基于FAN7711的电子镇流器原理与设计

1 引言

目前在20 W以下的节能灯中，电子镇流器已全部取代了电感镇流器。但是在20 W以上尤其是32 W以上的荧光灯中，电子镇流器并没有完全替代电感镇流器。飞兆(Fairchild)半导体公司推出的FAN7711是新型镇流器控制IC中的一种代表性器件。FAN7711为设计简单的高性能荧光灯电子镇流器提供了新的解决方案。

2 FAN7711的结构及其特点

FAN7711的工作温度范围为-25℃～125℃，可提供8引脚DIP封装和SOP封装。FAN7711内部集成了振荡器、预热和死区时间控制电路、自适应零电压开关(ZVS)控制器、上桥与下桥MOSFET栅极驱动器等电路。

FAN7711的引脚VDD为供电电源，RT引脚连接振荡频率设置电阻(RT)，CPH引脚连接预热时间设置电容(CPH)，引脚GND为接地端，引脚HO和LO分别为上桥和下桥驱动器输出端，VB和VS分别是上桥浮动电源输入端和返回端。

FAN7711的主要特性如下：

为自举操作浮动通道电压达600 V;

低启动电流(仅120μA)和工作电流(仅3.2 mA);

VDD欠电压锁定(UVLO)门限电平为11.6 V，相对于13.4 V的导通门限具有1.8 V的滞后;

正常工作频率和预热时间均由外部电阻和电容设置;

内置有源自适应ZVS控制电路;

灯开路检测无需外部电路;

VDD内部并联一只15.2 V的齐纳箝位二极管;

当引脚CPH上的电压被拉低至2.6 V以下或IC结温超过160℃时，FAN7711进入关闭模式。

3 工作原理与设计

基于FAN7711的荧光灯镇流器谐振逆变器电路如图2所示。在图2中，VDC为经桥式整流滤波的DC电压(约300 V)或有源PFC升压变换器输出电压(约400 V)，RST为启动电阻，DB和CB分别为半桥高端驱动器自举二极管和自举电容，CSNUB和DCP1、DCP2组成电荷泵(辅助电源)电路，L、CS、CP及灯等效电阻RL组成LCC谐振槽路。

3.1 电路工作原理

3.1.1 启动电路

系统加电后，VDC通过RST给CVDD充电。当IC引脚VDD上的电压达到13.4 V的门限，FAN7711启动，振荡器开始工作。半桥一旦产生高频输出，由CSNUB、DCP1和DCP2组成的电荷泵为VDD引脚提供工作电流，因而在IC启动后，RST的功耗很小，因此RST采用低成本0.25 W的电阻。

3.1.2 预热模式

FAN7711开始工作，引脚CPH内部2μA电流源对电容CPH充电，CPH上的电压从零开始线性增加。当VCPH达到3 V时，预热结束。预热时间tPH为

tPH=3CPH/IPH=3CPH/2×10-6 (1)

在预热模式，振荡器频率最高，是正常工作频率fRUN的1.6倍，即

fPH=1.6fRUN (2)

在预热期间，HO和LO端输出信号的死区时间(即非交迭时间)tDT最长(3.1μs)。

3.1.3 能发启动(即点火)模式

预热时间结束，FAN7711进入点火模式。在点火模式下，CPH引脚上的电流源变为IIGN(12μA)，CPH上的电压上升速率增加。当VCPH达到5 V时(即t2时刻)，点火模式结束。在点火模式时，频率从fPH线性降低至工作频率fRUN，死区时间从最大值逐步缩短。在频率扫描通过LCC谐振槽路的固有频率时，与灯管并联的启动电容CP产生一个800 V～1 500 V的高压脉冲使灯管内气体电离而点亮。灯一旦被点亮，可等效为电阻RL。点火时间tIGN(即t2-t1)为：

tICN=[(5 V-3 V)CPH]/IIGN=2 V×CPH/12×10-6A (3)

点火频率fIGN是VCPH的函数，可表示为：

fIGN=[0.3(5 V-VCPH)+1]fRUN (4)

很显然，fPH>fIGN>fRUN。

3.1.4 工作模式和有源ZVS模式

当CPH上的电压VCPH超过5 V，仍持续升高，工作频率由RT固定为fRUN。fRUN计算公式为：

fRUN=(4×109)/RT (5)

当VCPH达到6 V时(即在t3时刻)，有源自适应ZVS被激活。为满足ZVS工作条件，FAN7711检测引脚VS上的输出渡越信息。如果满足ZVS，FAN7711将缓慢增加CPH引脚上的电压，缩短死区时间。选择最佳值，以提高逆变器效率、减小热损耗和EMI;如果ZVS失效，FAN7711降低引脚CPH的电压，延长死区时间，实现ZVS工作最优化。

3.1.5 灯开路自动检测

FAN7711无需外部电路，可自动检测灯开路故障。当灯开路时，输出谐振槽路异常，不能满足ZVS条件，可使引脚VS的(半桥输出)电流充电，电荷泵电容CSNUB放电。在电容性负载驱动条件下，FAN7711的功耗PD为：

PD=(V2DCCSNUBfSW)/2 (6)

若VDC=310 V，CSNUB=1 nF，开关频率fSW=50 kHz，FAN7711的功耗达2.4 W，致使结温急剧升高。如果温度超过160℃，热关闭电路将使IC停止工作。在脱离ZVS时，VCPH低于2 V，FAN7711进入关闭模式。

3.2 设计举例

如果电子镇流器AC输入电压VAC=220 V，采用全波整流电容滤波电路，灯丝预热时间tpH=1 s，正常工作频率fRUN=53 kHz，根据这些条件可以确定电路中的主要元件。

3.2.1 启动元件的选择

由于VAC=220 V，VDC为桥式整流滤波输出电压，其值为

。FAN7711的启动门限VDDTH(ST+)=13.4 V，启动电流IST=120μA，启动电阻RST值必须满足下式：

[VDC-VDDTH(ST+)]/RST>IST (7)

由式(7)可得：

RST<[VDC-VDDTH(ST+)]/IST=(311 V-13.4 V)/120μA=2 480 kΩ若RST选用低成本的0.25 W电阻，引脚VDD的箝位电压VCL=15.2 V，因此：

(VDC-VCL)2/RST<0.25 W (8)

RST>4(VDC-VCL)2=4×(311 V-15.2 V)2≈350 Kω

由于FAN7711具有热保护、灯开路保护或半桥硬开关保护功能，当FAN7711进入关闭模式时，FAN7711将消耗250μA的关闭电流ISD。为阻止FAN7711重新启动，RST的选择必须覆盖ISD的消耗，因此要求：

RSI<[VDC-VDDTH(ST+)]/ISD=(311 V-13.4 V)/250μA=1 190 kΩ

根据以上分析计算，RST值选取在510 kΩ与680 kΩ之间是适宜的。

启动时间tST由式(9)计算：

tST≈(RSTCVDDVDDTH(ST+))/(VDC-RSTIST-VDDTH(ST+))

=(RSTCVDD×13.4)/(311-RSTIST-13.4) (9)

若要求tST=0.33 s，在选取RST=560 kΩ条件下，由于IST=120μA，根据式(9)可得：CVDD=10μA。CVDD含有引脚VDD上旁路电容，即为引脚VDD上的总电容值。

3.2.2 电荷泵电容CSNUB的选择

半桥输出死区时间为tDT，CSNUB的充电电流通过DCP2，充电电流为ICHG=CSNUB(dv/dt)=CSNUB(VDC/tDT)。CSNUB放电电流通过DCP1，在下一开关周期内为FAN7711提供的总电流为ITOTAL=CSNUBVDC。施加到FAN7711的平均电流为：

IAVG=ITOTAL/tSW=CSNUBVDCfSW (10)

为保证FAN7711正常工作，并且不产生过多的热量，可选择IAVG=8 mA。根据式(10)得：

CSNUB=IAVG/VDCfSW=8×10-3/311×53×103≈485 pF

可选取CSNUB=470 pF。

3.2.3 确定RT和CPH

由式(5)得：

RT=4×109/fRUN=4×109/53×103≈75.5 kΩ

由式(1)得：

CPH=(2×10-6tPH)/3=(2×10-6×1)/3≈0.67 μF

选择CPH=0.68μF。

因篇幅所限，其他元件的选择不再逐一给出。

3.3 采用FAN7711的高功率因数32 W双灯管电子镇流器电路

采用FAN7711带有源PFC的32 W双灯管电子镇液器电路如图4所示。在半桥逆变器前端的有源PFC升压预变器，采用FAN7529作为控制器。镇流器的正常工作频率为：

fRUN=4×109/RT=4×109/90×103≈44.4 kHz

预热频率为：

fPH≈1.6fRUN=1.6×44.4 kHz=71 kHz

预热时间为：

tPH=3CPH/IPH=3×0.47×10-6/2×10-6=0.7 s

点火时间为：

tIGN=2CPH/IIGN=2×0.47×10-6/12×10-6≈0.08 s

L2和L3采用EI 2820磁心，线圈共130匝，电感为3.2 mH。Q2和Q3均应采用FQPFlN50C(1 A/500 V)。

4 结束语

飞兆半导体公司采用高压工艺的FAN7711镇流器控制IC，仅用电阻RT就可以编程设置预热和工作频率。预热和点火时间则由电容(CPH)设定。FAN7711利用有源自适应ZVS控制电路检测开关工作状态.无需外部电路就可执行灯开路检测，提供过热关闭。FAN7711为设计简单、高性能和低成本电子镇流器提供了一种新的解决方案。