功率因数校正和镇流器控制IC教案资料.doc

Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。功率因数校正和镇流器控制IC-IR2166(S)功率因数校正和镇流器控制IC特点：-· PFC，镇流器和半桥驱动合一· 临界导通模式升压型PFC· 无PFC电流检测电阻· 预热频率可调· 预热时间可调· 运行频率可调· 过电流保护可调· 灯寿命保护可调· 可控死区时间· 内部触发斜率· 内部故障计数器· 直流母线欠压复位· 关断滞环功能· 内部Vcc有15.6V嵌位二极管· 微功率启动(150uA)· 锁定和ESD保护简介：IR2166是完全集成的，完全保护的，可驱动所有类型荧光灯的600V电子镇流器控制芯片。PFC电路以临界导通模式(CCM)方式工作，可获得高功率因素，低THD及直流电压调整。IR2166的特性包括预热频率和运行频率可调，预热时间可调，死区时间可调，过流门限电压可调，以及灯寿命保护。该IC还有其他完善的保护性能诸如灯管触发失败保护，灯丝故障保护，灯寿命保护。直流母线欠压复位以及自动重启动功能。IR2166有DIP14及SOIC14两种封装。IR2166典型应用图绝对最大值：管脚超过给定的最大值就有可能损坏器件，所有绝对值电压参考管脚为COM，所有正电流定义为流入管脚。热阻和功耗额定值在大气环境下和板上测得。符号定义最小值最大值单位VB高端浮动供电电压-0.3625VVS高端浮动供电偏置电压VB-25VB+0.3VVHO高端浮动输出电压VS-0.3VB+0.3VVLO低端输出电压-0.3VCC+0.3VVPFCPFC栅极驱动输出电压-0.3Vcc+0.3VIOMAX允许最大输出电流(HO,LO,PFC)由外部功率晶体管miller效应得到-500500mAVBUSVBUS管脚电压-0.3VCC+0.3VVCTCT管脚电压-0.3VCC+0.3VICPHCPH管脚电流-55mAIRPHRPH管脚电流-55mAVRPHRPH管脚电压-0.3VCC+0.3VIRTRT管脚电流-55mAVRTRT管脚电压-0.3VCC+0.3VVCS电流感应管脚电压-0.35.5VICS电流感应管脚电流-55mAISD/EOL关断管脚电流-55mAICC供电电流（注：1）-2020mAIZXPFC电感电流，过零检测输入电流-55mAICOMPPFC误差补偿电流-55mAdV/dt允许偏置电压波动率-5050V/nsPD封装功TA+25°C-(16PDIP)PD=(TJMAX-TA)/RthJA-(16SOIC)1.801.40WRthjA结到环境热阻-(16PDIP)-(16SOIC)7086°C/WTJ结温-55150°CTS存储温度-55150°CTL管脚温度（装焊10秒）300°C注1:该芯片内部VCC与COM之间设有15.6V稳压管，注意该脚不能直接外加电压源。推荐工作条件:为使器件正常工作，请使用推荐的工作条件。符号定义最小值最大值单位VBS高端浮动供电压VCC-0.7VCLAMPVVS稳态高端浮动供电偏置电压-1600VVCC供电电压VCCUV+VCLAMPVICC供电电流注210mACTCT连接电容220pFISD/EOL关断管脚电流-11mAICS电流检测管脚电流-11mAIZX过零检测管脚电流-11mATJ结温-25125°C注2：VCC管脚应供给足够的电流，确保内部稳压管正常工作。电气特性：VCC=VBS=VBIAS=14V+/-0.25V，VBUS=开路，RT=39.0kW,RPH=100kW,CT=470pF,VCPH=0.0V，VCS=0.0V，VSD=0.0V，VCOMP=0.0V,CLO=CHO=1000pF,TA=25°C.符号定义最小典型最大单位测试条件供电特性VCCUV+VCC正欠压门限10.511.512.5VCC从0建立VCCUV-Vcc负欠压门限8.59.510.7VCC从14V下降VUVHYSVCC欠压锁定滞环1.52.03.0IQCCUVUVLO模式静态电流120170280uAVCC=8VIQCC静态VCC供电电流2.34.0mACT连COM,VCC=14V,VCLAMPVCC稳压管电压14.315.616.5VICC=10mA浮动供电特性IQBS0VBS静态供电电流-105uAVHO=VS(CT=0V)IQBS1VBS静态供电电流53060uAVHO=VB(CT=14V)VBSMIN建立HO特性最小VBS电压2.5VILK偏置供电漏电流50uAVB=VS=600VPFC误差放大器特性ICOMP源误差放大器输出拉电流53555uAVCPH=14VVBUS=3.5VICOMP灌误差放大器输出灌电流-50-30-18uAVCPH=14VVBUS=4.5VVCOMPOL误差放大器输出电压摆动0.254VVBUS=5.0VPFC直流电压调整VBUSOV过电压比较器阈值3.84.34.7VVcomp=4.0VVBUSOVHYS过电压比较器滞环75100300mVVcomp=4VVVBUSREG过电压比较器内部参考电压3.74.04.2VVcomp=4VPFC零电流检测VZXZX脚比较器阈值电压1.11.652VVcomp=4VVZXhysZX脚比较器滞环75300800mVVcomp=4VVZXclampZX脚嵌位电压6.37.59.1VIZX=5mAPFC看门狗TWD看门狗内部脉冲90400810µSZX=0V,VCOMP>=2V镇流器振荡器特性符号定义最小典型最大单位测试条件fOSC振荡频率38.54247.5KHz运行模式717581预热模式d振荡占空比50%VCT+CT电压门限上沿6.88.410.7VVCC=14VVCT-CT电压门限下沿1.84.65.6VVCTFLT故障模式CT电压0mVSD>5.0V,CS>1.3VtDLOLO输出死区时间0.71.01.5usCT=1nFtDHOHO输出死区时间1.71.01.5us镇流器控制预热特性ICPHCPH脚充电电流2.63.24.3uAVCPH=5V,CT=0V,VBUS=0VVCPHFLT故障模式CPH电压0mVSD>5.0V,CS>1.3VRPH特性IRPHLKRPH开路漏电流0.1uAVRPHFLT故障模式RPH电压0mVSD>5.0V,CS>1.3VRT特性IRTLKRT开路漏电流0.1uACT=10VVRTFLT故障模式RT电压0mVSD>5.0V,CS>1.3V保护电路特性VSDTH+关断门限上限电压4.75.25.7VVSDHYS关断门限 滞环电压100150350mVVSDEOL+灯寿门限上限电压2.43.03.6VVCPH>12VVSDEOL-灯寿门限下限电压0.71.01.6VVCSTH+过流感应门限电压1.01.21.3VVCPH>7.5V#FAULT-CYCLESIC关闭前的故障过电流数257590个VCPH>7.5VCS>1.3VVBUSSUV-直流母线电压欠压阈值2.63.03.3VVCPHCSENCPH脚电流感应使能阈值6.8VVCPHEOLENCPH脚灯寿使能阈值10.31213.2V门极驱动输出特性(HO,LO,PFC脚)符号定义最小典型最大单位测试条件VOL低输出电压0100mVIO=0VOH高输出电压0100mVVBIAS-VO,IO=0tr开通上升时间110210nsCHO=CLO=CPFC=1nFtf关断时间55160nsCHO=CLO=CPFC=1nFIO+HO,LO,PFC拉电流300mAIO-HO,LO,PFC灌电流400mAIR2166内部框图IR2166状态框图IR2156管脚排列管脚号符号功能1VBUS直流电压检测输入2CPH预热定时电容3RT最小频率定时电阻4RPH预热频率定时电阻5CT振荡器定时电容6COMPPFC误差放大器补偿7ZXPFC电流过零检测8PFCPFC管门极驱动输出9SD/EOL关断/灯寿检测电路10CS电流检测输入11LO低端门极驱动输出12COMIC电源及信号地线13VCC逻辑及低端门极驱动供电14VB高端门极驱动浮动供电15VS高端浮地16HO高端门极驱动输出镇流器时序图正常工作情况故障工作情况I.功能简介镇流器部分欠压关断模式（UVLO）欠压关断模式是当供电电压VCC低于IC的开启门限电压时的工作情况。关于IC的不同模式可参考本文的状态表。IR2166的欠压关断模式用于使供电电流保持在最小供电电流400µA以下，在高低端有输出前,保证IC正常工作。图1为一个有效的利用启动电流和镇流器输出级充电泵共同为IR2166供电的例子(RSUPPLY,CVCC,DCP1,DCP2)。通过供电电阻(RSUPPLY)的电流一部分作为启动电流流入IC，其余给启动电容(CVCC)充电。此电阻可决定启动镇流器的交流输入电压阈值,一旦VCC脚电容电压达到启动门限，且SD脚电压低于4.5V，则IC开始工作，HO，LO开始震荡。由于IC工作电流增大，电容开始放电见（图2）。图1：启动和供电电路在放电期间，充电泵产生的整流电流给电容充电，使VCC电压高于IC关断门限，充电泵和IC内置15.6V稳压管来提供供电电压。启动电容和缓冲电容要有足够的容量，能提供足够的电流满足镇流器所有工作条件的需要。自举二极管（DBOOT）和供电电容（CBOOT）提供高端驱动电路的工作电压。为了在HO脚的第一个脉冲前就给高端供电，因此输出驱动的第一个脉冲来自LO脚。在欠压关断状态，高端和低端输出驱动HO和LO都为低电平，CT脚在内部连接到COM使镇流器停止震荡，CPH脚在内部连接到COM使预热时间复位。图2：CVCC电压预热模式（PH）预热模式定义为灯管灯丝被加热到正确的发射温度，它是延长灯管寿命和降低触发电压所必需的步骤。当VCC超过UVLO+门限时IR2166进入预热模式。LO和HO开始以50%占空比的预热频率震荡,死区时间由外部定时电容CT和内部死区时间电阻RDT决定。CPH脚与COM断开，内部1uA电流源给CPH脚外接的预热定时电容线性充电。CS脚的过流保护在预热期间被屏蔽掉动浮动供电电。预热频率由并联电阻RT和RPH，以及定时电容CT决定。CT分别在到达1/3和3/5的VCC电压时充电和放电（见时序图）。VCC通过内部MOSFETS1及并联电阻RT和RPH对CT指数充电。CT从1/3到3/5VCC的充电时间对应的HO和LO的开通时间。当CT电压超过3/5的VCC，MOS管S1关断，电阻RT和RPH与VCC断开。CT通过内部电阻RDT，MOS管S3对COM以指数放电。CT从3/5到1/3VCC的放电时间为即输出门极驱动LO和HO都关断，死区时间。选择CT和RDT可确定死区时间。一旦CT放电至低于1/3的VCC，MOS管S3关断，RDT与COM断开，MOS管S1导通，RT和RPH再次连接到VCC。工作频率始终保持在预热频率直到CPH脚电压超过10V，IC进入触发模式。在预热模式期间，当CPH脚电压高于7.5V时，过流保护和DC总线欠压复位功能升效。图3：预热电路触发模式（IGN）触发模式定义为建立触发灯管所需的高电压并触发灯管的状态。当管脚CPH上的电压超过10V，IR2166进入触发模式。管脚CPH内部连接到一个P沟道的MOSFET（S4）的门极，S4连接管脚RPH和RT。当管脚CPH上的电压超过10V时，S4的G-S电压开始低于S4的开通门限。管脚CPH上的电压持续到VCC，S4缓慢关断，这样就使电阻RPH平滑的从RT上断开，因此使工作频率平滑从预热频率向触发频率过度，再过度到最终的运行频率。管脚CS的过流保护功能可以在触发失败或灯丝开路时保护镇流器。管脚CS的电压由外部电流检测电阻RCS上的电压确定。因此RCS决定了镇流器可提供的最大峰值电流（以及触发电压）。峰值触发电流必须不能超过MOSFETs所能承受的最大电流。当CS上的电压超过内部的1.3V门限，内部故障计数器开始记录过电流，如果过电流次数超过60次，IC进入故障模式，输出驱动HO，LO和PFC都被锁定为低电平。图4：触发电路运行模式(RUN)当灯管成功触发后，镇流器进入运行模式。运行模式定义为灯弧已经建立，灯管以额定功率工作时IC所处的状态。运行模式的振荡频率由定时电阻RT和定时电容CT决定的（见公式3、4）。在任何时间由于灯丝开路或更换灯管而造成半桥发生硬开关现象，电流检测电阻RCS上的电压将超过内部1.3V门限，故障计数器将记数，如果故障次数超过60次，IC将进入故障模式，输出驱动HO，LO和PFC都被锁定为低电平。DC总线欠压复位当DC总线电压过低时，灯管的输出级频率会接近或低于谐振频率，这样会造成半桥电路硬开关，并破坏半桥电路的开关管，或者直流电压下跌太多而使灯熄灭。为了防止这种现象的发生，管脚VBUS有一个3.0V的欠压门限。如果VBUS电压低于3.0V，VCC将放电到UVLO-门限以下，所有驱动输出将被锁定为低电平。为了合理的设计镇流器，PFC部分应使直流电压在交流输入电压下降到镇流器额定输入电压以下时才下降。如果设计正确，VBUS电压低于内部3.0V门限，镇流器立即关断。当交流输入电压回升到最小额定值，使VCC超过UVLO+，启动电阻将使镇流器再次开通。RSUPPLY应该选择的在最小额定输入电压时能够开通镇流器。因此，PFC应该设计的当交流输入电压低于最小额定电压时，使直流电压下降。这个滞环将使镇流器明确的开通和关断。CS和EOL故障模式(FAULT)在运行模式的任何时间，当SD/EOL脚电压超过3V或低于1V时，IC进入故障模式，驱动输出HO，LO和PFC都被锁定为低电平。CPH到COM放电，复位预热时间，同时CT到COM放电，关断振荡器。要想退出故障模式，VCC电压必须下降至低于UVLO的下门限，或者关断管脚SD的电压拉高至大于5.2V。这两种方式都可以使IC进入UVLO模式，一旦VCC电压大于开通门限，同时SD低于5.0V，IC将进入预热模式开始振荡。电流检测功能只在检测到60次CS脚电压大于1.3V后使IC进入UVLO模式。这些过电流必须在LO开通期间发生。图5.CS和LO波形IIPFC功能介绍在大多数电子镇流器中，希望电路对交流电网而言为纯阻性，电路是否为纯阻性，以电路中输入电压和输入电流之间的相位以及输入电流的波形形状是否与输入电压的正弦波相一致来衡量。输入电流与输入电压之间相角的余弦定义为功率因数（PF），以及输入电流波形的形状与输入电压波形的形状一致性定义为总谐波失真（THD）。功率因数1（最大）表示相移角为零，THD为0%表示纯正弦波（无失真）。为了达到此目的，IR2166包括有一个有源功率因数校正电路，针对交流输入电压产生一个交流输入电流。IR2166实现的控制方法为工作于临界导通模式(CCM)的升压型变换器。即在PFCMOSFET的每个开关周期，电路一直等待到电感电流放电到零时，才再次开通PFCMOSFET。PFCMOSFET的开关频率（>10KHZ）远大于电网频率（5060HZ）。图6升压PFC电路当开关MPFC开通，电感LPFC接到整流输出的+和-端，LPFC电流线性增加。当MPFC关断，LPFC连接于整流输出的+和直流母线电容CBUS(通过二极管DPFC)，LPFC中电流流向CBUS。由于MPFC高频工作，CBUS电压被充到一个特定的电压。IR2166的反馈回路通过连续检测直流母线电压和相应地调节MPFC的开通时间，将电压调整到一个固定的值。直流电压上升，开通时间减小，直流电压下降，开通时间增加。这个负反馈控制是低速和低增益的，因此电感平均电流平滑地跟随低频电网电压，从而实现高功率因数和低THD。在多个电网电压周期内，MPFC的开通时间表现为固定的（随后讨论其它调制）。因为开通时间固定，关断时间由电感电流释放到零决定，结果是系统的频率自由改变，并连续的从交流电压过零附近的高频到交流电压达到峰值时的较低频率（图7）。图7正弦输入电压（实线）三角形PFC电感电流和光滑的正弦输入电流（虚线）半个周期当交流电压较低（过零附近），电感电流升到一个较小的值，那么放电就较快，因此开关频率高。当交流电压较高（峰值附近）电感电流升到一个较高的值，放电时间也较长，频率较低。三角形PFC电感电流被EMI滤波器平滑而产生正弦交流电流。IR2166的PFC控制电路只需要四个控制脚：VBUS、COMP、ZX和PFC。VBUS脚检测直流电压（通过外部电阻分压器），COMP脚设定MPFC的开通时间和反馈回路速度，ZX脚检测电感电流过零（通过PFC电感的二次侧绕组），PFC脚是MPFC的栅极驱动输出。图8IR2166简化了PFC控制电路以内部4V电压为参考，调节VBUS，实现直流母线电压的调整（图9）。反馈回路是一个传导可调(OTA)放大器，其灌或拉电流流向外部COMP脚的电容。COMP脚的电压为内部电容C1充电的阀值，决定MPFC的开通时间。在镇流器预热和触发期间，OTA的增益设定较高，很快给直流母线充电，减小可能发生在触发期间的直流母线的瞬态冲击。在运行期间，增益调整到一个较低的水平，获得高的功率因数和低的THD。图9IR2166PFC内部控制电路MPFC关断时间决定于LPFC放电到零的时间。由连接到ZX脚的LPFC二次侧绕组检测零电流。一个超过电路内部2V阀值的上升前沿是关断时间的开始。当LPFC电感电流放电到零时，一个低于电路内部1.7V阀值的下降前沿是关断时间的结束，MPFC再次开通（图10）。此过程不确定周期地重复，直到镇流器出现故障而关闭PFC功能（故障模式）。如直流母线电压过压或欠压，或ZX脚没有检测到下降负沿，如果ZX脚没有负沿，MPFC将保持关断，直到内部定时器强迫MPFC开通，而开通时间由COMP脚的电压决定。定时器脉冲每不确定地发生，直到ZX脚出现正确的上升和下降沿信号，PFC正常工作。图10LPFC电流、PFC脚波形和ZX脚时序开通时间调制输入电压整个周期内的MPFC固定开通时间将自然地产生一个随输入电压正弦形状变化的峰值电感电流。平滑的平均输入电流与输入电压同相，因此功率因数高，但是由于单个较高的谐波，使电流的总谐波失真仍然较大。这是由于输入电压零点附近的输入电流交越失真引起的。为了得到较低的谐波，以满足国际标准和市场要求，给PFC控制增加了一个辅助开通时间调制电路。当输入电压在过零附近，这个电路动态地增加MPFC的开通时间（图11），这样产生的LPFC峰值电流，也即平滑的输入电流在过零附近略微增加。使输入电流的交越失真减小到一个较低的水平，从而减小THD并降低较高的谐波。图11过零时的开通时间调制过电压保护（OVP）如果直流母线过电压使VBUS脚超过内部4.3V阀值，PFC输出关闭（逻辑O），当直流母线电压再次下降，使VBUS脚下降到内部4V阀值以下，定时脉冲将强迫PFC脚输出，PFC恢复正常工作。欠压复位（UVR）当输入电压下降、中断或较低时，PFC反馈使MPFC的开通时间增加以保持直流电压不变，当开通时间增加太多，会使LPFC的峰值电流超过其饱和电流极限，LPFC会饱和，从而产生非常高的峰值电流和，为了防止发生，用在COMP脚并联稳压管来限制DCOMP脚的最高电压的方法限制最大开通时间（图8）。随着输入电压的降低，因为COMP脚电压的限制，开通时间也最终被限制。PFC不能再提供足够的电流维持特定负载功率下的直流母线电压，直流母线电压开始下降。输入电压的进一步下降将使VBUS脚电压下降到内部3V阀值以下（图9）。当这种情况发生，VCC通过内部放电并低于UVLO-，IR2166进入UVLO模式，PFC和镇流器部分功能关闭（见状态图）。VCC启动电阻以及IR2166的微功率启动决定输入电压的开通点，这个值应该设定的使镇流器开通的输入电压高于欠压关断电压。因此要选择合适的VCC启动电阻和COMP脚的稳压管、正确地选择镇流器启动和关闭时的输入电压值。选择了正确的阀值点，当VBUS脚电压下降到3V以下时，镇流器关闭，由于VCC启动电阻给VCC充电，镇流器将在较高的输入电压下再次启动，这个滞环将使镇流器能正确地复位，而不会当直流母线电压很低时出现灯闪烁、直流电压跳动或再触发。镇流器设计公式注：由于IC的偏差、元件容差和内部比较器响应时间引起的过或欠振荡，从下列设计公式得到的结果会与实际测量有较少误差。步骤1：确定死区时间栅极驱动输出HO和LO之间的死区时间由定时电容CT和内部死区时间电阻RDT确定。死区时间是电容CT从3/5VCC到1/3VCC的放电时间，公式如下：(S)(1)或(F)(2)步骤2：确定运行频率最后运行频率由定时电阻RT和定时电容CT确定，电容CT从1/3VCC到3/5VCC的充电时间决定栅极驱动输出HO和LO的开通时间。运行频率计算公式如下：()(3)或()(4)步骤3：确定预热频率预热频率由定时电阻RT和RPH以及定时电容CT决定。在预热期间，定时电阻通过内部并联连接。预热频率计算公式如下：()(5)或()(6)步骤4：确定预热时间预热时间由管脚CPH上的电容从0充电到10V的时间决定。一个内部的2A电流源流入管脚CPH。预热时间的计算公式如下：(S)(7)或(F)(8)步骤5：确定最大触发电流最大触发电流有外部电阻RCS和内部1.3V门限共同决定。该门限定义镇流器的过流点，触发频率靠近谐振点或灯管触发失败时，会超过这个门限。最大触发电流计算公式如下：(A)(9)或()(10)PFC设计公式步骤1计算PFC电感值(H)(1)其中：VBUS:直流母线电压:最小交流输入电压有效值:PFC效率（典型0.95）:最小交流输入电压时最小PFC开关频率:镇流器输出功率步骤2计算PFC电感峰值电流(A)(2)注：PFC电感在峰值电流时不应饱和，在整个确定的镇流器工作温度范围内，在电感设计时，应充分考虑合适的磁芯尺寸和空气气隙。步骤3计算最大开通时间(S)(3)步骤4计算最大补偿电压：(V)(4)步骤5选择稳压管Dcomp值DCOMPzenervoltage步骤6计算启动电阻Rsupply值()(6)封装尺寸注：IR2166的其他有关图表见英文数据表。