1    引言

    1999年全國熒光燈年產(chǎn)量37876萬只，其中T8熒光燈產(chǎn)量8380萬只[1]。因此，提高照明效率和質量對于節(jié)約能源和改善工作和生活條件均具有重大意義。高頻電子鎮(zhèn)流器與傳統(tǒng)的電感式鎮(zhèn)流器相比，具有重量輕，體積小，效率高，無頻閃，易實現(xiàn)調光以及功率因數(shù)高等一系列優(yōu)點。

    上世紀80年代，分立元件的電子鎮(zhèn)流器的市場表現(xiàn)不盡人意，其原因在于分立元件鎮(zhèn)流器存在可靠性差，價格高，污染電網(wǎng)，調光困難等缺點。上世紀90年代，國外公司紛紛推出熒光燈專用集成控制芯片，高頻調光電子鎮(zhèn)流器終于在市場中取得了長足的進步。這類芯片有TDA4817，SG3561A，MC34261，UC3852，KA7543[2]等。解剖分析Philips公司的HF-R36TLD，BETPLTD公司的DTK805調光電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)品，二片式（控制芯片＋功率因數(shù)校正芯片）是主流結構。Microlinear公司的ML4830及ML4835[3]芯片為一片式結構，即把控制芯片和功率因數(shù)校正芯片集成為一片。2001年，復旦大學微電子有限公司開發(fā)成功FM2811熒光燈電子鎮(zhèn)流器專用芯片，該芯片為一片式結構。本文基于FairChild公司的調光電子鎮(zhèn)流器控制芯片KA7543，以及功率因數(shù)校正芯片KA7526展開討論。

2    芯片介紹

2.1    調光鎮(zhèn)流器控制芯片KA7543的結構和功能

    KA7543采用14腳DIP或SOP封裝，引腳配置如圖1所示，表1給出了引腳功能。

圖1    KA7543引腳排列

    KA7543具有熒光燈預熱軟啟動，寬范圍無級調光，無燈保護和異常保護，欠電壓自鎖等功能。圖2為KA7543的內(nèi)部功能框圖。

圖2    KA7543內(nèi)部功能框圖

2.2    功率因數(shù)校正芯片KA7526的結構和功能

    KA7526是熒光燈專用功率因數(shù)校正芯片（Power Factor Correction Controller，PFC）。KA7526內(nèi)嵌的有源PFC升壓變換器采用乘法器方式[4]，

表1    KA7543引腳功能表

    在電源輸入端產(chǎn)生與AC輸入電壓同相位的正弦電流，其作用是使負載呈純電阻，即功率因數(shù)近似為1。KA7526的引腳功能見表2。

表2    KA7526引腳功能表

3    可調光電子鎮(zhèn)流器的原理

3.1    電路描述

    如圖3所示，可調光電子鎮(zhèn)流器可分為三部分：KA7543及其外圍電路組成的熒光燈調光控制模塊；KA7526及其外圍電路組成的功率因數(shù)校正模塊；L₁，C₁，C₂，C₃，C₄，V₁，NTC組成的電磁干擾（EMI）濾波器。V₁為抑制瞬態(tài)電壓的壓敏電阻，NTC為抑制浪涌電流沖擊的熱敏電阻，濾波器能抑制來自電源的共模和差模干擾，同時并阻止鎮(zhèn)流器本身產(chǎn)生的開關噪聲對其他電器的干擾。

圖3    調光電子鎮(zhèn)流器電路圖

3.2    軟啟動

    ZBK74012-90把電子鎮(zhèn)流器的啟動方式分為兩類：預熱式啟動（軟啟動）；非預熱式啟動（硬啟動）。熒光燈是熱陰極，屬熱電子發(fā)射。硬啟動導致燈要承受兩段輝光放電時間，而在這段時間內(nèi)，燈陰極周圍的空間電荷非常稀薄，使陰極發(fā)射物質濺射量急劇上升，從而使燈早期發(fā)黑，壽命縮短。文獻[5]對此作了深入研究，試驗結果見表3。

表3    硬啟動與軟啟動燈管壽命

    表3的試驗數(shù)據(jù)表明，軟啟動的燈管壽命比硬啟動平均高出一倍以上。

    在KA7543的腳3上的電壓V_cc達到啟動門限電壓（8.5V）時，內(nèi)部UVLO電路即為IC內(nèi)的所有電路提供基準電壓（V_ref=2V±5％）和偏置電流。IC內(nèi)的軟啟動電路開始對軟啟動電容C_s（圖3中為C₂₂）充電，IC輸出一個比通常工作頻率f_nor（約30kHz）高約30％的預熱頻率f_pre，最高軟啟動頻率由腳4（C_c）上的電壓決定。隨著C_s上的電壓V_cs線性上升，開關頻率隨之線性下降。當頻率降至LC串聯(lián)諧振電路的固有頻率f₀時，LC電路產(chǎn)生串聯(lián)諧振，并在燈管兩端產(chǎn)生一個約1kV的高壓脈沖，將燈管擊穿而點燃。此時，IC的輸出頻率降至工作頻率f_nor，整個軟啟動時間為0.8～1s。

    啟動電路通過電阻R_st（圖3中為R₂₁）對IC充電。R_st的值可通過式（1）計算。

    R_st=（1）

式中：V_in為經(jīng)過整流后的輸入電壓；

      V_thmax為芯片KA7543的最大啟動門限電壓；

      I_stmax為最大啟動電流。

    圖3電路中V_in=220V，V_thmax=10.5V，I_stmax=0.25mA?？梢缘贸?i>R_st=1.2MΩ。

    軟啟動的時間由軟啟動電容C_s的大小決定。當啟動電壓達到門限電壓后，IC內(nèi)部一個313nA的電流源向軟啟動電容C_s充電，直至電壓V_cs達到2V。因此軟啟動時間t_s可通過式（2）計算。

    t_s=（2）

如果C_s=0.2μF，則t_s=1.28s。

3.3    無級調光控制

    電子鎮(zhèn)流器工作采用三段式，即上電后，鎮(zhèn)流器工作在預熱頻率（f_pre）；燈陰極充分預熱后進入啟動頻率（f₀）；燈管點燃后轉至工作頻率（f_nor）。

    文獻[6]列出并比較了熒光燈現(xiàn)有的4種調光方式，即輸入電壓相位控制，鎮(zhèn)流器的阻抗控制，工作頻率控制，燈上加周期性不連續(xù)電壓。其結論是工作頻率控制法綜合指標最佳。KA7543應用的就是工作頻率控制方法。KA7543的內(nèi)部調光電路位于腳9（Vdm），腳11（Cdm）和腳6（Vfb）之間。加于腳9的調光電壓范圍為0～2V，0V對應滿光（Full light），2V對應完全變暗（Full dimming）。即腳9調光控制電壓增加時，開關頻率升高，L₂及L₃阻抗增加，導致燈電流減小，燈變暗。

    圖4為不同亮度時燈電壓和電流的實驗波形圖。

(a)    最小輸出功率，電壓40V/格，電流20mA/格

(b)    60％輸出功率，電壓40V/格，電流500mA/格

(c)    100％輸出功率，電壓40V/格，電流500mA/格

圖4    不同亮度時燈電壓和電流波形

4    結語

    采用熒光燈專用集成芯片設計可調光電子鎮(zhèn)流器是切實可行的，產(chǎn)品的技術經(jīng)濟指標要明顯優(yōu)于采用分立元件的電子鎮(zhèn)流器和傳統(tǒng)的電感鎮(zhèn)流器。采用了EMI濾波和PFC技術，可以較好地滿足IEC諧波標準。在20％～100％亮度范圍工作時，無級線性調光工作穩(wěn)定，燈管開啟次數(shù)約提高20％。在10％～20％亮度范圍工作時，熒光燈工作欠穩(wěn)定。效率實測提高15％左右，未達到理論上的30.2％，尚需進一步的優(yōu)化和改進。