基于集成芯片的低壓大功率可控硅調(diào)光型節(jié)能燈的解決方案

賴兵

(上海交通大學(xué)，上海200240)

在嚴(yán)峻的能源供給形勢(shì)下，新型環(huán)保節(jié)能的產(chǎn)品成為關(guān)注的熱點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的白熾燈，在輸出相同的光效情況下，熒光燈的節(jié)電效能可達(dá)到70%～80%，因而被稱為“綠色照明”。隨著對(duì)更高生活品質(zhì)的追求，人們對(duì)照明環(huán)境的體感舒適度要求越來(lái)越高，可調(diào)光的熒光燈照明系統(tǒng)就是這種更加人性化的具體實(shí)現(xiàn)，而且調(diào)光節(jié)能燈不僅可以使燈的光輸出更適合人們的需要，還可以最大限度地節(jié)能[1]。

當(dāng)前，可調(diào)光的熒光燈照明系統(tǒng)大體可分為兩類:分離式電子鎮(zhèn)流器驅(qū)動(dòng)的熒光燈系統(tǒng)與調(diào)光型一體化節(jié)能燈。由于分離式系統(tǒng)的布線比較復(fù)雜而且需要較大的安裝空間，所以該系統(tǒng)在一些應(yīng)用環(huán)境中存在局限性。而從安裝便利、有限空間利用以及整體美觀的角度來(lái)看，可調(diào)光型一體化節(jié)能燈具有其獨(dú)特性和先進(jìn)性。

傳統(tǒng)的可調(diào)光節(jié)能燈，大多采用磁環(huán)驅(qū)動(dòng)和分立器件的設(shè)計(jì)方法，具有電路簡(jiǎn)單、成本低廉的優(yōu)勢(shì)。但該類系統(tǒng)同時(shí)具有較明顯的離散性和溫度依賴性，其性能、可靠性較差；又由于其在落后的調(diào)光技術(shù)和有限空間的熱管理方面的局限性，使得產(chǎn)品應(yīng)用還大多停留在低壓小功率(120 V)或高壓較大功率(220 V～240 V)的照明系統(tǒng)中。為了克服傳統(tǒng)一體化節(jié)能燈的不足，本文介紹一種新的技術(shù)解決方案，即采用基于集成芯片的優(yōu)化設(shè)計(jì)和熱管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低壓大功率的小尺寸、高性能、低成本的可控硅調(diào)光型節(jié)能燈[1]。

1 技術(shù)方案

設(shè)計(jì)要求:前/后沿切角的可控硅調(diào)光器，供電系統(tǒng)120 V/50～60 Hz，滿載功率輸出＞40 W，調(diào)光范圍5%～100%，整機(jī)滿載效率＞85%，壽命＞10 000小時(shí)，F(xiàn)CC Class B民用級(jí)電磁兼容，UL安全認(rèn)證、燈光無(wú)閃爍、低噪聲＜20 dB、尺寸小、成本低。

技術(shù)平臺(tái)[3]:可控硅調(diào)光器+濾波整流+集成芯片+閉環(huán)反饋控制+滯環(huán)控制+故障安全保護(hù)。平臺(tái)核心采用英飛凌公司的寬功率負(fù)載集成芯片ICB1FL02G[2]。該芯片具有CCM模式的有源功率校正(APFC)升壓調(diào)節(jié)，半橋頻控驅(qū)動(dòng)、壓控振蕩器、過(guò)壓過(guò)流及故障保護(hù)功能。技術(shù)方案中調(diào)光功能是通過(guò)外部預(yù)置電壓信號(hào)控制芯片的壓控振蕩器(VCO)，并由VCO線性地產(chǎn)生所對(duì)應(yīng)的半橋驅(qū)動(dòng)頻率，由該頻率驅(qū)動(dòng)LC串聯(lián)諧振來(lái)進(jìn)行可控的燈光輸出調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)預(yù)設(shè)電壓產(chǎn)生連續(xù)可控的調(diào)光輸出。技術(shù)平臺(tái)基本實(shí)現(xiàn)如圖1所示。

2 主要功能

系統(tǒng)的基本工作信號(hào)流[3]如圖2所示。在120 V/50～60 Hz低壓供電系統(tǒng)中，輸入電壓Vin經(jīng)前/后沿切角的可控硅調(diào)光器后得到包含切角信號(hào)φ的電壓V1(φ)，V1(φ)濾波整流后的電壓為V2，V2再經(jīng)過(guò)APFC(Boost升壓拓?fù)?電路升壓轉(zhuǎn)化為后級(jí)負(fù)載所需要的母線電壓V4。V4通過(guò)高頻半橋驅(qū)動(dòng)LCR(ω)負(fù)載(R為燈負(fù)載)，使R獲得與半橋頻率對(duì)應(yīng)的電壓電流并以光的方式輸出，并且光亮度與頻率成反比。同時(shí)，V2經(jīng)過(guò)采樣電路得到與調(diào)光器切角φ相對(duì)應(yīng)的預(yù)設(shè)調(diào)光電壓信號(hào)V3[4]，V3通過(guò)VCO線性地產(chǎn)生相應(yīng)的頻率信號(hào)ω來(lái)驅(qū)動(dòng)半橋的負(fù)載，從而實(shí)現(xiàn)以旋轉(zhuǎn)調(diào)光器的切角調(diào)節(jié)不同亮度的光輸出。

為了得到高安全可靠性，系統(tǒng)采用相關(guān)的過(guò)壓/過(guò)流保護(hù)和負(fù)載故障保護(hù)，即當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到過(guò)壓/過(guò)流時(shí)，APFC電路將停止工作，直至過(guò)壓/過(guò)流狀態(tài)消失后電路重新恢復(fù)工作。過(guò)壓/過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)確保了后級(jí)母線電壓V4及電源輸入電流不出現(xiàn)異常破壞性的升高；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到燈負(fù)載故障(漏氣燈、進(jìn)入整流態(tài)的燈)時(shí)，系統(tǒng)將停止工作，直至故障消失。

燈負(fù)載的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)了預(yù)設(shè)調(diào)光信號(hào)V3對(duì)燈反饋信號(hào)V5的校正。當(dāng)偏差信號(hào)ΔV趨于零即V5=V3時(shí)，閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)了光輸出完全唯一地跟隨預(yù)設(shè)調(diào)光信號(hào)，從而可得到穩(wěn)定、可控的燈光輸出。

為了提高燈的使用壽命，需要給燈絲合適的能量。燈在點(diǎn)亮之前，燈絲需獲得預(yù)熱能量以避免輝光的產(chǎn)生；在整個(gè)調(diào)光過(guò)程中，燈絲需要維持相應(yīng)的能量(級(jí))以確保熒光沖擊電子的發(fā)射。本方案采用輔助的燈絲預(yù)熱控制電路，使燈的壽命周期達(dá)到10 kh以上。燈使用壽命的提高直接降低了產(chǎn)品使用成本，同時(shí)也間接減少了產(chǎn)品過(guò)早失效廢棄而產(chǎn)生的環(huán)境成本。

3 主要功能模塊

3.1 有源功率校正(APFC)

采用Boost升壓拓?fù)?，將反映調(diào)光器切角φ的低壓脈動(dòng)直流電壓V2升壓至系統(tǒng)負(fù)載所需要的高壓低脈動(dòng)直流母線電壓V4，以使得輸出級(jí)負(fù)載在啟動(dòng)時(shí)獲得足夠的擊穿電壓并在連續(xù)工作時(shí)具有合適的相位裕量。普通的調(diào)光節(jié)能燈大多無(wú)APFC電路，不能將低輸入電壓提升到與負(fù)載相適應(yīng)的等級(jí)，而且在輸入電壓的波谷甚至波峰時(shí)，負(fù)載回路不能獲得足夠相位裕角，嚴(yán)重限制了低壓大功率節(jié)能燈的運(yùn)用。相反，本方案由于APFC的引入，使得在整個(gè)調(diào)光器的切角范圍內(nèi)獲得連續(xù)穩(wěn)定的后級(jí)母線電壓，并實(shí)現(xiàn)低壓大功率設(shè)計(jì)。

3.2 壓控振蕩器(VCO)與半橋負(fù)載驅(qū)動(dòng)

VCO將輸入的預(yù)設(shè)調(diào)光信號(hào)V3轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的負(fù)載半橋驅(qū)動(dòng)頻率信號(hào)ω，而且電壓V3與頻率ω成反向關(guān)聯(lián):V3越大，ω越??；V3越小，ω越大。如圖3為V3與ω間的關(guān)系。V3為為調(diào)光設(shè)定電壓，ω為半橋(負(fù)載)驅(qū)動(dòng)頻率。

獲得的頻率ω將直接控制半橋負(fù)載驅(qū)動(dòng)，半橋輸出的方波電壓V(ω)通過(guò)LCR(ω)負(fù)載將能量傳遞給燈負(fù)載R，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)電壓V3的變化，以改變燈輸出的亮度。而且電壓V3與燈光輸出成正向關(guān)聯(lián):V3越大，燈光越亮；V3越小，燈光越暗。V(ω)與燈負(fù)載回路的能量傳遞關(guān)系如圖4所示。

3.3 深度調(diào)光的滯環(huán)控制

由于可控硅調(diào)光器直接與輸入電源Vin串聯(lián)[5]，并將切角后的電壓信號(hào)V1(φ)經(jīng)過(guò)濾波整流電壓信號(hào)V2作為調(diào)光采樣的信號(hào)源。由信號(hào)源V2采樣而來(lái)的預(yù)設(shè)調(diào)光信號(hào)V3在深度調(diào)光狀態(tài)時(shí)具有如下特點(diǎn):當(dāng)V3處于燈剛剛熄滅的臨界值時(shí)，由于輸入電源的波動(dòng)造成V3跟隨波動(dòng)，使得V3在臨界值附近上下波動(dòng)，最終造成燈光的時(shí)滅時(shí)亮，產(chǎn)生燈光閃爍[6]現(xiàn)象。為了避免這種由于輸入電壓波動(dòng)造成的燈閃爍，可以在深度調(diào)光時(shí)采用信號(hào)滯環(huán)控制電路來(lái)設(shè)置合適的滯回值ΔV_1來(lái)加以解決。具體的滯回值ΔV_1根據(jù)圖5所示電路參數(shù)設(shè)定。

3.3.1 開(kāi)通時(shí)的V_1對(duì)應(yīng)的V_1(1)值

Q1關(guān)斷，Q2開(kāi)通，V_1(1)與R1、R2、R3和R1、R4、Q2兩個(gè)回路相關(guān)。

由于，V_2=(VBE1/R3)×(R1+R2)，且V_2=IR4×R4+V_5=IR4×R4+VCE2

所以，開(kāi)通時(shí)刻V_1(1)的電壓信號(hào)為:

3.3.2 關(guān)斷時(shí)V_1對(duì)應(yīng)的V_1(2)值

R4、Q2回路斷開(kāi)，V_1(2)只與R1、R2、R3，Q1回路有關(guān)。

所以，關(guān)斷時(shí)刻V_1(2)的電壓信號(hào)為:

3.3.3 調(diào)光信號(hào)的滯回電壓ΔV_1

由于在開(kāi)通和關(guān)斷的不同時(shí)刻會(huì)有不同的電壓信號(hào)V_1(1)和V_1(2)，其差值ΔV_1=V_1(1)-V_1(2)=R1×{VBE1/R3+[(VBE1/R3)×(R1+R2)-VCE2]/R4}+(R1+R2)×(VBE1/R3)-(R1+R2+R3)×(VBE1/R3)。通過(guò)合理設(shè)置滯回值ΔV_1，可避免在深度調(diào)光狀態(tài)時(shí)由于輸入電源波動(dòng)造成誤觸發(fā)而產(chǎn)生燈閃爍。

3.4 燈光輸出的閉環(huán)反饋和RCC校正[3]

通過(guò)兩個(gè)同型號(hào)的NPN三極管Q3、Q4，將預(yù)設(shè)定的調(diào)光信號(hào)Vdim和燈負(fù)載的反饋信號(hào)Vlamp進(jìn)行差分放大產(chǎn)生誤差信號(hào)ΔVCO，并把ΔVCO作為VCO的輸入控制信號(hào)來(lái)產(chǎn)生相應(yīng)的半橋驅(qū)動(dòng)頻率Δω。當(dāng)ΔVCO→0時(shí)Δω→0，最終通過(guò)閉環(huán)反饋使燈光輸出與期望的預(yù)設(shè)定值相同:Vlamp=Vdim。

同時(shí)，由于熒光燈的電化學(xué)特性，在調(diào)光的過(guò)程中，燈的光輸出會(huì)出現(xiàn)“模態(tài)”現(xiàn)象:同一個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)2個(gè)不同的功率點(diǎn)(不同的燈光輸出)，會(huì)引起視覺(jué)上的燈閃爍現(xiàn)象。為了解決這種由于燈本身特性出現(xiàn)的“模態(tài)”問(wèn)題而造成的燈閃爍，可以采用由C2、C3、R6構(gòu)成合適的RCC頻率特性補(bǔ)償電路和燈光輸出的閉環(huán)反饋回路組合結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種耦合了頻率響應(yīng)特性的燈光輸出閉環(huán)回路將使得光輸出(近似于燈電流)始終跟隨預(yù)設(shè)定值。最終實(shí)現(xiàn)調(diào)光過(guò)程中的“模態(tài)”現(xiàn)象被矯正，從而避免燈光輸出的閃爍。組合結(jié)構(gòu)的具體電路如圖6所示。

4 調(diào)光性能的實(shí)驗(yàn)分析

調(diào)光輸出曲線反映了連續(xù)平滑的輸出流明(調(diào)光亮度)與調(diào)光器切角深度的關(guān)系，如圖7所示。切角越大，調(diào)光深度越大，燈光輸出越暗。

本方案滿足了108 V～132 V寬輸入電壓波動(dòng)時(shí)也能獲得比較理想的調(diào)光性能，使調(diào)光深度與調(diào)光器切角近乎成線性關(guān)系，在最小和最大切角附近時(shí)調(diào)光曲線近似“飽和”。實(shí)現(xiàn)了采用可控硅調(diào)光器的低壓大功率可調(diào)光節(jié)能燈的設(shè)計(jì)(理論上可達(dá)到最大70 W的設(shè)計(jì)能力)，獲得了比較理想的調(diào)光性能和非常高的性價(jià)比。在5%～100%調(diào)光范圍，整個(gè)過(guò)程中燈光無(wú)閃爍，且具有低成本、低噪音、小尺寸、高可靠性、長(zhǎng)壽命、綠色環(huán)保的特點(diǎn)，適合人們實(shí)現(xiàn)更高生活品質(zhì)的目標(biāo)要求。

[1]李先栗.我國(guó)緊湊型熒光燈技術(shù)的新進(jìn)展[J].中國(guó)照明電器，2009(3):11-15.

[2]ICB1FL02GV1.2，smart ballast control IC for fluorescent lamp ballasts[OL].In fineon Technologies AG，2006:1-36.Http://www.infineon.com/dgdl/Datasheet-ICB1FL02G-V1-2.pdf?folderId=db3a304412b407950112b408e8c90004&fileId=db3a304412b407950112b436658d6610.

[3]Philips Lighting Electronics.Budget dimmable ballast.Technical platform for triac dimmer[M]，2004.

[4]范穆?tīng)査笿.使用雙向可控硅調(diào)光器進(jìn)行調(diào)光的方法和電路[P].皇家飛利浦電子，2006.

[5]王曉.相位控制可調(diào)光CFL[J].燈與照明，2000，24(2):24-26.

[6]余希湖，蔣涌潮.光源閃爍對(duì)視覺(jué)影響的研究[J].照明工程學(xué)報(bào)，1996，7(2):22-26.