新型电子镇流器控制芯片IR2156
新型电子镇流器控制芯片ir2156
摘要：介绍了一款低成本、多功能电子镇流器控制芯片ir2156，其主要应用于紧凑型节能灯和普通荧光灯的电子镇流器。详细给出了该芯片的特点、电参数、工作原理和应用。
关键词：欠压锁定；预热模式；触发模式；运行模式；故障模式
1 引言
ir2156是ir公司最新推出的多功能、低成本电子镇流器控制芯片，它由一个高压半桥门极驱动器和一个频率可调振荡器组成。具有预热频率和运行频率可调，预热时间可调，死区时间可调，以及过流门限可调等特性。完善的保护性能，诸如灯管触发失败保护，灯丝故障保护以及自动重启动功能都设计在其中。ir2156具有dip14及soic14两种封装。图1是其内部原理框图。
图1 ir2156内部原理框图
2 主要电气特性
2.1 主要电气特性
主要电气特性见表1。除非另有说明，一般情况下：
vcc=vbs=vbias=14v±0.25v,vvdc=open,rt=39.0kω,rph=100.0kω,ct=470pf,vcph=0.0v,vcs=0.0v,vsd=0.0v,clo，ho=1000pf,ta=25℃。
表1 主要电气参数
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。详细参数见ir2156数据表。
2.2 推荐工作条件 推荐工作条件见表2。 表2 推荐工作条件 符号 定义 最小值 最大值 单位 vbs 高端浮动供电电压 vcc－0.7 vclamp v vs 高端浮动供电偏置电压 －1 600 v vcc 供电电压 vccuv＋ vclamp v icc 供电电流 注2 10 ma ct ct引脚电容 220 —— pf isd 关断引线电流 －1 1 ma ics 电流检测引线电流 －1 1 ma tj 结温 －40 125 ℃
注2：vcc引线要有足够的电流使内部的15.6v的稳压管能够稳住电压。 3 ir2156管脚排列及功能 器件管脚排列见图2，管脚功能见表3。 表3 管脚功能 1 nc 不接 2 vcc 逻辑电路及低端门极驱动供电 3 vdc ic启动及dc总线检测输入 4 rt 最小频率定时电阻 5 rph 预热频率定时电阻 6 ct 振荡器定时电容 7 cph 预热定时电容 8 com ic电源及信号地线 9 sd 关断输入 10 cs 电流检测输入 11 lo 低端门极驱动输出 12 vs 高端浮地 13 ho 高端门极驱动输出 14 vb 高端门极驱动浮动供电
图2管脚排列 4 功能简介 4.1 欠压关断（uvlo）模式 欠压关断模式是当供电电压vcc低于ic的开启门限电压时，ic不工作。ir2156的欠压关断模式要求供电电流最小保持在200μa以上，保证ic正常工作并驱动高低端输出。图3为典型的从直流母线馈电和从镇流器输出级充电泵共同为ir2156供电的例子。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。电阻应能供应两倍的最大启动电流，以保证镇流器在低电压输入下启动。一旦vcc脚电容电压到达启动门限，且sd脚电压低于4.5v，则ic开始工作，ho，lo振荡。由于ic工作电流增大，电容开始放电见图4。 图3 ic启动供电方式 图4 cvcc电压 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，使供电电流满足镇流器工作需要。自举二极管（dboot）和自举电容（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使镇流器停止振荡，cph脚在内部连接到com使预热时间复位。 4.2 预热（ph）模式 图5为预热电路。预热模式工作于灯管灯丝开始加热直至灯丝达到正常的点燃温度，它是延长灯管寿命和降低点燃电压所必需的步骤。当vcc超过uvlo门限时进入预热模式。lo和ho开始以50％占空比的预热频率振荡,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5μa电流源给cph脚外接的预热时间电容充电。cs脚的过流保护在预热期间被屏蔽掉。 图5 预热电路 预热频率由并联的电阻rt和rph，以及定时电容ct决定。ct分别在到达（1/3）vcc和(3/5)vcc电压时充电和放电，rt和rph并联后内部连接到vcc，通过mos管s1对ct指数充电（见图1）。ct的充电时间为（1/3）vcc至（3/5）vcc,分别驱动lo和ho。一旦ct电压超过（3/5）vcc，mos管s1关断，电阻rt和rph与vcc断开。ct通过内部电阻rdt穿过mos管s3对com以指数放电。ct的放电时间为（3/5）vcc到（1/3）vcc，即输出门极驱动lo和ho的死区时间。ct的容量要根据rdt和要求的死区时间来选取。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13v，ic进入触发模式。在预热模式期间，当cph脚电压高于7.5v时，恢复过流保护和dc总线欠压复位功能。 4.3触发（ign）模式 触发电路如图6所示。触发模式是指建立触发灯管所需的高电压并触发灯管。当管脚cph上的电压超过13v，ir2156进入触发模式。 图6 触发电路 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13v时，s4的g-s电压开始低于s4的开通门限。管脚cph上的电压持续向vcc上升，s4缓慢关断，这样就使电阻rph平滑地从rt上断开，同时使工作频率平滑地过渡到触发频率，再过渡到最终的运行频率。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。外部电流检测电阻rcs上的电压即为管脚cs的电压。rcs定义镇流器可提供的最大峰值电流（以及触发电压）。峰值触发电流必须低于mosfet所能承受的最大电流。当cs上的电压超过内部的1.3v门限，ic进入故障模式，输出驱动ho和lo都被锁定为低电平。 4.4 运行(run)模式 当灯管触发成功后，镇流器进入运行模式。运行模式是指灯弧已经建立，灯管以给定的功率工作时ic所处的状态。运行模式的振荡频率是由定时电阻rt和定时电容ct决定的。 4.5 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，这时会造成硬开关，并破坏半桥的开关。为了防止这种现象的发生，管脚vdc测量dc总线的电压，并在脚vdc上的电压下降到10.9v并低于vcc时，线性拉低管脚cph电压，这样使得p沟道mosfets4在dc总线降压时开通，并使频率向上提高到高于谐振点的一个安全的工作频率。频率变化值由外部电阻rbus和内部电阻rvdc决定。通过拉低管脚cph，触发斜率也被复位。当dc总线电压过低时，整流器不进行触发，当dc总线电压再次上升时，ic将进行自动再触发。当cph上的电压超过7.5v时（预热模式期间），内部电阻rvdc连接到管脚vdc和com之间。 4.6 故障(fault)模式 在预热模式过后的任何时间，当电流检测脚cs上的电压超过1.3v时，ic进入故障模式，驱动输出ho和lo都被置位为低电平。cph向com放电，复位预热时间，同时ct向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，或者关断脚sd的电压拉高至大于5.1v。这两种方式都可以使ic进入uvlo模式，一旦脚vcc电压大于开通门限，同时sd低于4.5v，ic将进入预热模式开始振荡。 5 设计步骤1） 1)因为器件参数离散性的原因，计算的结果还需要通过实验微调 5.1 设置死区时间 通过定时电容ct和内部死区时间电阻rdt可以定义lo和ho的死区时间tdt。死区时间为电容ct上的电压从（3/5）vcc到（1/3）vcc的放电时间。公式如下： tdt=ct·1475 s（1） 或 ct=tdt/1475 f（2） 5.2 设置运行频率 最终的运行频率frun由定时电阻rt和定时电容ct设置。电容ct上的电压从（1/3）vcc到（3/5）vcc的充电时间为输出驱动ho和lo的开通时间。运行频率的计算公式如下： frun= hz(3) 或 rt=－2892 ω（4） 5.3 设置预热频率 预热频率fph由定时电阻rt和rph、定时电容ct设置。在预热模式期间，定时电阻通过内部连接方式并联。预热频率计算公式如下： fph= hz(5) 或 rph= ω(6) 5.4 设置预热时间 预热时间tph由接在脚cph上的电容从0充电到13v的时间决定。一个内部的5μa电流源流入管脚cph。预热时间的计算公式如下： tph=cph·2.6e6 s（7） 或 cph=tph·0.385e－6 f(8) 5.5 设置最大触发电流 最大触发电流iign由外部电阻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： iign= a(9) 或 rcs= ω(10) 6 设计实例 根据以上公式，按照42w紧凑型电子镇流器要求，计算所有元件参数(具体计算略)。计算值向元件标称值靠并通过实验做细调，元件取值如下： ct=470pf,rt=43kω,rph=68kω, cph=0.22μf,rcs=0.61ω。 这样，一个功能完善的镇流器就设计好了。将其安装并测试其计算值，根据元件的离散性稍加调整，镇流器就可在典型状态下工作。具体运行参数见表4。 表4 镇流器运行参数 参数 特性 数值 fph 预热频率 68khz vph 灯管预热电压 460vpp tph 预热时间 700ms rw/rc 灯丝预热比 4∶1 vign 最大触发电压 1500vpp tign 触发时间 50ms frun 运行频率 47.5khz vrun 运行灯管电压 180vpk pin 镇流器运行输入功率 42w
7 典型波形
预热时灯丝电压波形如图7所示。预热、触发和运行时灯电压波形如图8所示。 图7 预热时灯丝电压（5v/格） 图8 预热、触发和运行时灯电压（250v/格） 运行时半桥输出电压和rcs上的电压波形如图9所示。触发失败时灯电压和rcs上的电压波形如图10所示。 上：100v/格下：200mv/格 图9运行时半桥输出电压和rcs上电压 上：500v/格下：1v/格 图10触发失败时灯电压和rcs上电压 8 结语 ir2156是一款功能完善、性能稳定和成本低廉的电子镇流器控制集成电路。该ic既可应用于直管莹光灯，也可应用于紧凑型节能灯，其预热和故障保护功能大大提高了灯管和镇流器的寿命。极具实用推广价值。
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智慧路灯的应用场景
Protel到Allegro图解步骤
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。详细参数见ir2156数据表。
2.2 推荐工作条件 推荐工作条件见表2。 表2 推荐工作条件 符号 定义 最小值 最大值 单位 vbs 高端浮动供电电压 vcc－0.7 vclamp v vs 高端浮动供电偏置电压 －1 600 v vcc 供电电压 vccuv＋ vclamp v icc 供电电流 注2 10 ma ct ct引脚电容 220 —— pf isd 关断引线电流 －1 1 ma ics 电流检测引线电流 －1 1 ma tj 结温 －40 125 ℃
注2：vcc引线要有足够的电流使内部的15.6v的稳压管能够稳住电压。 3 ir2156管脚排列及功能 器件管脚排列见图2，管脚功能见表3。 表3 管脚功能 1 nc 不接 2 vcc 逻辑电路及低端门极驱动供电 3 vdc ic启动及dc总线检测输入 4 rt 最小频率定时电阻 5 rph 预热频率定时电阻 6 ct 振荡器定时电容 7 cph 预热定时电容 8 com ic电源及信号地线 9 sd 关断输入 10 cs 电流检测输入 11 lo 低端门极驱动输出 12 vs 高端浮地 13 ho 高端门极驱动输出 14 vb 高端门极驱动浮动供电
图2管脚排列 4 功能简介 4.1 欠压关断（uvlo）模式 欠压关断模式是当供电电压vcc低于ic的开启门限电压时，ic不工作。ir2156的欠压关断模式要求供电电流最小保持在200μa以上，保证ic正常工作并驱动高低端输出。图3为典型的从直流母线馈电和从镇流器输出级充电泵共同为ir2156供电的例子。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。电阻应能供应两倍的最大启动电流，以保证镇流器在低电压输入下启动。一旦vcc脚电容电压到达启动门限，且sd脚电压低于4.5v，则ic开始工作，ho，lo振荡。由于ic工作电流增大，电容开始放电见图4。 图3 ic启动供电方式 图4 cvcc电压 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，使供电电流满足镇流器工作需要。自举二极管（dboot）和自举电容（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使镇流器停止振荡，cph脚在内部连接到com使预热时间复位。 4.2 预热（ph）模式 图5为预热电路。预热模式工作于灯管灯丝开始加热直至灯丝达到正常的点燃温度，它是延长灯管寿命和降低点燃电压所必需的步骤。当vcc超过uvlo门限时进入预热模式。lo和ho开始以50％占空比的预热频率振荡,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5μa电流源给cph脚外接的预热时间电容充电。cs脚的过流保护在预热期间被屏蔽掉。 图5 预热电路 预热频率由并联的电阻rt和rph，以及定时电容ct决定。ct分别在到达（1/3）vcc和(3/5)vcc电压时充电和放电，rt和rph并联后内部连接到vcc，通过mos管s1对ct指数充电（见图1）。ct的充电时间为（1/3）vcc至（3/5）vcc,分别驱动lo和ho。一旦ct电压超过（3/5）vcc，mos管s1关断，电阻rt和rph与vcc断开。ct通过内部电阻rdt穿过mos管s3对com以指数放电。ct的放电时间为（3/5）vcc到（1/3）vcc，即输出门极驱动lo和ho的死区时间。ct的容量要根据rdt和要求的死区时间来选取。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13v，ic进入触发模式。在预热模式期间，当cph脚电压高于7.5v时，恢复过流保护和dc总线欠压复位功能。 4.3触发（ign）模式 触发电路如图6所示。触发模式是指建立触发灯管所需的高电压并触发灯管。当管脚cph上的电压超过13v，ir2156进入触发模式。 图6 触发电路 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13v时，s4的g-s电压开始低于s4的开通门限。管脚cph上的电压持续向vcc上升，s4缓慢关断，这样就使电阻rph平滑地从rt上断开，同时使工作频率平滑地过渡到触发频率，再过渡到最终的运行频率。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。外部电流检测电阻rcs上的电压即为管脚cs的电压。rcs定义镇流器可提供的最大峰值电流（以及触发电压）。峰值触发电流必须低于mosfet所能承受的最大电流。当cs上的电压超过内部的1.3v门限，ic进入故障模式，输出驱动ho和lo都被锁定为低电平。 4.4 运行(run)模式 当灯管触发成功后，镇流器进入运行模式。运行模式是指灯弧已经建立，灯管以给定的功率工作时ic所处的状态。运行模式的振荡频率是由定时电阻rt和定时电容ct决定的。 4.5 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，这时会造成硬开关，并破坏半桥的开关。为了防止这种现象的发生，管脚vdc测量dc总线的电压，并在脚vdc上的电压下降到10.9v并低于vcc时，线性拉低管脚cph电压，这样使得p沟道mosfets4在dc总线降压时开通，并使频率向上提高到高于谐振点的一个安全的工作频率。频率变化值由外部电阻rbus和内部电阻rvdc决定。通过拉低管脚cph，触发斜率也被复位。当dc总线电压过低时，整流器不进行触发，当dc总线电压再次上升时，ic将进行自动再触发。当cph上的电压超过7.5v时（预热模式期间），内部电阻rvdc连接到管脚vdc和com之间。 4.6 故障(fault)模式 在预热模式过后的任何时间，当电流检测脚cs上的电压超过1.3v时，ic进入故障模式，驱动输出ho和lo都被置位为低电平。cph向com放电，复位预热时间，同时ct向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，或者关断脚sd的电压拉高至大于5.1v。这两种方式都可以使ic进入uvlo模式，一旦脚vcc电压大于开通门限，同时sd低于4.5v，ic将进入预热模式开始振荡。 5 设计步骤1） 1)因为器件参数离散性的原因，计算的结果还需要通过实验微调 5.1 设置死区时间 通过定时电容ct和内部死区时间电阻rdt可以定义lo和ho的死区时间tdt。死区时间为电容ct上的电压从（3/5）vcc到（1/3）vcc的放电时间。公式如下： tdt=ct·1475 s（1） 或 ct=tdt/1475 f（2） 5.2 设置运行频率 最终的运行频率frun由定时电阻rt和定时电容ct设置。电容ct上的电压从（1/3）vcc到（3/5）vcc的充电时间为输出驱动ho和lo的开通时间。运行频率的计算公式如下： frun= hz(3) 或 rt=－2892 ω（4） 5.3 设置预热频率 预热频率fph由定时电阻rt和rph、定时电容ct设置。在预热模式期间，定时电阻通过内部连接方式并联。预热频率计算公式如下： fph= hz(5) 或 rph= ω(6) 5.4 设置预热时间 预热时间tph由接在脚cph上的电容从0充电到13v的时间决定。一个内部的5μa电流源流入管脚cph。预热时间的计算公式如下： tph=cph·2.6e6 s（7） 或 cph=tph·0.385e－6 f(8) 5.5 设置最大触发电流 最大触发电流iign由外部电阻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： iign= a(9) 或 rcs= ω(10) 6 设计实例 根据以上公式，按照42w紧凑型电子镇流器要求，计算所有元件参数(具体计算略)。计算值向元件标称值靠并通过实验做细调，元件取值如下： ct=470pf,rt=43kω,rph=68kω, cph=0.22μf,rcs=0.61ω。 这样，一个功能完善的镇流器就设计好了。将其安装并测试其计算值，根据元件的离散性稍加调整，镇流器就可在典型状态下工作。具体运行参数见表4。 表4 镇流器运行参数 参数 特性 数值 fph 预热频率 68khz vph 灯管预热电压 460vpp tph 预热时间 700ms rw/rc 灯丝预热比 4∶1 vign 最大触发电压 1500vpp tign 触发时间 50ms frun 运行频率 47.5khz vrun 运行灯管电压 180vpk pin 镇流器运行输入功率 42w
7 典型波形
预热时灯丝电压波形如图7所示。预热、触发和运行时灯电压波形如图8所示。 图7 预热时灯丝电压（5v/格） 图8 预热、触发和运行时灯电压（250v/格） 运行时半桥输出电压和rcs上的电压波形如图9所示。触发失败时灯电压和rcs上的电压波形如图10所示。 上：100v/格下：200mv/格 图9运行时半桥输出电压和rcs上电压 上：500v/格下：1v/格 图10触发失败时灯电压和rcs上电压 8 结语 ir2156是一款功能完善、性能稳定和成本低廉的电子镇流器控制集成电路。该ic既可应用于直管莹光灯，也可应用于紧凑型节能灯，其预热和故障保护功能大大提高了灯管和镇流器的寿命。极具实用推广价值。
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