基于Ap1661芯片的荧光灯电子镇流器设计

　　前言

　　荧光灯应用广泛，种类繁多，特性参数专业性较强，通常可根据管径、光色、功率进行分类。

　　荧光灯管按管径大小分为：T12、T10、T8、T6、T5、T4、T3等规格。T+数字组合，表示管径的毫米数值：T=1／8英时，一英时为25.4mm，数字代表T的个数，故T12=25.4mm×1／8×12=38mm。荧光灯管管径与电参数的关系是管径越细，光效越高，节电效果越好；管径越细，灯点燃的启辉电压越高，对镇流器技术性能要求也越高。管径大于T8(含T8)，点燃启辉电压较低。点燃启辉电压小于1／2单相工频交流电源电压定律，可采用电感式磁镇流器点燃运行；管径小于T8，启辉点燃电压较高，不满足点燃启辉电压小于1／2单相工频交流电源电压定律，不能采用电感式镇流器点燃启辉，必须配置电子式镇流器才行。

　　荧光灯按光色可分为三基色，冷白日光色和暖白日光色三种。灯的光色与灯管内所涂荧光粉和填充气体种类不同而不同。管内涂卤素荧光粉，填充氩、氪、氩混合气体光色为冷白日光色或暖白日光色荧光灯管。这两种光色的显色性能较低，显色指数一般小于40。远远小于自然太阳光显色指数等于100的标准值。这两种光色的荧光灯发光效率、有效照度低也比较低，灯点燃启辉寿命短(一般在5000至6000小时之内)。这两种光色的荧光灯管不属于高效节能电光源，不符合绿色照明技术要求。涂三基色稀土荧光粉，填充高效发光气体。光色为三基色合成的高显色性太阳光色。显色指数大于82，接近于自然太阳光。这种荧光灯管发光效率较高，光效一般为每瓦65至120流明。荧光灯实际光效的高低与所用镇流器性能以及镇流器-荧光灯的兼容程度有直接关系，因此，实际照明设计时，应选用技术性能先进的电子镇流器，并须进行荧光灯-镇流器的最佳匹配和调试。这种灯的点燃启辉寿命也较长，一般在8000小时以上。如配置高性能电子镇流器，寿命将增加至15000至20000小时。

　　表观上，正常工作状态下荧光灯的发光功率与灯管的表面积成正比，故管径一定时，灯的发光功率与荧光灯管长度成正比，而荧光灯-镇流器的兼容和最佳匹配则是保证荧光灯正常工作的先决条件。

　　毋容置疑，除根据上述荧光灯的管径、光色和发光功率科学选用荧光灯构建高效节能、明亮舒适的照明环境外，设计和配置高性能高频电子镇流器将至关重要，本文特介绍一款基于AP1661芯片构成的荧光灯电子镇流器，供参考。

　　AP1661芯片简介

　　AP1661实际上是BCD半导体制造有限公司(BCDSemiconductorManufacturingLimited)的一款主要为电子镇流器、AC-DC适配器和脱线开关电源(SMPS)作前置功率变换设计的集成电路功率因子控制器，具有如下典型特性：
　　·不连续电流传导(DCM)临界导通模式的零电流检测控制
　　·输出电压可调并具精确过压保护
　　·启动电流低，典型值为50μA
　　·工作电流小，典型值为4mA
　　·内部基准电压精确为1％
　　·具有内部启动定时器
　　·可降低电流耗损的闭锁功能
　　·图腾柱输出的源电流达600mA，阱电流为800mA
　　·2.5V迟滞欠压锁定

　　AP1661芯片内部含一个适于独立应用的启动定时器、一个用于实现功率因数接近等于的单象限乘法器、一个确保不连续电流传导(DCM)临界导通模式的零电流检测器以及具有以600mA源电流和800mA阱电流驱动MOSFET的图腾柱输出级。图1为其内部功能和外部管脚图。

　　AP1661采用SOIC-8和IP-8两种封装。管脚功能说明如表1：

　　采用AP1661芯片的电子镇流器设计

　　图2所示为采用AP1661芯片设计的40W双灯并联电子镇流器电路图。

　　输入交流经EMI滤波和整流桥D1整流，由L1、Q1、D2和AP1661芯片构成的升压电路(Boost)，实现有源功率因子校正(APFC)。电路工作于电流不连续临界导通模式。电路后级采用两个三极管Q2、Q3和磁环T1组成的自激驱动半桥电路实现DC／AC变换，驱动两支并联荧光灯工作。

　　升压型有源功率因子校正电路(BoostPFC)的主要设计指标如表2。

　　1 Boost电感的选取

　　Boost电路工作于临界DCM模式的开关频率有如下关系：

        
 
　　据此可见，开关频率在输入正弦电压波形峰值处最低，在输入正弦电压波形过零处最高。最低开关频率应大于AP1661内部启动定时器频率15kHz，故电感值由下式确定：

　　计算得电感值应小于1.5mH。

　　Boost电感副边绕组用以检测电感电流过零点，AP1661管脚5(ZCD)检测到电压降至2.1V以下时，MOSFET导通。Boost电感原、副边匝比m可由下式计算：

　　本设计选用E25／9／6铁氧体磁芯，电感原边148匝，副边16匝。

　　2 PFG控制电路设计

        
 
　　输出电压检测和反馈环路

　　AP1661内部误差放大器调节PFC输出电压。内部精密基准电压为2.5V，INV脚接采样分压电阻R1、R2。误差放大器输出和INV脚之间外接补偿元件实现负反馈控制，通常补偿环路的带宽很低以滤除输出电压纹波以达到好的功率因数校正效果。

　　AP1661具有输出过压保护(OVP)功能。输出过压时，过冲电流经过R1和补偿电路流进误差放大器，如此电流大干40μA，为保护电路，驱动输出将被关闭。R1和R2可由下式计算：

        
 
　　本设计中，△VOVP=50V，经计算R1=1.25MΩ R2=8.2kΩ。

　　最简单的补偿电路设计是使用电容提供一个低频极点，在100Hz处有40dB衰减，同时保证有高电压增益，则：

　　C4=10／2πR1

　　我们选C4为1μF。

　　3输入电压采样电阻设计
 

        
　　AP1661内部乘法器的输入线性区间为0～3V，因此输入电压采样电阻可由下式设计。

　　VMULTpk取3V。

　　4电流采样电阻设计

　　电流采样电阻据下式计算：

        
 
　　其中，VCSpK为芯片CS管脚的最大工作电压，即1.6V。

　　5零电流检测电阻设计

　　零电流检测(ZCD)管脚的最大吸收电流为10mA，因此零电流检测电阻满足下式。
 

　　
　　训节R6大小使MOSFET在漏极电压较小时开启导通以降低开通损耗。

　　6启动电阻

       
　　图2中启动电阻R5在为芯片VCC脚提供初始工作电流，启动电阻R5需满足下式。
        

　　7 IC供电设计
　
　　本设计后级半桥供电由C3、C6、C9、C10、Z1、D3组成。C9可同时作为半桥软关断缓冲电容。若半桥停止工作，则AP1661供电不足，PFC输出电压则降低，可起到一定的保护功能。

　　半桥电路设计

　　采用磁环自激振荡方案，磁环工作于饱和模式下，驱动三极管Q2，Q3轮流导通。半桥电路工作频率与磁环特性，线圈匝数，三极管驱动电阻和存储时间都有关系。本设计半桥电路的工作频率40kHz，LC谐振电路参数取C14=C15=3.3nF，L2=L3=1.8mH。

　　结语

　　现在全世界夜间室内照明绝大多数都采用荧光灯，比传统白炽灯具有使用寿命长，发光效率高，光照面积大，可调整不同光色等优点，能满足人类绝大多数场合的需求。根据荧光灯的管径、光色和发光功率科学选用荧光灯构建高效节能、明亮舒适的照明环境外，设计和配置高性能高频电子镇流器至关重要，本文介绍基于Ap1661芯片构成的荧光灯电子镇流器以供读者参考指正。