功能得到增强的低压卤素灯控制电路设计

本文阐述的新一代高度集成电子变压器设计基于智能半桥驱动器IC--IR2161，相比使用双极晶体管的传统自振式系统，它能实现软启动和自适应的死区时间，并极大增强了电压补偿、短路和过载保护、亮度调节等功能。

直到现在，卤素灯的控制器价钱一直很高，即使这些控制器没有保护卤素灯的功能。有一种新的集成方法有望克服这些缺点，为卤素灯提供保护。

图1：基于IR2161的新一代高 度集成电子变压器设计实例。

对于专用照明和家用照明，低电压卤素灯有很多优点，其中包括亮度高、光束集中、优异的颜色温度、尺寸小，而且由于工作电压低(通常是12V)，因而很安全。

为了使这些优点能够在各种卤素灯中得到发挥，电子变压器取代了传统的绕线式降压变压器。电子变压器除了尺寸小、重量轻，还增加了短路保护和温度保护。而在绕线式变压器中，一般是没有这些保护功能的。传统的电子变压器是用自谐振双极晶体管半桥电路做成，进入市场己经有一段时间了。诸如亮度控制等其他特性，可通过基于三端双向可控硅的前沿相位控制调光器来实现，或者用晶体管控制后沿调光器来实现。

其工作频率根据温度和负载电流而改变，并且与开关晶体管的增益和存储时间有关。晶体管的增益和存储时间也必须匹配，目的是得到均衡的占空比。它的一个缺点是关断电路一般很粗糙，如果在调光或者出现过载，就不能工作。

如果振荡器和关断电路都集成在一片IC内，并且把过热时的关断电路也集成进去，就不需要在外面另外使用价格不菲的热敏电阻器，这样的解决方案可以用在很多地方。以往的双极晶体管也能用效率更高的MOSFET或者IGBT晶体管来取代，后两者是用IC内的低压边驱动器和高压边驱动器来推动。

图1显示了这种新一代高度集成电子变压器的一个实例，它采用了专门的智能半桥驱动器IC-IR2161，以支持更复杂的低压卤素灯控制和保护。这个集成度更高的方案所实现的新型、改进功能包括：1. 软启动；2. 增强的电压补偿；3. 增强的短路和过载关断功能；4. 自适应的死区时间；5. 增强的亮度调节功能。

软启动方式

卤素灯的电阻温度系数是正的，故卤素灯在接通电源时的电阻比它发光时的电阻低很多，通常会引起很大的浪涌电流。在最坏的情况下，这会触发转换器中的关断电路。

IR2161具有软启动的功能，它解决了这个问题。当此IC开始振荡时，频率最初非常高(大约是120kHz)。这导致转换器的输出电压要低得多，因为系统中的高频变压器原边绕组的漏电感是固定的，在高频时呈现高阻抗，因而使原边绕组上的交流电压较低。输出电压降低了，自然卤素灯中的电流也就减少了，这样浪涌电流也就减少了，不会触发关断电路，而且缓解了灯丝的压力。

图2：外部的相位调节控制电 路工作在后沿模式来调节亮度。

增强电压补偿功能

对于卤素灯，加在它上面的电压不要过高，因为电压过高会造成灯丝温度过高，卤素灯的寿命会缩短很多。但问题是，输出变压器不可能永远耦合得尽善尽美，总是需要一定程度的负载调节。必须把变压器设计成在最大负载电流的情况下卤素灯电压应当高到可以确保它的亮度足够，而在负载电流最小时，卤素灯电压不可以超过最高期望电压。

在使用双极晶体管的传统自振式系统中，频率略有变化，这取决于进行补偿的负载。频率上升，有利于降低输出电压。但是，这种作用是非线性的，与许多电路参数有关──这很难预先知道。

相比之下，IR2161具有监测负载电流的功能，这是通过感测电流的电阻器(RCS)进行的。当处于电压补偿方式时，峰值最大电流被检测出来并放大，送往CSD管脚。CSD电容器两端的电压在0V(负载电流为零)到5V(最大负载电流)之间变化。

在正常运行(RUN)状态下，振荡器的频率从大约33kHz(这时V_CSD是5V，负载电流最大)变化到62kHz(这时V_CSD是0V，负载电流为零)。于是在负载电流较小时，频率将上移，结果输出电压将下降到低于卤素灯上所希望的最大电压。这样对负载电流进行了充分的补偿，卤素灯上的电压总是处在可以接受的范围之内，同时并不需要用到一个复杂而价钱很高、牵涉到输出反馈的系统。

过载和短路关断

为了在半桥电路检测到大电流时立即对卤素灯进行保护，低压照明控制器包含一种保护电路：在检测到过大的电流时，它在一段时间内会防止振荡器开始振荡。在基于双极晶体管的传统自振式系统中，一只感测电流的电阻器对电容器C充电，使晶体管一段时间内维持在导通状态，这段时间与C的数值成正比。当晶体管处在导通状态时，振荡器不会重新开始振荡。

可是这种机制并不可靠，例如，如果在卤素灯调光时，它常常出错。虽然它对极端的短路情况的响应很好，对于过载，它往往不能正确响应。

IR2161中的关断电路监测CS管脚上的负载电流，把短路或者过载检测出来。如果出现短路，系统必须在市电的几个周期内把系统关断，防止 MOSFET芯片因温度过高而损坏。为了做到这点，CS管脚有一个内部的1.2V阈值电压。如果电压超出这个电平的时间超过50ms，便把系统关断。在接通系统时出现的浪涌电流会造成误触发，使用外部的三端双向可控硅调相电路来调节亮度也会带来瞬态电流从而造成误触发。为了防止这两种误触发，50ms的延迟是必不可少的。

图3：前沿调光器的工作情况。

它还有一个更低的0.5V阈值电压，在关断系统之前它的延迟时间要长得多。这可以用于实现过载保护，例如，将过多的卤素灯连接到输出的情况。如果输出在电缆的另外一头出现短路，而电缆的电阻又相当大，它也会作出反应，防止电流过大以致触发短路保护电路。过载关断的阈值电压大约比最大负载高50%，延迟时大约是0.5秒。这是基于一个电流波形来实现的，该电流波形的包络是正弦的，它包含一个高频的方波分量，占空比为50%。

这两种关断模式都可以自动复位，在关断系统大约0.5秒之后，振荡器又开始产生振荡。所以，在把故障排除后，系统又可以开始正常地工作，不必把电网电压切断，然后再接通。它还为最终用户提供过载指示：如果接到系统上的卤素灯过多，所有卤素灯都会连续不停地闪烁。

自适应的死区时间

在电网的半个周期内，因为直流母线电压会改变，故可能需要改变死区时间，以便在所有时候都做到软切换。IR2161有一个自适应的死区时间系统，当检测到半桥的电压下降到0V(COM)时，它把LO输出设置在高电平。内部的采样保持电路允许同样的延迟时间用于LO变成低电平之后将HO设置成高电平。这在振荡器每一周期里都进行，因此不论外部的情况如何，都按照需要来调节死区时间。设计人员不必考虑MOSFET晶体管中的寄生电容或输出变压器的漏电感来相应地设定死区时间。

系统被设计成死区时间是250ns以下，应当足以应对实际的卤素灯转换器的输出变压器漏电感和MOSFET晶体管的寄生电容。

调节亮度

几乎所有的卤素灯转换器可以用一个外部的相位调节电路工作在后沿模式来调节亮度。它的工作原理如图2所示。它根据亮度调节开关将直流母线电压切断的相位角来改变卤素灯上的RMS电压。通过这个方法，卤素灯的亮度可以从零调节到最大。

但是，用后沿调光器需要使用两只MOSFET或者IGBT晶体管，成本比较高。可以用一只三端双向可控硅来构建前沿调光器，但是许多卤素灯转换器不能这样做。尽管通过细心地设计滤波器，普通的转换器就可以使用这种类型的调光器，但IR2161只需要一只外部的电阻器和电容器。当三端双向可控硅导通时将一个很大的电流送往VCC，这时的dV/dt很大，R-C电路就是利用这个很大的dV/dt，使母线电压迅速地从零上升到交流电网的电压。图3是前沿调光器的工作情况。

作者：Peter Green

国际整流器公司照明技术部