基于FAN7710V的新型高性能节能灯镇流器设计

    引言

　　在照明技术中，电子节能灯已经日益成为人们的首选，因为其应用范围广，节能环保性能好，是政府和企业节能减排的重要举措之一。在近几年中，我国为了推广电子节能灯的应用，采取了财政补贴政策，就像家电下乡一样，惠及全国百姓和消费者。

　　所谓电子节能灯，主要是指采用电子镇流器的紧凑型荧光灯（CFL）。镇流器和节能灯是一体化的，安装和更换像白炽灯灯泡一样方便。电子节能灯对镇流器的基本要求是：电路尽可能简单，元件数量少，成本低，性能稳定，安全可靠，使用寿命长。本文以飞兆半导体推出的FAN7710V新型镇流器控制IC为例。

　　1  关于FAN7710V的简介

　　FAN7710V芯片集成了频率可编程振荡器、灯丝预热控制电路、死区时间（即高/低端驱动信号之间的非交迭时间，旨在防止半桥高/低端MOSFET同时导通）控制电路、自适应零电压开关（ZVS）控制器、高/低端MOSFET栅极驱动器和高/低端功率MOSFET等。其中，每个功率MOSFET的耐压达440V以上，导通态电阻RON典型值是4.6Ω（@VGS=10V，ID=190mA）。MOSFET漏-源极之间续流二极管正向压降≤1.4V（@380mA），正向电流为380mA（正向脉冲电流达3.04A）。

　　FAN7710V采用温度范围为-40℃~125℃的8引脚DIP封装，符合欧盟RoHS指令。

　　FAN7710V各个引脚功能见表1。

表1  FAN7710V引脚功能

　　FAN7710V的启动电流仅约150μA，工作电流约2.6mA，在220V的AC电压下能输出20W的功率。这种控制IC的VDD启动门限为13.4V，欠压关闭门限是11.6V，内部齐纳二极管的箝位电压是15V。FAN7710V的预热时间、预热频率和正常操作运行频率均可由外部阻容元件设定，并提供有源ZVS控制和过温度及灯开路保护。

　　2  基于FAN7710V的节能灯电子镇流器

　　2.1  电路组成

　　LF是EMI滤波电感器，RF是可熔电阻（起保险丝作用），D1~D4和C1组成桥式全波整流滤波电路，Rstart为启动电阻，CVDD为启动和退耦电容，RT为预热和运行频率设定电阻，CPH为预热时间设置电容，DB和CB分别为自举操作二极管和电容，DP1、DP2和CCP组成的电荷泵辅助电源电路，L、CP和CS组成LCC谐振输出级。

　　2.2  电路启动

　　接通AC电源，220V的AC电压经D1~D4全波整流和电容C1滤波，产生约310V的DC电压加至IC（FAN7710V）的引脚VDC。同时，VDC电压经启动电阻Rstart对电容CVDD充电，如图3所示。当IC引脚VDD上的电压VDD因CVDD充电达到导通门限电平VDDTH（ST+）后（约13.4V），IC启动。IC引脚VDD导通后，CVDD放电，VDD电压降低，在VDD降至欠电压，关闭门限VDDTH（ST-）之前（约11.6V），电荷泵对CVDD充电，VDD电压被箝位在VCL（15V）电平上。

　　2.3  自举操作

　　FAN7710V启动后，振荡器产生振荡，IC内低端功率MOSFET首先导通，VDD通过二极管DB对电容充电，充电电流路径是DB→CB→IC内低端MOSFET→地。

　　随自举电容CB充电，CB上电压升高。一旦CB上电压（VB-VOUT）达到9.2V的门限，IC内高端MOSFET导通，低端MOSFET关断。一旦IC中高端MOSFET导通，CB放电。只要CB上电压降至8.6V以下，IC中高端MOSFET关断，低端MOSFET导通。如此周而复始，IC中高端和低端MOSFET轮流导通，半桥在IC引脚OUT上输出占空比为50%的高频方波电压。

　　2.4  电荷泵电路操作

　　一旦半桥产生输出，在输出电压斜升沿上，电荷泵电路充电，充电电流经CCP、DP1到CVDD。在输出脉冲电压斜降沿上，电荷泵放电。

　　设置了由DCP1、DCP2和CCP组成的电荷泵电路后，可以使用低功率（0.25W）的启动电阻Rstart，减小其功率损耗，有助于提高系统效率。

　　2.5  工作模式

　　FAN7710V有4种工作模式，即预热模式、点火（点灯）模式、运行与ZVS模式及关闭模式。

　　2.5.1  预热模式A（t0~t1）

　　FAN7710V上电启动后，振荡器在最高频率上振荡，IC进入预热模式。在预热模式，预热频率fPH为正常运行（振荡）频率fosc的1.6倍，即：

      一个2μA的电流源ICH从IC引脚CPH流出对电容CPH充电。CPH上的充电电压达到3V时，预热时间tPH结束。预热时间tPH由CPH决定，计算公式是：

　　对荧光灯灯丝预热的目的有二：一是延长灯管使用寿命；二是降低灯触发（启动）电压。

　　2.5.2  点火（触发）模式B（t1~t2）

　　预热结束后，对CPH的充电电流增加到IIG（12μA），振荡器频率向运行频率fRUN偏移。CPH上的电压从3V增加到5V的过程，即为点火时间tIG，计算公式为：

　　在频率下偏扫描过程中，当频率接近LCC谐振电路的固有频率时，将发生串联谐振，在电容CP上产生一个足够高的电压（600~1200V）将灯管点燃。

　　2.5.3  运行模式（>t2）和有源ZVS模式（>t3）

　　当电压VCPH超过5V时，IC进入运行模式，频率fRUN被RT固定在一个不变值上，计算公式为：

　　VCPH从5V到6V（t2~t3）这段时间，为有源ZVS作准备。一旦VCPH达到6V，有源ZVS被触发，GQX死区时间tDT最短（仅1μs）。IC内部功率MOSFET工作在ZVS，有最小的功率损耗。如果ZVS失效，VCPH将降低，以增加死区时间，来满足ZVS条件。

　　2.5.4  关闭模式

　　FAN7710V的热关闭电路感测IC的结温。只要芯片温度超过约160℃，热关闭电路将会使IC操作停止。

　　如果IC引脚CPH上的电压VCPH>2-1V，IC也将进入关闭模式。

　　FAN7710V在关闭模式，仅消耗约250μA的电流。

　　2.6  灯开路检测

　　FAN7710V能够自动检测灯开路故障并自动关闭。

　　2.7  元件选择

　　对于节能灯电子镇流器电路，如果AC输入电压是220V，灯管功率是20W，灯丝预热时间tPH=1s，正常运行频率fRUN=49KHz，主要元件的选择如下：

　　（1）频率设置电阻RT选择

　　根据（5）式可得：

　　选择RT=82kΩ，额定功率为1/4W。

　　根据（1）式，预热频率为：

　　（2）预热电容CPH选择

　　从（3）式可得：

　　CPH选择0.68μF/25V的标准电容器。

　　根据（4）式，点灯时间为：

　　（3）其它元件的选择

　　电路中其它元件的选择如表2所示。

表2  其它元件的选择

　　3  结语

　　采用控制器FAN7710V的节能灯镇流器，依据上述的介绍，其预热时间、预热频率、点灯时间、运行频率可编程，并提供有源ZVS控制、灯开路检测和热关闭保护，是目前优选方案之一。