基于集成芯片的低压大功率可控硅调光型节能灯的解决方案

赖兵

(上海交通大学，上海200240)

在严峻的能源供给形势下，新型环保节能的产品成为关注的热点。相对于传统的白炽灯，在输出相同的光效情况下，荧光灯的节电效能可达到70%～80%，因而被称为“绿色照明”。随着对更高生活品质的追求，人们对照明环境的体感舒适度要求越来越高，可调光的荧光灯照明系统就是这种更加人性化的具体实现，而且调光节能灯不仅可以使灯的光输出更适合人们的需要，还可以最大限度地节能[1]。

当前，可调光的荧光灯照明系统大体可分为两类:分离式电子镇流器驱动的荧光灯系统与调光型一体化节能灯。由于分离式系统的布线比较复杂而且需要较大的安装空间，所以该系统在一些应用环境中存在局限性。而从安装便利、有限空间利用以及整体美观的角度来看，可调光型一体化节能灯具有其独特性和先进性。

传统的可调光节能灯，大多采用磁环驱动和分立器件的设计方法，具有电路简单、成本低廉的优势。但该类系统同时具有较明显的离散性和温度依赖性，其性能、可靠性较差；又由于其在落后的调光技术和有限空间的热管理方面的局限性，使得产品应用还大多停留在低压小功率(120 V)或高压较大功率(220 V～240 V)的照明系统中。为了克服传统一体化节能灯的不足，本文介绍一种新的技术解决方案，即采用基于集成芯片的优化设计和热管理技术，实现低压大功率的小尺寸、高性能、低成本的可控硅调光型节能灯[1]。

1 技术方案

设计要求:前/后沿切角的可控硅调光器，供电系统120 V/50～60 Hz，满载功率输出＞40 W，调光范围5%～100%，整机满载效率＞85%，寿命＞10 000小时，FCC Class B民用级电磁兼容，UL安全认证、灯光无闪烁、低噪声＜20 dB、尺寸小、成本低。

技术平台[3]:可控硅调光器+滤波整流+集成芯片+闭环反馈控制+滞环控制+故障安全保护。平台核心采用英飞凌公司的宽功率负载集成芯片ICB1FL02G[2]。该芯片具有CCM模式的有源功率校正(APFC)升压调节，半桥频控驱动、压控振荡器、过压过流及故障保护功能。技术方案中调光功能是通过外部预置电压信号控制芯片的压控振荡器(VCO)，并由VCO线性地产生所对应的半桥驱动频率，由该频率驱动LC串联谐振来进行可控的灯光输出调节，实现通过预设电压产生连续可控的调光输出。技术平台基本实现如图1所示。

2 主要功能

系统的基本工作信号流[3]如图2所示。在120 V/50～60 Hz低压供电系统中，输入电压Vin经前/后沿切角的可控硅调光器后得到包含切角信号φ的电压V1(φ)，V1(φ)滤波整流后的电压为V2，V2再经过APFC(Boost升压拓扑)电路升压转化为后级负载所需要的母线电压V4。V4通过高频半桥驱动LCR(ω)负载(R为灯负载)，使R获得与半桥频率对应的电压电流并以光的方式输出，并且光亮度与频率成反比。同时，V2经过采样电路得到与调光器切角φ相对应的预设调光电压信号V3[4]，V3通过VCO线性地产生相应的频率信号ω来驱动半桥的负载，从而实现以旋转调光器的切角调节不同亮度的光输出。

为了得到高安全可靠性，系统采用相关的过压/过流保护和负载故障保护，即当系统检测到过压/过流时，APFC电路将停止工作，直至过压/过流状态消失后电路重新恢复工作。过压/过流保护设计确保了后级母线电压V4及电源输入电流不出现异常破坏性的升高；当系统检测到灯负载故障(漏气灯、进入整流态的灯)时，系统将停止工作，直至故障消失。

灯负载的闭环控制实现了预设调光信号V3对灯反馈信号V5的校正。当偏差信号ΔV趋于零即V5=V3时，闭环控制实现了光输出完全唯一地跟随预设调光信号，从而可得到稳定、可控的灯光输出。

为了提高灯的使用寿命，需要给灯丝合适的能量。灯在点亮之前，灯丝需获得预热能量以避免辉光的产生；在整个调光过程中，灯丝需要维持相应的能量(级)以确保荧光冲击电子的发射。本方案采用辅助的灯丝预热控制电路，使灯的寿命周期达到10 kh以上。灯使用寿命的提高直接降低了产品使用成本，同时也间接减少了产品过早失效废弃而产生的环境成本。

3 主要功能模块

3.1 有源功率校正(APFC)

采用Boost升压拓扑，将反映调光器切角φ的低压脉动直流电压V2升压至系统负载所需要的高压低脉动直流母线电压V4，以使得输出级负载在启动时获得足够的击穿电压并在连续工作时具有合适的相位裕量。普通的调光节能灯大多无APFC电路，不能将低输入电压提升到与负载相适应的等级，而且在输入电压的波谷甚至波峰时，负载回路不能获得足够相位裕角，严重限制了低压大功率节能灯的运用。相反，本方案由于APFC的引入，使得在整个调光器的切角范围内获得连续稳定的后级母线电压，并实现低压大功率设计。

3.2 压控振荡器(VCO)与半桥负载驱动

VCO将输入的预设调光信号V3转化为对应的负载半桥驱动频率信号ω，而且电压V3与频率ω成反向关联:V3越大，ω越小；V3越小，ω越大。如图3为V3与ω间的关系。V3为为调光设定电压，ω为半桥(负载)驱动频率。

获得的频率ω将直接控制半桥负载驱动，半桥输出的方波电压V(ω)通过LCR(ω)负载将能量传递给灯负载R，实现预设电压V3的变化，以改变灯输出的亮度。而且电压V3与灯光输出成正向关联:V3越大，灯光越亮；V3越小，灯光越暗。V(ω)与灯负载回路的能量传递关系如图4所示。

3.3 深度调光的滞环控制

由于可控硅调光器直接与输入电源Vin串联[5]，并将切角后的电压信号V1(φ)经过滤波整流电压信号V2作为调光采样的信号源。由信号源V2采样而来的预设调光信号V3在深度调光状态时具有如下特点:当V3处于灯刚刚熄灭的临界值时，由于输入电源的波动造成V3跟随波动，使得V3在临界值附近上下波动，最终造成灯光的时灭时亮，产生灯光闪烁[6]现象。为了避免这种由于输入电压波动造成的灯闪烁，可以在深度调光时采用信号滞环控制电路来设置合适的滞回值ΔV_1来加以解决。具体的滞回值ΔV_1根据图5所示电路参数设定。

3.3.1 开通时的V_1对应的V_1(1)值

Q1关断，Q2开通，V_1(1)与R1、R2、R3和R1、R4、Q2两个回路相关。

由于，V_2=(VBE1/R3)×(R1+R2)，且V_2=IR4×R4+V_5=IR4×R4+VCE2

所以，开通时刻V_1(1)的电压信号为:

3.3.2 关断时V_1对应的V_1(2)值

R4、Q2回路断开，V_1(2)只与R1、R2、R3，Q1回路有关。

所以，关断时刻V_1(2)的电压信号为:

3.3.3 调光信号的滞回电压ΔV_1

由于在开通和关断的不同时刻会有不同的电压信号V_1(1)和V_1(2)，其差值ΔV_1=V_1(1)-V_1(2)=R1×{VBE1/R3+[(VBE1/R3)×(R1+R2)-VCE2]/R4}+(R1+R2)×(VBE1/R3)-(R1+R2+R3)×(VBE1/R3)。通过合理设置滞回值ΔV_1，可避免在深度调光状态时由于输入电源波动造成误触发而产生灯闪烁。

3.4 灯光输出的闭环反馈和RCC校正[3]

通过两个同型号的NPN三极管Q3、Q4，将预设定的调光信号Vdim和灯负载的反馈信号Vlamp进行差分放大产生误差信号ΔVCO，并把ΔVCO作为VCO的输入控制信号来产生相应的半桥驱动频率Δω。当ΔVCO→0时Δω→0，最终通过闭环反馈使灯光输出与期望的预设定值相同:Vlamp=Vdim。

同时，由于荧光灯的电化学特性，在调光的过程中，灯的光输出会出现“模态”现象:同一个频率点对应2个不同的功率点(不同的灯光输出)，会引起视觉上的灯闪烁现象。为了解决这种由于灯本身特性出现的“模态”问题而造成的灯闪烁，可以采用由C2、C3、R6构成合适的RCC频率特性补偿电路和灯光输出的闭环反馈回路组合结构来实现。这种耦合了频率响应特性的灯光输出闭环回路将使得光输出(近似于灯电流)始终跟随预设定值。最终实现调光过程中的“模态”现象被矫正，从而避免灯光输出的闪烁。组合结构的具体电路如图6所示。

4 调光性能的实验分析

调光输出曲线反映了连续平滑的输出流明(调光亮度)与调光器切角深度的关系，如图7所示。切角越大，调光深度越大，灯光输出越暗。

本方案满足了108 V～132 V宽输入电压波动时也能获得比较理想的调光性能，使调光深度与调光器切角近乎成线性关系，在最小和最大切角附近时调光曲线近似“饱和”。实现了采用可控硅调光器的低压大功率可调光节能灯的设计(理论上可达到最大70 W的设计能力)，获得了比较理想的调光性能和非常高的性价比。在5%～100%调光范围，整个过程中灯光无闪烁，且具有低成本、低噪音、小尺寸、高可靠性、长寿命、绿色环保的特点，适合人们实现更高生活品质的目标要求。

[1]李先栗.我国紧凑型荧光灯技术的新进展[J].中国照明电器，2009(3):11-15.

[2]ICB1FL02GV1.2，smart ballast control IC for fluorescent lamp ballasts[OL].In fineon Technologies AG，2006:1-36.Http://www.infineon.com/dgdl/Datasheet-ICB1FL02G-V1-2.pdf?folderId=db3a304412b407950112b408e8c90004&fileId=db3a304412b407950112b436658d6610.

[3]Philips Lighting Electronics.Budget dimmable ballast.Technical platform for triac dimmer[M]，2004.

[4]范穆尔斯J.使用双向可控硅调光器进行调光的方法和电路[P].皇家飞利浦电子，2006.

[5]王晓.相位控制可调光CFL[J].灯与照明，2000，24(2):24-26.

[6]余希湖，蒋涌潮.光源闪烁对视觉影响的研究[J].照明工程学报，1996，7(2):22-26.