羅志會 李 超 朱從軍 覃亞東

（1.三峽大學(xué) 理學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.宜昌勁森光電科技股份有限公司，湖北 宜昌 443000）

隨著全球化綠色照明替換工程的相繼實施，對高性能電光源的需求量將非常巨大［1].新興的CCFL照明電光源采用冷陰極技術(shù)，具有高光效、長壽命、耐開關(guān)、節(jié)能環(huán)保、無頻閃等特點，比普通節(jié)能燈節(jié)能20%以上，是綠色照明的理想光源.但CCFL燈管的大阻抗、高啟動電壓、寄生電容等復(fù)雜電氣特性，給電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計帶來巨大的挑戰(zhàn)，成為近年來照明CCFL產(chǎn)業(yè)化和推廣應(yīng)用的主要障礙.本論文在分析CCFL電氣特性的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新采用高集成度的半橋IC和漏感鎮(zhèn)流技術(shù)，開發(fā)出一種高性價比的CCFL電子鎮(zhèn)流器.

1 電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計

1.1 CCFL電氣特性及電子鎮(zhèn)流器的解決方案

照明CCFL燈管的結(jié)構(gòu)與普通熒光燈管類似，但采用桶裝鎳杯作為電極，通過高壓激發(fā)放電，燈管使用壽命長，耐頻繁開關(guān).其管徑介于傳統(tǒng)背光CCFL（直徑Φ3.0mm）和細管徑T3熒光燈（直徑Φ11mm）之間，屬于超細管徑熒光燈，其放電理論模型非常復(fù)雜，目前仍在研究當中［2].宜昌勁森光電科技股份有限公司（以下簡稱“勁森光電”）研發(fā)團隊結(jié)合多年背光燈管的制造經(jīng)驗，通過大量的工程試驗，成功研制出高光效5～24W的U型、螺旋型、窄U型系列的照明CCFL燈管.本文以Φ3.4mm×760mm 9W螺旋型燈管為例進行研究，其電氣特征如下：工作在輝光放電狀態(tài)，呈負阻抗容性，穩(wěn)定阻抗90kΩ，工作電壓900Vrms＠8mA，啟動電壓1 200Vrms（誤差±20%），寄生電容隨燈管等復(fù)雜程度變化.

由于照明CCFL的主要電氣參數(shù)是傳統(tǒng)熒光燈的幾十倍乃至上千倍，傳統(tǒng)電子鎮(zhèn)流技術(shù)不能滿足要求，需要對鎮(zhèn)流電路的總體方案和鎮(zhèn)流方式進行創(chuàng)新設(shè)計.其功能模塊可按圖1進行劃分，包括EMI濾波電路、AC／DC橋式整流電路、開關(guān)電路、升壓鎮(zhèn)流、異常保護電路.對于功率低于25W的CCFL光源，可采用簡單的電感濾波電路.AC／DC橋式整流電路選用D1UBA80薄型SMT芯片封裝；整流后的直流輸出端并聯(lián)10μF電解電容濾波，保證開關(guān)電路的穩(wěn)定工作［3].對于開關(guān)和升壓鎮(zhèn)流電路、異常保護電路，需要在電路分析的基礎(chǔ)上對各種解決方案進行試驗評估，綜合考慮性價比和可靠性因素，下面將予以詳細介紹.

圖1 CCFL電子鎮(zhèn)流器的功能框圖

1.2 基于IMP3521的開關(guān)電路設(shè)計

IMP3521是日銀IMP微電子有限公司2009年底最新推出的DIP8半橋控制芯片，它集成了控制電路、半橋高／低端驅(qū)動器及作為開關(guān)的高端和低端功率開關(guān)管（MOSFET）.高端和低端驅(qū)動輸出有各自獨立的通道，內(nèi)部自帶互鎖電路，防止高端和低端同時導(dǎo)通而引起半橋電路短路.芯片內(nèi)置部分振蕩電路，用戶根據(jù)需求設(shè)計工作頻率.電路啟動時，IMP 3521的振蕩器工作在掃頻模式，即開關(guān)頻率按預(yù)定設(shè)置由高到低依次變化，通常預(yù)熱頻率＞點火頻率＞工作頻率，這有利于CCFL的高壓啟動.此外，IMP3521還具備欠壓鎖定功能，防止低壓過載.其引腳分布如圖2所示：引腳VDD為芯片低壓供電端，引腳RMIN為頻率設(shè)置電阻連接端，引腳CPH為預(yù)熱時間電容設(shè)置端，引腳GND和PGND分別是信號地和功率地，引腳OUT為高端浮動電源回復(fù)（即半橋輸出）端，引腳VB為高端浮動電源端，引腳VDC為高壓施加端［3].

圖2 IMP3521開關(guān)電路的設(shè)計

在接通220V的市電后，經(jīng)過整流得到約311V的母線電壓，通過下拉電阻對C2充電，給VDD提供能量，IC內(nèi)部電源以Icphsq給C3快速充電，C3的電壓上升1V后，快速預(yù)熱結(jié)束，預(yù)熱時間Tcphsq可按式（1）計算：

芯片設(shè)計的預(yù)熱頻率設(shè)計為93kHz.由于充電電流Icphsq約10μA，CCFL是高壓激活，可以在很短時間預(yù)熱，且預(yù)熱時高頻振蕩輸出的電壓很高，Cph可以選擇較小的電容，如1nF，則Tph≈100ns.快速預(yù)熱結(jié)束后，Cph繼續(xù)升高，進入到點火模式，Icph下降到2.5μA，當C3的電壓達到5V時，芯片進入穩(wěn)定的工作頻率.點火時間Tign由Cph值和點火期間引腳Cph上的充電電流Iign（2.5μA）設(shè)置，計算方法如下［3－5]：

燈點火后，以CCFL最佳工作頻率50kHz運行，則RMIN引腳上的R5阻值為

圖3 CPH電壓、運行模式與頻率

其它電路設(shè)計：C1濾波電路中增加D1（UF4007）與VDD隔離，抑制放電時電路振蕩導(dǎo)致芯片反復(fù)開啟，導(dǎo)致關(guān)燈閃爍；自舉電路由C4從構(gòu)成，通過控制VB上的電壓實現(xiàn)高低端MOSFET占空比各50%開關(guān)輸出，可選擇100nF／50V.電荷泵電路由C5、D2、D3構(gòu)成，主要用于給VDD提供能量，減小R1上的負載，考慮到CCFL負載的特殊情況，C5可選擇470pF／1kV，D2、D3可以選擇集成封裝快恢復(fù)二極管BAV99.

1.3 變壓器漏感鎮(zhèn)流電路的設(shè)計

如上所述，要使CCFL燈管穩(wěn)定工作，必須要設(shè)計鎮(zhèn)流電路來保證交流輸出的穩(wěn)定［6].采用傳統(tǒng)的電子電感鎮(zhèn)流，需要亨級電感，加上升壓變壓器，電路體積非常大，無法應(yīng)用在商品電光源或燈具中.漏感是變壓器磁回路中能量旁路耦合的一種現(xiàn)象，在大型硅鋼變壓器中比較明顯，但通常會降低變壓器性能［7].近年來的工程研究表明，通過對小型電子變壓器的材料、結(jié)構(gòu)、匝比等參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，高頻電子變壓器可以在升壓換能過程中，既保持較高效率，又產(chǎn)生很大的感抗，這使采用電子變壓器實現(xiàn)升壓鎮(zhèn)流成為可能.由于漏感變壓器的理論推導(dǎo)過程非常復(fù)雜，這里不作詳述，直接取用理論模型進行等效分析.

圖4、圖5是電子變壓器的外觀結(jié)構(gòu)和理論模型.開關(guān)電路的交變輸出經(jīng)過隔直電容C6和漏磁變壓器的的升壓后，雙向加載在CCFL燈管上.變壓器初級的漏感等效于在變壓器初級串聯(lián)漏感Ll1，次級的漏感分布以及寄生電容分布與變壓器的次級槽位、尺寸、工作頻率、輸出電壓等有關(guān)，各槽漏感分別為Ll21、Ll22、Ll23、Ll24.

根據(jù)大量試驗數(shù)據(jù)的分析，證明高頻高壓工作時次級產(chǎn)生的寄生電容較大，其影響可以等效于在CCFL兩端并聯(lián)電容Cp.結(jié)合理想變壓器的電路理論，將初級漏感、隔直電容、次級漏感、寄生電容進行等效，如圖6所示，電路等效的總電感L1、串聯(lián)電容Cg為

其中，C6／n×n、n×n×Ll1是初級電容、漏感的折算，Ll2是次級各槽中線圈漏感的求和，Cp是變壓器次級和電路高頻高壓寄生電容的總和，通過進一步簡化，得到熟悉的LCC諧振電路模型.設(shè)定合適的工作頻率，使電路工作在感性狀態(tài)，電路中的總電流主要由｜jwL1｜決定，從而實現(xiàn)限流輸出.采用PSPICE軟件對LCC電路進行分析，仿真模型如圖7所示［8]，根據(jù)負載的實際情況優(yōu)化設(shè)計漏感、隔直電容、啟動電容的值.

以9WCCFL螺旋燈設(shè)計為例，電路具體參數(shù)可預(yù)設(shè)為：變壓器匝比1∶14，初級漏感2.5mH，次級漏感560mH，隔直電容C6為56nF，按上面公式折算后修正C2、C3值，運行PSPICE仿真獲得燈管的工作電流為8.084mArms，電壓為908Vrms.

1.4 燈管異常保護電路的設(shè)計

盡管CCFL生產(chǎn)工藝非常成熟，但在CCFL工業(yè)化批量制造、安裝以及長期使用過程中，冷陰極燈管不可避免會出現(xiàn)漏氣、電極失效、燈管斷裂、去激活等異常問題，設(shè)計合適的燈管異常保護電路尤為重要.目前，國內(nèi)大多數(shù)熒光燈用電子鎮(zhèn)流器而沒有設(shè)計專門的保護電路，或采用控制IC自帶的零電壓開關(guān)檢測ZVS、異常波峰比、過熱保護等機理，這些IC集成的保護功能一般非常靈敏，只適用于參數(shù)穩(wěn)定的I型、U型等線性光源，對復(fù)雜形狀的CCFL燈管，因燈管參數(shù)離散大，外界因素（如夏天溫度過高）的影響可能引起誤保護動作，電路的可靠性差.針對這種情況，設(shè)計了專門的燈管異常保護電路，包括雙端采樣分壓電路、半波整流電路、放電電路，如圖8所示，由高壓瓷片電容C7和C8、C9和C10從CCFL燈管兩端分壓采樣交流信號，經(jīng)半橋二極管整流，R6、R7進行分壓比微調(diào)，和雙向?qū)ǘO管的門限電壓比較.當燈管異常時，R7上分得的電壓高于門限電壓，晶閘管Q1受控打開，VDD電壓下降，低于振蕩門限電壓閾值后IC自動關(guān)斷，需要重啟電源方可脫離保護狀態(tài).與IC保護機制比較，該電路簡單可靠，可根據(jù)負載情況設(shè)定參數(shù)，適用于各種形狀的燈管和燈具.

2 測試結(jié)果

按上述設(shè)計制作電子鎮(zhèn)流器，拖動Φ3.4mm×760mm CCF照明燈管，在“勁森光電”公司的測試平臺進行光電參數(shù)測試，測得CCFL燈管電流波形如圖9所示，電流值8.18mArms，電流波峰比1.52，電壓920Vrms，與PSPICE仿真參數(shù)非常接近，這也證明了上述等效模型的可用性.組裝成CCFL螺旋燈后，測得整燈功率9.2W，鎮(zhèn)流器轉(zhuǎn)化效率約90%，封閉電路中關(guān)鍵元件溫升小于25℃，功率因素約0.61，整燈開關(guān)次數(shù)大于100萬次，整燈光效64lm／W，各項指標均滿足自鎮(zhèn)流熒光燈國家標準要求，光效在一級能效以上.

3 結(jié) 語

與背光CCFL相比較，照明CCFL的電氣特性更加復(fù)雜，且市電電源輸入波動大，加上受PCB布板空間的限制，開發(fā)商業(yè)化的電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)品是業(yè)界公認的難題.本文通過創(chuàng)新采用高集成度的半橋驅(qū)動IC和漏感鎮(zhèn)流技術(shù)設(shè)計出結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)換效率高的電子鎮(zhèn)流器，成本接近普通電子鎮(zhèn)流器，具有很高的性價比，已批量應(yīng)用于CCFL電光源的生產(chǎn)，為CCFL電光源的產(chǎn)業(yè)化和推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).

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