基于FAN7710V的CFL镇流器原理与设计

基于FAN7710V的CFL镇流器原理与设计摘要：FAN7710V是利用飞兆的独特高压工艺和系统在封装中的概念研制的紧凑型荧光灯镇流器控制IC。FAN7710V控制内部高压应力并在310V的DC电压上为灯交付20W功率。本文介绍了基于FAN7710V的CFL镇流器工作原理与设计。0引言紧凑型荧光灯（CFL）灯管不是直管形的，而是弯曲而成的，管径较细。CFL与镇流器是一体化的，一般使用与白炽灯通用的灯头，安装十分方便。目前被广泛应用的2U、3U和螺旋型节能灯，都属于CFL。CFL对镇流器的要求之一是占位小。国内生产的CFL电子镇流器大多采用分立元器件制作，需使用磁环变压器，一般都没有灯丝预热功能。采用控制IC设计CFL镇流器，不需要磁环变压器，并提供灯丝预热和保护功能，能使元件数量大幅缩减，几乎不需要调试，非常适合于大批量生产。1FAN7710V镇流器控制IC飞兆半导体推出新型CFL镇流器控制器芯片FAN7710V采用符合欧盟RoHS指令的无铅8引脚DIP封装，引脚排列如图1所示。图1FAN7710V引脚排列FAN7710V芯片集成了CFL镇流器控制电路、保护电路、半桥逆变器中的高/低端驱动器和两个高压（440V）功率MOSFET。FAN7710V引脚VDC可以承受440V以上的DC（总线）电压；高端悬浮通道电压从IC引脚VB输入，为自举操作可达465V；芯片控制电路和低端驱动器电源电压从IC引脚VDD施加，内部被15.2V的齐纳二极管钳位；引脚RT连接振荡器频率设置电阻（RT）；引脚CPH连接灯阴极预热时间设置电容（CPH）；引脚OUT为半桥输出，同时又是高端浮置电源回复端；SGND是信号地；PGND为电源地。FAN7710V启动电流和工作电流分别低至120μA和2.6mA,运行频率和灯丝预热时间可调节，内含有源零电压开关（ZVS）电路，并能检测灯开路状态，提供无灯（nolamp）保护和热关闭（@165℃）保护，具有抗高dU/dt噪声入侵能力。2基于FAN7710V的CFL镇流器基于控制器FAN7710V的典型CFL电子镇流器电路如图2所示。图2基于FAN7710V的CFL电子镇流器电路1）工作原理（1）电路启动与电荷泵供电电源接通AC线路，桥式全波整流器（电容）滤波电路输出DC总线电压通过启动电阻Rstart对电容CVDD充电。一旦IC引脚VDD上的电压VDD达到欠电压锁定（UVLO）导通门限VDDTH（ST+）电平（典型值是13.5V），IC引脚VDD开通，IC内振荡器启动。如果VDD电压降至关闭门限VDDTH（ST-）电平（典型值是11.6V，带0.8V滞后），IC则关断。在IC引脚VDD导通后，CVDD则放电。为防止IC启动之后因CVDD放电使VDD低于11.6V而关断，CVDD电容量应足够大，以在VDD电压降至UVLO关闭门限之前就接收电荷泵电流，对CVDD充电。一旦IC启动，半桥低端驱动器首先被激活，驱动低端MOSFET导通，VDD电压则通过自举二极管VDB对自举电容CB充电，充电电流流经CB和IC引脚OUT内的低端MOSFET到地。当IC高端驱动器电路电压（UB-UOUT）因CB充电达到导通门限VDDTH（ST+）电平（典型值是9.2V）时，高端MOSFET则导通，而IC内低端MOSFET截止。在IC高端MOSFET导通后，CB放电。当高端驱动器电压降至门限VDDTH（ST-）电平（典型值是8.6V）时，高端MOSFET关断，而低端MOSFET导通。如此周而始，IC内半桥高、低端MOSFET轮流导通，从而在IC引脚OUT上产生半桥高压高速电压输出。半桥产生高频输出后，则由CCP、VDP1和VDP2组成的电荷泵为IC引脚VDD提供工作电流，这样就可以使用额定功率较小的启动电阻Rstart。当半桥输出UOUT为高电平时，电感器电流和CCP产生一个带斜率dU/dt的输出转换，输出上升沿充电CCP，通过CCP的电流为：I≈CCP·（dU/dt）。充电电流经VDP1对CVDD充电，如图3中的电流流动路径（1）所示。当输出UOUT从高电平转换到低电平时，CCP通过VDP2放电，电流流动路径如图3中（2）所示。图3电荷泵电路产生一个附加电源（2）工作模式FAN7710V有4种工作模式，即①预热模式、②点火（即触发）模式、③运行和有源ZVS模式和④关闭模式，如图4所示。图4不同工作模式FAN7710V引脚CPH的电压、频率和死区时间①预热模式（t0～t1）一旦IC开始工作，内部一个2μA的电流源（IPH）对引脚CPH上的外接电容CPH充电。CPH上的电压从0V开始线性增加到3V的这个过程，即为预热模式。在该模式，灯管阻抗RL非常大，预热电流经过灯丝、CS和CP到地。对灯丝预热可以降低灯点火电压，并延长灯管寿命。预热频率fPH为灯点亮后的运行频率fRUN的1.6倍，即：预热时间tPH是UCPH从0V增加到3V所需要的时间，计算公式为：在预热期间，死区时间tDT被固定在最大值3.1μs上。②点火模式（t1～t2）在预热模式结束后，对CPH的充电电流IIGN为IPH的6倍（即12μA），UCPH上升速度增大，振荡器频率衰减。当频率偏移至接近LCC谐振槽路的固有频率时，则发生谐振，在电容CP上产生一个高电压将灯管击穿而点亮。UCPH从3V增加到5V的时间为点火时间tIGN,计算公式为：点火频率为：在点火模式结束时，UCPH=5V，从式（4）可知，此式fIGN=fRUN，这意味着进入运行模式。③运行模式和有源ZVS模式当UCPH5V时，工作频率被固定再由RT决定的运行频率fRUN上，其值为：一旦UCPH达到6V（即t=t3）以上，有源ZVS则被激活。FAN7710V通过控制死区时间来满足ZVS条件。如果ZVS失效，IC将减小UCPH以延长死区时间。图5所示LCC谐振槽路依据灯阻抗RL的传输特性，图6为从预热到有源ZVS模式的瞬态波形。图5LCC谐振槽路传输特性图6从预热到有源ZVS模式的瞬态波形④关闭模式如果利用图7所示的外部电路，使IC引脚CPH上的电压降至2.1V以下，IC则进入关闭模式。如果芯片结温超过160℃，IC也会进入关闭状态而停止工作。IC在关闭模式，仅消耗250μA的电流。图7外部关闭控制电路（3）灯开路自动检测如果灯出现开路，谐振槽路将失效，半桥输出将是电荷泵电容CCP充电和放电，出现电容性负载驱动，不再满足ZVS条件，使IC功率耗散迅速增加，有可能使其损坏。FAN7710V能自动检测灯开路故障，通过降低电压UCPH增加死区时间，以满足ZVS条件。一旦UCPH降至2V以下，IC则自动关闭，如图8所示。为了重新启动IC，VDD必须降至门限VDDTH（ST-）以下，以复位内部锁存器电路。图8灯开路时的相关电压波形2）设计实例如果镇流器驱动的灯管功率是20W，运行频率fRUN=44.4kHz,预热时间tPH=0.75s,主要元件的选择如下：（1）启动电阻Rstart选择。FAN7710V的启动电流Ist=120μA，IC引脚VDD上的启动门限电压VDDTH（ST+）=13.5V，引脚VDD上的钳位电压UCL=15V。对于220V的AC电压输入，DC总线电压UDC=√2×220V=311V。Rstart的选择应为满足下式：因此可得：Rstart2479kΩ。当选择低成本的1/4W电阻时，下式成立：于是可得：Rstart4（UDC-UCL）2=4×（311V-15V）2=350kΩRstart可选择470kΩ/0.25W的电阻。启动时间tstart为：如果CVDD=10μF,由式（8）可得tstart≈0.26s。（2）RT和CPH的确定：根据式（5）得：RT=4×109/fRUN=4×109/44.4kHz=90kΩ根据式（1），预热频率为：fPH=1.6fRUN=1.6×44.4kHz≈71kHz根据式（2），预热时间设置电容为CPH=（tPH×2μA）/3=（0.75×2μA）/3=0.5μFCPH选择0.47μF/25V的电容器。灯点火时间根据式（3）计算：tIGN=2CPH/12μA=2×0.47μF/12μA=78ms。（3）电荷泵元件选择。电容CCP连接在半桥输出。当半桥输出电压从零开始斜升时，CCP被充电，充电电流施加到IC引脚VDD，如图9所示。充电电流为：图9电荷泵操作当半桥输出从最大值斜降时，CCP通过二极管VDP2放电。在IC的一个开关周期中为IC提供的总电流为：在一个开关周期内所能提供的平均电流为：t为开关周期；fsw为开关频率，fsw=fRUN为保证IC稳定工作，施加到IC的平均电流选择6.5mA。根据式（11）得：CCP=Iavg/(UDC×fsw)=6.5mA/(311V×44.4kHz)≈470PF二极管VDP1和VDP2选用1kV、1A的超快速恢复UF4007。（4）其他元件的选择LF选用1mH的电感器，RF选用0.5Ω/0.5W的可熔电阻，VD1～VD4选择1N4007，C1选用22μF/400V的高温铝电解电容器，CVDD选用10μF/50V的高温（105℃）铝电解电容器，CP选用3.3nF/1kV的电容，CS选用3.3nF/630V的电容。L选用EE19165磁芯，280匝，电感值为2.6mH。3结束语FAN7710V是一种简单低成本CFL镇流器控制IC。基于FAN7710V的CFL镇流器，仅需非常少量的元件（不必外加两个功率MOSFET），并且其预热时间、预热频率和运行频率可由外部电阻（RT）和电容（CPH）设置，同时提供灯开路检测及过热保护。