新型自振蕩電源轉換器VK05CFL



1. 技術概述
  VK05CFL是一種用于驅動微型熒光燈的自振蕩轉換器,采用意法半導體的VIPower* M3-3專利技術制造而成,允許在同一芯片上集成控制部分和電源級.電源級是一個“發射器開關”,其構成是在級聯配置內放置一個雙極高壓復合晶體管和一個低壓MOSFET,因此,在高擊穿電壓在關斷狀態時的雙極低壓降和MOSFETS的高開關速度之間,提供了一個最佳的折衷方案.M3-3技術的剖面圖如圖1所示.

由于在關斷狀態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基極電流基本上是集電極電流,因此,在“發射器開關” 配置中,可以實現一個很高的頻率(≈200kHz),從而使級聯配置的開關性能遠遠高于一個標準雙極晶體管,并可與一個MOSFET器件相媲美.在這一點上,我們可以說,這是一個不儲存電荷的器件.

另一方面, 無電流阻塞可以提供一個十分優秀的RBSOA(反向偏壓工作區)的數值.

2. VK05CFL框圖
  VK05CFL框圖如圖3所示.這個器件有5個引腳:二極管交流開關引腳、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配置的低壓功率MOSFET的源極相連.


二極管交流開關引腳:集成了二極管交流開關功能和外部二極管交流開關電容器放電電路,二極管交流開關引腳與啟動系統所需的集成二極管交流開關塊的輸入相連.
二次繞組引腳:與變壓器的二次繞組相連,以便觸發器件或給器件供電.
  振蕩器引腳:這一器件集成了在穩態下調整系統工作頻率的振蕩器,這一引腳是調整穩態工作頻率所需的電容器的充電輸出端.
  使用兩個器件實現一個完整的CFL H型橋接驅動器:一個連接在高側配置中,另一個連接在低側配置中.
在高側配置連接的VK05CFL中,二極管交流開關引腳連接到中點,以便驅動這個器件.

3. 轉換器電路描述
圖5是VK05CFL用于自振蕩轉換器的電氣結構圖.

這個拓撲結構不需要飽和變壓器來調整工作頻率.在鎮流器的扼流線圈Lp上繞有兩個二次繞組,這些繞組有兩個功能:1)觸發導通狀態,2)為器件供電.主繞組Lp和兩個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負責調整穩態的工作頻率,電流Icap≈200μA給這兩個電容充電.當電容上的電壓達到一個內部固定值時,電源級關閉.通過給C6 和 C7選擇相同的值,電路可以50%的負載比工作.在啟動階段,當諧振率頻率高于穩態頻率時,在電容C6-C7充電前,二次電壓低于器件保持電壓,器件關斷.因此,在啟動和穩態時,電路可以工作在不同的頻率上.
電阻R1和電容C1必須在低側器件內給內部二極管交流開關加偏壓,以便驅動系統.
  在高側器件內,二極管交流開關引腳必須連接到中點.R2是上拉電阻器,C2是吸收電容器.如果電子管需要預熱,可以在低側器件臨近增加最亮塊,否則,電路在“冷點火”時會工作.輸入過濾由R3-C8 和R4-C9實現,輸入引腳上必須施加一個正確的電源電壓.

4. 轉換器功能描述
  當電路加電時,電阻R1對電容C1充電,直到電容上電壓達到內部二極管交流開關的門限值(≈30V).低側開關接通,結果,電流從HV軌道經C4//C5、C3 和Lp構成的通路流到地線.Lp上的壓降“傳送”到二次繞組(反向纏繞),以便對低側器件確認導通狀態,對高側確認關斷狀態.一旦低側器件導通,為防止二極管交流開關重新啟動,一個內HV二極管使電容C1對地放電.在這初始階段,電子管處于關斷狀態,而且電路在Lp-C3串聯上與C4//C5諧振頻率一起振蕩.
我們可以忽略 C4//C5.
  當這一頻率高于穩態頻率時,這兩個器件在這一頻率上通斷,因為二次繞組上的電壓低于保持器件導通所需的電壓.只要電子管一點火,諧振頻率就會降低??(Lp-C4//C5),電路將工作在由C6和C7兩個電容固定的穩態頻率上.利用下面的公式,可以計算穩態頻率:
        Ton=RCLn2  (R為內部阻抗)
以VK05CFL電路板為例:
因為: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,啟動階段沒有預熱,圖7是穩態下的主波形.從圖7中不難看出,二次電壓的削波隨著電流增加而降低,這是因為提高流經電子管的電流,電子管上的壓降也隨著增加,結果,鎮流器電感線圈Lp上的電壓降低,同時二次電壓也隨著降低.
  在兩個二次繞組和該器件之間插入一個濾波器(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的用途可擴展到所有功率范圍的微型熒光燈.

5. 結論
  微型熒光燈電源電子轉換器是通過采用不同的拓撲結構實現的,雙極晶體管或MOSFET是今天用于電源級的唯一器件.
  VK05CFL是意法半導體開發的創新的專利解決方案:電子轉換器的電源級采用了一個“發射器開關”配置.應用了單片系統的思路,在硅片上集成了轉換器的大部分功能.最終成果:系統成本大幅度降低,系統的可靠性全面提升,與燈相關的電子器件進一步微型化.
  微型熒光燈與傳統的白熾燈相比每瓦光輸出至少提高了3倍.今天,一個23瓦的微型熒光燈和一個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,所節省的巨大的能源將超出我們想象!
有關VK05CFL的應用原則請訪問ST網站www.st.com/vipower.