新型自振蕩電源轉(zhuǎn)換器VK05CFL



1. 技術(shù)概述
  VK05CFL是一種用于驅(qū)動微型熒光燈的自振蕩轉(zhuǎn)換器,采用意法半導(dǎo)體的VIPower* M3-3專利技術(shù)制造而成,允許在同一芯片上集成控制部分和電源級.電源級是一個(gè)“發(fā)射器開關(guān)”,其構(gòu)成是在級聯(lián)配置內(nèi)放置一個(gè)雙極高壓復(fù)合晶體管和一個(gè)低壓MOSFET,因此,在高擊穿電壓在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)的雙極低壓降和MOSFETS的高開關(guān)速度之間,提供了一個(gè)最佳的折衷方案.M3-3技術(shù)的剖面圖如圖1所示.

由于在關(guān)斷狀態(tài)下雙極級位于普通基極,從雙極晶體管的基極除去儲存電荷所需的負(fù)基極電流基本上是集電極電流,因此,在“發(fā)射器開關(guān)” 配置中,可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)很高的頻率(≈200kHz),從而使級聯(lián)配置的開關(guān)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雙極晶體管,并可與一個(gè)MOSFET器件相媲美.在這一點(diǎn)上,我們可以說,這是一個(gè)不儲存電荷的器件.

另一方面, 無電流阻塞可以提供一個(gè)十分優(yōu)秀的RBSOA(反向偏壓工作區(qū))的數(shù)值.

2. VK05CFL框圖
  VK05CFL框圖如圖3所示.這個(gè)器件有5個(gè)引腳:二極管交流開關(guān)引腳、二次繞組引腳、振蕩器引腳、集電極和源級引腳,采用主流 SO-8封裝.
  集電極和源極引腳:分別和NPN高壓晶體管的集電極和集成級聯(lián)配置的低壓功率MOSFET的源極相連.


二極管交流開關(guān)引腳:集成了二極管交流開關(guān)功能和外部二極管交流開關(guān)電容器放電電路,二極管交流開關(guān)引腳與啟動系統(tǒng)所需的集成二極管交流開關(guān)塊的輸入相連.
二次繞組引腳:與變壓器的二次繞組相連,以便觸發(fā)器件或給器件供電.
  振蕩器引腳:這一器件集成了在穩(wěn)態(tài)下調(diào)整系統(tǒng)工作頻率的振蕩器,這一引腳是調(diào)整穩(wěn)態(tài)工作頻率所需的電容器的充電輸出端.
  使用兩個(gè)器件實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的CFL H型橋接驅(qū)動器:一個(gè)連接在高側(cè)配置中,另一個(gè)連接在低側(cè)配置中.
在高側(cè)配置連接的VK05CFL中,二極管交流開關(guān)引腳連接到中點(diǎn),以便驅(qū)動這個(gè)器件.

3. 轉(zhuǎn)換器電路描述
圖5是VK05CFL用于自振蕩轉(zhuǎn)換器的電氣結(jié)構(gòu)圖.

這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不需要飽和變壓器來調(diào)整工作頻率.在鎮(zhèn)流器的扼流線圈Lp上繞有兩個(gè)二次繞組,這些繞組有兩個(gè)功能:1)觸發(fā)導(dǎo)通狀態(tài),2)為器件供電.主繞組Lp和兩個(gè)二次繞組之間的比例為10:1,以保證有充足的電壓供給器件,電容器C6 和 C7負(fù)責(zé)調(diào)整穩(wěn)態(tài)的工作頻率,電流Icap≈200μA給這兩個(gè)電容充電.當(dāng)電容上的電壓達(dá)到一個(gè)內(nèi)部固定值時(shí),電源級關(guān)閉.通過給C6 和 C7選擇相同的值,電路可以50%的負(fù)載比工作.在啟動階段,當(dāng)諧振率頻率高于穩(wěn)態(tài)頻率時(shí),在電容C6-C7充電前,二次電壓低于器件保持電壓,器件關(guān)斷.因此,在啟動和穩(wěn)態(tài)時(shí),電路可以工作在不同的頻率上.
電阻R1和電容C1必須在低側(cè)器件內(nèi)給內(nèi)部二極管交流開關(guān)加偏壓,以便驅(qū)動系統(tǒng).
  在高側(cè)器件內(nèi),二極管交流開關(guān)引腳必須連接到中點(diǎn).R2是上拉電阻器,C2是吸收電容器.如果電子管需要預(yù)熱,可以在低側(cè)器件臨近增加最亮塊,否則,電路在“冷點(diǎn)火”時(shí)會工作.輸入過濾由R3-C8 和R4-C9實(shí)現(xiàn),輸入引腳上必須施加一個(gè)正確的電源電壓.

4. 轉(zhuǎn)換器功能描述
  當(dāng)電路加電時(shí),電阻R1對電容C1充電,直到電容上電壓達(dá)到內(nèi)部二極管交流開關(guān)的門限值(≈30V).低側(cè)開關(guān)接通,結(jié)果,電流從HV軌道經(jīng)C4//C5、C3 和Lp構(gòu)成的通路流到地線.Lp上的壓降“傳送”到二次繞組(反向纏繞),以便對低側(cè)器件確認(rèn)導(dǎo)通狀態(tài),對高側(cè)確認(rèn)關(guān)斷狀態(tài).一旦低側(cè)器件導(dǎo)通,為防止二極管交流開關(guān)重新啟動,一個(gè)內(nèi)HV二極管使電容C1對地放電.在這初始階段,電子管處于關(guān)斷狀態(tài),而且電路在Lp-C3串聯(lián)上與C4//C5諧振頻率一起振蕩.
我們可以忽略 C4//C5.
  當(dāng)這一頻率高于穩(wěn)態(tài)頻率時(shí),這兩個(gè)器件在這一頻率上通斷,因?yàn)槎卫@組上的電壓低于保持器件導(dǎo)通所需的電壓.只要電子管一點(diǎn)火,諧振頻率就會降低??(Lp-C4//C5),電路將工作在由C6和C7兩個(gè)電容固定的穩(wěn)態(tài)頻率上.利用下面的公式,可以計(jì)算穩(wěn)態(tài)頻率:
        Ton=RCLn2  (R為內(nèi)部阻抗)
以VK05CFL電路板為例:
因?yàn)?R=12kΩ,C6=C7=1.2nF, tstorage≈400ns , C2=680pF,
所以: t(dv)/(dt)≈800ns, 工作頻率≈45kHz.
  在圖6中,啟動階段沒有預(yù)熱,圖7是穩(wěn)態(tài)下的主波形.從圖7中不難看出,二次電壓的削波隨著電流增加而降低,這是因?yàn)樘岣吡鹘?jīng)電子管的電流,電子管上的壓降也隨著增加,結(jié)果,鎮(zhèn)流器電感線圈Lp上的電壓降低,同時(shí)二次電壓也隨著降低.
  在兩個(gè)二次繞組和該器件之間插入一個(gè)濾波器(R3-C8; R4-C9),可以保證在該器件的輸入引腳上獲得比二次信號更高、更長的電壓.這樣,VK05CFL的用途可擴(kuò)展到所有功率范圍的微型熒光燈.

5. 結(jié)論
  微型熒光燈電源電子轉(zhuǎn)換器是通過采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的,雙極晶體管或MOSFET是今天用于電源級的唯一器件.
  VK05CFL是意法半導(dǎo)體開發(fā)的創(chuàng)新的專利解決方案:電子轉(zhuǎn)換器的電源級采用了一個(gè)“發(fā)射器開關(guān)”配置.應(yīng)用了單片系統(tǒng)的思路,在硅片上集成了轉(zhuǎn)換器的大部分功能.最終成果:系統(tǒng)成本大幅度降低,系統(tǒng)的可靠性全面提升,與燈相關(guān)的電子器件進(jìn)一步微型化.
  微型熒光燈與傳統(tǒng)的白熾燈相比每瓦光輸出至少提高了3倍.今天,一個(gè)23瓦的微型熒光燈和一個(gè)100瓦的白熾燈的光輸出相等.這就是說,采用微型熒光燈室內(nèi)照明的全部能量降低了4倍.如果全球都采用了微型熒光燈,摒棄了白熾燈,那么,所節(jié)省的巨大的能源將超出我們想象!
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