新型电子镇流器控制芯片IR2156

陈熹，李明

(IR公司西安应用中心，陕西西安710061）

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：

    V_CC=V_BS=V_BIAS=14V±0.25V,V_VDC=OPEN,R_T=39.0kΩ,R_PH=100.0kΩ,C_T=470pF,V_CPH=0.0V,V_CS=0.0V,V_SD=0.0V,C_LO，HO=1000pF,T_a=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V_CC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(R_SUPPLY)的电流一部分作为启动电流流入IC，其余给启动电容(C_VCC)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  C_VCC电压

    在放电期间，充电泵产生的整流电流给电容充电，使V_CC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（D_BOOT）和自举电容（C_BOOT）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V_CC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C_T和内部死区时间电阻R_DT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R_T和R_PH，以及定时电容C_T决定。C_T分别在到达（1/3）V_CC和(3/5)V_CC电压时充电和放电，R_T和R_PH并联后内部连接到V_CC，通过MOS管S₁对C_T指数充电（见图1）。C_T的充电时间为（1/3）V_CC至（3/5）V_CC,分别驱动LO和HO。一旦C_T电压超过（3/5）V_CC，MOS管S₁关断，电阻R_T和R_PH与V_CC断开。C_T通过内部电阻R_DT穿过MOS管S3对COM以指数放电。C_T的放电时间为（3/5）V_CC到（1/3）V_CC，即输出门极驱动LO和HO的死区时间。C_T的容量要根据RDT和要求的死区时间来选取。一旦C_T放电至低于（1/3）的V_CC,MOS管S3关断，R_DT与COM断开，MOS管S₁导通，R_T和R_PH连接到V_CC。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V_CC上升，S₄缓慢关断，这样就使电阻R_PH平滑地从R_T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R_CS上的电压即为管脚CS的电压。R_CS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R_T和定时电容C_T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V_CC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R_BUS和内部电阻R_VDC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R_VDC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C_T和内部死区时间电阻R_DT可以定义LO和HO的死区时间tDT。死区时间为电容C_T上的电压从（3/5）V_CC到（1/3）V_CC的放电时间。公式如下：

    t_DT=C_T·1475      s（1）

或

    C_T=t_DT/1475      F（2）

5.2  设置运行频率

    最终的运行频率f_RUN由定时电阻R_T和定时电容C_T设置。电容C_T上的电压从（1/3）V_CC到（3/5）V_CC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：

    f_RUN=    Hz(3)

或

    R_T=－2892    Ω（4）

5.3  设置预热频率

    预热频率f_PH由定时电阻R_T和R_PH、定时电容C_T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：

    f_PH=    Hz(5)

或

    R_PH=    Ω(6)

5.4  设置预热时间

    预热时间t_PH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：

    t_PH=C_PH·2.6e⁶     s（7）

或

    C_PH=t_PH·0.385e^－6    F(8)

5.5  设置最大触发电流

    最大触发电流I_IGN由外部电阻R_CS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：

    I_IGN=    A(9)

或

    R_CS=    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：

    C_T=470pF,R_T=43kΩ,R_PH=68kΩ,

    C_PH=0.22μF,R_CS=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。

图7  预热时灯丝电压（5V/格）      图8  预热、触发和运行时灯电压（250V/格）

    运行时半桥输出电压和R_CS上的电压波形如图9所示。触发失败时灯电压和R_CS上的电压波形如图10所示。

上：100V/格下：200mV/格

图9运行时半桥输出电压和Rcs上电压

上：500V/格下：1V/格

图10触发失败时灯电压和Rcs上电压

8  结语

    IR2156是一款功能完善、性能稳定和成本低廉的电子镇流器控制集成电路。该IC既可应用于直管莹光灯，也可应用于紧凑型节能灯，其预热和故障保护功能大大提高了灯管和镇流器的寿命。极具实用推广价值。