Силовая электроника №2'2006

IR2520 — новые возможности в области разработки электронных балластов

Дмитрий Андреев


В статье рассматривается микросхема IR2520, а также решения на ее основе, такие как недорогие схемы с коррекцией коэффициента мощности для управления электронными балластами.

Введение

В последние годы электронные балласты обычно строятся на базе специализированной управляющей микросхемы и силовых полевых транзисторов, благодаря чему улучшается управление запуском, повышается надежность по сравнению со стандартными автоколебательными схемами на биполярных транзисторах. Тем не менее, до сих пор автогенераторные схемы балластов выигрывают как по компактности устройства, так и по количеству используемых элементов.

После появления на рынке высоковольтной микросхемы IR2520 ситуация может измениться.

Здесь мы рассмотрим микросхему IR2520 более подробно, в том числе новые решения на ее основе, такие как дешевые схемы с коррекцией коэффициента мощности, которые достаточно эффективно упрощают управление электронными балластами.

Рассмотрим три различных схемных решения на базе предлагаемой микросхемы.

1. Низкий коэффициент мощности

Это предложение ориентировано для недорогих маломощных приложений, таких как встроенные электронные балласты для компактных люминесцентных ламп. Ограничение по максимальной мощности в 25 Вт дает возможность не согласовывать суммарное значение коэффициента нелинейных искажений (КНИ) и коэффициент мощности (КМ) и позволяет, не вводя коррекцию КМ, уменьшить общее число элементов в электронном балласте, благодаря чему сокращаются его габариты и цена. При этом КМ будет равен приблизительно 0,5 и КНИ около 100%.

2. Активная коррекция КМ балласта

Это решение предлагается для высококачественных мощных устройств. Большая часть таких устройств требует управления постоянным питающим напряжением, согласования высокого КМ и низкого КНИ с требованиями EN61000-3-2.

Классические решения используют дополнительные корректирующие индуктивности, дополнительные полевые транзисторы и специализированные микросхемы для коррекции. Это решение является более полным и позволяет изменяться входному напряжению в широких пределах. В такой конфигурации легко добиваться КМ более 0,9 и КНИ менее 10%.

3. Пассивная коррекция КМ балласта

Это решение предлагается для простых и недорогих приложений. В некоторых из них желательно иметь управляемое напряжение питания и высокое значение КМ, но классические решения используют для этого дополнительные индуктивности, полевые транзисторы и, возможно, микросхемы, которые могут значительно повысить стоимость конечного продукта. Оптимальное решение возможно при компромиссе цены и функциональности. Возможные решения могут дать значения КМ более 85% и КНИ менее 30%.

Ситуация на рынке до появления IR2520

На рис. 1 представлена типичная автогенераторная схема на биполярных транзисторах.

Рис. 1. Автогенераторная схема на биполярных транзисторах
Рис. 1. Автогенераторная схема на биполярных транзисторах

 Этот подход достаточно прост и естественен, но имеет много минусов. В схему нужно включать динисторы или дополнительные цепи для запуска, дополнительные обратно включенные диоды, тороидальный трансформатор (достаточно сложный для расчета насыщения, так как результаты расчетов сильно зависят от разброса параметров материала сердечника — это влечет за собой сложности в настройке и установке частоты), а также позисторы, обеспечивающие предпрогрев для увеличения срока службы лампы. Схема характеризуется отсутствием большинства защитных функций, предотвращающих нештатные ситуации при под-жиге или горении лампы и ее выход из строя.

На рис. 2 представлена типовая схема электронного балласта с использованием специализированной микросхемы IR2156 и двух полевых транзисторов.

 Это решение обеспечивает улучшенное управление пуском и более высокую надежность, чем автогенераторные схемы. Здесь имеется предпрогрев нити для увеличения срока службы, защита при выходе лампы из строя и автоматический перезапуск при замене лампы. Для схемы требуется 14-выводная высоковольтная микросхема и большое количество дополнительных компонентов (до 31 штуки), что увеличивает цену и размеры устройства по сравнению с автоколебательным вариантом. Именно по этой причине в недорогих решениях для электронных балластов маломощных и линейных люминесцентных ламп более популярным остается использование автоколебательных схем, нежели схем со специализированными микросхемами и полевыми транзисторами.

Микросхема IR2520 была разработана с учетом функциональных недостатков дискретных автогенераторных схем электронных балластов и призвана их заменить. Кроме того, она может использоваться в высокоэффективных мощных схемах, существенно уменьшая габариты устройств и повышая надежность.

Новые подходы в IR2520

IR2520D создана для управления люминесцентными лампами. Микросхема содержит все необходимое для предпрогрева, поджига и работы лампы в стационарном режиме, плюс защиту от повреждения лампы и защиту от пониженного сетевого напряжения, встроенные драйверы для внешнего полумоста на напряжение 600 В. Несмотря на большой набор функций, IR2520D имеет только 8 выводов. Микросхема выпускается в двух вариантах: SO8 или DIP8.

На рис. 3 представлена блок-схема IR2520D. Целью разработки было создание микросхемы, имеющей практически полный набор функций, необходимых для электронного балласта. Два вывода микросхемы — это напряжение питания и общий, еще четыре необходимы для подключения осциллятора, и только два вывода остаются для контроля и управления.

Рис. 3. Блок_схема IR2520D
Рис. 3. Блок_схема IR2520D

 Функции, обеспечивающие нормальную работу электронного балласта, могут быть разделены на управляющие и защитные.

Управляющие: 1)высокая стартовая частота и предпрогрев

для увеличения ресурса лампы; 2)высокое напряжение поджига и программирование мощности, рабочих напряжения и тока. Защитные: 1)отключение при открытой накальной нити, при отсутствии лампы или обрыве накаль-ной нити; 2)отключение при разрушении от удара или

просто выходе лампы из строя; 3)защита от пониженного сетевого напряжения.

На рис. 4 представлены цепи, обеспечивающие в IR2520 управление частотой.

Рис. 4. Цепи управления частотой в IR2520
Рис. 4. Цепи управления частотой в IR2520

 В процессе пуска внутренний источник тока заряжает CVCO, и напряжение на выводе VCO начинает линейно расти. Осциллятор запускается с повышенной частотой, примерно в 2,5 раза превосходящей минимальную. Частота плавно снижается к резонансной частоте высокодобротного выходного каскада балласта. В процессе уменьшения частоты напряжение на лампе возрастает, что вызывает поджиг лампы. Если лампа зажглась, то напряжение на выводе VCO продолжает расти до величины внутреннего ограничения в 6 В. Частота перестает уменьшаться и остается на минимальном уровне, задаваемом внешним резистором RFmin, подключенным к выводу FMIN. Внешний конденсатор CVCO задает время предпрогрева.

Реализация защитных функций в микросхеме IR2520 представлена на рис. 5.

Рис. 5. Реализация защитных функций в IR2520
Рис. 5. Реализация защитных функций в IR2520

 Для подключения защитных цепей в микросхеме используется вывод VS. Сопротивление полевого транзистора нижнего плеча в открытом состоянии RDSon используется в качестве резистивного датчика тока, а VS вывод служит для детектирования тока. Такой подход исключает необходимость использования высокоточных специализированных резисторов. Встроенный 600-вольтовый полевой транзистор подключает вывод микросхемы VS к датчику и позволяет проводить измерения в течение времени, когда на вывод LO подано напряжение и нижний транзистор внешнего полумоста (MLS) включен.

Электронный балласт с низким КМ

На рис. 6 представлена простая схема электронного балласта, реализованного на микросхеме IR2520. Схема предназначена для управления компактными люминесцентными лампами мощностью до 26 Вт от сети переменного тока 220 В.

Рис. 6. Простая схема электронного балласта, реализованного на IR2520
Рис. 6. Простая схема электронного балласта, реализованного на IR2520

 Представленная схема поддерживает все необходимые функции, такие как предпро-грев, поджиг и поддержка стационарного режима работы лампы, а также имеет фильтр электромагнитных помех и выпрямитель. Ядром, на базе которого строится электронный балласт, является микросхема IR2520. Она поддерживает регулируемое время пред-прогрева, высокую стартовую частоту для плавного пуска, управляемую рабочую частоту, защиту от включения при выходе лампы из строя, защиту от понижения сетевого напряжения, перезапуск при устранении повреждений лампы. Ограничения для данной конфигурации: низкий КМ (около 0,6) и высокий КНИ (>100%).

На рис. 7 представлено напряжение на лампе (желтый график) и ток индуктивности LRES (зеленый график) в режимах старта, предпро-грева, поджига и в рабочем режиме. На рис. 8 представлены напряжение на VS (синий график), на лампе (желтый график) и ток лампы (зеленый график) в рабочем режиме.

Рис. 7. Напряжение на лампе (желтый график) и ток индуктивности LRES (зеленый график) в режимах старта, предпрогрева, поджига и в рабочем режиме
Рис. 7. Напряжение на лампе (желтый график) и ток индуктивности LRES (зеленый график) в режимах старта, предпрогрева, поджига и в рабочем режиме
Рис. 8. Напряжение на VS (синий график), на лампе (желтый график) и ток лампы (зеленый график) в рабочем режиме
Рис. 8. Напряжение на VS (синий график), на лампе (желтый график) и ток лампы (зеленый график) в рабочем режиме

 Высококачественный электронный балласт

Для применений, требующих высокий КМ и низкий КНИ, в устройство необходимо добавить схемы коррекции коэффициента мощности. На рис. 9 представлена схема, обеспечивающая высокий КМ (>0,9) и низкий КНИ (<10%).

 Предлагаемое решение содержит фильтр ЭМП, активный корректор КМ, цепи управления и резонансный выходной каскад. Входные цепи, корректирующие КМ, поддерживают управляемое напряжение питания на определенном уровне (порядка 400 В постоянного тока). Схемы управления обеспечивают регулирование частоты стандартного резонансного выходного каскада RLC, что дает возможность без труда адаптироваться к различным типам ламп. Такой подход лучше других решений и ограничивается по мощности только максимальным током через полевые транзисторы полумоста, отвечая при этом требованиям EN-61000-3-2.

Пассивная коррекция КМ

Реализация разработанного и протестированного 14-ваттного балласта для люминесцентных ламп представлена на рис. 10.

Рис. 10. Балласт для люминесцентных ламп мощностью 14 Вт
Рис. 10. Балласт для люминесцентных ламп мощностью 14 Вт

Устройство управляется микросхемой IR2520, поддерживающей предпрогрев лампы, поджиг, рабочий режим и основные защитные функции.

На рис. 11 представлено напряжение питания (желтый график), ток (голубой) и напряжение на лампе (зеленый).

Рис. 11. Напряжение питания (желтый график), ток (голубой) и напряжение на лампе (зеленый)
Рис. 11. Напряжение питания (желтый график), ток (голубой) и напряжение на лампе (зеленый)

Рекомендуемая процедура расчета

Быстрый и удобный метод выбора компонентов и их значений в каждом конкретном случае можно произвести с помощью Ballast Design Assistant (BDA) — программы, разработанной компанией International Rectifier. Эту программу можно скачать с сайта www.irf.com. Программа поддерживает микросхему IR2520 и позволяет рассчитать приблизительные значения всех внешних резисторов и конденсаторов. Эти значения могут быть использованы при создании макета. В дальнейшем значения компонентов уточняются при лабораторных испытаниях.

Разработка балласта на основе IR2520 очень проста, так как используются только две контрольные точки: вывод VCO и FMIN. Для изменения (увеличения) мощности достаточно изменить RFMIN, CVCO, LRES и CRES, проверить индуктивность и полевые транзисторы на способность работать с требуемыми для новой лампы токами.

Для маломощных решений достаточно уменьшить RFMIN и, в некоторых случаях, изменить CVCO, LRES и CRES. В большинстве случаев возможно использование более слаботочных полевых транзисторов и индуктивностей.

Вывод микросхемы FMIN соединяется с общим выводом через резистор RFMIN. Величина этого сопротивления задает минимальную частоту Fmin и стартовую частоту (примерно 2,5 Fmin) микросхемы.

VCO подсоединен к общему выводу через конденсатор (CVCO). Величина емкости этого конденсатора задает время, за которое частота снижается с максимальной (2,5 Fmin) до минимальной (Fmin), она же влияет и на изменение времени предпрогрева.

Предлагаемая процедура проектирования выглядит так:

  1. Используя Ballast Design Assistant (BDA) рассчитываются LRES, CRES, RFMIN и CVCO. Выбрать конфигурацию с коррекцией коэффициента мощности (КМ) или без него. Выбрать IR2520.

Выбрать лампу, для которой разрабатывается электронный балласт из предлагаемой базы данных по лампам или ввести вручную параметры для новой лампы, вызвав опцию «Advanced».

Рассчитать рабочую точку и выбрать соответствующие значения L и C, удовлетворяющие следующим условиям:

    • Рабочая частота (наиболее подходящий диапазон 40–50 кГц).
    • С — с минимально возможными потерями (рекомендуемая величина 4,7 нФ).
    • L из доступных значений.
  1. При измерении LO к выводам VCC и COM прикладывают 15 В и настраивают величину RFMIN для получения минимальной частоты, которая должна быть равна рабочей частоте, полученной в BDA. Увеличение RFMIN влечет за собой уменьшение минимальной частоты и наоборот.
  2. Подать переменное напряжение на вход и проверить предпрогрев, поджиг и пуск лампы.
    • Если микросхема работает при частоте, большей, чем Fmin, нужно увеличить CRES и LRES для уменьшения резонансной частоты.
    • Если VCC снизилось, увеличить номинал CSNUBBER.
  3. Подстроить величину RFMIN для согласования мощности (увеличить RFMIN для увеличения мощности и наоборот, для уменьшения мощности уменьшить RFMIN), установить правильное время предпрогрева, учитывая, что увеличение CVCO влечет за собой увеличение времени предпрогрева.
  4. Подобрать значение RSUPPLY для запуска при нормальном сетевом напряжении (увеличение RSUPPLY влечет за собой запуск микросхемы при более высоком сетевом напряжении).
  5. Тестирование срока службы лампы (число включений). Качественная разработка гарантирует по меньшей мере 5000 включений (пусков). Для увеличения срока службы лампы следует увеличить CRES или время предпрогрева (CVCO).

Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2006_02_26.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо