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功率技術/新能源  

強化低電壓鹵素燈控制功能

上網時間: 2005年07月11日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:照明  低壓鹵素燈  短路保護  溫度保護 

本文闡述的新一代高度整合電子變壓器設計基於智慧半橋驅動器IC-IR2161,相較於使用雙極電晶體的傳統自振式系統,它能實現軟啟動和自適應的死區時間,並極大增強了電壓補償、短路和過載保護、亮度調節等功能。

直到現在,鹵素燈的控制器價錢一直很高,即使這些控制器沒有保護鹵素燈的功能。有一種新的整合方法有望克服這些缺點,為鹵素燈提供保護。

對於專用照明和家用照明,低電壓鹵素燈有很多優點,其中包括亮度高、光束集中、優異的顏色溫度、尺寸小,而且由於工作電壓低(通常是12V),因而很安全。

圖1:基於IR2161的新一代高度
整合電子變壓器設計實例。

為了使這些優點能夠在各種鹵素燈中得到發揮,電子變壓器取代了傳統的繞線式降壓變壓器。電子變壓器除了尺寸小、重量輕,還增加了短路保護溫度保護。而在繞線式變壓器中,一般是沒有這些保護功能的。傳統的電子變壓器是用自諧振雙極電晶體半橋電路做成,進入市場己經有一段時間了。諸如亮度控制等其他特性,可透過基於三端雙向可控矽的前沿相位控制調光器來實現,或者用電晶體控制後沿調光器來實現。

其工作頻率根據溫度和負載電流而改變,並且與開關電晶體的增益和儲存時間有關。電晶體的增益和儲存時間也必須匹配,目的是得到均衡的佔空比。它的一個缺點是關斷電路一般很粗糙,如果在調光或者出現過載,就不能工作。

如果振盪器和關斷電路都整合在一片IC內,並且把過熱時的關斷電路也整合進去,就不需要在外面另外使用價格不菲的熱敏電阻器,這樣的解決方案可以用在很多地方。以往的雙極電晶體也能用效率更高的MOSFET或者IGBT電晶體來取代,後兩者是用IC內的低壓邊驅動器和高壓邊驅動器來推動。

圖1顯示了這種新一代高度整合電子變壓器的一個實例,它採用了專門的智慧半橋驅動器IC-IR2161,以支援更複雜的低壓鹵素燈控制和保護。這個整合度更高的方案所實現的新型、改進功能包括:1. 軟啟動;2. 增強的電壓補償;3. 增強的短路和過載關斷功能;4. 自適應的死區時間;5. 增強的亮度調節功能。

軟啟動方式

鹵素燈的電阻溫度係數是正的,故鹵素燈在接通電源時的電阻比它發光時的電阻低很多,通常會引起很大的突波電流。在最壞的情況下,這會觸發轉換器中的關斷電路。

IR2161具有軟啟動的功能,它解決了這個問題。當此IC開始振盪時,頻率最初非常高(大約是120kHz)。這導致轉換器的輸出電壓要低得多,因為系統中的高頻變壓器原邊繞組的漏電感是固定的,在高頻時呈現高阻抗,因而使原邊繞組上的交流電壓較低。輸出電壓降低了,自然鹵素燈中的電流也就減少了,這樣突波電流也就減少了,不會觸發關斷電路,而且緩解了燈絲的壓力。

圖2:外部的相位調節控制電路工作
在後沿模式來調節亮度。

增強電壓補償功能

對於鹵素燈,加在它上面的電壓不要過高,因為電壓過高會造成燈絲溫度過高,鹵素燈的壽命會縮短很多。但問題是,輸出變壓器不可能永遠耦合得盡善盡美,總是需要一定程度的負載調節。必須把變壓器設計成在最大負載電流的情況下鹵素燈電壓應當高到可以確保它的亮度足夠,而在負載電流最小時,鹵素燈電壓不可以超過最高期望電壓。

在使用雙極電晶體的傳統自振式系統中,頻率略有變化,這取決於進行補償的負載。頻率上升,有利於降低輸出電壓。但是,這種作用是非線性的,與許多電路參數有關─這很難預先知道。

相比之下,IR2161具有監測負載電流的功能,這是透過感測電流的電阻器(RCS)進行的。當處於電壓補償方式時,峰值最大電流被檢測出來並放大,送往CSD接腳。CSD電容器兩端的電壓在0V(負載電流為零)到5V(最大負載電流)之間變化。

在正常執行(RUN)狀態下,振盪器的頻率從大約33kHz(這時VCSD是5V,負載電流最大)變化到62kHz(這時VCSD是0V,負載電流為零)。於是在負載電流較小時,頻率將上移,結果輸出電壓將下降到低於鹵素燈上所希望的最大電壓。這樣對負載電流進行了充分的補償,鹵素燈上的電壓總是處在可以接受的範圍之內,同時並不需要用到一個複雜而價錢很高、牽涉到輸出反饋的系統。

過載和短路關斷

為了在半橋電路檢測到大電流時立即對鹵素燈進行保護,低壓照明控制器包含一種保護電路:在檢測到過大的電流時,它在一段時間內會防止振盪器開始振盪。在基於雙極電晶體的傳統自振式系統中,一只感測電流的電阻器對電容器C充電,使電晶體一段時間內維持在導通狀態,這段時間與C的數值成正比。當電晶體處在導通狀態時,振盪器不會重新開始振盪。

可是這種機制並不可靠,例如,如果在鹵素燈調光時,它常常出錯。雖然它對極端的短路情況的響應很好,對於過載,它往往不能正確響應。

IR2161中的關斷電路監測CS接腳上的負載電流,把短路或者過載檢測出來。如果出現短路,系統必須在市電的幾個周期內把系統關斷,防止MOSFET晶片因溫度過高而損壞。為了做到這點,CS接腳有一個內部的1.2V閾值電壓。如果電壓超出這個電平的時間超過50ms,便把系統關斷。在接通系統時出現的突波電流會造成誤觸發,使用外部的三端雙向可控矽調相電路來調節亮度也會帶來瞬態電流從而造成誤觸發。為了防止這兩種誤觸發,50ms的延遲是必不可少的。

它還有一個更低的0.5V閾值電壓,在關斷系統之前它的延遲時間要長得多。這可以用於實現過載保護,例如,將過多的鹵素燈連接到輸出的情況。如果輸出在電纜的另外一頭出現短路,而電纜的電阻又相當大,它也會作出反應,防止電流過大以致觸發短路保護電路。過載關斷的閾值電壓大約比最大負載高50%,延遲時大約是0.5秒。這是基於一個電流波形來實現的,該電流波形的包絡是正弦的,它包含一個高頻的方波分量,佔空比為50%。

圖3:前沿調光器的工作情況。

這兩種關斷模式都可以自動重置,在關斷系統大約0.5秒之後,振盪器又開始產生振盪。所以,在把故障排除後,系統又可以開始正常地工作,不必把電網電壓切斷,然後再接通。它還為最終用戶提供過載指示:如果接到系統上的鹵素燈過多,所有鹵素燈都會連續不停地閃爍。

自適應的死區時間

在電網的半個周期內,因為直流母線電壓會改變,故可能需要改變死區時間,以便在所有時候都做到軟切換。IR2161有一個自適應的死區時間系統,當檢測到半橋的電壓下降到0V(COM)時,它把LO輸出設置在高電平。內部的採樣保持電路允許同樣的延遲時間用於LO變成低電平之後將HO設置成高電平。這在振盪器每一周期?都進行,因此不論外部的情況如何,都按照需要來調節死區時間。設計人員不必考慮MOSFET電晶體中的寄生電容或輸出變壓器的漏電感來相應地設定死區時間。

系統被設計成死區時間是250ns以下,應當足以應對實際的鹵素燈轉換器的輸出變壓器漏電感和MOSFET電晶體的寄生電容。

調節亮度

幾乎所有的鹵素燈轉換器可以用一個外部的相位調節電路工作在後沿模式來調節亮度。它的工作原理如圖2所示。它根據亮度調節開關將直流母線電壓切斷的相位角來改變鹵素燈上的RMS電壓。透過這個方法,鹵素燈的亮度可以從零調節到最大。

但是,用後沿調光器需要使用兩只MOSFET或者IGBT電晶體,成本比較高。可以用一只三端雙向可控矽來構建前沿調光器,但是許多鹵素燈轉換器不能這樣做。儘管透過細心地設計濾波器,普通的轉換器就可以使用這種類型的調光器,但IR2161只需要一只外部的電阻器和電容器。當三端雙向可控矽導通時將一個很大的電流送往VCC,這時的dV/dt很大,R-C電路就是利用這個很大的dV/dt,使母線電壓迅速地從零上升到交流電網的電壓。圖3是前沿調光器的工作情況。

作者:Peter Green


國際整流器公司照明技術部





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