基于Ap1661芯片的熒光燈電子鎮流器設計

　　前言

　　熒光燈應用廣泛，種類繁多，特性參數專業性較強，通常可根據管徑、光色、功率進行分類。

　　熒光燈管按管徑大小分為：T12、T10、T8、T6、T5、T4、T3等規格。T+數字組合，表示管徑的毫米數值：T=1／8英時，一英時為25.4mm，數字代表T的個數，故T12=25.4mm×1／8×12=38mm。熒光燈管管徑與電參數的關系是管徑越細，光效越高，節電效果越好；管徑越細，燈點燃的啟輝電壓越高，對鎮流器技術性能要求也越高。管徑大于T8(含T8)，點燃啟輝電壓較低。點燃啟輝電壓小于1／2單相工頻交流電源電壓定律，可采用電感式磁鎮流器點燃運行；管徑小于T8，啟輝點燃電壓較高，不滿足點燃啟輝電壓小于1／2單相工頻交流電源電壓定律，不能采用電感式鎮流器點燃啟輝，必須配置電子式鎮流器才行。

　　熒光燈按光色可分為三基色，冷白日光色和暖白日光色三種。燈的光色與燈管內所涂熒光粉和填充氣體種類不同而不同。管內涂鹵素熒光粉，填充氬、氪、氬混合氣體光色為冷白日光色或暖白日光色熒光燈管。這兩種光色的顯色性能較低，顯色指數一般小于40。遠遠小于自然太陽光顯色指數等于100的標準值。這兩種光色的熒光燈發光效率、有效照度低也比較低，燈點燃啟輝壽命短(一般在5000至6000小時之內)。這兩種光色的熒光燈管不屬于高效節能電光源，不符合綠色照明技術要求。涂三基色稀土熒光粉，填充高效發光氣體。光色為三基色合成的高顯色性太陽光色。顯色指數大于82，接近于自然太陽光。這種熒光燈管發光效率較高，光效一般為每瓦65至120流明。熒光燈實際光效的高低與所用鎮流器性能以及鎮流器-熒光燈的兼容程度有直接關系，因此，實際照明設計時，應選用技術性能先進的電子鎮流器，并須進行熒光燈-鎮流器的最佳匹配和調試。這種燈的點燃啟輝壽命也較長，一般在8000小時以上。如配置高性能電子鎮流器，壽命將增加至15000至20000小時。

　　表觀上，正常工作狀態下熒光燈的發光功率與燈管的表面積成正比，故管徑一定時，燈的發光功率與熒光燈管長度成正比，而熒光燈-鎮流器的兼容和最佳匹配則是保證熒光燈正常工作的先決條件。

　　毋容置疑，除根據上述熒光燈的管徑、光色和發光功率科學選用熒光燈構建高效節能、明亮舒適的照明環境外，設計和配置高性能高頻電子鎮流器將至關重要，本文特介紹一款基于AP1661芯片構成的熒光燈電子鎮流器，供參考。

　　AP1661芯片簡介

　　AP1661實際上是BCD半導體制造有限公司(BCDSemiconductorManufacturingLimited)的一款主要為電子鎮流器、AC-DC適配器和脫線開關電源(SMPS)作前置功率變換設計的集成電路功率因子控制器，具有如下典型特性：
　　·不連續電流傳導(DCM)臨界導通模式的零電流檢測控制
　　·輸出電壓可調并具精確過壓保護
　　·啟動電流低，典型值為50μA
　　·工作電流小，典型值為4mA
　　·內部基準電壓精確為1％
　　·具有內部啟動定時器
　　·可降低電流耗損的閉鎖功能
　　·圖騰柱輸出的源電流達600mA，阱電流為800mA
　　·2.5V遲滯欠壓鎖定

　　AP1661芯片內部含一個適于獨立應用的啟動定時器、一個用于實現功率因數接近等于的單象限乘法器、一個確保不連續電流傳導(DCM)臨界導通模式的零電流檢測器以及具有以600mA源電流和800mA阱電流驅動MOSFET的圖騰柱輸出級。圖1為其內部功能和外部管腳圖。

　　AP1661采用SOIC-8和IP-8兩種封裝。管腳功能說明如表1：

　　采用AP1661芯片的電子鎮流器設計

　　圖2所示為采用AP1661芯片設計的40W雙燈并聯電子鎮流器電路圖。

　　輸入交流經EMI濾波和整流橋D1整流，由L1、Q1、D2和AP1661芯片構成的升壓電路(Boost)，實現有源功率因子校正(APFC)。電路工作于電流不連續臨界導通模式。電路后級采用兩個三極管Q2、Q3和磁環T1組成的自激驅動半橋電路實現DC／AC變換，驅動兩支并聯熒光燈工作。

　　升壓型有源功率因子校正電路(BoostPFC)的主要設計指標如表2。

　　1 Boost電感的選取

　　Boost電路工作于臨界DCM模式的開關頻率有如下關系：

        
 
　　據此可見，開關頻率在輸入正弦電壓波形峰值處最低，在輸入正弦電壓波形過零處最高。最低開關頻率應大于AP1661內部啟動定時器頻率15kHz，故電感值由下式確定：

　　計算得電感值應小于1.5mH。

　　Boost電感副邊繞組用以檢測電感電流過零點，AP1661管腳5(ZCD)檢測到電壓降至2.1V以下時，MOSFET導通。Boost電感原、副邊匝比m可由下式計算：

　　本設計選用E25／9／6鐵氧體磁芯，電感原邊148匝，副邊16匝。

　　2 PFG控制電路設計

        
 
　　輸出電壓檢測和反饋環路

　　AP1661內部誤差放大器調節PFC輸出電壓。內部精密基準電壓為2.5V，INV腳接采樣分壓電阻R1、R2。誤差放大器輸出和INV腳之間外接補償元件實現負反饋控制，通常補償環路的帶寬很低以濾除輸出電壓紋波以達到好的功率因數校正效果。

　　AP1661具有輸出過壓保護(OVP)功能。輸出過壓時，過沖電流經過R1和補償電路流進誤差放大器，如此電流大干40μA，為保護電路，驅動輸出將被關閉。R1和R2可由下式計算：

        
 
　　本設計中，△VOVP=50V，經計算R1=1.25MΩ R2=8.2kΩ。

　　最簡單的補償電路設計是使用電容提供一個低頻極點，在100Hz處有40dB衰減，同時保證有高電壓增益，則：

　　C4=10／2πR1

　　我們選C4為1μF。

　　3輸入電壓采樣電阻設計
 

        
　　AP1661內部乘法器的輸入線性區間為0～3V，因此輸入電壓采樣電阻可由下式設計。

　　VMULTpk取3V。

　　4電流采樣電阻設計

　　電流采樣電阻據下式計算：

        
 
　　其中，VCSpK為芯片CS管腳的最大工作電壓，即1.6V。

　　5零電流檢測電阻設計

　　零電流檢測(ZCD)管腳的最大吸收電流為10mA，因此零電流檢測電阻滿足下式。
 

　　
　　訓節R6大小使MOSFET在漏極電壓較小時開啟導通以降低開通損耗。

　　6啟動電阻

       
　　圖2中啟動電阻R5在為芯片VCC腳提供初始工作電流，啟動電阻R5需滿足下式。
        

　　7 IC供電設計
　
　　本設計后級半橋供電由C3、C6、C9、C10、Z1、D3組成。C9可同時作為半橋軟關斷緩沖電容。若半橋停止工作，則AP1661供電不足，PFC輸出電壓則降低，可起到一定的保護功能。

　　半橋電路設計

　　采用磁環自激振蕩方案，磁環工作于飽和模式下，驅動三極管Q2，Q3輪流導通。半橋電路工作頻率與磁環特性，線圈匝數，三極管驅動電阻和存儲時間都有關系。本設計半橋電路的工作頻率40kHz，LC諧振電路參數取C14=C15=3.3nF，L2=L3=1.8mH。

　　結語

　　現在全世界夜間室內照明絕大多數都采用熒光燈，比傳統白熾燈具有使用壽命長，發光效率高，光照面積大，可調整不同光色等優點，能滿足人類絕大多數場合的需求。根據熒光燈的管徑、光色和發光功率科學選用熒光燈構建高效節能、明亮舒適的照明環境外，設計和配置高性能高頻電子鎮流器至關重要，本文介紹基于Ap1661芯片構成的熒光燈電子鎮流器以供讀者參考指正。