绿色照明CFL电子镇流器的设计来源：三峡大学理学院湖北宜昌4302宜昌劲森光电科技股份有限公司湖北宜昌作者：罗志会李超朱从军覃亚东
电子镇流器的研制是CFL电光源产业化的关键.论文阐述了基于半桥驱动芯片IMP3521开关电路的设计，分析验证了变压器漏感镇流电路的等效模型，探讨了灯管异常保护电路的设计.针对照明CFL灯管的电气特性，采用高集成度的IMP3521和变压器漏感镇流技术，设计了一种高性价比的电子镇流器。
随着全球化绿色照明替换工程的相继实施，对高性能电光源的需求量将非常巨大[1].新兴的CFL照明电光源采用冷阴极技术，具有高光效、长寿命、耐开关、节能环保、无频闪等特点，比普通节能灯节能20%以上，是绿色照明的理想光源.但CFL灯管的大阻抗、高启动电压、寄生电容等复杂电气特性，给电子镇流器的设计带来巨大的挑战，成为近年来照明CFL产业化和推广应用的主要障碍.本论文在分析CFL电气特性的基础上，创新采用高集成度的半桥I和漏感镇流技术，开发出一种高性价比的CFL电
子镇流器。由于照明CFL的主要电气参数是传统荧光灯的几十倍乃至上千倍，传统电子镇流技术不能满足要求，需要对镇流电路的总体方案和镇流方式进行创新设计.其功能模块可按图1进行划分，包括EMI滤波电路、AC/D桥式整流电路、开关电路、升压镇流、异常保护电路.对于功率低于25W的CFL光源，可采用简单的电感滤波电路.AC/D桥式整流电路选用D1UBA80薄型SMT芯片封装;整流后的直流输出端并联10μF
电解电容滤波，保证开关电路的稳定工作[3].对于开关和升压镇流电路、异常保护电路，需要在电路分析的基础上对各种解决方案进行试验评估，综合考虑性价比和可靠性因素，下面将予以详细介绍。
1.2基于IMP3521的开关电路设计IMP3521是日银IMP微电子有限公司209年底最新推出的DIP8半桥控制芯片，它集成了控制电路、半桥高/低端驱动器及作为开关的高端和低端功率开关管(MOSFET).高端和低端驱动输出有各自独立的通道，内部自带互锁电路，防止高端和低端同时导通而引起半桥电路短路.芯片内置部分振荡电路，用户根据需求设计工作频率.电路启动时，IMP3521的振荡器工作在扫频模式，即开关频率按预定设置由高到低依次
变化，通常预热频率>点火频率>工作频率，这有利于CFL的高压启动.此外，IMP3521还具备欠压锁定功能，防止低压过载.其引脚分布如图2所示：引脚VD为芯片低压供电端，引脚RIN为频率设置电阻连接端，引脚CPH为预热时间电容设置端，引脚GN和PGND分别是信号地和功率地，引脚OUT为高端
浮动电源回复(即半桥输出)端，引脚VB为高端浮动电源端，引脚VDC为高压施加端[3]。
在接通20V的市电后，经过整流得到约31V的母线电压，通过下拉电阻对C2充电，给VD提供能量，IC内部电源以Icphsq给C3快速充电，C3的电压上升1V后，快速预热结束，预热时间Tcphsq可按式(1)计算：
芯片设计的预热频率设计为93kHz.由于充电电流Icphsq约10μA，CFL是高压激活，可以在很短时间预热，且预热时高频振荡输出的电压很高，Cph可以选择较小的电容，如1nF，则Tph≈10ns.快速预热结束后，Cph继续升高，进入到点火模式，Icph下降到2.5μA，当C3的电压达到5V时，芯片进入稳定的工作频率.点火时间Tign由Cph值和点火期间引脚Cph上的充电电流Iign(2.5μA)设置，计算方法如下[3-5]：
灯点火后，以CFL最佳工作频率50kHz运行，则RMIN引脚上的R5阻值为
其它电路设计：C1滤波电路中增加D1(UF407)与VD隔离，抑制放电时电路振荡导致芯片反复开启，导致关灯闪烁;自举电路由C4从构成，通过控制B上的电压实现高低端MOSFET占空比各50%开关输出，可选择10nF/50V.电荷泵电路由C5、D2、D3构成，主要用于给VD提供能量，减小R1上的负载，考虑到CFL负载的特殊情况，C5可选择470pF/1kV，D2、D3可以选择集成封装快恢复二极管BAV9。1.3变压器漏感镇流电路的设计
如上所述，要使CFL灯管稳定工作，必须要设计镇流电路来保证交流输出的稳定[6].采用传统的电子电感镇流，需要亨级电感，加上升压变压器，电路体积非常大，无法应用在商品电光源或灯具中.漏感是变压器磁回路中能量旁路耦合的一种现象，在大型硅钢变压器中比较明显，但通常会降低变压器性能[7].近年来的工程研究表明，通过对小型电子变压器的材料、结构、匝比等参数的优化设计，高频电子变压器可以在升压换能过程中，既保持较高效率，又产生很大的感抗，这使采用电子变压器实现升压镇流成为可
能.由于漏感变压器的理论推导过程非常复杂，这里不作详述，直接取用理论模型进行等效分析。图4、图5是电子变压器的外观结构和理论模型.开关电路的交变输出经过隔直电容C6和漏磁变压器的的升压后，双向加载在CFL灯管上.变压器初级的漏感等效于在变压器初级串联漏感Ll1，次级的漏感分布以及寄生电容分布与变压器的次级槽位、尺寸、工作频率、输出电压等有关，各槽漏感分别为Ll21、Ll2、Ll23、Ll24。
根据大量试验数据的分析，证明高频高压工作时次级产生的寄生电容较大，其影响可以等效于在CFL两端并联电容Cp.结合理想变压器的电路理论，将初级漏感、隔直电容、次级漏感、寄生电容进行等效，如图6所示，电路等效的总电感L1、串联电容Cg为
其中，C6/n×、n×Ll1是初级电容、漏感的折算，Ll2是次级各槽中线圈漏感的求和，Cp是变压器次级和电路高频高压寄生电容的总和，通过进一步简化，得到熟悉的LC谐振电路模型.设定合适的工作频率，使电路工作在感性状态，电路中的总电流主要由|jwL1|决定，从而实现限流输出.采用PSICE软件对LC电路进行分析，仿真模型如图7所示[8]，根据负载的实际情况优化设计漏感、隔直电容、启动电容的值。
以9WCFL螺旋灯设计为例，电路具体参数可预设为：变压器匝比1∶14，初级漏感2.5mH，次级漏感560mH，隔直电容C6为56nF，按上面公式折算后修正C2、C3值，运行PSICE仿真获得灯管的工作电流为8.04mArms，电压为908Vrms。1.4灯管异常保护电路的设计尽管CFL生产工艺非常成熟，但在CFL工业化批量制造、安装以及长期使用过程中，冷阴极灯管
不可避免会出现漏气、电极失效、灯管断裂、去激活等异常问题，设计合适的灯管异常保护电路尤为重要.目前，国内大多数荧光灯用电子镇流器而没有设计专门的保护电路，或采用控制IC自带的零电压开关检测ZVS、异常波峰比、过热保护等机理，这些IC集成的保护功能一般非常灵敏，只适用于参数稳定的I型、U型等线性光源，对复杂形状的CFL灯管，因灯管参数离散大，外界因素(如夏天温度过高)的影响可能引起误保护动作，电路的可靠性差.针对这种情况，设计了专门的灯管异常保护电路，包括双端采样分
压电路、半波整流电路、放电电路，如图8所示，由高压瓷片电容C7和C8、C9和C10从CFL灯管两端分压采样交流信号，经半桥二极管整流，R6、R7进行分压比微调，和双向导通二极管的门限电压比较.当灯管异常时，R7上分得的电压高于门限电压，晶闸管Q1受控打开，VD电压下降，低于振荡门限电压阈值后IC自动关断，需要重启电源方可脱离保护状态.与IC保护机制比较，该电路简单可靠，可根据负载情况设定参数，适用于各种形状的灯管和灯具.
2测试结果按上述设计制作电子镇流器，拖动Φ3.4mm×760mmCF照明灯管，在“劲森光电”公司的测试平台进行光电参数测试，测得CFL灯管电流波形如图9所示，电流值8.1mArms，电流波峰比1.52，电压920Vrms，与PSICE仿真参数非常接近，这也证明了上述等效模型的可用性.组装成CFL螺旋灯后，测得整灯功率9.2W，镇流器转化效率约90%，封闭电路中关键元件温升小于25℃，功率因素约0.61，整灯开关次数大于
10万次，整灯光效64lm/W，各项指标均满足自镇流荧光灯国家标准要求，光效在一级能效以上。3结语与背光CFL相比较，照明CFL的电气特性更加复杂，且市电电源输入波动大，加上受PCB布板空间的限制，开发商业化的电子镇流器产品是业界公认的难题.本文通过创新采用高集成度的半桥驱动IC和漏感镇流技术设计出结构紧凑、转换效率高的电子镇流器，成本接近普通电子镇流器，具有很高的性价比，
已批量应用于CFL电光源的生产，为CFL电光源的产业化和推广应用奠定了基础。
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