx/Cx 设定预热和中断时间

12 PWDET 灯管输出功率检测

13 CRAMP 误差放大器输出的斜坡积分电压

14 AGND 模拟地

15 PGND 功率地

16 OUTB 镇流器MOSFET驱动器输出B

17 OUTA 镇流器MOSFET驱动器输出A

18 PFCOUT 功率因数MOSFET驱动器输出

19 VCC 正极性电源电压

20 REF 7?5V基准参考电压缓冲输出

表1ML4835引脚功能简要表

制器,特别适合于作房屋建筑群中的小型荧光灯(CFL)"绿色"节能照明系统.采用了Bi?CMOS工艺的ML4835包括两个控制电路:一是升压型PFC功率因数控制器,二是具有灯管寿命检测的电子调光镇流控制器.

ML4835的PFC电路采用了一种单环路补偿的新型简易PFC拓扑.该功率因数校正电路可以峰值电流或平均电流模式工作,系统的功率因数超过0.99,其输入电流的谐波失真很低.ML4835的镇流控制器提供了可编程的起动程序,它具有特定的可调节预热时间及灯管引出脚脱离插座时的中断输出时间.ML4835的外形与20个引脚见图2,各引脚简要功能见表1,它的主要特点是:

(1)用于检测灯管寿命终止的功率检波;

(2)低失真高效连续升压式峰值或平均电流传感型PFC系统;

(3)在PFC与镇流器间采用单一频率工作及前沿与后沿同步;

(4)可编程的起动设计,能快速、瞬间开启灯管;

(5)调光和起动采用三重频率控制网络,以适应不同灯管尺寸;

(6)可调的再起动程序,灯管输出条件减少镇流器发热;

(7)内部过热关断;起动电流低(<0.55mA);

(8)PFC过压比较器消除了拔掉灯管负荷时的输出失控.

2ML4835的极限值与电气参数

超过绝对最大额定值时将导致器件永久性损坏.绝对最大技术指标只是器件承受的额定值,不是器件正常的工作值.

(1)电源电流(Icc)65mA;

(2)输出电流(OUTA,OUTB,PFCOUT)直流250mA;

(3)PIFB输入电压-3V到2V;

(4)最大承受电压(PEAO,LEAO)-0.3V到7?7V;

(5)最大承受电流(PEAO,LEAO)±20mA;

(6)结温150℃;

(7)储藏温度范围-65℃到150℃;

(8)引线温度(10秒焊接)260℃;

(9)热阻(θJA)

ML4835外形引脚安排(原图,未做格式转换)

ML4835CP65℃/W;

ML4835CS80℃/W;

(10)工作条件

温度范围0℃到70℃.

ML4835的电气特性见表2.除非另外说明,所有的VCC=VCCZ=-0.5V,RSET=11.8kΩ,RT=15.4kΩ,RT2=67.5kΩ,CT=1.5nF,TA=工作温度范围(注释1).

ML4835的功能设计由两部分电路组成:一是受

表2ML4835电气特性 参数 条件 最小值 典型值 最大值 单位

(1)灯管电流放大器(LAMPFB,LEAO)

输入偏置电流 -0.3 -1.0 μA

小信号跨导 35 75 105 μ

输入偏置电压 -0.3 5.0 V

输出低电平 LAMPFB=3V,RL=∞ 0.2 0.4 V

输出高电平 LAMPFB=2V,RL=∞ 7.1 7.5 V

源极电流 LAMPFB=0V,LEAO=6V -120 -220 μA

吸收电流 LAMPFB=5V,LEAO=0.3V 80 220 μA

(2)PFC电压反馈放大器(PEAO,PVFB/OVP)

输入偏置电流 -0.3 -1.0 μA

小信号跨导 35 75 105 μ

输入偏置电压 -0.3 5.0 V

输出低电平 PVFB=3V,RL=∞ 0.2 0.4 V

输出高电平 PVFB=2V,RL=∞ 6.5 6.8 V

源极电流 PVFB=0V,PEAO=6V -120 220 μA

吸收电流 PVFB=5V,PEAO=0.3V 80 220 μA

(3)PFC电流限制比较器(PIFB)

电流限制门限 -0.9 -1.0 -1.1 V

传播延迟 100mV级,过激励100mV 100 ns

(4)PFC过压保护OVP比较器

过压保护OVP门限 2.65 2.75 2.85 V

滞后 0.14 0.25 0.30 V

传播延迟 1.4 μs

(5)振荡器

初始精度(最低频率时) TA=25℃ 39.2 40 40.8 kHz

电压稳定性(最低频率时) VCCZ-4V 0.3 %

温度稳定性(最低频率时) 0.3 %

总变化量(最低频率时) 在整个电网电压和温度变化范围内 39.2 40.8 kHz

初始精度(起动时) TA=25℃ 49 50 51 kHz

电压稳定性(起动时) 0.3 %

温度稳定性(起动时) 0.3 %

总变化量(起动时) 在整个电网电压和温度变化范围内 49 51 kHz

斜坡峰谷值 2.5 V

初始精度(预热时) TA=25℃ 60.8 64 67.2 kHz

总变化量(预热时) 在整个电网电压和温度变化范围内 60.8 64 67.2 kHz

CT放电电流 VRTCT=2.5V 6.0 7.5 9.0 mA

输出驱动死区时间 CT=1.5nF 0.7 μs

(6)基准参考电压缓冲

输出电压 TA=25℃,IO=0mA 7.4 7.5 7.6 V

电网电压调整率 VCCZ-4V 10 25 mV

负载调整率 1mA 2 15 mV

温度稳定性 0.4 %

总的变化量 在整个电网电压、负载和温度变化范围 7.35 7.65 V

长期稳定性 Tj=125℃,1000h 5 mV

短路电流 40 mA

复位电压 2.4 2.5 2.6 V

(7)预热和中断定时器(Rx=346kΩ,Cx=10μF)

初始预热时间 0.86 s

后续预热时间 0.72 s

中断时间 5.9 s

Rx/Cx充电电流 -50 -54 -58 μA

Rx/Cx开路电压 0.4 0.7 1.0 V

Rx/Cx最大电压 7.0 7.2 7.8 V

预热低门限电平 1.6 1.75 1.9 V

预热高门限电平 4.4 4.65 4.9 V

起动期结束门限电平 6.2 6.60 6.9 V

禁止中断门限电平 1.1 1.25 1.4 V

滞后 0.16 0.26 0.36 V

输入偏置电流 1 μA

表2(续)ML4835电气特性 参数 条件 最小值 典型值 最大值 单位

(8)功率关闭

功率关闭电压 0.90 1 1.1 V

(9)输出(OUTA,OUTB,PFCOUT)

输出低电压 IOUT=20mA 0.1 0.2 V

IOUT=200mA 1.0 2.0 V

输出高电压 IOUT=20mA VCC-0.2 VCC-0.1 V

输出高电压 IOUT=200mA VCC-2.0 VCC-1.0 V

欠压锁定时输出低电压 IOUT=10mA,VCC 0.2 V

输出上升和下降时间 CL=1000PF 50 ns

(10)欠压锁定和偏置电流

IC分路电压(VCCZ) ICC=15mA 14 14.8 15.5 V

起动门限(VCCSTART) VCCZ-1.5 VCCZ-1.0 VCCZ-0.5 V

滞后 3.0 3.7 4.4 V

起动电流 VCCSTART-0.2V 350 550 μA

中断电流 (VCC-0.5V),INTERRURT=0V 500 750 μA

工作电流 (VCC-0.5V) 5.5 8.0 mA

关断温度 130 ℃

滞后 30 ℃

注释1:这些限制是经100%测试和取样来保证,或按最坏情况时的测试条件来校验.

图3ML4835内电路结构详细方框示意图(原图,未做格式转换)

图4三种频率设计模式示意图

峰值或平均电流控制的连续升压式功率因数前端级,二是灵活的镇流器控制部分.起动和灯管输出的再定时,由选择外部定时元件来控制,它能适应不同类型灯管的控制.镇流器部分采用频率调制(FM)控制灯管的功率,通过附加编程能力来调节VCO压控振荡器的频率范围.这就使IC能用在不同的输出网络.图3方框详细给出了ML4835的内电路结构示意图.

ML4835提供了几种安全特性(详见后面有关内容):

(1)灯管寿命终结检测,用于检验灯管寿命EOL、

开关闭灯管;

(2)传感末端的灯管温升并控制热关断(详见IC

偏置、欠压锁定和热关断一节);

(3)具有防闪光的再照明起动,用于灯管输出条

件的再起动,当从满功率推动至调光能级时可使"闪烁"最小(详见起动、再起动、预热和中断各节).

3ML4835的工作原理

如图4所示.ML4835执行三重频率工作模式:即预热、点火、调光三种频率的可编程序,它能延长灯管的寿命,简化灯管的网络设计,还能在任何调光级别时无闪烁地开启灯管.这种寻址适于高Q值网络起动程序、和低Q值网络工作时的需要,其寄生损耗最小,并改进整机功效.预热、起动、工作和再起动的数值,是能调节或选择的.

3?1功率因数控制电路

ML4835的功率因数校正电路,是一种峰值或平均电流检测的升压式PFC控制电路,它只需要电压环补偿.它比常规的平均电流控制方式更简单,该电路由一个电压误差放大器、一个电流传感放大器(不用补偿)、一个积分器、一个比较器和一个逻辑控制器组成,见图5.在升压式拓扑中,功率因数校正是通过检测输出电压和流经电流传感电阻器上的电流来实现的.占空比的控制是由比较误差放大器的积分电压信号与传感电阻器RSENSE上的电压来实现的.占空比控制的定时见图5中波形.

为调节输出而设置的最小输入电压,可由选择CRAMP来实现(它遵循峰值电流模式):

图5ML4835的PFC控制器电路(原图,未做格式转换)

CRAMP=(1)

在平均电流模式时:CRAMP=(2)

式中Δt是死区时间.

图6ML4835的灯管寿命检测功能简化模型(原图,未做格式转换)

图7补偿网络图(原图,未做格式转换)

图8输出电路结构(原图,未做格式转换)

图9跨导放大器特性曲线(原图,未做格式转换)

3?2过压保护与禁止电路

过压保护(OVP)端用于保护功率电路,当负载突然变化时(如拔掉灯管),它能避免过压冲击损坏功率级.在直流高压线上的分压器阻值,可设置OVP电路的断开电平.当PVFB/OVP端的电压超过2?75V时,PFC晶体管被禁止工作,而镇流器将继续工作.

3?3跨导放大器

PFC电压反馈放大器用于运算跨导放大器.它设计在低电平小信号正向跨导,因此用于频率补偿网络的交流耦合C1时,可用高阻值负载电阻器R1和小容量陶瓷电容器(<1μF).图6给出了运算跨导放大器的输出电路结构.

图7中的补偿网络将按下式频率引入一个零点和一个极点:fZ=fP=(3)

跨导放大器的输出端直流接地通路或VCC通路,将引起失调误差.输入端出现的失调电压幅度由公式给出:VOS=io/gm.若io=1μA,gm=0.05μW,则输入的参考失调电压=20mV.图7中的电容器C1用于隔离直流电流,尽量减小失调的不利影响.

在ML4835中的所有运算放大器,都合并了压摆率增强功能.这改善了灯管加亮时和瞬态条件下电路响应的恢复能力.从图9特性曲线看出:对大信号时的响应将有一些非线性失真,这是由于跨导模式由低转到高时,跨导放大器发生变化引起.