一种智能化电源管理集成电路的研究

摘要：给出一种用于荧光灯电子镇流器的智能化电源管理集成电路的设计。其独特的电路结构设计使该电路芯片可在低电源电压下工作，从而可利用12V低压BiCMOS工艺实现L该电路工作时只需外接少量元件，针对预热式荧光灯3个工作阶段的特性设计的智能化控制策略，可控制实现荧光灯在预热、启动及发光各阶段的正常工作和状态异常保护，包括过压保护和容性保护，保证了电子镇流器在电源电压异常、灯管缺损等情况下的安全有效工作，并能在新灯管安装后自动启动点燃L电路的计算机仿真结果与设计要求相符，智能控制部分已通过现场可编程门阵列(FPGA)验证，功能正常。

　　关键词：电源管理；智能化集成电路；BiCMOS工艺；保护策略

　　当前，人类用于照明所消耗的能源数量可观。面临能源和环境危机，绿色照明已经引起世界各国的高度重视，我国的“绿色照明工程”亦已正式启动。其中荧光灯高频电子镇流器作为一种重要的节能产品，自20世纪70年代末问世以来得到了迅速发展。欧美一些发达国家在20世纪90年代就开始限制生产和使用白炽灯以及电感镇流器，从而使得对电子镇流器的需求量剧增。

　　电子镇流器通常由控制电路和脉冲产生以及调制、驱动、保护等一系列电路构成。随着现代集成电路技术的发展，第三代荧光灯电子镇流器专用的智能化电源管理集成电路获得了广泛重视和应用，这一领域居于领先地位的InternationalRectifier、Samsung及STMicroelectronics等公司都开展了相关的研究。新一代电子镇流器专用集成电路的优点是实现了大规模数字电路与脉冲产生、调制与驱动等功能电路在同一芯片上的集成，使得有可能实现真正意义上的智能化。同时，通过控制逻辑的研究和改进实现节能和灯管使用的安全优化，功能电路和器件工艺的改进在降低成本的同时使可靠性得以大幅度提高。

　　我国在第三代荧光灯电子镇流器专用集成电路领域与先进国家相比尚有很大差距，尤其是此类电路往往牵涉到功率和耐压器件与大规模数字电路的集成，工艺复杂，可靠性要求高，其高性价比的要求更是成为制约发展的瓶颈。

　　本文根据遵循三段模式工作的预热式荧光灯特点，提出了一种电子镇流器专用集成电路的设计。其独特的驱动电路设计使电路免于直接承受高压，降低了制造成本。控制电路具备完善的保护功能，可保证灯管在合适状态下安全工作。电路结构的设计显著地减少了外围元件的数目，使其使用简单方便。

　　荧光灯的三个工作阶段

　　由预热式荧光灯的特点可知，其正常工作需要有三个阶段：1)一定时间内大电流对灯丝的预热；2)一个足够高的瞬间启动电压进行点燃；3)在额定功率下进入正常发光。同时，理想的控制电路还应具备全过程监测功能以保证灯管的安全正常工作。要实现这三段工作模式，一个易于实现的方案是利用LC谐振回路，通过控制输入电压的频率分别实现定时预热、瞬间高压启动和正常工作。本文的设计即选用了此种模式，下面简单介绍相关原理。

　　图1为变频电子镇流器的原理简图。在预热和点燃过程中，灯管尚未导通，灯丝电阻R_f很小，电路可视为一R_fLC串联回路；正常发光时，灯管导通并等效为一电阻，用R代表。电路可视为RC并联后与L串联构成的回路。

图1　变频电子镇流器的原理简图

　　荧光灯工作时的输入为一正弦波，即U_in=U_msin(2πft)，其中U_m为幅值，f为输入信号频率。回路在一个较高的频率点f_ph对灯丝进行预热；之后f逐渐减小，经过一定周期(210ms)，当f趋近于LC电路的固有谐振点f₀时，谐振使灯的端电压迅速增大到点燃电压Vign，灯点亮并正常发光，此时所对应的频率为f_ign，而灯管电阻R则迅速减小到几百欧姆(据灯型而定)，电路Q值降低。当灯进入额定功率正常工作后，工作频率自动调节到f_run。整个电路利用灯的端电压随电路Q值及输入信号频率而变化的特性，满足了荧光灯对三个阶段工作电流和电压的要求。图2给出了荧光灯三个工作阶段下的频率响应特性。

图2　荧光灯三个阶段的频率响应特性曲线

　　刚刚上电时，灯的端电压UR_(t)是一个频率为f(f大于f₀)的正弦激励信号，其瞬态零阶响应为

　　式中：f₀是串联谐振回路的固有频率点，即；f为输入信号频率，且f>f₀。预热过程的长短由f/f₀的比值决定，通常令f/f₀=2.0～3.0以保证足够的预热时间，避免因冷启动损坏灯管。

　　由式(1)可看出，灯的端电压经历了一个暂态到稳态的过程，经过2LˆRf时间进入稳态，此时灯两端电压为

　　简言之，对应于灯管的三阶段工作模式，输入电压U_in的频率由最初的高频率f_star下降到预热频率f_ph，经过一定时间的预热后，逐渐过度到点燃频率fign，最后稳定在使灯工作于额定功率下的工作频率f_run。实际电路中，提供给后端电路的是一个方波信号，其傅里叶分解为

　　此方波信号经一个隔直电容后，可近似认为只有基波分量起作用，与上述原理相同。

　　设计方案

　　电子镇流器专用芯片解决方案设计的主要特点如下：
　　1)利用频率调制实现三步启动，同时频率可根据用户的需要设定；
　　2)无需采用高压工艺，可利用12VBiCMOS工艺实现，且芯片面积小，可以大大降低制造成本；
　　3)管脚数少(8引脚，见图3)，所需的外围元器件数目少，应用电路简单；
　　4)具备较完善的保护功能，能自动检测电源电压异常和灯管失效并予以保护。同时，灯管更新后可实现自启动。

图3　电子镇流器专用芯片电路结构框图

　　工作原理
　　由图3可知，电路由8个模块构成。启动模块集成了具有窗口特性的上电启动和欠压锁定(undervoltagelockout，UVLO)功能。当电源电压VDD大于启动阈值电压V_ON时，稳压单元进入正常工作状态，为各模块提供稳定电源，芯片内部各单元开始工作。控制电路按照荧光灯预热—点火—正常发光三个阶段控制振荡器振荡，输出所需的3种不同频率。当VDD低于V_OFF(V_OFFON，存在一个窗口迟滞)时，则启动模块动作使电路进入欠压锁定状态，所有模块包括振荡器均停止工作。

　　振荡器设计的特点是实现了振荡电容内置，从而减少了芯片管脚数目。振荡频率由电流选择单元决定：通过选择R₁端和R₂端的外接电阻及相关控制电路确定系统在三个阶段的不同频率。

　　驱动单元在输出端D1和D2产生两路不交叠的方波，分别驱动半桥式逆变电路中的功率MOS对管。与常见方案不同，本设计的特点是把功率NMOS管T1置于高端，PMOS管T2置于低端，D1、D2的驱动信号则加在T1与T2的栅源两端，并于驱动信号△V_D(△V_D=V_D1-V_D2)的正负半周分别驱动T1、T2轮流工作，这样，引入芯片的只是功率管的栅源电位差，其数值不超过12～15V，与较常规设计相比其显著优点是避免了把500～800V以上的高压引入芯片，使芯片得以用低压工艺实现，大幅度降低了制造成本，提高了可靠性。

　　此外，为避免T1、T2瞬间同时导通致使其击穿，必须保证两组方波之间存在一个“死区”时间，与多数方案采用的一固定死区值不同，本设计取系统输出信号周期的116作为死区，在电路设计上易于实现，又提高了电源效率，取得了较好的效果。

　　芯片中的过压保护和相位检测模块用于异常工作状态下的保护，其特点是能对异常工作状态实现全面的监测控制，功能包括：①启动异常监测，鉴别灯管的有无和正常与否及电源有无异常；②工作异常监测，全程监控灯管的正常工作，包括灯管的损坏、移除及电源异常；③异常消除后的自启动，例如在上述过程中若发生异常，则芯片控制系统进入待机保护状态，在待机状态下系统保持对灯管的连续监测，一旦新灯管更换后即自行启动点燃灯管。在灯管无法点亮时，若工作频率接近LC谐振频率，则产生高压使主回路电流急剧增大，设置过压保护可以避免此种状态的产生。图3中芯片的OV端用于检测灯管电压。采样采用电流检测方式完成整流后经电阻馈送至OV端。当取样电流超过一定值后，系统停振，进入掉电状态，从而避免了电路的过压损坏。

　　当取掉灯管，或当无法点亮灯管时，电路进入容性工作模式，此时功率MOS管产生极大的损耗，严重时可因过热而失效。由于在灯管正常工作和发生故障时，RLC主回路表现出不同的阻抗特性，根据这个特性，主回路电流通过取样电阻生成电压信号送至IP端，由相位检测模块检测判断灯管工作的正常与否。当系统正常工作时，主回路电流滞后于电压，系统工作于感性模式，功率MOS管工作处于正常开关模式；当负载异常时，主回路电流相位超前于电压，为容性模式，功率MOS管在开通时有很大的峰值电流，关断时则电压很高，开关损耗极大，因此为避免功率管损坏，控制系统进入掉电状态。

　　系统进入掉电状态后，OV端仍不断地检测灯管两端的电压，直至有新的灯管装入，检测到的OV信号为正常并持续一定时间后，系统自动经由待机状态再点火，重新进入正常工作状态。

　　此外，通过调整R₁端的外接电阻改变预热时工作频率，可以改变预热时间。

　　控制策略

　　图4为电路的控制状态转换图。

图4　控制状态转换图

　　由图可见，在控制模块控制下，存在着三种可能的状态转换过程：

　　1)启动(预热)→点火→工作；
　　2)启动(预热)→点火→(检测到异常)→掉电→待机→再点火→工作；
　　3)启动(预热)→点火→工作→(检测到异常)→掉电→待机→再点火→工作。

　　该过程分别对应的三种情况是：荧光灯正常启动工作；因电压异常或者灯管失效(或移去)，自动转入掉电待机状态，等更换新灯后再自行启动工作；灯启动工作后遇电压异常或灯管失效(或移去)，自动转入掉电待机状态，等更换新灯后自动启动工作。图5(a)、(b)分别示出对应于过程2和3的控制策略设计。注意：根据灯管工作特点，在点火过程中采用过压信号作为控制信号，而掉电待机状态下由过压信号和相位检测信号按照逻辑或关系组合构成状态控制信号。实际设计中由于工作状态不同，点火过程和掉电待机状态下的过压信号由两个子模块分别提供。

　　仿真结果
　　
　　由于成功地避开了高压问题，设计可采用12VBiCMOS工艺实现。
　　图6对应于第2。2节所述三种可能的状态转换过程的HSPICE仿真输出结果，其中图6(a)、(b)、(c)分别对应于过程①、过程②、过程③。分析图示曲线可知，输出结果与预期结果相符。应予注意的是为完整示出工作过程，电路中所有计数器的计数周期均缩短至4位，这并不影响结果的正确性。对控制模块用FPGA验证的结果与设计要求完全相符。该设计方案已为商品化的电子镇流器专用电源管理芯片所采用。

　　(a)相应于点火异常的控制策略
　　(b)相应于工作异常的控制策略

图5　保护策略图

　　结语
　　
　　本文给出一种荧光灯电子镇流器智能化电源管理集成电路的解决方案，具备了现代荧光灯电子镇流器所需的几乎所有必要功能和完善的工作程序管理，包括灯管的预热、点燃和发光，故障检测和保护以及故障排除后的自启动功能等。与传统电路比较，该电路成本低，集成度和可靠性高，且外接元件数少，应用电路简单，而产品功能更全，具有很高的应用价值。