熒光燈電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)論文

信息科學(xué)與工程學(xué)院2011屆本科畢業(yè)論文（論文）PAGEPAGE30信息科學(xué)與工程學(xué)院2011屆本科畢業(yè)論文（論文）1摘要自從我國在20世紀(jì)80年代末、90年代初研制并生產(chǎn)電子鎮(zhèn)流器和節(jié)能燈以來，這一新興的綠色照明產(chǎn)業(yè)已經(jīng)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，目前我國已經(jīng)成為世界上照明電器產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模最大的國家，產(chǎn)量居世界首位。二十一世紀(jì)是一個(gè)能源短缺的時(shí)代，每個(gè)國家都為了節(jié)約能源出臺(tái)了相應(yīng)的政策措施，尤其是在中國。因?yàn)樵谥袊彰鞔蠹s占了國家總用電量的12%，因此，采用節(jié)能型照明燈正從會(huì)造成極大能源浪費(fèi)的白熾燈向節(jié)能型的燈具（如熒光燈，LED燈等等）過渡。綠色照明工程要求人們不要簡(jiǎn)單的認(rèn)為只是節(jié)能，而是要從更高層次地去認(rèn)識(shí)，提高到節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的高度對(duì)待，這樣意義更廣泛。綠色照明工程提出的宗旨不只是個(gè)經(jīng)濟(jì)效益問題，而是主要著眼于資源的利用和環(huán)境保護(hù)的大課題。通過照明節(jié)能，從而減少發(fā)電量，從側(cè)面減少SO2,CO2的排放，對(duì)環(huán)境的保護(hù)都有深遠(yuǎn)的意義。本文會(huì)重點(diǎn)介紹熒光燈電子鎮(zhèn)流器的基本原理以及經(jīng)典的鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)。熒光燈具有負(fù)阻特性，必須和有限流作用的鎮(zhèn)流器串聯(lián)使用，電子鎮(zhèn)流器的最基本工作原理是把50Hz的工頻交流電變成20kHz到50KHz的較高頻率的交流電，達(dá)到逆變的效果。熒光燈的工作溫度不高，氣壓變化小，啟動(dòng)和工作時(shí)燈管阻抗變化較小，因此鎮(zhèn)流器比較簡(jiǎn)單。熒光燈具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格較低、發(fā)光效率高、顯色性能好、發(fā)光均勻、亮度適中和使用壽命長(zhǎng)，所以應(yīng)該大量推廣。因此，鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)的好壞將起到至關(guān)重要的作用。關(guān)鍵詞：熒光燈；電子鎮(zhèn)流器；逆變；設(shè)計(jì)

ABSTRACTTheemerginggreenlightingindustrieshasgotsignificantprogress,sincewhenourcountryhasresearchedandproducedelectricalballastandcompactfluorescentlampfromthelate1980stotheearly1990s.NowourcountryhasbeenthelargestproductionscaleofLighting&Electronicsandhasthemaximaloutputintheworld.Itisshortofenergysourcesinthe21stcentury.Forsavingenergysources,newpolicyhascomeoutbyallcountryespeciallyChina.InChina,lightingoccupiesabout12%ofnationalelectricpowerconsumption,sotheCompactFluorescentLampisusedfortransitionoftheincandescentlamp.Thegreenlightingprojectisnotsimplyconsideredasenergy-saving,butisrecognizedhighlytosaveenergyandprotectenvironment.Whiletheaimofgreenlightingprojectisnotonlytheeconomicbenefits,butmainlyfocusesonmakinguseofresourceandprotectingenvironment.ItisaprofoundeffectofenvironmentalprotectiontoreducepoweroutputandemissionofSO2andCO2byenergy-savinglighting.

Thearticleemphasizesonthegeneraltheoryoffluorescentlamp’selectricalballastandclassicaldesignofballast.Thefluorescentlampofnegativeresistancecharacteristic,shouldbeuesdbyseriesconnectiontothecurrentlimitingballast.Thebasicprincipleofelectricalballastisainvertereffect,thatconvertsthedirectcurrentfrom50Hzpowerfrequencytothehigherfrequency,between20kHzto50KHz.Thefluorescentlamp’selectricalballastiscomparativelyuncomplicated,becauseitsworkingtemperatureisnothigh,andthechangeofatmosphericpressureandtubeimpedancewhenstartingandworkingislittle,Thefluorescentlampshouldbepopularized,asitissimplestructure,lowprice,highluminescenceefficiency,finecolourrendering,uniformluminescence,moderateluminanceandlongservicelife.Therefore,thedesignofballastplaysanimportantrole.keywords：FuorescentLamp，ElectronicBallast，Inverter，Design

目錄摘要…………………1ABSTRACT……………2第一章緒論……………51.1背景………………51.2選題意義…………51.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀…………………71.4論文主要工作……………………7第二章電子鎮(zhèn)流器的工作原理………72.1熒光燈簡(jiǎn)介………72.1.1氣體放電的基本原理………72.1.2熒光燈的結(jié)構(gòu)………………82.2電子鎮(zhèn)流器工作原理…………92.2.1氣體放電燈的負(fù)阻特性……92.2.2熒光燈的閃頻現(xiàn)象…………112.2.3熒光燈的供電頻率與燈發(fā)光效率之間的關(guān)系……………112.2.4電子鎮(zhèn)流器的主要功能……12第三章芯片IR2166的功能介紹及其應(yīng)用………133.1IR2166簡(jiǎn)介及其數(shù)據(jù)…………133.2IR2166控制的鎮(zhèn)流器功能分析………………163.3IR2166功率因數(shù)校正功能分析………………20第四章電路的設(shè)計(jì)…………………214.1設(shè)計(jì)電路圖和特點(diǎn)……………214.2電子鎮(zhèn)流器的相關(guān)設(shè)計(jì)公式…………………224.3PFC設(shè)計(jì)公式…………………234.4最終的設(shè)計(jì)電路圖……………24結(jié)語…………………27參考文獻(xiàn)……………28后記………………29第一章緒論本章描述了論文的研究背景和意義，介紹了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和本論文的主要工作。1.1背景當(dāng)今時(shí)代缺乏能源已經(jīng)是不爭(zhēng)的事實(shí)，如何開源節(jié)流是每個(gè)國家都面臨的問題。而地球的能源并不取之不盡，用之不竭的，石油的可開采量已經(jīng)減少到了可以計(jì)算的地步，而大家所公認(rèn)的無窮無盡的太陽能目前還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們對(duì)于能源的需求，雖然人們對(duì)于太陽能的獲取技術(shù)在不斷的進(jìn)步，但是相對(duì)于人們消耗能量的速度來說，技術(shù)的進(jìn)步則顯的太緩慢。同時(shí)，不斷的以開發(fā)新能源來補(bǔ)充人們對(duì)于能源的缺乏也對(duì)我們的環(huán)境造成了不小的負(fù)擔(dān)。假如我們開采更多的石油，那么對(duì)于石油的使用會(huì)對(duì)大氣造成更多的污染，就算石油是無窮多的，那它對(duì)我們的環(huán)境造成的污染也是無窮的(雖然我們也在采用新的石油利用技術(shù))。再以現(xiàn)在很流行的太陽能發(fā)電來說，雖然這是一個(gè)號(hào)稱很“清潔”的能源，但是這個(gè)“清潔”只是指的是它在發(fā)電過程中不會(huì)造成污染，但是，在制造發(fā)電的太陽能電池時(shí)卻可能會(huì)制造污染，光伏發(fā)電需要消耗大量的硅，這個(gè)環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生出大量的對(duì)環(huán)境有污染的副產(chǎn)物。因此，開源這一條途徑對(duì)于人們解決能源的問題是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，要解決能源危機(jī)，節(jié)流也是必須的。節(jié)約能源才是關(guān)鍵點(diǎn)，這幾年中國也提倡節(jié)約型社會(huì)。對(duì)于中國來說，照明所用電能占到國家消耗的總電能的10%，是很大的一塊，每年有大量的電能消耗在照明上。然而我們國家現(xiàn)在的照明用電并不是很有效率，恰恰相反，是非常浪費(fèi)的。在很多地區(qū)，居民照明仍然大量采用白熾燈，和其他一些效率很低下的照明燈具。白熾燈是發(fā)光效率最低的一種照明燈具，它的發(fā)光效率只有10%左右，大量的電能以熱量的形式流失，對(duì)電能造成了巨大的浪費(fèi)。在這種國情下，熒光燈作為一種節(jié)能型的照明燈具被國家大力推廣。1.2選題意義國家出于節(jié)約能源的需要，己經(jīng)明確提出要用節(jié)能型燈具(熒光燈，LED燈等)取代傳統(tǒng)的白熾燈等能效低的照明燈具，熒光燈和節(jié)能燈會(huì)成為照明燈具的主力軍。但是，一套熒光燈照明燈具并不是只有熒光燈這一個(gè)設(shè)備的，它還需要鎮(zhèn)流器來對(duì)熒光燈進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而熒光燈的獨(dú)特的個(gè)性對(duì)鎮(zhèn)流器也有很多的要求，并不像白熾燈那樣，只要電壓夠了就能亮的。所以，一套熒光燈燈具是否能夠節(jié)能電能，不光和熒光燈本身的特性有關(guān)，也與和它相配套的鎮(zhèn)流器有很大的關(guān)系。若使用合理的鎮(zhèn)流器會(huì)使熒光燈的效能發(fā)揮到最大，而差的鎮(zhèn)流器不光浪費(fèi)電能，還減少了熒光燈的壽命，間接地浪費(fèi)了大量的能源。目前，熒光燈燈具中使用的鎮(zhèn)流器很多都是電感式的鎮(zhèn)流器，這種鎮(zhèn)流器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，是在熒光燈研制初期開發(fā)的，這種鎮(zhèn)流器的作用剛夠點(diǎn)燃熒光燈，對(duì)于熒光燈的更好的發(fā)揮節(jié)能效果沒有太大的作用。它和電子鎮(zhèn)流器相比有很多的缺點(diǎn)：第一：電感鎮(zhèn)流器相對(duì)于電子鎮(zhèn)流器的功耗很大，采用熒光燈最主要的原因就是因?yàn)闊晒鉄粝鄬?duì)于傳統(tǒng)的照明燈具更加節(jié)能，熒光燈倒是確實(shí)做到了這一點(diǎn)，但是在熒光燈上添加了一個(gè)電感式鎮(zhèn)流器以后這種節(jié)電的效果反而被削弱了。原因就是因?yàn)殡姼惺芥?zhèn)流器也要消耗大量的電能。以家用的熒光燈為例(通常為40W)，電感式鎮(zhèn)流器所消耗的電能大概要占到熒光燈功率的20%到30%,但是，電子鎮(zhèn)流器所消耗的電能只需要占到熒光燈功率的10%到15%，只消耗了傳統(tǒng)鎮(zhèn)流器的電能的一半。第二：電子鎮(zhèn)流器相對(duì)于電感式鎮(zhèn)流器有更高的功率因數(shù)。傳統(tǒng)的電感式鎮(zhèn)流器的功率因數(shù)一般只能夠達(dá)到40%到60%，如此低的功率因數(shù)對(duì)電網(wǎng)造成了很大的影響，其中大量的諧波存在會(huì)對(duì)同一電網(wǎng)上的其他用電設(shè)備產(chǎn)生很大的影響，嚴(yán)重可能會(huì)損壞其他用電設(shè)備。但是，電子鎮(zhèn)流器的功率因數(shù)一般都在90%以上。這樣，電子鎮(zhèn)流器對(duì)于潔凈電網(wǎng)很有幫助，并不會(huì)污染電網(wǎng)。第三：電子鎮(zhèn)流器相對(duì)于電感式鎮(zhèn)流器能夠提供更加舒適的照明效果，對(duì)于采用電感式鎮(zhèn)流器的熒光燈來說，它在驅(qū)動(dòng)熒光燈的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)非常不好的效果：1、它會(huì)發(fā)出讓人心煩的噪聲(由于電磁震蕩引起的)；2、它會(huì)讓熒光燈產(chǎn)生閃爍，這種閃爍的效果在嚴(yán)重時(shí)連肉眼都能看出來，而在正常的情況下，若在熒光燈下進(jìn)行照相和攝影，會(huì)對(duì)取像產(chǎn)生很大的影響。但是，對(duì)于所有這些電感式鎮(zhèn)流器特有的缺陷，電子鎮(zhèn)流器一點(diǎn)都不會(huì)有。第四：電子鎮(zhèn)流器相對(duì)于電感式鎮(zhèn)流器來說需要更少的外圍器件，不管是在節(jié)能方面還是在資源的節(jié)約方面都優(yōu)于電感式鎮(zhèn)流器。綜上所述，電子鎮(zhèn)流器的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電感式鎮(zhèn)流器。要得到“干凈，舒適，節(jié)能”的照明設(shè)備，電子鎮(zhèn)流器的研究和設(shè)計(jì)不可缺少。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在高科技的發(fā)展上面，我國一般都落后于歐美等發(fā)達(dá)國家。在電子鎮(zhèn)流器的研究方面也不例外，由于對(duì)于能源緊缺的問題西方發(fā)達(dá)國家早有預(yù)測(cè)，所以他們?cè)诤茉绲臅r(shí)期就已經(jīng)推出了熒光燈這種節(jié)能型照明燈具因此，在熒光燈的驅(qū)動(dòng)器方面，他們也走在了世界的前面。國外的一些公司對(duì)于熒光燈鎮(zhèn)流器芯片的設(shè)計(jì)有了很成熟的方案，比如美國的IR(國際鎮(zhèn)流器)公司的IR2168,還有FAIRCHILD(飛兆半導(dǎo)體)公司的UBA2024等等產(chǎn)品已經(jīng)能夠很出色的發(fā)揮出電子鎮(zhèn)流器芯片的功能。但是，由于國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)起步比較晚，技術(shù)比較落后，而且，對(duì)于熒光燈的研究也比較晚，所以就造成了國內(nèi)對(duì)于電子鎮(zhèn)流器芯片的研究嚴(yán)重落后，基本沒有成熟的產(chǎn)品問世。1.4本論文主要工作本論文對(duì)熒光燈的特性作了一個(gè)詳細(xì)的了解，為鎮(zhèn)流器控制芯片的功能的設(shè)置提供了一個(gè)有意義的參考，同時(shí)讓鎮(zhèn)流器芯片的輸出驅(qū)動(dòng)更加符合熒光燈的工作原理，以讓熒光燈工作在合適的電壓?jiǎn)?dòng)模式下，發(fā)揮出最大的節(jié)能效果。在設(shè)計(jì)上，本文首先對(duì)總體的設(shè)計(jì)框架進(jìn)行了解，并確定要用IR2166的芯片進(jìn)行控制，充分了解各個(gè)引腳的功能達(dá)到一個(gè)明確的設(shè)計(jì)目標(biāo)。最后就是PCB板的制作和調(diào)試。主要存在的困難在于功率因數(shù)校正。第二章電子鎮(zhèn)流器的工作原理2.1熒光燈簡(jiǎn)介2.1.1氣體放電燈的基本原理所謂氣體放電燈是指帶有能量的電子碰撞氣體原子造成氣體放電的現(xiàn)象，利用此原理所造成的氣體放電燈有多種，使用較多的是輝光放電與弧光放電兩種。不論哪一種，其結(jié)構(gòu)大同小異，一般包括陽極、陰極，燈管外殼，燈管內(nèi)填充的氣體。對(duì)于交流燈來說則無陰極與陽極之分，兩電極可以交替作為陰、陽極之用。對(duì)于氣體放電燈來說，當(dāng)加至燈管陰極與陽極之間的電場(chǎng)足夠大，便會(huì)使燈管放電，此放電過程可以分為三個(gè)階段：第一階段：在外加電場(chǎng)的作用下，自由電子被加速。第二階段：加速的自由電子與燈管內(nèi)的氣體原子碰撞，使得氣體原子呈現(xiàn)激發(fā)狀態(tài)。第三階段：受激發(fā)的氣體，能量激發(fā)到更高的能階并返回基態(tài)，所吸收的能量以輻射光的形式釋放出來。若電子碰撞氣體原子的能量足夠大，則會(huì)使氣體原子產(chǎn)生電離，電離所產(chǎn)生的電子又在電場(chǎng)中加速造成再次電離，使得自由電子成倍數(shù)增加，稱此為湯生雪崩效應(yīng)（ThomsonAvalancheEffect）。提供自由電子的主要方式分別敘述如下：（1）熱電子發(fā)射：當(dāng)陰極的溫度越高，則越多的電子得到足夠的能量從陰極中發(fā)射出來，此種發(fā)射方式是弧光放電燈主要的發(fā)射形式。而T5熒光燈就屬于弧光放電燈。（2）正離子轟擊發(fā)射：當(dāng)電極之間的電位差足夠大時(shí)，使得正離子的速度足夠快，此速度足夠快的正離子撞擊陰極便會(huì)轟擊出自由電子。（3）場(chǎng)致發(fā)射：若外加電場(chǎng)足夠大，使得陰極獲得足夠的能量而直接發(fā)射電子，此現(xiàn)象稱為場(chǎng)致發(fā)射。在氣體放電燈中，有時(shí)燈管上的電壓并不高，但如果在電極附近很小的范圍內(nèi)形成很強(qiáng)的空間電荷層，則可能在此區(qū)域造成很強(qiáng)的電場(chǎng)，而引發(fā)場(chǎng)致發(fā)射。一旦自由電子在燈管中形成，電子從陰極到陽極這段期間，電子碰撞氣體原子而產(chǎn)生氣體放電，其過程為：電子由陰極流向陽極，電子與管中的氣體氬原子發(fā)生非彈性碰撞，氬原子碰撞后獲得了能量又撞擊汞原子，汞原子在吸收能量后躍遷產(chǎn)生電離，發(fā)出253.7nm的紫外線，紫外線激發(fā)熒光粉發(fā)光。2.1.2熒光燈的結(jié)構(gòu)家庭和工業(yè)照明用熒光燈是一種低壓汞蒸氣放電燈，其大部分是由放電產(chǎn)生的紫外線激發(fā)管壁上的熒光粉涂層而發(fā)射出來的。為使熒光燈亮必須滿足三個(gè)條件：1、燈絲的預(yù)熱電流或者燈絲電流2、高電壓?jiǎn)?dòng)3、限制工作電流。下圖就是典型直管形熒光燈結(jié)構(gòu)示意圖典型直管型熒光燈的結(jié)構(gòu)示意圖2.2電子鎮(zhèn)流器工作原理2.2.1由于氣體放電燈（如熒光燈、霓虹燈、金鹵燈等）是一種具有如圖1所示V-I特性的負(fù)阻性電光源，即為負(fù)值，從圖1可以看出，當(dāng)燈電流上升時(shí)，燈管的工作電壓下降，但是供電電壓不會(huì)下降，多出的這點(diǎn)電壓加到燈管后會(huì)使燈電流進(jìn)一步上升，如此循環(huán)，最終燒壞燈管或燈管熄滅，所以要使燈管正常工作，應(yīng)配以如圖2所示的鎮(zhèn)流元件，用以限制和穩(wěn)定燈電流。這個(gè)限流裝置叫做鎮(zhèn)流器。目前氣體放電燈常用的鎮(zhèn)流器有兩種：電感式鎮(zhèn)流器和高頻交流電子鎮(zhèn)流器。由于電感式鎮(zhèn)流器工作在工頻市電頻率，體積大、笨重，還需消耗大量銅和硅鋼等金屬材料，散熱困難、工作效率低、燈發(fā)光有頻閃，所以現(xiàn)在一些電光源界的科技工作者紛紛尋找新的鎮(zhèn)流方法，而高頻交流電子鎮(zhèn)流器就是一種有效方法。鎮(zhèn)流原理如圖3所示，鎮(zhèn)流電路的工作特性曲線如圖4所示。

圖2鎮(zhèn)流器電路原理圖圖3燈電路串以電感鎮(zhèn)流器的工作原理在圖2所示的電路中，燈管上的工作電壓加上鎮(zhèn)流元件上的電壓等于電源供電電壓，最終可以使氣體放電燈穩(wěn)定工作。在圖2所示的電路中，燈功率可以按下式計(jì)算：（1）式中的表示燈發(fā)光系數(shù)，它和燈管的工作電壓和工作電流有關(guān)，對(duì)電感鎮(zhèn)流器，可以取0.8，對(duì)高頻電子鎮(zhèn)流器，可以取0.99。在燈電路穩(wěn)定工作期間，燈管上的電壓是穩(wěn)定的，所以燈功率主要取決于燈電流的大小，而燈電流的大小和鎮(zhèn)流元件的阻抗和電源供電電壓的高低有關(guān)，并且供電頻率對(duì)熒光燈的工作也有影響，如圖5和圖6所示。例如對(duì)電感鎮(zhèn)流，鎮(zhèn)流電感的阻抗ZL=2πfL，電感鎮(zhèn)流器的電感量和它的繞組匝數(shù)和鐵心的尺寸有關(guān)，所以當(dāng)電源供電頻率較高時(shí)，鎮(zhèn)流電感的體積也會(huì)小些。這就是采用高頻交流電子鎮(zhèn)流電路后，鎮(zhèn)流電感的體積和尺寸會(huì)很小的原因。圖6熒光燈發(fā)光效率與工作頻率關(guān)系曲線由于高頻交流電子鎮(zhèn)流器要求體積小、造價(jià)低，并且對(duì)電磁輻射干擾、輸入功率因數(shù)、波峰因數(shù)、可靠性等技術(shù)指標(biāo)要求嚴(yán)格，所以要做出一個(gè)滿足高性能、低價(jià)格、體積小、低電磁輻射干擾、使用安全可靠等要求的高頻交流電子鎮(zhèn)流器并非易事，所以往往讓人感到，看似簡(jiǎn)單的一個(gè)電子產(chǎn)品，但是技術(shù)含量很高，是一個(gè)涉及電路拓?fù)?、高頻電子變換、諧振開關(guān)（ZVS、ZCS）、LC串、并聯(lián)諧振、功率因數(shù)校正（PFC）、電磁干擾抑制（EMC、EMI）、信號(hào)傳感、采集和控制、電子元器件、電光源器件等電力電子技術(shù)方方面面的電子產(chǎn)品。2.2.2由于交流市電供電的過零會(huì)使熒光燈在工作過程中出現(xiàn)發(fā)光“閃爍”效應(yīng)，相對(duì)于50Hz的交流市電供電，“閃爍”效應(yīng)的頻率為100Hz，當(dāng)然“閃頻”效果和熒光燈所使用的熒光粉的“余輝”時(shí)間大小有關(guān)，“余輝”時(shí)間大的熒光粉“閃頻”效應(yīng)會(huì)弱些。同樣如果供電頻率增加，“閃頻”效應(yīng)會(huì)弱些，所以采用高頻電子鎮(zhèn)流對(duì)改善熒光燈的發(fā)光“閃頻”效應(yīng)會(huì)有幫助，從而克服了熒光燈采用50Hz低頻交流電時(shí)的那種發(fā)光不穩(wěn)定現(xiàn)象。熒光燈在50Hz交流市電供電時(shí)的“閃頻”效應(yīng)如上圖5所示。2.2.3熒光燈的供電頻率與燈發(fā)光效率之間的關(guān)系氣體放電燈在交流供電情況下工作時(shí)，氣體或金屬蒸氣放電的特性取決于交流電的頻率和鎮(zhèn)流元件的類型。氣體放電燈在交流50Hz/60Hz供電時(shí)，燈的阻抗在整個(gè)交流供電周期內(nèi)一直不停地變化，從而導(dǎo)致了燈的非正弦的電壓和電流波形，產(chǎn)生了諧波成分。當(dāng)氣體放電燈的工作頻率大約為1kHz時(shí)，燈內(nèi)的電離狀態(tài)不再隨著燈的工作電流而迅速變化，從而在整個(gè)工作周內(nèi)形成幾乎恒定的等離子體密度和燈阻抗，這時(shí)燈的V-I特性趨于線性，燈電流波形失真隨之降低，燈的工作頻率與50Hz供電時(shí)的燈發(fā)光效率對(duì)比曲線如圖6所示。從圖6可以看出，當(dāng)氣體放電燈的交流供電頻率大于20kHz時(shí)，熒光燈的發(fā)光效率比50Hz交流供電時(shí)熒光燈的發(fā)光效率η值高，據(jù)統(tǒng)計(jì)可以提高10%~20%，同時(shí)熒光燈工作在高頻交流供電狀態(tài)時(shí)，可以有效地克服熒光燈的發(fā)光閃爍現(xiàn)象。這也是高頻交流電子鎮(zhèn)流器相對(duì)于電感鎮(zhèn)流器的優(yōu)點(diǎn)之一。由于高頻交流電子鎮(zhèn)流器采用高頻開關(guān)電子變換電路的方法實(shí)現(xiàn)鎮(zhèn)流，具有無頻閃、效率高、體積小、質(zhì)量輕、可調(diào)光、不使用大量銅材和硅鋼材料等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以自20世紀(jì)70年代以來，高頻交流電子鎮(zhèn)流器一經(jīng)問世，就受到了廣大用戶的歡迎。2.2.4、電子鎮(zhèn)流器的主要功能電子鎮(zhèn)流器的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。串聯(lián)諧振模塊由Lr和Cr構(gòu)成，提供熒光燈點(diǎn)火高電壓和正常工作時(shí)的低電壓。直流大電容可用合適的PFC電路代替。對(duì)于圖7所示的結(jié)構(gòu)框圖，通常在交流電源的輸入端加一個(gè)濾波器，實(shí)現(xiàn)EMC功能。采用預(yù)熱電路，可以避免燈管過早老化。當(dāng)逆變器的工作頻率高于負(fù)載電路的諧振頻率時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)電壓關(guān)斷。圖7電子鎮(zhèn)流器的基本結(jié)構(gòu)框圖熒光燈的工作性能在很大程度上與相配套工作的電子鎮(zhèn)流器性能有關(guān)，在使用中應(yīng)使熒光燈的工作性能和電子鎮(zhèn)流器的工作性能相匹配（如燈阻抗和燈的工作特性），以使熒光燈能工作在最佳狀態(tài)，使用中電子鎮(zhèn)流器應(yīng)滿足以下功能要求：①

能夠限制和穩(wěn)定熒光燈的工作電流。②

在交流市電過零時(shí)，也能正常工作。③

應(yīng)能為燈的點(diǎn)火提供所需的點(diǎn)火電壓。④

在燈點(diǎn)火工作期間，應(yīng)能控制燈點(diǎn)火能量，使燈電極被適當(dāng)預(yù)熱，并確保燈絲電極保持正常工作溫度。同時(shí)電子鎮(zhèn)流器也應(yīng)具備以下控制功能：①

有高的功率因數(shù)。②

能限制交流輸入市電的總諧波失真（THD）。③

能限制燈電路的短路工作電流或避免由于燈電極電流過大而熱過載。④

能有效地抑制電磁輻射干擾，避免它干擾相鄰電子設(shè)備的正常工作。⑤

當(dāng)燈電路不能正常點(diǎn)火時(shí)能自動(dòng)關(guān)斷燈電路，這對(duì)電子鎮(zhèn)流器電路是比較重要的。在交流市電供電電壓變化時(shí)，能穩(wěn)定燈的工作電壓、電流和功率。以上幾項(xiàng)基本要求，在電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中都有明確的規(guī)定。它們對(duì)熒光燈交流電子鎮(zhèn)流器的性能和安全要求是設(shè)計(jì)和生產(chǎn)電子鎮(zhèn)流器的指南，是電子鎮(zhèn)流器必須具有和達(dá)到的基本技術(shù)條件。第三章芯片IR2166的功能介紹及其應(yīng)用需要設(shè)計(jì)一個(gè)性能良好并且即使燈管實(shí)效時(shí)也不會(huì)燒毀的電子鎮(zhèn)流器，與此同時(shí)電子鎮(zhèn)流器的應(yīng)用的特殊性，總是希望電子鎮(zhèn)流器具有功率因素校正功能。而IR2166可以很好的解決以上的問題。下面將會(huì)重點(diǎn)介紹芯片IR2166的功能。3.1IR2166簡(jiǎn)介及其數(shù)據(jù)IR2166是一款具有功率因數(shù)校正（簡(jiǎn)稱PFC）和完整電子鎮(zhèn)流器各種功能的控制IC。1、IR2166的特點(diǎn)IR2166的特點(diǎn)為：PFC的鎮(zhèn)流器和半橋驅(qū)動(dòng)合一、臨界導(dǎo)通模式升壓型PFC、無PFC電流檢測(cè)電阻、預(yù)熱頻率可調(diào)、預(yù)熱時(shí)間可調(diào)、運(yùn)行頻率可調(diào)、過電流保護(hù)可調(diào)以及微功能啟動(dòng)和鎖定。2、IR2166功能簡(jiǎn)介IR2166是完全集成、完全保護(hù)、可驅(qū)動(dòng)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(dǎo)通模式工作，可獲得高功率因數(shù)、低THD及直流電壓調(diào)整。3、IR2166的管腳功能4、電氣參數(shù)（1）極限參數(shù)。極限參數(shù)是任何電子元器件不可逾越的紅線，任何一項(xiàng)參數(shù)超過極限數(shù)就有可能損壞元器件，所有極限值電壓參考管腳為COM，所有正電流定義為流入管腳。熱阻和功率損耗定值在大氣環(huán)境和印制電路板上測(cè)得。下面就簡(jiǎn)單羅列一些，常見的。符號(hào)定義最小值最大值單位高端懸浮供電電壓-0.3625VPFC柵極驅(qū)動(dòng)輸出電壓-0.3+0.3VVBUS管腳電壓-0.3+0.3VCPH管腳電流-55mARPH管腳電壓-0.3+0.3V電流感應(yīng)管腳電壓-0.35.5VPFC電感電流，過零檢測(cè)輸入電流-55mA(2)推薦使用參數(shù)。為使器件正常工作，應(yīng)該使用推薦的工作條件或工作在接近于推薦參數(shù)。如下表所示：符號(hào)定義最小值最大值單位高端懸浮供電電壓-0.7V穩(wěn)態(tài)高端懸浮供電偏置電壓-1600V供電電壓V供電電流_10mACT連接電容220_pF關(guān)斷管腳電流-11mA電流檢測(cè)管腳電流-11mA過零檢測(cè)管腳電流-11mA結(jié)溫-251253.2IR2166的鎮(zhèn)流器功能分析1、欠電壓關(guān)斷模式欠電壓關(guān)斷模式是當(dāng)供電電壓低于IC的欠電壓鎖定解除閾值電壓時(shí)的工作情況。下圖就是一個(gè)有效利用啟動(dòng)電流和整流器輸出級(jí)充電泵共同為IR2166供電例子。通過供電電阻（）的電流一部分作為啟動(dòng)電流流入IC。其余部分給啟動(dòng)電容（）充電。此電阻可決定啟動(dòng)鎮(zhèn)流器的交流輸入電壓閾值，一旦VCC腳電容電壓達(dá)到啟動(dòng)閾值且SD腳電壓低于4.5V，則IC開始工作，HO、LO開始輸出驅(qū)動(dòng)脈沖。由于IC工作電流增大，電容開始放電。在放電期間，充電泵產(chǎn)生的整流電流給電容充電，使VCC電壓高于IC欠電壓鎖定閾值，充電泵和IC內(nèi)置15.6V穩(wěn)壓管來提供供電電壓。啟動(dòng)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（VDBOOT）和供電電容（）提供高端驅(qū)動(dòng)電路的工作電壓。為了在HO腳的第一個(gè)脈沖前就給高端供電，因此輸出驅(qū)動(dòng)的第一個(gè)脈沖來自LO腳。在欠電壓關(guān)斷狀態(tài)，高端和低端輸出驅(qū)動(dòng)HO和LO都為低電平，CT腳在內(nèi)部連接到COM使鎮(zhèn)流器停止振蕩，CPH腳在內(nèi)部連接到COM使預(yù)熱時(shí)間復(fù)位。啟動(dòng)過程的如下圖所示：2、預(yù)熱模式預(yù)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(zhǎng)燈管壽命和降低起輝電壓的必須步驟。當(dāng)超過閾值時(shí)進(jìn)入預(yù)熱模式。LO和HO開始以50%占空比的預(yù)熱頻率輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，死區(qū)時(shí)間由外部定時(shí)電容和內(nèi)部死區(qū)時(shí)間電阻決定。腳與斷開，內(nèi)部1A電流源給CPH腳外接的預(yù)熱定時(shí)電容線性充電。這時(shí)，CS腳的過電流保護(hù)在預(yù)熱期間被屏蔽，也就是說在燈絲預(yù)熱期間過電流保護(hù)不應(yīng)工作。預(yù)熱頻率由并聯(lián)電阻和以及定時(shí)電容決定。分別在到達(dá)1/3和3/5的電壓時(shí)充電和放電。VCC通過內(nèi)部MOSFET及并聯(lián)電阻和對(duì)指數(shù)充電。從1/33/5的充電時(shí)間對(duì)應(yīng)的HO和LO開通時(shí)間。當(dāng)腳電壓超過3/5的，MOS管V1關(guān)斷，電阻和與斷開。腳通過內(nèi)部電阻，MOS管V3對(duì)COM以指數(shù)放電。從3/51/3的放電時(shí)間即輸出門極驅(qū)動(dòng)LO和HO都關(guān)斷，死區(qū)時(shí)間。選擇和可確定死區(qū)時(shí)間。一旦腳放電至低于1/3的，MOS管關(guān)斷，與COM腳斷開，MOS管V1導(dǎo)通，和再次連接到腳。工作頻率始終保持在預(yù)熱頻率直到CPH腳電壓超過10V，IC進(jìn)入觸摸模式。在預(yù)熱式期間，當(dāng)CPH腳電壓高于7.5V時(shí)，過電流保護(hù)和DC母線欠電壓復(fù)位功能生效。燈絲在預(yù)熱期間，的內(nèi)部相關(guān)原理如下圖所示：燈絲預(yù)熱期間，IR2166的內(nèi)部相關(guān)原理框圖3、起輝模式起輝模式定義為建立起輝燈管所需的高電壓并起輝燈管狀態(tài)。當(dāng)管腳CPH上的電壓超過10V，IR2166進(jìn)入起輝模式。管腳CPH內(nèi)部連接到一個(gè)P溝道的MOSFET(V4)門極，V4連接管腳RPH和RT。當(dāng)管腳CPH上的電壓超過10V時(shí)，V4的GS電壓開始低于V4的開通閾值。管腳CPH上的電壓持續(xù)到，V4緩慢關(guān)斷這樣就使電阻平滑的從上斷開，因此使工作頻率平滑地從預(yù)熱頻率向起輝過渡，再過渡到最終的運(yùn)行頻率。管腳的CS過電流保護(hù)功能可以在起輝失敗或燈絲開路時(shí)保護(hù)鎮(zhèn)流器。管腳的CS電壓由外部電流檢測(cè)電阻上的電壓確定，因此決定了鎮(zhèn)流器可提供的最大峰值電流（以及起輝電壓）。峰值起輝電流一定不能超過所能承受的最大電流。當(dāng)上的電壓超過內(nèi)部的1.3V閾值，內(nèi)部故障計(jì)數(shù)器開始記錄過電流，如果過電流次數(shù)超過60次，最大值不超過90次，進(jìn)入故障模式，輸出驅(qū)動(dòng)HO、LO和PFC都被鎖定為低電平。4、燈管起輝點(diǎn)亮后的工作模式當(dāng)燈管成功起輝后，鎮(zhèn)流器進(jìn)入運(yùn)行模式。燈管起輝點(diǎn)亮后的工作模式定義為燈管內(nèi)的放電電弧已經(jīng)建立，燈管以額定功率工作時(shí)IC所處的狀態(tài)。運(yùn)行模式的振動(dòng)頻率由定時(shí)電阻和定時(shí)電容決定。其中：或者5、DC母線欠電壓復(fù)位當(dāng)DC母線電壓過低時(shí)，燈管的輸出級(jí)頻率會(huì)接近或低于諧振頻率，這樣會(huì)造成半橋電路硬開關(guān)，并破壞半橋電路的開關(guān)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(gè)的3.0V欠電壓閾值。如果VBUS腳電壓低于3.0V，將放電到UVLO-閾值以下，所有驅(qū)動(dòng)將被鎖定為低電平。為了合理地設(shè)計(jì)鎮(zhèn)流器，PFC部分應(yīng)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(shí)才下降。如果設(shè)計(jì)正確腳,VBUS電壓低于內(nèi)部3.0閾值，鎮(zhèn)流器立即關(guān)斷。當(dāng)交流輸入電壓回升到最小額定值，使超過UVLO+，啟動(dòng)電阻將使鎮(zhèn)流器再次開通。應(yīng)該選擇在最小額定輸入電壓時(shí)能夠開通鎮(zhèn)流器。因此，應(yīng)該設(shè)計(jì)為當(dāng)交流輸入電壓低于最小額定電壓時(shí)，使直流電壓下降。這個(gè)欠電壓鎖定滯環(huán)將使鎮(zhèn)流器明確地開通和關(guān)斷。6、過電流和燈管壽命終了故障模式在運(yùn)行模式的任何區(qū)間，當(dāng)SD/EOL腳電壓超過3V或低于1V時(shí)，IC進(jìn)入故障模式，驅(qū)動(dòng)輸出HO、LO和PFC都被鎖定為低電平。CPH到COM放電，復(fù)位預(yù)熱時(shí)間，同時(shí)到COM放電，關(guān)斷振蕩器。要想退出故障模式，VCC腳電壓必須下降到低于UVLO的下閾值，或者關(guān)斷管腳SD的電壓拉高至大于5.2V。3.3IR2166的功率因數(shù)校正功能分析1、PFC功能介紹在大多數(shù)電子鎮(zhèn)流器中，希望電路對(duì)交流電網(wǎng)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位差的余弦定義為功率因數(shù)（PF），輸入電流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(shù)為1（最大）表示相位差為零，THD為0%表示純正弦波（無失真）。為了達(dá)到此目的，IR2166包括一個(gè)有源功率因數(shù)校正電路，針對(duì)交流輸入電壓產(chǎn)生一個(gè)交流輸入電流。IR2166的控制方法是工作于臨界導(dǎo)通模式(CCM)的升壓型變換器，即在PFCMOSFET的每個(gè)開關(guān)周期，電路一直等待到電感電流放電到零時(shí)，才在再次開通PFCMOSFET。PFCMOSFET的開關(guān)頻率(>10kHz)遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率（50Hz）。IR2166的控制電路只需要四個(gè)控制角：VBUS、COMP、ZX和PFC。VBUS腳檢測(cè)直流電壓（通過外部電阻分壓器），COMP腳設(shè)定VPFC的開通時(shí)間和反饋回路速度，ZX腳檢測(cè)電感電流過零（通過PFC電感的二次側(cè)繞組），PFC腳是VPFC的柵極驅(qū)動(dòng)輸出。VPFC關(guān)斷時(shí)間決定于放電到零的時(shí)間。由連接到ZX腳的二次側(cè)繞組檢測(cè)零電流。一個(gè)超過電路內(nèi)部2V閾值的上升前沿是關(guān)斷時(shí)間的開始。當(dāng)電感電流放電到零時(shí)，一個(gè)低于電路內(nèi)部1.7V閾值的下降前沿是關(guān)斷的結(jié)束，VPFC再次開通。此過程不確定周期地重復(fù)，直到鎮(zhèn)流器出現(xiàn)故障而關(guān)閉功能PFC（故障模式）。如直流母線過電壓、欠電壓或ZX腳下沒有檢測(cè)到下降負(fù)沿，如果ZX腳沒有負(fù)沿，VPFC將保持關(guān)斷，直到內(nèi)部定時(shí)器強(qiáng)迫VPFC開通，而開通時(shí)間由COMP腳的電壓決定。定時(shí)器脈沖每400s不確定地發(fā)生，直到ZX腳出現(xiàn)的上升和下降沿信號(hào)，PFC正常工作。電流、PFC腳波形和ZX腳時(shí)序圖2、開通時(shí)間調(diào)試輸入電壓整個(gè)周期內(nèi)的VPFC固定開通時(shí)間將自然地產(chǎn)生一個(gè)隨輸入電壓正弦波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(shù)高，但是由于單個(gè)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(diǎn)附近的輸入電流交越失真引起的。第四章電路的設(shè)計(jì)4.1電路的設(shè)計(jì)和特點(diǎn)本次設(shè)計(jì)主要是驅(qū)動(dòng)一個(gè)T5管徑的14W的直管熒光燈管，輸入電壓為AC90~260V、高功率因數(shù)、低THD、高頻工作、燈絲預(yù)熱、燈故障保護(hù)并自動(dòng)重啟動(dòng)、交流電壓欠電壓保護(hù)。IR2166控制的電子鎮(zhèn)流器電路框圖如下所示：IR控制的電子鎮(zhèn)流器的電路特性參數(shù)單位值燈類型：T5管徑熒光燈W14燈工作電壓V400工作模式頻率kHz40預(yù)熱時(shí)間s1起輝電壓V1500輸入交流電壓氛圍V90~2604.2電子鎮(zhèn)流器的相關(guān)設(shè)計(jì)公式（1）、確定死區(qū)時(shí)間。柵極驅(qū)動(dòng)輸出HO和LO之間的死區(qū)時(shí)間由定時(shí)電容和內(nèi)部死區(qū)電阻確定。死區(qū)時(shí)間是從電容從3/5~1/3的放電時(shí)間，為或（2）、確定預(yù)熱頻率。預(yù)熱頻率是由定時(shí)電阻和以及定時(shí)電容決定。在預(yù)熱期間，定時(shí)電時(shí)電容通過內(nèi)部并聯(lián)連接。預(yù)熱頻率為 (3)、確定預(yù)熱時(shí)間。預(yù)熱時(shí)間由管腳CPH上的電容從0充電到10V的時(shí)間決定。一個(gè)內(nèi)部的2電流源流入管腳CPH。預(yù)熱時(shí)間為或 (4)、確定最大起輝時(shí)間。最大起輝電流有外部電阻和內(nèi)部閾值共同決定。其閾值定義鎮(zhèn)流器的過流點(diǎn)，起輝頻率靠近諧振點(diǎn)或燈管起輝失敗時(shí)，會(huì)超過這個(gè)閾值。最大起輝電流為或4.3PFC設(shè)計(jì)公式（1）、計(jì)算PFC電感值為公式中：為直流母線電壓；為最小交流輸入電壓有效值；為PFC效率；為最小交流輸入電壓時(shí)最小PFC開關(guān)頻率；為鎮(zhèn)流器輸出功率。（2）、計(jì)算電感峰值電流（3）、計(jì)算最大開通時(shí)間（4）、計(jì)算最大補(bǔ)償電壓（5）、選擇穩(wěn)壓管值（6）、計(jì)算啟動(dòng)電阻值

4.4最終的設(shè)計(jì)電路圖最后就是pcb板的制作和購買元器件，最后的調(diào)試。雖然此次的做板并不是很成功，但從中學(xué)會(huì)了電子鎮(zhèn)流器的一些工藝流程，還是很值得的。（1）、確定以得到正確的最大的起輝電壓，用燈管的燈絲或電阻接到電子鎮(zhèn)流器輸出來模擬燈管不能起輝現(xiàn)象。（2）、正確連接燈并測(cè)量輸入功率。（3）、選擇,確定正確的預(yù)熱頻率。（4）、在電源和負(fù)載極限條件下確定值。主要的一些元器件元件序號(hào)名稱參數(shù)BR1橋式整流橋1A1000VC1電容器0.15275VACC2電容器0.1