采用IR21593的可调光电子镇流器

采用IR21593的可调光电子镇流器

1、 IR21593可调光电子镇流器集成电路的特点

1电子镇流器控制和半桥输出驱动器电路均集成在同一芯片中。

2无需变压器就可实现灯功率检测。

3灯功率闭环控制。

4灯预热工作电流闭环控制。

5灯丝预热时间可编程。

6灯丝预热电流可编程。

7灯点火和调光时间可编程。

80.5~5V_DC调光控制信号输入。

9灯最小、最大功率调节。

10灯电路最低工作频率可编程。

11完善的灯故障保护控制功能。

12灯电路供电电压过低保护。

13灯电路自动再启动。

14灯电路微功率启动。

15IR21593的V_CC引脚13电压由内部的稳压二极管钳位。

16为16引脚DIP和SOIC封装。

2、 IR21593控制功能简介

IR21593是集调光控制功能和600V半桥输出驱动器为一体的电子镇流器用控制集成电路，具有无变压器的相位控制灯功率检测和调节控制功能，电路仅需做很小的变化就可以用于调光或非调光的应用场合。集成电路外部的灯电路预热时间、预热电流、点火和调光时间的可编程特性、灯电路最大、最小调光范围的可设定接口电路元件使其使用灵活方便。具有灯电路点火失败、灯丝故障、灯电路热过载、灯电路正常工作时的灯故障、灯电路自动再启动等保护控制功能。集成电路的核心是一个压控振荡器（VCO），并且这个压控振荡器的振荡频率可由外部元件编程调节控制。IR21593（IR21591）的死时间表为1.0μs，而IR21592（IR2159）的死时间为1.8μs，其余的控制技术指标基本相同，而IR21593的型号较IR21592的型号要新，同理，IR21592又比IR21591新，而IR21591新近推出，所以在此讨论中对IR21593、IR21592、IR21591和IR2159的型号不加以区别。

3、 IR21593的引脚功能

IR21593的引脚功能如表1所示。

IR21593的外形图、引脚图、工作框图、典型应用电路图和工作状态图分别如图1~图4所示。

4、 设计采用IR21593控制集成电路的电子镇流器电路需注意的问题

在设计采用IR21593控制集成电路的电子镇流器电路前，应首先确定以下技术要求。

（1） 对灯电路的技术要求

在选择电子镇流器输出级的有关元件参数值前，应事先确定表2所示的灯电路参数。

（2） 电子镇流器输出级的设计

电子镇流器输出级元件的选择需要用到一些设计方程式，不同电子镇流器的工作频率和相应的工作电压、电流需通过计算加以确定。

灯谐振电路的谐振电感L和谐振电容C的参数值，它们决定灯电路的工作频率、工作电流和工作电压值，灯谐振电路的谐振电感L和谐振电容C的参数值与式（5）和式（6）有关。对给定L、C、直流供电电压和预热时间，在灯管预热工作期间的预热电压可利用下式计算：

（1）

在预热工作期间的灯电路工作频率可利用下式计算：

(2)

点火工作期间灯电路的点火工作频率可利用下式计算：

(3)

在灯电路点火期间的总灯负载电流可利用下式计算：

I_点火=f_点火CV_点火2（A_P-P） （4）

灯工作在最大功率时的工作频率可利用下式计算：

(5)

在最小灯功率时的灯丝预热电流可利用下式计算：

（6）

（3） 设计限定条件

应通过调节电感L、电容C的取值使其满足表3的设计限定条件。

（4） IR21593的可编程输入

为了编程调光控制接口电路的MIN和MAX参数的设置，在灯最大、最小输出功率下的输出级工作频率和电流相位必须事先利用下面的式（7）和式（8）加以计算：

(7)

(8)

根据灯管正常工作的技术要求条件、电子镇流器输出级谐振电感L、电容C的取值，计算出的最小、最大相位值，IR21593的有关外围可编程输入设定元件参数值可以利用下面的有关公式计算：

（9）

（10）

（11） （12）

根据以上的设计过程，电子镇流器可以归纳为图5所示的三步法。

5、 IR21593的控制功能

（1） 相位控制

利用图6所示的电子镇流器输出级简化电路，可以说明灯电路调光的相位控制工作原理，在图6中，灯丝和灯分别用电阻R₁、R₂、R₃、R₄及表示。

在灯电路的预热和点火工作期间，由于灯负载还未工作，灯负载的电阻很大，LC串联谐振电路的Q值很高，并在谐振频率位置相对输入电压有一很高的输入电流，相位有一个+90°~-90°的变化。为使工作频率比谐振频率稍高或更高，在灯电路的预热点火与点火工作期间相位固定为-90°。在调光工作期间，电感L和，电容C的并联结构相串联。在大的灯功率应用条件下有很小的相位变化，而在小的灯功率应用条件下有较大的相位变化。在灯电路的预热和点火工作期间，时域中的输入电流和输入半桥电压有-90°的相位移，并且在灯电路点火后的工作期间的相位移在0~-90°之间变化，在最大功率情况下的相位移为0°，如图7所示。

灯电压和灯电流的相位与灯功率间的关系曲线如图8所示，为线性调光特性，即使在灯发光很弱的情况下，灯阻抗也会发生相应变化。

输出级传递函数与灯功率的典型曲线如图9所示。

（2） 欠电压锁定输出电路（UVLO）

IR21593的欠电压锁定输出电路用以确保在静态工作电流低于200μA的条件下，保证IR21593的高、低端输出被激励前的控制功能能可靠地工作。图10为利用半桥输出级的电荷泵供电的启动电路工作原理图。

图10中启动电容C₁充电电流为通过电阻R₁的电流减去集成电路IR21593的启动电流的差值，为保证在电源供电电压最低的情况下集成电路能正常启动，应使通过电阻R₁的电流为2倍的IR21593的启动电流，一旦电容C₁上的电压达到启动阈值电压，并且VDC引脚上①的电压高于5.1V，集成电路IR21593开始工作，并且由于集成电路工作的原因，电容C₁开始放电，如图11所示。

在电容C₁的放电期间，来自电荷泵的整流电流使启动电容C₁上的电压大于集成电路的最小工作电压，并使集成电路IR21593内的15.6V稳压二极管工作。具体应用研究中，必须使用启动电容和缓冲电容，以确保集成电路IR21593在最坏的条件下也能可靠工作。自举升压二极管VD₃和自举升压电容C₃组成高端驱动电路的供电电路。为确保HO输出引脚在第一个工作周期可靠工作，并确保高端供电电路被充足电，第一个驱动脉冲来自于LO引脚。在欠电压锁定输出（UVLO）工作模式下，高、低端输出驱动电路同时输出低电位，VCO引脚这时被拉至5V电位。从而使启动工作频率被置于最高工作频率，并且这时CPH引脚③被内部短路至COM引脚12而使预热时间复位。

（3） 输入电压过低保护

除了要求V_CC引脚13上的电压要大于启动阈值电压，为了确保HO、LO引脚有正常的振荡信号输出，VDC引脚1上的电压也必须大于5.1V，利用分压电阻R₃和R_VDC（见图10）可以检测出交流市电供电电源经整流后输出电压的高低，以确保电子镇流器的正常工作电压范围内正常工作。同时为了减小VDC引脚①上的纹波电压，需用一个滤波电容C_VDC，并且可以确保在正常的交流输入供电电压情况下不会低于内部的3V关断阈值电压。这种检测功能是必须的，以确保在过低的交流输入供电电压情况下，在IR21593被正确复位前，灯电路熄灭的可能性。一旦过低的交流输入供电电压情况出现，灯电路直流供电电压可能低于所需的最低电压值，而使谐振腔电路不能提供灯管正常工作的所需电压。利用这个检测电路可以确保当灯直流供电电压下降得太低时集成电路IR21593可靠关断，并且当电源供电电压恢复正常时集成电路IR21593又回到预热工作模式。

（4） 灯电路的预热

当IR21593的V_CC上的电压超过UVLO+阈值电压，并且VDC引脚①上的电压超过5.1V时，IR21593进入预热工作模式，HO、LO引脚开始以50%的脉冲占空比、内部设定的1μs死时间，并以最大工作频率开始振荡工作。CPH引脚③和COM引脚12断开，并且通过内部的1μA电流源（见图12）开始为CPH引脚的外接定时电容C_CPH线性充电。

这时VCO引脚2的外接电容C_VCO以1μA的电流开始缓慢放电，VCO引脚2的电压开始缓慢下降。下降的工作频率高于谐振工作频率，这时灯负载的电流开始上升。当CS引脚10上的电压超过IPH引脚8上的电压时，接至VCO引脚的内部60μA内部电流源为其外接电容C_VCO充电（工作波形如图13所示），这就迫使工作频率上升、灯负载电流下降。一旦CS引脚的电压下降低于IPH引脚上的电压时，60μA电流源断开并且灯电路的工作频率又开始下降。

在预热工作期间，通过IPH引脚用户设定的峰值灯预热电流进行反馈调节，一个内部的电流源经一只电阻接至IPH引脚来设置峰值预热电流的参考电压，直至CPH引脚的电压超过5V后预热时间结束。

（5） 灯点火

当CPH引脚的电压超过5V时IR21593进入点火工作模式，峰值电流调节参考电压和IPH引脚由用户设置的电压断开，并连接至一个内部1.6V的阈值电压，如图14所示。

当VCO引脚的电压通过一个内部1μA的电流源线性放电时，点火工作频率开始按一定斜率下降，这个频率朝高Q的电子镇流器输出级的谐振频率方向下降，导致灯管电压和灯管电流开始上升，如图15所示，灯电路工作频率继续下降，直至灯管启动或到达IR21593的限电流电平。如果到达灯电路限电流电平，IR21593进入故障工作模式，1.6V的阈值电压和CS引脚的电流检测电阻上的电压，一起决定电子镇流器输出级的最大允许峰值点火电流（和峰值点火电压），最大峰值点火电流不应超过输出级的外接MOSFET或IGBT的最大允许电流额定值，并且在任何时刻谐振电感不应磁饱和。

一旦灯管完成点火，工作频率持续下降直至VCO引脚的电压到达V_DIMTH，V_DIMTH对应由F_MIN引脚外接电阻设定的最低工作频率，这时IR21593进入调光工作模式和相控环路闭环。

为了使灯管启动时和低调光亮度值时发光闪烁小，利用测量CS引脚的电压并将测得的电压值与IPH引脚上的电压相比较，在灯点火工作条件下，IPH引脚上的电压比在灯电路预热工作条件下的电压要高20%，当CS引脚上的电压高于IPH引脚上的电压时，IPH引脚上的电压开始下降至V_IPH+10%的值，并且灯电路点火检测电路开始动作（见图15）。

（6） 灯电路点火和灯电路调光

当IR21593进入调光工作模式时，相控环路闭环，用户可以通过DIM引脚的外接电路调节灯电流的相位，从而实现相控调光控制功能（在点火-调光期间的有关引脚2VCO和引脚3CPH的工作波形如图16所示），当IR21593进入调光工作模式时，DIM引脚4通过内部和CPH引脚3相连，和DIM引脚相连接的电阻（R_DIM）使CPH引脚3上连接的电容C_PH放电至用户设定的调光设定值，可调节电阻值来的参数以实现小的时间常数，以减小当灯实现点火后的发光闪烁现象，而较大的时间常数又可使灯管的发光亮度缓慢变化至用户的设定值。如果点火-调光的时间间隔调的过小，一旦小于灯的电离时间常数（毫秒级）则会引起VCO过冲，将可能导致灯的工作频率高于灯的最小亮度工作频率，而致使灯熄灭。CPH引脚3上接的电容可用作预热时间的设置，并且DIM引脚上的电容能在调光工作模式下起滤波作用，并提高灯电路抗高频干扰能力和简化电路设计。

（7） 灯电路的调光

IR21593调光电路的工作原理如图17所示，为了调节灯功率，输出级信号和参考信号间的相位差将迫使VCO在适当的方向使灯电路的工作频率发生变化，这种变化规律由输出级的传递函数决定，最终迫使其相位误差为零。在调光工作模式下，一个连接至VCO引脚的15μA内部电流源使VCO引脚的外接电容C_CPH放电，并使灯电路工作频率向锁定的工作频率方向变化。

一旦灯电路工作频率被锁定，相控检测器（P_DET）向漏级开路的PMOS管输出一个短脉冲，由这个短脉冲通过一个内部电阻R_FB为VCO引脚的外接电容C_VCO充电，并输出一个误差脉冲，如图18所示。这使得VCO输入引脚端连接的积分器不工作，从而迫使输出级电流的相位和基准信号一致，完成相位锁定功能。

IR21593内含有用于模拟调光的接口电路，DIM调光引脚的控制电压范围为0.5~5V_DC，5V_DC对应最小的相位移（最大灯功率）。调光接口的输出到MIN引脚是电压形式，这个电压又和内部定时电容（C_T）上的电压相比较又产生一个和频率无关的数字参考相位，如图19所示。

C_T由1~1.5V的充电时间决定输出栅极驱动器HO、LO的导通时间，并对应灯负载电流中的-180°的可能相移（去除死时间）。对0°~-90°的调光范围，MIN引脚的电压是在1~3V之间变化。在MAX引脚5外接的电阻决定最小相位移基准（最大灯功率），对应DIM引脚4的5V电位，并且MIN引脚的外接电阻决定相位的最大相位移（最小灯功率），并和DIM引脚4的0.5V电压相对应。

（8） 灯电路工作电流检测

在灯电路调光工作期间，电流检测电路如图20所示，它用于检测的硬开关工作状态下可能出现的灯电路过电流工作状态，并利用过零信号来检测总的灯电流的相位，为了抑制低端MOSFET或IGBT在导通期间可能出现的开关噪声，在LO变为高电位之后的400ns的时间内利用一个数字电流信号来使过零信号检测比较器不工作（见图21）。当灯电路工作在最小相位移（最大灯功率）的情况下，这个中止时间减小了调光范围（见图21）。MAX引脚5的外接设定电阻应使最小相位移和中止时间之间有一个安全的余量，当灯电路电流检测电阻R_CS两端的电压低于-0.7V时，串联电阻R₁用以限制流出CS引脚10的电流大小。CS引脚10的外接滤波电容用于抑制由于其他原因而引起的电路噪声干扰。

在灯电路预热、点火和调光控制时的有关引脚上的定时电压信号波形如图22所示。

（9） 灯电路的故障工作模式

灯电路的调光工作期间，在预热和点火工作时间结束后灯电路峰值电流调节电路开始工作，一旦半桥输出级出现工作在非零开关状态，将会导致很高的电压、电流尖峰，如图23所示。一旦出现灯丝电路故障、灯寿命中止、灯管未安装到位或死时间设置得太小，以上因素都会引起灯电路的硬开关工作状态。

在调光工作期间，一旦CS引脚10的峰值电压超过1.6V，IR21593进入故障工作模式，并且HO、LO高低端驱动器输出同时关断，只要电路工作条件正常后，灯电路又恢复正常工作。

6、 IR21593的有关外围元件选择

IR21593的有关外围元件选择方法如图24所示。

7、 IR21592的典型应用电路

IR21592的典型应用电路如图25所示，电路元件表如表4所示。