В. Поляков, А. Барышников, Д. Панфилов, Ю. Поляков

Высоковольтные ИС для управления электронным балластом для люминесцентных ламп

Введение

    Bысоковольтные специализированные интегральные схемы (ИС) для электронных балластов находят всё большее применение в светотехнических изделиях [1]. Передовые позиции в создании таких ИС занимают фирмы InternatiOnal Rectifier и ST Microelectronics (SGS-THOMSON Microelectronics). Наи-более популярными являются микросхемы этих фирм серии IR215x, IR51Hxxx, L6569, L6571. В настоящее время фирмы International Rectifier, ST Microelectronics, а также фирма Motorola заявили о создании микросхем более высокого уровня интеграции IR2157, MC33157DW и L6574, обладающих расширенными функциональными возможностями. Микро-схемы выпускаются в корпусах DIP16 и SO16 и предназначены для электронных балластов нового поколения. Наибольшими функциональными возможностями обладает ИС IR2157. Помимо узлов, характерных для предыдущей серии, эта ИС содержит схемотехнические решения, обеспечивающие выполнение ряда дополнительных функций [2], а именно:

• устанавливаемое время предварительного прогрева катодов;
• устанавливаемая скорость зажигания (интенсивность изменения частоты при зажигании лампы);
• устанавливаемое время задержки включения силовых МОП-транзисторов;
• защита от незажигания лампы и отказа лампы во время нормальной работы;
• контроль электрода (цепи накала) лампы, защита при перегорании электродов и отсутствии лампы;
• защита от работы на частоте ниже резонансной;
• защита от пониженного сетевого напряжения;
• функция автоматического перезапуска;
• внутренняя защита от перегрева.

    Остановимся более подробно на контроллере фирмы International Rectifier, наиболее широко представленной на российском рынке.

Рис. 1. Функциональная схема ИС IR2157

    Внутренняя структура ИС IR2157 и типовая схема электронного балласта на её основе приведены, соответственно, на рис. 1 и 2.

Рис. 2. Типовая схема включения ИС IR2157

    В стандартном варианте использования, питающее напряжение формируется с помощью пускового резистора (0,25 Вт) от выпрямленного напряжения в комбинации с подпиткой от выхода полумоста через демпфирующую RC-цепь. Внутренний стабилитрон на 15,6 В, включённый между выводами VCC и COM, ограничивает напряжение питания ИС в установившемся режиме.

    Шесть выводов ИС используются для управления режимами работы: пуск, предварительный прогрев, скорость зажигания и работа, — и позволяют разработчикам достаточно свободно оптимизировать разработку фактически для любого типа ламп.

    Сердце этого контроллера — генератор, подобный используемому в широкоизвестной схеме ШИМ-регулятору напряжения. В данной упрощённой форме этот генератор состоит из времязадающего резистора и конденсатора, соединённого с общей шиной питания. Возрастающий участок пилообразного напряжения на времязадающем конденсаторе СТ определяется током на выходе RT, а падающий участок — внешним резистором RDT. Этим резистором устанавливается время задержки включения силовых МОП-транзисторов в определённых пределах, в зависимости от значений конденсатора СТ.

    Вход RT — это источник тока, управляемый напряжением, значение которого приблизительно 2 В. Для того, чтобы поддерживать необходимую пропорцию между током выхода RT и зарядным током конденсатора СТ, значение тока выхода RT находится в пределах 50–500 мкА. Выход RT также может быть использован как точка обратной связи для замкнутой системы управления.

    Последовательность управления (рис. 3), используемая IR2157 при запуске лампы, позволяет сделать частоту работы балласта в рабочем режиме выше частоты зажигания. В течение режима включения рабочая частота определяется параллельным соединением RPH, RSTART и RТ в комбинации с СSTART, CT и RDT (рис. 2). Эта частота обычно выбирается из условия, чтобы мгновенное напряжение на лампе во время первых нескольких циклов работы не достигло напряжения зажигания лампы. По мере роста напряжения на СSTART, стремящегося к напряжению на выходе RT, выходная частота экспоненциально спадает до частоты предварительного прогрева.

Рис. 3. Последовательность режимов включения лампы

    В течение режима предварительного прогрева рабочая частота определяется параллельным соединением RРН и RT в соответствии со значениями СТ и RDТ. На протяжении времени предварительного прогрева эта частота обычно выбирается так, чтобы был обеспечен необхо-димый прогрев электродов лампы. Время предварительного прогрева устанавливается с помощью конденсатора предварительного прогрева СРН, внутреннего источника тока 1 мА и внутреннего порога 4 В на выводе СРН, образующих следующую формулу:

t_PH = 4·10⁶·C_PH
или
C_PH = 250·10^-9·t_PH

    В конце времени прогрева выключается внутренний транзистор с открытым стоком, замыкающий вывод RPH на общую шину, и напряжение на этом выводе изменяется экспоненциально до потенциала вывода RТ. В течение режима зажигания, выходная частота экспоненциально спадает до минимального значения. Скорость спада этой частоты есть функция постоянной времени R_PH·C_PH. Так как режим зажигания заканчивается, когда напряжение на выводе СPH достигнет 5,15 В, то его продолжительность всегда составляет 1/4 от времени прогрева.

    Когда напряжение на выводе С_PH достигнет 5,15 В, включается транзистор с открытым стоком на выводе RUN, и внешний резистор R_RUN подсоединяется параллельно резистору RТ. Частота в режиме работы есть функция параллельного соединения R_RUN и R_Т, и это значит, что рабочая мощность лампы может быть запрограммирована с помощью RRUN.

    Три вывода VDC, SD и CS используются для защиты.

    Первый из этих выводов защиты отслеживает напряжение на шине DC с помощью внешнего резистивного делителя и внутреннего компаратора с гистерезисом. При подаче питания на ИС, прежде чем начнётся генерация, должно быть выполнено 3 условия:

1. напряжение на выводе VCC должно превысить уровень 11,5 В;
2. напряжение на выводе VDC должно быть выше 5,1 В
3. напряжение на выводе SD должно быть ниже 2 В.

    Если произойдет снижение напряжения силового питания в процессе нормальной работы, или если питание балласта выключится, то силовое напряжение на шине DC, которое поддерживается благодаря токовой подкачке с выхода инвертора, уменьшится прежде напряжения на выводе VCC. В этом случае, снижение напряжения на выводе VDC обеспечит выключение генератора, защищая силовые транзисторы от потенциально опасного тяжёлого выключения. Для нормальной работы защиты имеется гистерезис 2 В во внутреннем компараторе датчика вывода VDC. Когда напряжение на шине DC восстановится, микросхема запустится вновь, начиная с контрольной последовательности, как показано на временной диаграмме рис. 3.

    Защита лампы от снижения напряжения питания балласта осуществляется по входу VDC. На этот вход поступает напряжение с резистивного делителя R1, R2 пропорциональное напряжению шины питания +VBUS. Чёткость срабатывания защиты реализуется схемой на двух компараторах и RS-триггере. Работа защиты поясняется диаграммами рис. 4. Наличие гистерезиса (примерно 2 В) определяет срабатывание защиты и инициирование повторного пуска при различном уровне напряжения +VBUS.

Рис. 4. Снижение напряжения на выводе VDS и автоматический перезапуск

    Контроль присутствия лампы осуществляется по входу SD. При наличии лампы нижний электрод замыкает цепь делителя R4, R5, что ограничивает напряжение на входе SD на низком уровне. При отсутствии лампы или перегорании электрода на входе SD появляется напряжение высокого уровня, что вызывает срабатывание защиты. Установка или замена лампы при подключенном питании вызывает автоматический пуск ИС (рис. 5).

Рис. 5. Аварийный режим по входу SD и автоматический перезапуск

    При снижении напряжения питания на выводе VCC цепи управления ИС ниже уровня 9,5 В происходит срабатывание внутренней защиты. Пуск микросхемы происходит при повышении напряжения на выводе VCC до 11,5 В.

    Вывод CS используется для определения аномальных режимов, таких как незажигание лампы, токовая перегрузка во время нормальной работы, работа на частоте ниже резонансной, жёсткое включение силовых МОП-транзисторов (транзисторы включаются при высоком напряжении сток–исток, например, в режиме холостого хода). Если любое из этих условий выполняется, защёлка включается, генератор выключается, затворные выходы драйвера переходят на низкий уровень, и микросхема переходит в режим микропотребления. Вывод CS выполняет эти следящие функции такт за тактом, для того чтобы повысить надёжность балласта. Для аномальных условий незажигания лампы, перегрузки по току и жёсткого включения, 1-В порог на входе CS (срабатывающий при превышении) устанавливается по окончании времени предварительного прогрева. Для условий пониженных токов в моменты коммутации силовых транзисторов и работы на частоте ниже резонансной, имеется порог 0,2 В, который устанавливается при включении рабочего режима. Датчик этого порога 0,2 В синхронизирован с задним фронтом выхода LO.

    Восстановление ИС после аномального режима выполняется изменением условий на выводах SD или VCC. Когда лампу вынимают, уровень напряжения на выводе SD повышается, защёлка сбрасывается, и микросхема удерживается в незапертом состоянии. В случаях перестановки лампы уровень напряжения на выводе SD вновь падает, переустанавливая стартовую последовательность. Защёлка также может быть сброшена при падении напряжения на выводе VCC до нижнего порога.

    Применение контроллеров с высоковольтным драйвером ставит перед разработчиками электронных балластов непростые проблемы помехозащищённости ИС. При использовании высоковольтной ИС выбор компонентов и их расположение на плате чрезвычайно важны. Дело в том, что при реализации выходных комплементарных транзисторов драйверов, в структуре кристалла образуется паразитный тиристор, шунтирующий выход. Этот тиристор может отпираться при неудачной разводке и неправильном выборе компонентов. Вследствие этого наблюдается эффект защёлкивания выхода, приводящий к сбоям в работе, выходу ИС и силовых МОП-транзисторов из строя [1]. Поэтому фирмы-разработчики, заинтересованные в быстром продвижении своих изделий, дают рекомендации и приводят примеры правильной разводки печатной платы для своих ИС. Общими методами и средствами повышения помехозащищённости являются: разводка печатной платы, исключающая образование силового контура большой площади и обеспечивающая протекание тока с высоким значением di/dt по проводникам минимальной длины; подключение параллельно электролитическим конденсаторам конденсаторов с малой внутренней индуктивностью и их установка в непосредственной близости от переключающих силовых транзисторов; установка керамических конденсаторов непосредственно на выводы питания управляющих микросхем; минимально возможная длина проводников от истока и затвора силового МОП-транзистора [3].

Рис. 6. Вариант разводки общей шины	Рис. 7. Вариант разводки питания

    Для IR2157 International Rectifier рекомендует вариант разводки, приведённый на рис. 6. Электролитический и шунтирующий его керамический конденсаторы должны быть расположены между выводами VCC и COM ИС, и так близко к ним, как показано ниже на рис. 7. При этом керамический конденсатор СVCC размещён вплотную к выводам питания. Аналогично располагается керамический конденсатор CBS между выводами питания VS и VB драйвера плавающего уровня. Особое внимание следует уделить на соединение общей точки ИС (COM) с силовой общей шиной. Маломощный проводник общей шины схемы управления, к которому подсоединяются времязадающие компоненты, и проводник выхода драйвера затвора нижнего ключа возвращаются к этой точке ИС. COM-вывод соединён с нижним выводом резистора датчика тока в истоке нижнего силового МОП-транзистора, используя индивидуальную дорожку на плате (рис. 6). Таким образом, силовая общая шина обходит путь времязадающих компонентов; сглаживающий конденсатор CVCC подсоединён непосредственно к выводу СОМ ИС, а не через отдельные проводники или перемычки к другим дорожкам общей шины на плате. Такая техника соединения предотвращает сильноточные петли общей шины от вмешательства в работу времязадающих компонентов, и позволяет чувствительной схеме управления защититься от рабочего шума, исходящего от выходных ключей.

Литература

1. Силовые полупроводниковые приборы. International Rectifier. Книга по применению. Пер. с англ./ Под ред. В.В. Токарева. — Воронеж: Издательство ТОО МП “Элист”. — 1995. — 661 с.
2. http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir2157.pdf.
3. Панфилов Д.И., Поляков В.Д., Поляков Ю.Д., Барышников А.Н. Электронные балласты для трубчатых люминесцентных ламп // Инженерная микроэлектроника. — 1999. — № 2. — C. 18–22.