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基于集成芯片的低壓大功率可控硅調(diào)光型節(jié)能燈的解決方案

來源：電子技術應用2010年第6期

賴兵

上海交通大學，上海200240

摘要： 基于英飛凌公司ICB1FL02G的智能集成芯片控制設計，利用串聯(lián)于電源輸入端的前/后沿可控硅調(diào)光器來實現(xiàn)燈光明暗度的調(diào)節(jié)。將調(diào)光電信號通過壓控振蕩器線性地轉換為半橋驅動頻率，并用該頻率直接控制燈的亮度。采用有源功率校正增大負載功率范圍，以燈電流閉環(huán)反饋和深度調(diào)光滯環(huán)控制來保證燈光輸出的可控性和穩(wěn)定性。

關鍵詞： ICB1FL02G集成電路可控硅調(diào)光器壓控振蕩器有源功率校正頻控半橋驅動

中圖分類號： TM923.61
文獻標識碼： B

Solution for triac dimmable CFL with low-voltage and high-power based on IC

LAI Bing

Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China

Abstract： The solution of dimmable compact fluorescent lamp(CFL) is based on Infineon ICB1FL02G smart IC, and achieves the dimmable lamp light output by the leading or trailing edge Triac dimmer in series with mains input line directly. The voltage controlled oscillator(VCO) to realize the linearly converted from dimming signal to the half-bridge driving frequency, and uses the frequency to directly control light brightness. The active power factor correction(APFC) to expand the load power range, and uses the lamp current closed-loop feedback and the signal hysteresis control at low dimming level to ensure controllability and stability of the light output.

Key words : ICB1FL02G IC；triac dimmer；VCO；APFC；frequency controlled half-bridge driving；lighting output with closed-loop feedback；hysteresis control at low dimming level

    在嚴峻的能源供給形勢下，新型環(huán)保節(jié)能的產(chǎn)品成為關注的熱點。相對于傳統(tǒng)的白熾燈，在輸出相同的光效情況下，熒光燈的節(jié)電效能可達到70%~80%，因而被稱為“綠色照明”。隨著對更高生活品質的追求，人們對照明環(huán)境的體感舒適度要求越來越高，可調(diào)光的熒光燈照明系統(tǒng)就是這種更加人性化的具體實現(xiàn)，而且調(diào)光節(jié)能燈不僅可以使燈的光輸出更適合人們的需要，還可以最大限度地節(jié)能[1]。
   當前，可調(diào)光的熒光燈照明系統(tǒng)大體可分為兩類：分離式電子鎮(zhèn)流器驅動的熒光燈系統(tǒng)與調(diào)光型一體化節(jié)能燈。由于分離式系統(tǒng)的布線比較復雜而且需要較大的安裝空間，所以該系統(tǒng)在一些應用環(huán)境中存在局限性。而從安裝便利、有限空間利用以及整體美觀的角度來看，可調(diào)光型一體化節(jié)能燈具有其獨特性和先進性。
   傳統(tǒng)的可調(diào)光節(jié)能燈，大多采用磁環(huán)驅動和分立器件的設計方法，具有電路簡單、成本低廉的優(yōu)勢。但該類系統(tǒng)同時具有較明顯的離散性和溫度依賴性，其性能、可靠性較差；又由于其在落后的調(diào)光技術和有限空間的熱管理方面的局限性，使得產(chǎn)品應用還大多停留在低壓小功率(120 V)或高壓較大功率(220 V~240 V)的照明系統(tǒng)中。為了克服傳統(tǒng)一體化節(jié)能燈的不足，本文介紹一種新的技術解決方案，即采用基于集成芯片的優(yōu)化設計和熱管理技術，實現(xiàn)低壓大功率的小尺寸、高性能、低成本的可控硅調(diào)光型節(jié)能燈[1]。
1 技術方案
   設計要求：前/后沿切角的可控硅調(diào)光器，供電系統(tǒng)120 V/50~60 Hz，滿載功率輸出>40 W，調(diào)光范圍5%~100%，整機滿載效率>85%，壽命>10 000小時，F(xiàn)CC Class B民用級電磁兼容，UL安全認證、燈光無閃爍、低噪聲<20 dB、尺寸小、成本低。
   技術平臺[3]：可控硅調(diào)光器+濾波整流+集成芯片+閉環(huán)反饋控制+滯環(huán)控制+故障安全保護。平臺核心采用英飛凌公司的寬功率負載集成芯片ICB1FL02G[2]。該芯片具有CCM模式的有源功率校正(APFC)升壓調(diào)節(jié)，半橋頻控驅動、壓控振蕩器、過壓過流及故障保護功能。技術方案中調(diào)光功能是通過外部預置電壓信號控制芯片的壓控振蕩器(VCO)，并由VCO線性地產(chǎn)生所對應的半橋驅動頻率，由該頻率驅動LC串聯(lián)諧振來進行可控的燈光輸出調(diào)節(jié)，實現(xiàn)通過預設電壓產(chǎn)生連續(xù)可控的調(diào)光輸出。技術平臺基本實現(xiàn)如圖1所示。

2 主要功能
系統(tǒng)的基本工作信號流[3]如圖2所示。在120 V/50~60 Hz低壓供電系統(tǒng)中，輸入電壓Vin經(jīng)前/后沿切角的可控硅調(diào)光器后得到包含切角信號Φ的電壓V1(Φ)，V₁(Φ)濾波整流后的電壓為V₂，V₂再經(jīng)過APFC(Boost升壓拓撲)電路升壓轉化為后級負載所需要的母線電壓V4。V4通過高頻半橋驅動LCR(ω)負載（R為燈負載），使R獲得與半橋頻率對應的電壓電流并以光的方式輸出，并且光亮度與頻率成反比。同時，V₂經(jīng)過采樣電路得到與調(diào)光器切角Φ相對應的預設調(diào)光電壓信號V₃[4]，V₃通過VCO線性地產(chǎn)生相應的頻率信號ω來驅動半橋的負載，從而實現(xiàn)以旋轉調(diào)光器的切角調(diào)節(jié)不同亮度的光輸出。

    為了得到高安全可靠性，系統(tǒng)采用相關的過壓/過流保護和負載故障保護，即當系統(tǒng)檢測到過壓/過流時，APFC電路將停止工作，直至過壓/過流狀態(tài)消失后電路重新恢復工作。過壓/過流保護設計確保了后級母線電壓V₄及電源輸入電流不出現(xiàn)異常破壞性的升高；當系統(tǒng)檢測到燈負載故障(漏氣燈、進入整流態(tài)的燈)時，系統(tǒng)將停止工作，直至故障消失。
   燈負載的閉環(huán)控制實現(xiàn)了預設調(diào)光信號V₃對燈反饋信號V5的校正。當偏差信號ΔV趨于零即V₅=V3時，閉環(huán)控制實現(xiàn)了光輸出完全唯一地跟隨預設調(diào)光信號，從而可得到穩(wěn)定、可控的燈光輸出。
   為了提高燈的使用壽命，需要給燈絲合適的能量。燈在點亮之前，燈絲需獲得預熱能量以避免輝光的產(chǎn)生；在整個調(diào)光過程中，燈絲需要維持相應的能量（級）以確保熒光沖擊電子的發(fā)射。本方案采用輔助的燈絲預熱控制電路，使燈的壽命周期達到10 kh以上。燈使用壽命的提高直接降低了產(chǎn)品使用成本，同時也間接減少了產(chǎn)品過早失效廢棄而產(chǎn)生的環(huán)境成本。
3 主要功能模塊
3.1 有源功率校正(APFC)
   采用Boost升壓拓撲，將反映調(diào)光器切角?準的低壓脈動直流電壓V₂升壓至系統(tǒng)負載所需要的高壓低脈動直流母線電壓V₄，以使得輸出級負載在啟動時獲得足夠的擊穿電壓并在連續(xù)工作時具有合適的相位裕量。普通的調(diào)光節(jié)能燈大多無APFC電路，不能將低輸入電壓提升到與負載相適應的等級，而且在輸入電壓的波谷甚至波峰時，負載回路不能獲得足夠相位裕角，嚴重限制了低壓大功率節(jié)能燈的運用。相反，本方案由于APFC的引入，使得在整個調(diào)光器的切角范圍內(nèi)獲得連續(xù)穩(wěn)定的后級母線電壓，并實現(xiàn)低壓大功率設計。
3.2 壓控振蕩器(VCO)與半橋負載驅動
      VCO將輸入的預設調(diào)光信號V3轉化為對應的負載半橋驅動頻率信號ω，而且電壓V₃與頻率ω成反向關聯(lián)：V₃越大，ω越??；V₃越小，ω越大。如圖3為V3與ω間的關系。V₃為為調(diào)光設定電壓， ω為半橋(負載）驅動頻率。

獲得的頻率ω將直接控制半橋負載驅動，半橋輸出的方波電壓V(ω)通過LCR(ω)負載將能量傳遞給燈負載R，實現(xiàn)預設電壓V₃的變化，以改變燈輸出的亮度。而且電壓V₃與燈光輸出成正向關聯(lián)：V₃越大，燈光越亮；V₃越小，燈光越暗。V(ω)與燈負載回路的能量傳遞關系如圖4所示。

3.3 深度調(diào)光的滯環(huán)控制
由于可控硅調(diào)光器直接與輸入電源Vin串聯(lián)[5]，并將切角后的電壓信號V₁(Φ)經(jīng)過濾波整流電壓信號V₂作為調(diào)光采樣的信號源。由信號源V₂采樣而來的預設調(diào)光信號V₃在深度調(diào)光狀態(tài)時具有如下特點：當V₃處于燈剛剛熄滅的臨界值時，由于輸入電源的波動造成V3跟隨波動，使得V₃在臨界值附近上下波動，最終造成燈光的時滅時亮，產(chǎn)生燈光閃爍[6]現(xiàn)象。為了避免這種由于輸入電壓波動造成的燈閃爍，可以在深度調(diào)光時采用信號滯環(huán)控制電路來設置合適的滯回值ΔV_1來加以解決。具體的滯回值ΔV_1根據(jù)圖5所示電路參數(shù)設定。

3.3.1 開通時的V_1對應的V_1(1)值

同時，由于熒光燈的電化學特性，在調(diào)光的過程中，燈的光輸出會出現(xiàn)“模態(tài)”現(xiàn)象：同一個頻率點對應2個不同的功率點（不同的燈光輸出），會引起視覺上的燈閃爍現(xiàn)象。為了解決這種由于燈本身特性出現(xiàn)的“模態(tài)”問題而造成的燈閃爍，可以采用由C₂、C₃、R₆構成合適的RCC頻率特性補償電路和燈光輸出的閉環(huán)反饋回路組合結構來實現(xiàn)。這種耦合了頻率響應特性的燈光輸出閉環(huán)回路將使得光輸出(近似于燈電流)始終跟隨預設定值。最終實現(xiàn)調(diào)光過程中的“模態(tài)”現(xiàn)象被矯正，從而避免燈光輸出的閃爍。組合結構的具體電路如圖6所示。

4 調(diào)光性能的實驗分析
調(diào)光輸出曲線反映了連續(xù)平滑的輸出流明（調(diào)光亮度）與調(diào)光器切角深度的關系，如圖7所示。切角越大，調(diào)光深度越大，燈光輸出越暗。

本方案滿足了108 V~132 V寬輸入電壓波動時也能獲得比較理想的調(diào)光性能，使調(diào)光深度與調(diào)光器切角近乎成線性關系，在最小和最大切角附近時調(diào)光曲線近似“飽和”。實現(xiàn)了采用可控硅調(diào)光器的低壓大功率可調(diào)光節(jié)能燈的設計(理論上可達到最大70 W的設計能力)，獲得了比較理想的調(diào)光性能和非常高的性價比。在5%~100%調(diào)光范圍，整個過程中燈光無閃爍，且具有低成本、低噪音、小尺寸、高可靠性、長壽命、綠色環(huán)保的特點，適合人們實現(xiàn)更高生活品質的目標要求。
參考文獻
[1] 李先栗.我國緊湊型熒光燈技術的新進展[J].中國照明電器，2009(3)：11-15.
[2] ICB1FL02G V1.2，smart ballast control IC for fluorescent lamp ballasts[OL].Infineon Technologies AG，2006：1-36. Http://www.infineon.com/dgdl/Datasheet-ICB1FL02G-V1- 2.pdf?folderId=db3a304412b407950112b408e8c90004&fileId=db3a304412b407950112b436658d6610.
[3] Philips Lighting Electronics.Budget dimmable ballast.Technical platform for triac dimmer[M]，2004.
[4] 范穆爾斯 J.使用雙向可控硅調(diào)光器進行調(diào)光的方法和電路[P].皇家飛利浦電子，2006.
[5] 王曉.相位控制可調(diào)光CFL[J].燈與照明，2000，24(2)：24-26.
[6] 余希湖，蔣涌潮.光源閃爍對視覺影響的研究[J].照明工程學報，1996，7(2)：22-26.

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