荧光灯高功率因数电子镇流器设计

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1 / 14 高功率因数荧光灯电子镇流器设计

——PWM型AC/DC和DC/AC变换电路综合应用专题

照明技术与我们日常生活息息相关，在工厂、办公室、图书馆、餐厅、学校、商店等场所，照明技术为我们提供了宜人的工作、生活环境。在现代照明技术中，电子镇流器由于其效率高、无频闪、无噪声、体积小等优点得到了广泛应用，此外，电子镇流器还能够实现调光，功率因数校正、同时驱动多支灯管等功能。照明系统依赖于镇流器与灯源的协同工作，了解灯源的工作特性是设计电子镇流器的前提。

一、荧光灯的结构和工作特性

1、荧光灯的结构组成

家庭及工业照明用荧光灯（俗称日光灯）是一种低压汞蒸汽放电灯，其大部分光是由放电产生的紫外线激发管壁上的荧光粉涂层而发射出来的。附图5-1是直管形荧光灯结构示意图。荧光灯的核心部分是管形玻璃管和灯丝，其中，玻璃

管的内壁上涂有荧光粉。管内填充有惰性气体（如氩）和低气压汞蒸汽。在灯两端各有一个电极，电极通常由钨螺旋做成，上面涂有热电子发射材料，人们将这种涂有电子发射材料的灯丝称为阴极。灯丝两端与被称为导丝的支架相连接，导丝又与两个引出电极相连。导丝和喇叭管等组成芯柱，其作用是保证电导线与玻璃壳进行气密性封接。

荧光灯工作时，放电发生在低气压的汞蒸汽和惰性气体的混合气中，产生很强的253.7nm的紫外辐射，经荧光粉转换成可见光。

2、荧光灯的主要特性

与其它一些气体放电灯一样，荧光灯具有负阻抗特性，典型的荧光灯电压—电流（V-I）特性曲线如附图5-2所示。附图5-1 直型荧光灯管的结构示意图 灯头导丝灯丝喇叭管电极希望对大家有所帮助，多谢您的浏览！

2 / 14 当施加于荧光灯两端的电压低于触发启动电压（Ustrike）时，灯呈高阻关断状态，灯中没有电流通过，一旦外加电压达到了灯的点火电压值，灯则导通，并且其两端电压立即降低，灯电流增大，呈现负阻特性。由于外接镇流器的限流作用，使灯电流稳定在额定值，并且灯两端的导通电压降（Uon）也基本保持不变。

荧光灯的触发启动电压和正常工作时灯两端的电压降与灯管长度、灯管直径、灯管内填充气体的种类、气压、温度以及电极种类（是冷阴极还是热阴极）等因素有关。荧光灯点火启动电压范围一般为500V～1200V，灯点燃后稳定工作时的灯端的电压降一般为40V～110V。

附图5-3是荧光灯从启动后进入稳态工作时的电压（或阻抗）曲线。从图中可以看出，灯在启动点火时的电压（或阻抗）很高，在点火之后，灯两端的电压急剧下降，尔后略有升高，最后进入稳态工作状态，在这一过程中，阻抗曲线与电压曲线是一致的。荧光灯在稳态条件下，可以等效为一个恒定不变的电阻。

3、荧光灯工作频率对光效的影响

电感式荧光灯一般工作在工频50 Hz或60Hz，当荧光灯工作的频率从50Hz附图5-2 荧光灯电压—电流特性曲线 附图5-3 荧光灯电压（或阻抗）曲线 希望对大家有所帮助，多谢您的浏览！

3 / 14 增加到15kHz时，发现灯的光效η也逐渐增加，然后η基本保持不变。所以对普通荧光灯而言，考虑到材料、元件等成本方面的因素，工作频率以20～50kHz为好，这也是目前荧光灯电子镇流器的工作频率范围。

在对荧光灯的研究中，当荧光灯高频工作时，灯的特性有以下变化特点：

（1）当工作频率升高时，灯的特性逐渐变成电阻性的，灯的电压和电流波形都接近正弦波；

（2）在工作频率大于15kHz后，灯的光效比50（60）Hz时明显提高。

二、荧光灯电子镇流器的电路结构

典型的荧光灯电子镇流器通常包括整流电路和逆变电路两大部分。简易的电子镇流器一般直接采用电容滤波单相桥式不控整流电路作为输入部分，而高性能的电子镇流器一般采用单相PFC电路（PWM型AC/DC变换）作为输入部分；逆变部分多用半桥电路，逆变电路的输出接灯电路网络。灯电路网络的作用是提供灯启动的高压、维持点燃后的灯电流在合适的范围。附图5－4示出了典型高性能电子镇流器的结构框图。

三、高性能荧光灯电子镇流器电路设计

根据前面的介绍，高性能电子镇流器的设计包含了单相PFC电路设计和逆变电路设计两大部分工作。无论是单相PFC电路还是逆变电路都有许多种电路设计方案，附图5－5给出了以MC33262和IR21531芯片为核心的一种设计方案，下面以该方案为例介绍电子镇流器的设计方法。

1、单相APFC电路的设计

单相PFC电路有很多专用的控制芯片，如UC3854/3858、 桥式整流器逆变电路灯电路网络

PFC电路PFC控制电路逆变控制电路附图5-4 典型高性能电子镇流器结构框图 希望对大家有所帮助，多谢您的浏览！

4 / 14 IR1150、MC33262/34262、L6561等。不同芯片的控制原理、设计要求各不相同，本节以MC33262希望对大家有所帮助，多谢您的浏览！

4 / 14 /34262为例介绍单相PFC电路的设计，其他电路的应用设计可以参考相关的资料。

MC33262系列PFC控制芯片为8脚双列直插塑封（亦有表面贴装封装）器件，内部含有自起动定时器、乘法器、零电流检测器、图腾柱驱动输出（0.5A）以及过压、欠压和过流等保护电路，内部结构简要框图见附图5-6。MC33262系列PFC控制芯片的最大特点是采用临界导电控制模式，这种控制模式的特点是储能电感中的电流为零时功率管才能导通，这样就大大减小了开关的应力，同时也减小了二极管恢复时间引起的开关损耗，对二极管的恢复时间要求也较低，选

附图 5-6 MC33262内部结构简要框图 附图5-5 高功率因数荧光灯电子镇流器原理图

12344321TitleNumberSizeA4Date:5-May-2008 Sheet oFile:D:\My Documents\设计文件\电子镇流器.ddbDrawn ByC6R1R2R3R4C7C8T1VD5VT1R5R6R7R8C9C10VD6VD7R10R9C7C13C14C11L5CT3RT2VCC1VS6VB8HO7COM4LO5U2IR21531C15VT2VT3L1L2C2C3C1L3C4C5VD1VD2VD4VD3LNH1C12VD8VD9R12R11C17C16t °CR13(PTC)Mult3Csi4Zcid5Vfb1VCC8Do7Comp2GND6N1MC33262希望对大家有所帮助，多谢您的浏览！

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用普通的快恢复二极管即可满足要求；

另外，由MC34262构成的功率因数校正电路结构简单、外围电路元器件少，缩小了电路的体积并降低成本，同时也提高了系统的可靠性。参考附图5-5 的结构，APFC部分电路设计如下：

（1）进线滤波电路

该部分电路的功能主要是抑制电力电子开关电路的高频共模、差模干扰（又称EMI滤波器），一般分为高频差模滤波器和共模滤波器两部分，如图5－5所示，L1～L3、C1～C5构成了EMI滤波器。

L1、L2的电感值一般在几百微亨～几个毫亨之间，C1通常取0.1μF左右，C2～C5一般取2200pF～4700pF，L3一般在0.3mH～40mH之间。

（2）桥式整流电路

整流电路输入电压为工频正弦，流过的电流也近似为工频正弦，输入功率因数约为1。因此，二极管VD1～VD4承受的最高电压为输入最大相电压峰值，依据逆变输出的功率和估算的电路效率可以大致计算出输入电流的有效值，这样就很容易确定输入整流二极管的参数要求。

假定输入交流电压的最大峰值为Uacpkm、灯负载的功率为PH、输入输出的变换效率为η、输入最低交流电压有效值为Uacmin，则

整流二极管反向重复峰值电压为 acpkmRRM)0.2~5.1(UU

整流二极管正向通态平均电流为

acminHF(AV)57.1)0.2~5.1(UPI希望对大家有所帮助，多谢您的浏览！

6 / 14 （3）C6的选择

C6起高频滤波作用，根据器件数据手册的典型设计，典型参数取值范围为1μF～2 μF，功率小时可以适当减小。电容承受最高电压为输入最大相电压的峰值，以此可以确定电容C6参数，一般可以选择耐压为250VAC以上的薄膜电容或瓷片电容。

（4）R1与R2的选择

乘法器的输入电压范围最小为0～2.5V，应保证输入为最大相电压的峰值时乘法器的输入在正常输入电压范围，即要求

212acpkmV5.2RRRU

R1与R2数据的具体选择范围，可以参考数据手册的典型设计。

（5）R3与C7的选择

R3与C7构成了启动电路，依据器件的数据手册，启动时最大电源电流Iccmax=0.4mA，运行时Iccmax=12mA。考虑到电容C7的储能作用，因此流过R3的最大电流可以选在两者之间，参考数据手册的典型设计可取R3=100kΩ，μF1007C。

（6）C8的选择

由MC33262/34262芯片资料，内部误差放大器的跨导mming=80μmho，其带宽为

8mπ2BWCg

一般设置BW=20Hz左右，可以选取μF68.08C。

（7）R7与R8的选择

R7与R8用于设定APFC输出电压，MC33262/34262芯片电压反馈输入典型阈值VFB=2.5V，它由芯片内部提供的基准电压Vref确定。

假定APFC输出电压为Ud，则R7与R8满足

d878V5.2URRR

对于单相交流输入，通常设定Ud为400V左右，参考数据手册的典型参数希望对大家有所帮助，多谢您的浏览！

7 / 14 ，一般可取R8=10kΩ，R7 =1.6MΩ。

（8）VD6的选择

假定APFC输出电压为Ud，当VD6关断时，承受的反向电压约为Ud，以此可以确定二极管的反向重复峰值电压。

由于APFC输出直流电流可以由输出功率方便确定，对于电子镇流器这样的小功率的应用，可以直接利用输出直流电流保留一定的余量来作为VD6的有效值电流，以此选择二极管的电流容量。

二极管的反向重复峰值电压为 dRRM)0.2~5.1(UU

二极管的正向通态平均电流为

dHF(AV)1.57)0.2~5.1(UPI

以MC33262/34262控制芯片构建的APFC电路属于变频工作，输入电压的变化范围不同，电路的工作频率变化范围也不同，其变化范围大致为25kHz～50kHz，一般可以选择反向恢复时间不大于100ns的快恢复二极管。

（9）R4与VD5的选择

R4的作用是电感电流的过零检测，电感T1实际是一个反激式变压器。电流过零检测端的输入电压钳位范围为-0.7V～6.7V，内部滞环比较器的两个阈值点典型值为1.4V和1.6V，当R4输入电压小于1.4V时，认为电感电流过零。R4的实际作用是对输入电压信号的限流，电流过零检测引脚的极限电流为-10mA～50mA，参考数据手册的参数选择标准，可以设定电流过零检测端输入峰值电流为1mA左右来选择R4的阻值，即kΩ224R左右。

VD5的作用是为芯片工作提供持续的电源电流，由于R3与C7仅能提供芯片启动工作，持续工作的能量必须由VD5来提供，由于整个控制电路功率很小，因此VD5可以选择1A左右的快恢复二极管。