功率因數校正和鎮(zhèn)流器控制IC

1、IR2166(S)功率因數校正和鎮(zhèn)流器控制IC特點：· PFC，鎮(zhèn)流器和半橋驅動合一· 臨界導通模式升壓型PFC· 無PFC電流檢測電阻· 預熱頻率可調· 預熱時間可調· 運行頻率可調· 過電流保護可調· 燈壽命保護可調· 可控死區(qū)時間· 內部觸發(fā)斜率· 內部故障計數器· 直流母線欠壓復位· 關斷滯環(huán)功能· 內部Vcc有15.6V嵌位二極管· 微功率啟動(150uA)· 鎖定和ESD保護簡介： IR2166是完全集成的，完全保護的，可驅

2、動所有類型熒光燈的600V電子鎮(zhèn)流器控制芯片。PFC電路以臨界導通模式(CCM)方式工作，可獲得高功率因素，低THD及直流電壓調整。IR2166的特性包括預熱頻率和運行頻率可調，預熱時間可調，死區(qū)時間可調，過流門限電壓可調，以及燈壽命保護。該IC還有其他 完善的保護性能諸如燈管觸發(fā)失敗保護，燈絲故障保護，燈壽命保護。直流母線欠壓復位以及自動重啟動功能。IR2166有DIP14及SOIC14兩種封裝。IR2166典型應用圖絕對最大值： 管腳超過給定的最大值就有可能損壞器件，所有絕對值電壓參考管腳為COM，所有正電流定義為流入管腳。熱阻和功耗額定值在大氣環(huán)境下和板上測得。符號定義最小值最大值單位V

3、B高端浮動供電電壓-0.3625VVS高端浮動供電偏置電壓VB-25VB+0.3VVHO高端浮動輸出電壓VS-0.3VB+0.3VVLO低端輸出電壓-0.3VCC+0.3VVPFCPFC柵極驅動輸出電壓-0.3Vcc+0.3VIOMAX允許最大輸出電流(HO,LO,PFC)由外部功率晶體 管miller效應得到-500500mAVBUSVBUS管腳電壓-0.3VCC+0.3VVCTCT管腳電壓-0.3VCC+0.3VICPHCPH管腳電流-55mAIRPHRPH管腳電流-55mAVRPHRPH管腳電壓-0.3VCC+0.3VIRTRT管腳電流-55mAVRTRT管腳電壓-0.3VCC+0.3V

4、VCS電流感應管腳電壓-0.35.5VICS電流感應管腳電流-55mAISD/EOL關斷管腳電流-55mAICC供電電流（注：1）-2020mAIZXPFC電感電流，過零檢測輸入電流-55mAICOMPPFC誤差補償電流-55mAdV/dt允許偏置電壓波動率-5050V/nsPD封裝功TA+25°C -(16 PDIP) PD=(TJMAX-TA)/RthJA -(16 SOIC) 1.801.40WRthjA結到環(huán)境熱阻 -(16PDIP)-(16SOIC)7086°C/WTJ結溫-55150°CTS存儲溫度-55150°CTL管腳溫度 （裝焊 10秒

5、）300°C注1: 該芯片內部VCC與COM之間設有15.6V穩(wěn)壓管，注意該腳不能直接外加電壓源。推薦工作條件:為使器件正常工作，請使用推薦的工作條件。符號 定義最小值最大值單位VBS高端浮動供電壓VCC-0.7VCLAMPVVS穩(wěn)態(tài)高端浮動供電偏置電壓-1600VVCC供電電壓VCCUV+VCLAMPVICC供電電流注210mACTCT連接電容220pFISD/EOL關斷管腳電流-11mAICS電流檢測管腳電流-11mAIZX過零檢測管腳電流-11mATJ結溫-25125°C注 2：VCC管腳應供給足夠的電流，確保內部穩(wěn)壓管正常工作。電氣特性：VCC=VBS=VBIAS=

6、14V+/-0.25V，VBUS=開路，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.符號定義最小典型最大單位測試條件供電特性VCCUV+VCC正欠壓門限10.511.512.5VCC從0建立VCCUV-Vcc負欠壓門限8.59.510.7VCC從14V下降VUVHYSVCC欠壓鎖定滯環(huán)1.52.03.0IQCCUVUVLO模式靜態(tài)電流120170280uAVCC=8VIQCC靜態(tài)VCC供電電流2.34.0mACT連COM,VCC=14V,

7、 VCLAMPVCC穩(wěn)壓管電壓14.315.616.5VICC=10mA浮動供電特性IQBS0VBS靜態(tài)供電電流-105uAVHO=VS(CT=0V)IQBS1VBS靜態(tài)供電電流53060uAVHO=VB(CT=14V)VBSMIN建立HO特性最小VBS電壓2.5VILK偏置供電漏電流50uAVB=VS=600VPFC誤差放大器特性ICOMP源誤差放大器輸出拉電流53555uAVCPH=14VVBUS=3.5VICOMP灌誤差放大器輸出灌電流-50-30-18uAVCPH=14VVBUS=4.5VVCOMPOL誤差放大器輸出電壓擺動0.254VVBUS=5.0VPFC直流電壓調整VBUSOV過

8、電壓比較器閾值3.84.34.7VVcomp=4.0VVBUSOVHYS過電壓比較器滯環(huán)75100300mVVcomp=4VVVBUSREG過電壓比較器內部參考電壓3.74.04.2VVcomp=4VPFC零電流檢測VZXZX腳比較器閾值電壓1.11.652VVcomp=4VVZXhysZX腳比較器滯環(huán)75300800mVVcomp=4VVZXclampZX腳嵌位電壓6.37.59.1VIZX=5mAPFC看門狗TWD看門狗內部脈沖90400810µSZX=0V, VCOMP>=2V鎮(zhèn)流器振蕩器特性符號定義最小典型最大單位測試條件fOSC振蕩頻率38.54247.5KHz運行模

9、式717581預熱模式d振蕩占空比50%VCT+CT電壓門限上沿6.88.410.7VVCC=14VVCT-CT電壓門限下沿1.84.65.6VVCTFLT故障模式CT電壓0mVSD>5.0V, CS>1.3VtDLOLO輸出死區(qū)時間0.71.01.5usCT=1nFtDHOHO輸出死區(qū)時間1.71.01.5us鎮(zhèn)流器控制預熱特性ICPHCPH腳充電電流2.63.24.3uAVCPH=5V,CT=0V,VBUS=0VVCPHFLT故障模式CPH電壓0mVSD>5.0V, CS>1.3VRPH特性IRPHLKRPH開路漏電流0.1uAVRPHFLT故障模式RPH電壓0mV

10、SD>5.0V, CS>1.3VRT特性IRTLKRT開路漏電流0.1uACT=10VVRTFLT故障模式RT電壓0mVSD>5.0V, CS>1.3V保護電路特性VSDTH+關斷門限上限電壓4.75.25.7VVSDHYS關斷門限 滯環(huán)電壓100150350mVVSDEOL+燈壽門限上限電壓2.43.03.6VVCPH>12VVSDEOL-燈壽門限下限電壓0.71.01.6VVCSTH+過流感應門限電壓1.01.21.3VVCPH>7.5V#FAULT-CYCLESIC關閉前的故障過電流數257590個VCPH>7.5VCS>1.3V

11、VBUSSUV-直流母線電壓欠壓閾值2.63.03.3VVCPHCSENCPH腳電流感應使能閾值6.8VVCPHEOLENCPH腳燈壽使能閾值10.31213.2V門極驅動輸出特性(HO,LO,PFC腳)符號定義最小典型最大單位測試條件VOL低輸出電壓0100mVIO=0VOH高輸出電壓0100mVVBIAS-VO, IO=0tr開通上升時間110210nsCHO=CLO=CPFC=1nFtf關斷時間55160nsCHO=CLO=CPFC=1nFIO+HO,LO,PFC拉電流300mAIO-HO,LO,PFC灌電流400mAIR2166內部框圖IR2166狀態(tài)框圖IR2156管腳排列管腳號符號

12、功能1VBUS直流電壓檢測輸入2CPH預熱定時電容3RT最小頻率定時電阻4RPH預熱頻率定時電阻5CT振蕩器定時電容6COMPPFC誤差放大器補償7ZXPFC電流過零檢測8PFC PFC管門極驅動輸出9SD/EOL關斷/燈壽檢測電路10CS電流檢測輸入11LO低端門極驅動輸出12COMIC電源及信號地線13VCC邏輯及低端門極驅動供電14VB高端門極驅動浮動供電15VS高端浮地16HO高端門極驅動輸出鎮(zhèn)流器時序圖正常工作情況故障工作情況I. 功能簡介鎮(zhèn)流器部分欠壓關斷模式（UVLO）欠壓關斷模式是當供電電壓VCC低于IC的開啟門限電壓時的工作情況。關于IC的不同模式可參考本文的狀態(tài)表。IR21

13、66的欠壓關斷模式用于使供電電流保持在最小供電電流400µA以下，在高低端有輸出前, 保證IC正常工作。圖1為一個有效的利用啟動電流和鎮(zhèn)流器輸出級充電泵共同為IR2166供電的例子(RSUPPLY, CVCC, DCP1, DCP2)。 通過供電電阻(RSUPPLY)的電流一部分作為啟動電流流入IC， 其余給啟動電容(CVCC)充電。此電阻可決定啟動鎮(zhèn)流器的交流輸入電壓閾值, 一旦VCC腳電容電壓達到啟動門限，且SD腳電壓低于4.5V，則IC開始工作，HO，LO開始震蕩。由于IC工作電流增大，電容開始放電見（圖2）。 圖1：啟動和供電電路在放電期間，充電泵產生的整流電流給電容充電，使

14、VCC電壓高于IC關斷門限，充電泵和IC內置15.6V穩(wěn)壓管來提供供電電壓。啟動電容和緩沖電容要有足夠的容量，能提供足夠的電流滿足鎮(zhèn)流器所有工作條件的需要。自舉二極管（DBOOT）和供電電容（CBOOT）提供高端驅動電路的工作電壓。為了在HO腳的第一個脈沖前就給高端供電，因此輸出驅動的第一個脈沖來自LO腳。在欠壓關斷狀態(tài)，高端和低端輸出驅動HO和LO都為低電平，CT腳在內部連接到COM使鎮(zhèn)流器停止震蕩，CPH腳在內部連接到COM使預熱時間復位。圖2：CVCC電壓預熱模式（PH） 預熱模式定義為燈管燈絲被加熱到正確的發(fā)射溫度，它是延長燈管壽命和降低觸發(fā)電壓所必需的步驟。當VCC超過UVLO+門限

15、時IR2166進入預熱模式。LO和HO開始以50%占空比的預熱頻率震蕩, 死區(qū)時間由外部定時電容CT和內部死區(qū)時間電阻RDT決定。CPH腳與COM斷開，內部1uA電流源給CPH腳外接的預熱定時電容線性充電。CS腳的過流保護在預熱期間被屏蔽掉 動浮動供電電 。 預熱頻率由并聯(lián)電阻RT和RPH，以及定時電容CT決定。CT分別在到達1/3和3/5的VCC電壓時充電和放電（見時序圖）。VCC通過內部MOSFET S1及并聯(lián)電阻RT和RPH對CT指數充電。CT從1/3到3/5VCC的充電時間對應的HO和LO的開通時間。當CT電壓超過3/5的VCC，MOS管S1關斷，電阻RT和RPH與VCC斷開。CT通過

16、內部電阻RDT，MOS管S3對COM以指數放電。CT從3/5 到1/3 VCC的放電時間為即輸出門極驅動 LO和HO都關斷，死區(qū)時間。選擇CT和RDT可確定死區(qū)時間。一旦CT放電至低于1/3的VCC，MOS管S3關斷，RDT與COM斷開，MOS管S1導通，RT和RPH 再次連接到VCC。工作頻率始終保持在預熱頻率直到CPH 腳電壓超過10V，IC進入觸發(fā)模式。在預熱模式期間，當CPH腳電壓高于7.5V時，過流保護和DC總線欠壓復位功能升效。圖3：預熱電路觸發(fā)模式（IGN）觸發(fā)模式定義為建立觸發(fā)燈管所需的高電壓并觸發(fā)燈管的狀態(tài)。當管腳CPH上的電壓超過10V，IR2166進入觸發(fā)模式。管腳CPH

17、內部連接到一個P溝道的MOSFET （S4）的門極，S4連接管腳RPH和RT。當管腳CPH上的電壓超過10V時，S4的G-S電壓開始低于S4的開通門限。管腳CPH上的電壓持續(xù)到VCC，S4緩慢關斷，這樣就使電阻RPH 平滑的從RT上斷開，因此使工作頻率平滑從預熱頻率向觸發(fā)頻率過度，再過度到最終的運行頻率。管腳CS的過流保護功能可以在觸發(fā)失敗或燈絲開路時保護鎮(zhèn)流器。管腳CS的電壓由外部電流檢測電阻RCS上的電壓確定。因此RCS決定了鎮(zhèn)流器可提供的最大峰值電流（以及觸發(fā)電壓）。峰值觸發(fā)電流必須不能超過MOSFETs所能承受的最大電流。當CS上的電壓超過內部的1.3V門限，內部故障計數器開始記錄過電

18、流，如果過電流次數超過60次，IC進入故障模式，輸出驅動HO，LO和PFC都被鎖定為低電平。圖4：觸發(fā)電路運行模式 (RUN)當燈管成功觸發(fā)后，鎮(zhèn)流器進入運行模式。運行模式定義為燈弧已經建立，燈管以額定功率工作時IC所處的狀態(tài)。運行模式的振蕩頻率由定時電阻RT和定時電容CT決定的（見公式3、4）。在任何時間由于燈絲開路或更換燈管而造成半橋發(fā)生硬開關現(xiàn)象，電流檢測電阻RCS上的電壓將超過內部1.3V門限，故障計數器將記數，如果故障次數超過60次，IC將進入故障模式，輸出驅動HO，LO和PFC都被鎖定為低電平。DC總線欠壓復位當DC總線電壓過低時，燈管的輸出級頻率會接近或低于諧振頻率，這樣會造成半

19、橋電路硬開關，并破壞半橋電路的開關管，或者直流電壓下跌太多而使燈熄滅。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，管腳VBUS有一個3.0V的欠壓門限。如果VBUS電壓低于3.0V，VCC將放電到UVLO- 門限以下，所有驅動輸出將被鎖定為低電平。為了合理的設計鎮(zhèn)流器，PFC部分應使直流電壓在交流輸入電壓下降到鎮(zhèn)流器額定輸入電壓以下時才下降。如果設計正確，VBUS電壓低于內部3.0V門限，鎮(zhèn)流器立即關斷。當交流輸入電壓回升到最小額定值，使VCC超過UVLO+，啟動電阻將使鎮(zhèn)流器再次開通。RSUPPLY應該選擇的在最小額定輸入電壓時能夠開通鎮(zhèn)流器。因此，PFC應該設計的當交流輸入電壓低于最小額定電壓時，使直流電壓下

20、降。這個滯環(huán)將使鎮(zhèn)流器明確的開通和關斷。CS 和EOL故障模式 (FAULT)在運行模式的任何時間，當SD/EOL腳電壓超過3V或低于1V時，IC進入故障模式，驅動輸出HO，LO和PFC都被鎖定為低電平。CPH到COM放電，復位預熱時間，同時CT到COM放電，關斷振蕩器。要想退出故障模式，VCC電壓必須下降至低于UVLO的下門限，或者關斷管腳SD的電壓拉高至大于5.2V。這兩種方式都可以使IC進入UVLO模式，一旦VCC電壓大于開通門限，同時SD低于5.0V，IC將進入預熱模式開始振蕩。電流檢測功能只在檢測到60次CS腳電壓大于1.3V后使IC進入 UVLO模式。這些過電流必須在LO開通期間發(fā)

21、生。圖5. CS 和LO波形II PFC功能介紹在大多數電子鎮(zhèn)流器中，希望電路對交流電網而言為純阻性，電路是否為純阻性，以電路中輸入電壓和輸入電流之間的相位以及輸入電流的波形形狀是否與輸入電壓的正弦波相一致來衡量。輸入電流與輸入電壓之間相角的余弦定義為功率因數（PF），以及輸入電流波形的形狀與輸入電壓波形的形狀一致性定義為總諧波失真（THD）。功率因數1（最大）表示相移角為零，THD為0%表示純正弦波（無失真）。為了達到此目的，IR2166包括有一個有源功率因數校正電路，針對交流輸入電壓產生一個交流輸入電流。IR2166實現(xiàn)的控制方法為工作于臨界導通模式(CCM)的升壓型變換器。即在PFC M

22、OSFET的每個開關周期，電路一直等待到電感電流放電到零時，才再次開通PFC MOSFET。PFC MOSFET的開關頻率（>10KHZ）遠大于電網頻率（5060HZ）。圖6 升壓PFC電路當開關MPFC開通，電感LPFC接到整流輸出的+和-端，LPFC電流線性增加。當MPFC關斷，LPFC連接于整流輸出的+和直流母線電容CBUS (通過二極管DPFC)，LPFC中電流流向CBUS。由于MPFC高頻工作，CBUS電壓被充到一個特定的電壓。IR2166的反饋回路通過連續(xù)檢測直流母線電壓和相應地調節(jié)MPFC的開通時間，將電壓調整到一個固定的值。直流電壓上升，開通時間減小，直流電壓下降，開通時

23、間增加。這個負反饋控制是低速和低增益的，因此電感平均電流平滑地跟隨低頻電網電壓，從而實現(xiàn)高功率因數和低THD。在多個電網電壓周期內，MPFC的開通時間表現(xiàn)為固定的（隨后討論其它調制）。因為開通時間固定，關斷時間由電感電流釋放到零決定，結果是系統(tǒng)的頻率自由改變，并連續(xù)的從交流電壓過零附近的高頻到交流電壓達到峰值時的較低頻率（圖7）。圖7 正弦輸入電壓（實線）三角形PFC電感電流和光滑的正弦輸入電流（虛線）半個周期當交流電壓較低（過零附近），電感電流升到一個較小的值，那么放電就較快，因此開關頻率高。當交流電壓較高（峰值附近）電感電流升到一個較高的值，放電時間也較長，頻率較低。三角形PFC電感電流被

24、EMI濾波器平滑而產生正弦交流電流。 IR2166的PFC控制電路只需要四個控制腳：VBUS、COMP、ZX和PFC。VBUS腳檢測直流電壓（通過外部電阻分壓器），COMP腳設定MPFC的開通時間和反饋回路速度，ZX腳檢測電感電流過零（通過PFC電感的二次側繞組），PFC腳是MPFC的柵極驅動輸出。圖8 IR2166簡化了PFC控制電路以內部4V電壓為參考，調節(jié)VBUS，實現(xiàn)直流母線電壓的調整（圖9）。反饋回路是一個傳導可調(OTA)放大器，其灌或拉電流流向外部COMP腳的電容。COMP腳的電壓為內部電容C1充電的閥值，決定MPFC的開通時間。在鎮(zhèn)流器預熱和觸發(fā)期間，OTA的增益設定較高，很快

25、給直流母線充電，減小可能發(fā)生在觸發(fā)期間的直流母線的瞬態(tài)沖擊。在運行期間，增益調整到一個較低的水平，獲得高的功率因數和低的THD。圖9 IR2166 PFC內部控制電路MPFC關斷時間決定于LPFC放電到零的時間。由連接到ZX腳的LPFC二次側繞組檢測零電流。一個超過電路內部2V閥值的上升前沿是關斷時間的開始。當LPFC電感電流放電到零時，一個低于電路內部1.7V閥值的下降前沿是關斷時間的結束，MPFC再次開通（圖10）。此過程不確定周期地重復，直到鎮(zhèn)流器出現(xiàn)故障而關閉PFC功能（故障模式）。如直流母線電壓過壓或欠壓，或ZX腳沒有檢測到下降負沿，如果ZX腳沒有負沿，MPFC將保持關斷，直到內部定

26、時器強迫MPFC開通，而開通時間由COMP腳的電壓決定。定時器脈沖每不確定地發(fā)生，直到ZX腳出現(xiàn)正確的上升和下降沿信號，PFC正常工作。圖10 LPFC電流、PFC腳波形和ZX腳時序開通時間調制輸入電壓整個周期內的MPFC固定開通時間將自然地產生一個隨輸入電壓正弦形狀變化的峰值電感電流。平滑的平均輸入電流與輸入電壓同相，因此功率因數高，但是由于單個較高的諧波，使電流的總諧波失真仍然較大。這是由于輸入電壓零點附近的輸入電流交越失真引起的。為了得到較低的諧波，以滿足國際標準和市場要求，給PFC控制增加了一個輔助開通時間調制電路。當輸入電壓在過零附近，這個電路動態(tài)地增加MPFC的開通時間（圖11），

27、這樣產生的LPFC峰值電流，也即平滑的輸入電流在過零附近略微增加。使輸入電流的交越失真減小到一個較低的水平，從而減小THD并降低較高的諧波。圖11 過零時的開通時間調制過電壓保護（OVP）如果直流母線過電壓使VBUS腳超過內部4.3V閥值，PFC輸出關閉（邏輯O），當直流母線電壓再次下降，使VBUS腳下降到內部4V閥值以下，定時脈沖將強迫PFC腳輸出，PFC恢復正常工作。欠壓復位（UVR）當輸入電壓下降、中斷或較低時，PFC反饋使MPFC的開通時間增加以保持直流電壓不變，當開通時間增加太多，會使LPFC的峰值電流超過其飽和電流極限，LPFC會飽和，從而產生非常高的峰值電流和，為了防止發(fā)生，用在

28、COMP腳并聯(lián)穩(wěn)壓管來限制DCOMP腳的最高電壓的方法限制最大開通時間（圖8）。隨著輸入電壓的降低，因為COMP腳電壓的限制，開通時間也最終被限制。PFC不能再提供足夠的電流維持特定負載功率下的直流母線電壓，直流母線電壓開始下降。輸入電壓的進一步下降將使VBUS腳電壓下降到內部3V閥值以下（圖9）。當這種情況發(fā)生，VCC通過內部放電并低于UVLO-，IR2166進入UVLO模式，PFC和鎮(zhèn)流器部分功能關閉（見狀態(tài)圖）。VCC啟動電阻以及IR2166的微功率啟動決定輸入電壓的開通點，這個值應該設定的使鎮(zhèn)流器開通的輸入電壓高于欠壓關斷電壓。因此要選擇合適的VCC啟動電阻和COMP腳的穩(wěn)壓管、正確地選擇鎮(zhèn)流器啟動和關閉時的輸入電壓值。選擇了正確的閥值點，當VBUS腳電壓下降到3V以下時，鎮(zhèn)流器關閉