IR2520D在CFL中的应用

IR2520D在CFL中的应用 IR2520D在CFL中的应用 ?技术纵横ech.'noLogyre,v'ie,w IR2520D在CFL中的应用 口文/罗胜军贝能科技 摘要:lR2520D是自适应镇流器控制器与600V半桥驱动器单片lC,可用来驱动半桥配置 中的紧凑性荧光灯(CFL).本文中介绍了lR2520D的主要特点,功能结构和相关参数以及各种工 作状态下的波形,给出纳jII容公司(贝能科技下鼹公司)评估板设计参数,给出了它的典型应用电 路图. 关键词:lR2520DCFL(紧凑性荧光灯)控/半桥驱动器纳川容/lR2520D评估板 1引言 国际整流器公司IR,飞利浦公司 PHILIP和意法半导体公司sT都是生产荧光 灯电子镇流器控制芯片和功率器件的三大 着名厂商.IR2520D是IR公司继 IR2156,IR21571,IR21592/3, IR2166,IR2167,lR2161,IRS2153 之后推出的又一款自适应零电压开关ZVS 镇流器控制器.它采用8脚DIP封装 (IR2520D)和8脚S0IC封装 (IR2520DS),由于IR公司已在该芯片内 集成了自适应镇流器控制器和600V半桥驱 动器.因而可方便地驱动30W以下紧凑型 荧光灯CFL(俗称节能灯).IR2520D 是IR具有独立自举二极管的HVIC控制芯 片之一,它的主要优点在于它使用VS管脚 和半桥低端MOSFET的导通电阻RDSon来 实现过电流保护和检测ZVS的条件,节省 了电流检测电阻是IR的专利.IR2520D的 主要特点如下: IR公司新推出的8脚的BALLAST控制 芯片IR2520D,它有如下的特点: ? 镇流器控制器加600V半桥驱 动器: ? 自适应零电压(ZVS)开关 ? 缩小了电路板尺寸,缩短设计 周期 ? 具有0-6V直流模拟电压输入压控 振荡器(VCO) ? 集成了波峰比,过流保护功能 ? 内部集成了自举二极管 ? 集成了非ZVS保护功能 ? 微功率启动(80UA) ? 可变最小频率 ? 15|6V齐纳二极管地VCC进行嵌位 ? 可变预热时间 ? 灯丝开路保护 ? 有SO一8和DIP8两种封装 IR2520D在设计CFL时给用户带来的 好处: ? 减少线路板(PCB)的尺寸 ? 减少元器件数量(外围器件可仅 有18个) ? 缩短设计开发周期 ? 不会发生过热(MOSFET的损耗 很低) ? 提高了产品的抗干扰能力 ? 比自振荡有更高的可靠性 ? 灯寿命比自振荡方案更长 ? 灯丝开路和触发失败保护 ? 输入线电压过低保护 ? 更换灯后自动重启动 2,IR2520D结构功能和工作 参数 IR2520D芯片内部框图,封装和引 脚定义如下所示.图1为IR2520D的原理 框图;图2列出了IR2520D的封装, IR2520D具有两种封装结构.一种是 DIP8,一种是SO8.表1列出了IR2520D 各弓l脚的功能.IR2520D推荐工作条件如 表2所示.在表2中,Vccuv+是Vcc导 通门限电压;VCLAMP(15.6V)为Vcc 齐纳箝位电压. IR2520D芯片内部框图 图1:IR2520DD的原理框图 R2520D封装如下所示: 8-l-cIPoIP IR2{10D 8lOadSoIC ?t2S2',DS 图2:IR2520D的封装 R2520D引脚定义图: 管脚排列管脚号符号说明 VCC电源电压 MCC匠?一卫2COIc的功率和信号地 COM匹刀卫HO3VCO压控振荡器输入 4F最小频率设置 MCO臣C,I卫vS5LO低端门极驱动输出 o6VS高端浮动返回地FMIN匝Lo 7HO高端门极驱动输出 8VB高端门极驱动器浮动电源 表1:IR2520D引脚功能 R2520D推荐工作条件如下: 符号参数定义最小僵最大僵单位 VCC电源电压VCCUV+VCLAMPV ICC电源电流610mA RFMIN最低频率设定电阻10100kO VVCOVCO脚电压05V T.结温一25125? L N 表2:IR2520D推荐工作条件表 3,IR2520D在CFL中的典型应用原理图 i=RSUPPLY ..一 一=~MHS-v',,..一,LF】【】【+?,;—~r—,}CBUS'-TI?.一 I 【j【 DC= l 【DF1 图3:IR2520D在CFL中应用原理图 由IR2520D组成的紧凑型荧光灯CFL电子镇流器电路如图三如示,整个外围器件 仅有侣个就能实现其电子镇流器所有功能.该镇流器的AC输入电压可从176V直 到270 V,输出端可配接7,32W的灯管. F1浪涌电流限制电阻,BR为桥式整流器,LF和CF组成LC滤波电路.IR2520D和 外部元件组成半桥变换器,DCP1,DCP2和CSNUB组成电荷泵电路,LRES和CRES 等组成LC串联谐振网络.LC谐振电路频率f主要由LRES和CRES决定.当LRES 和 CRES发生串联谐振时,CRES上产生的高压脉;中施加到灯管上,即可使灯管击穿 而点 亮.一旦灯被启动,LRES只起稳流作用. ?技术纵横echnoLogyTevlew R2520D的工作模拟如下: 图4:IR2520D的工作流程图 3.1欠压锁定(UVLO)模式: 当镇流器启动电路工作时,流过启 动电阻RSUPPLY的电流将对启动电容 CVCC进行充电.并使CVCC上的电压逐 渐升高.在VCC脚电压达到启动门限电平 VCCUV+之前.电源电流IQCCUV小于 80uA,IC脚3和脚4上的电压VFMIN和 CVCO均为0V,半桥截止.一旦脚VCC 上的电压超过VCCUV+,IC将导通并开始 振荡. IC内自举二极管和VB脚与VS脚之间 的电容CBS可用于决定IC内高端驱动器电 路的电压,IC外部的二极管DCP1, DCP2和电容CSNUB组成的电荷泵电路可 用于为IC低端驱动电路提供工作电压.IC 启动之后,LO脚上的驱动输出首先使功 率开关MLS导通,然后由VCC通过自举 二极管对自举电容充电.当CBS上的电压 超过9V时,IC高端驱动器将被使能.而 在高端与低端驱动器之间的1.5us死区时 间内,控制电路可用于保证半桥高端开关 MOS管MHS和低端功率开关MOS管MLS 不会发生直通. 3.2频率扫描模式 当VCC脚上电压超过VCCUV+开启 电压时,IR2520D将进入频率扫描模式. 此时,IR2520D内部的电流源将对VCO脚 ,从而使脚VCO上 外部电容CVCO充电 的电压从OV线性增加,同时使VCO振荡 从最大值开始线性降低.当频率降至镇流 器输出级LC串联谐振频率时,LC电路发 生谐振并产生高压将灯点亮.只要灯启动 成功,VCO脚上的电压将一直升高到6V (6V是Vvco的最大值).频率f则降至最小 值f.预热时间可以由VCO电压的上升 时间所决定,这上升时间由CVCO电容大 小的调节. 3.3正常运行模式 当IR2520D第4脚VCO的电压超过4. 8V时,IR2520D进入运行模式.灯点被 点亮后,镇流器输出级变为低Q值RCL电 路,此时Vvco的电压继续增加,频率继 续减小,直到VCO的电压被限制在6V, 频率达到最小频率f实际上,这时的最 低工作频率即是灯正常燃点时的工作频率. 该状态下的灯功率由谐振电感(扼流圈 LRES),谐振电容(灯启动电容CRES),DC 总线电压VBUS和f,共同确定.如果发生 非ZVS,即在死区时间内也就是两个开关 MHS与MLS之间的非交迭时间(电压不能 回落到零,在低端开关MLS导通之前,会有 一 个电压横跨低端开关).IC脚VCO上的 电压Vvco将因外部电容CVCO的充电电流 减小而降低,从而引起频率升高.通过VS 感测和自适应ZVS控制逻辑可使IC自动保 .VCO脚外部电容CVCO的充 持ZVS操作 电电流受该脚内部MOS管控制,进而控制 VCCO脚上的电压和振荡频率. 当IC外部高端MOS管MHS开通时, lC脚VS上的电压即为DC母线电压. IR2520D的600V高压工艺允许VS脚进行 精密测量低端MOS管MLS上的电压,并 能承受DC母线高压. 3.4故障模式 如果灯点火期间出现故障,灯电压 和输出级电流都会增加,直到扼流圈饱和 或进入容性开关模式.IR2520D无需外部 电流检测元件.而是利用低端MOS管 (MLS)的导通电阻RDS上的电压,并通过 VS脚来检测半桥电流.也就是在低端开关 M2导通期间,当峰值电流超过平均值电 流的5倍时,那么IC将进入故障模式.两 个栅极驱动器均输出低电平,从而使 MHS,MLS均截止. 若灯丝开路,半桥将发生硬开关, 并通过波峰因数电路检测,当波峰因数大 于5时,IC进入故障模式,半桥截止. 为使IC复位到频率扫描模式.VCC必须 从内部欠压锁定(UVLO)门限以下(<1OV), 再回复到UVLO以上(>12,6V). 4,纳JII容公司25WCFL评估板 输入额定电压:220V 输入电流:168mA(有效值) 输入电压范围:(176V,265V) 输出功率:25W初始频率:1OOKHz 平均工作频率:40KHz 镇流器开通电压:120(有效值) 镇流器关断电压:70(有效值) 25WCFL评估板原理图: 25WCFL评估板元器件清单 L A(:22 N 1 :RSUPPLY ? DCP2 L,Y,—一 JF1LFj【+?vCC 圈__—._—一?=CSNU8 CRES ,; ————— CBUSI:::刀 TI———卜U.?M…一I———1卜——..土o——— -【jLMLS CDC一 【DCP1 (图5:25WCFL原理图) 25WCFL评估板印刷电路板的设计 PartTypeDesignatorFootprintDescription 101uf/25VCB00T1206Capacitor 201uf/400VCBBCDCRad512Capacitor 31N4148DCP11005Diode 41N4148DCP21005Diode 51uf/25VCVCC1206Capacitor 624mHLRESEE19ResonantindUCfor 710Uf/450VCBUSRb2/5ElectrolyticCapacitor(CD11,105C) 868kRFMIN0805Resjstor 9334门6VCVC00805CapacIfor 1O240k/0.5WRSUPPLYAXia104RJreSiSfor 11820pf门O00VCSNUB1812Capacitor 126800pf门kvCBBCRESRad618Capacitor 13DF10SBR1D一71DiodeBridge(1AllO00V) 14IR2520DU1Dip8BallastcontroIIC 15IRFU320MHSI—Pakhexfef 16IRFU320MLSI—Pakhexfef 1710HM/05WF1AXja104Fuseresistor(RJ) 表3:25WCFLB0M清单 布印刷电路板需要注意的地方:1,关键的元件如CVCC,CVCO, RFMIN和CBOOT,它们一定要放在尽量 靠近IR2520D的管脚的地方. 2,CVCO,RFMIN和CVCC的地 要接到IR2520D的管脚COM上,采用单 点接地原则. (图6:25WCFL印刷电路板图)4-1IR2520D工作模式: 4.2IR2520D控制时序 图7:IR2520D的工作模式图 图8:IR2520D的控制时序图 振荡器开始以25倍最小频率开始振 荡,然后频率扫描下降至最小频率(运行频 率).频率减小时灯的电压将逐渐增加,灯 的电流上升,当频率下降到接近于谐振频 率时使灯触发点火.如果灯点火成功,系统 频率将逐渐减小到最小频率(运行频率).当 非ZVS发生时频率将自动增加. 4.3启动波形 ? 可变起始频率2.5xfmin(RFMIN电阻) 15u… i韭;--i……u:: 图9:IR2520D的控制时序图 ? 可变运行频率fmin(RFMIN电阻) ? 可变预热时间(CVCO电容) 4.4低交流线电压波形 ? 低压或高压交流电压输入时的VS 脚波形: …,1一 Illlll_.一一I—L 1..__;.__}毫+,一.,一,一I-……l_L一— f 图10:IR2520D的低交流线电压波形图 ? 当检测到非ZVS时将会增加频率 4.5波峰比保护 f=…一]r^.一:L:::l…..… …… 一,一一一一 i;蘸一………嚣盆 图12:IR2520D的无效灯,触发失败关断保护图 4.7灯丝开路关断保护 . 在触发后(vc0>4.6v),当非zVs特性t检测Vs脚2=Vs 波峰比>5时,锁定关闭脚;3=Vc0脚;1=FMIN脚 ;;;: 图11:IR2520D的波峰比保护图 ? 无须电流取样电阻 ? 抗瞬态干扰(灯点火后使能) ? 相关测量(无须设置) 4.6无效灯/触发失败关断保护 波峰比保护特性,检测VS脚4=电 感电流:2=VS脚:3:LO脚 50 f蔼一___I jl ;i嚣} I啡I吨,i.,i一n. '''1i 图13:lR2520D的灯丝开路关断保护图 当VCO=1V时锁定关闭 5评估工作下甘 5.2评估板上的实测参数 6IR252OD产品特点: ? 仅有8个管脚的完全CFL,TL方案 ? 减少了元件数量 ? 镇流器的尺寸更小 ? 不存在过热 ? 比自振荡方案更可靠 ? 比自振荡方案灯寿命更长 ? 灯故障保护 ? 低线电压输入保护和自动重启动 蠢发IR252~0的仁j芝 I,旁f ','Jit0 象巾.Ij91R8RR 丽.,??弋{rh】【L,l,rJJ一.'.…一., 输入交流输入功率输入电流】I【流母线频率功率总谐波 电压(V)(W)(有效值)(mA)电压(V)(KHz)因数失真(%) 2002116O28040.3O63115 21O2216O29O40.3O625117 22O241683OO40.3O.62118 23O24.216831O403O62118 24O24.516832O40.3O.61118