如何给CFL提供独特的电压驱动及电磁干扰

紧凑型荧光灯泡(CFL)是用于区域照明的古老白炽灯泡的节能替代品：它将大约25%的输入电能转换为可见光输出，而传统灯泡则为5%(提高五倍)。然而，与白炽灯泡不同，白炽灯泡可以在很宽的电压范围内(取决于设计和结构细节)从AC或DC操作，或者需要20到50 mA的稳压直流电源的LED，CFL需要更多复杂的启动和工作电压序列。此外，CFL的复杂驱动电路还面临其他挑战。它必须符合EMI辐射规定，提供功率因数校正(PFC)，并处理CFL灯泡本身的故障模式，所有这些都使CFL成为一个复杂的问题。最后，如果需要对CFL进行调光(通常是这种情况)，驱动电路必须以经济有效且令人愉悦的方式实现调光，与低成本的基于Triac的白炽灯调光相当。所有必需的CFL电路，称为镇流器，必须装在灯泡底部的外壳中，形成标准的爱迪生式螺旋灯。

CFL电压和时序

在CFL中，来自加热灯丝的电子流过灯泡并与汞原子碰撞。管。由于这些碰撞，照片被释放，但它们处于UV波长范围内，因此不适用于照明。为了将UV转换成可见光，荧光管的内部涂有磷光体。当发射的紫外光子撞击这种荧光粉时，涂层发光并发出灯泡的可见光。

听起来很简单，但不像使用稳态电源轨的白炽灯和LED灯泡，CFL电压是一系列三个电压相(图1)。在预点火阶段，灯需要电流来预热其灯丝。接下来，灯泡需要高压直流电平进行点火，然后在实际运行(照明)阶段需要高频交流信号。

图1：与白炽灯泡所需的稳态电压要求或LED的恒流驱动不同，CFL在关闭和正常照明之间有三个不同的电压相位：点火，点火和操作。

所有这些电压和电流必须来自单个交流线电压(标称值为120或220 VAC)。为此，首先对线电压进行整流(全波)，并将整流的峰值电压对电容器充电，从而产生稳定的直流电压(图2)。然后通过半桥开关电路将电容器上的该DC转换为更高频率的方波AC信号。最后，高频交流驱动谐振回路，在滤波后，为回路提供正弦波电压和电流。这种谐振回路是操作的关键，因为它看起来像一个在预点火期间具有高Q值的串联LC槽电路。然而，一旦发生点火并且灯正在运行，它看起来像一个L/并联RC槽电路。

图2：将AC线转换为特定的电压和所需的顺序CFL需要多个电源管理功能模块(国际整流器公司提供)。

控制电路的镇流器管理，补偿和纠正操作问题。在典型设计中，控制器在导通时扫描半桥整流器的频率，从定义的最大值向下流向镇流器输出级的谐振频率(高Q)。当频率降低时，这预热灯丝，导致灯电压和电流消耗的增加。一旦灯电压超过其点火电压阈值并点燃，控制器电路就会调节灯电流，以维持所需的功率，从而保持照明水平。

控制问题

CFL镇流器中的控制电路必须设计成适应故障模式，例如开路灯丝，AC线路下降(掉电)和灯泡“未击中”(非击打)，以及其他问题：

EMI辐射：灯泡中的开关电路是不受欢迎的RF辐射源，可能会影响附近的无线链路，甚至会通过交流电源线向后传播。为了最大限度地减少这些并确保设计满足法规要求，控制器必须管理导致此EMI的边沿转换。

PFC ：法规要求交流线路负载具有功率因数接近1(单位)，具体功率因数值由负载的功率设定。通常，PF为0.9或更高是理想的;与高功率因数相关的是低THD(《30%是该应用的合理目标)。尽管CFL灯泡本身是灯丝负载并因此具有PF = 1的电阻，但AC线和灯丝之间的电路是电容性的，因此改变了负载的阻抗类型。因此，镇流器必须采用几种PFC技术中的一种; “谷填充”无源PFC是最常用的方法，因为它在CFL的典型功率水平下具有低成本和有效性。

波峰因数：这是两者之间的比率负载的峰值电流和平均电流。即使灯丝完好无损，灯也可能无法“撞击”或点燃(通常是温度或短暂的情况)。在这种情况下，灯电压将上升，过电流将流过，内部电感可能会饱和。这会损坏镇流器的半桥电路中的MOSFET，从而导致无用的灯。为了避免这个问题，如果峰值/平均电流和电流过高，正确设计的镇流器将监测波峰因数，并关闭MOSFET周围的内部电路。

灯调光：使用三端双向可控硅开关对白炽灯泡进行调光是很简单的：在交流波形相位的不同点开启/关闭线路AC，这会降低在保持峰值电压的同时输送到灯泡的平均功率，确保适当的白炽度。这种方法与CFL的驱动需求不兼容，并且使用带有CFL的标准调光器在范围，一致性和线性方面没有输出或差的调光操作。

控制调光，使用更复杂的反馈驱动电路。虽然有几种方法可以实现调光，但是一种方法使用AC灯电流的测量结果与对应于所需调光水平的DC参考电压相结合。然后，控制器通过调节半桥电路的工作频率来调节组合AC + DC信号的低点或谷值，这又使灯电流的幅度发生变化。在峰谷设计中，随着DC参考电压的增加，谷底也会增加，反馈电路会使频率降低;这增加了谐振回路的增益，从而增加了灯电流。简而言之：CFL调光不是一个简单的过程。

IC使驱动，调光更有效

虽然有可能构建一个CFL镇流器，满足分立元件的各种操作和故障要求，性能将是微不足道的，控制一致性差，PFC不足，防止故障的保护将是最小的，而成本和物理尺寸将很高。幸运的是，IC供应商将CFL镇流器视为一个重要机遇，并开发出具有内部复杂性和复杂性的器件，有效地解决了这些问题;有些还提供调光功能。例如，恩智浦半导体的UBA20261具有两个内部350 V，1Ω，5 A MOSFET(以及类似的UBA20262，具有两个内部600 V，3Ω，2.7 A MOSFET)在20引脚IC中完成CFL驱动和功率控制功能所需的电路，如其内部框图的复杂性所示(图3)。该IC支持CFL功能，包括使用标准开/关电源开关进行四级步进调光调节，可调节的步进调光存储器保持时间以及可调节的最小调光水平。

图3：集成了许多所需的功能模块和功能，使CFL更高效，更紧凑，成本更低，如恩智浦半导体的20引脚UBA20261器件的内部框图所示。

其内部状态图表是管理CFL所需的多个步骤的证明。 IC中的逻辑实现状态图，提供在各个阶段和故障模式下管理CFL所需的功能，包括在升压和烧毁状态下防止过热，电容模式故障，过功率模式和过流(图4)。

图4：UBA20261还实现了CFL功能的时序和顺序的状态图。

当然，完整的CFL灯组件仍需要无源外部元件(图5);在这里，UBA20261供应商提供的方程式可让设计人员计算出特定灯泡和应用的最佳值;供应商还为典型的CFL灯泡提供详细的BOM。

图5：完整的CFL灯组件需要驱动和管理功能，以及选择的无源元件和适当的尺寸以产生所需的操作性能，以及匹配所选特定CFL灯泡的固有特性。

最后，演示板允许用户评估和微调性能，同时还显示演示板完整组件的整个工作核心可以装入带有爱迪生型底座的CFL灯底座(图6)，并拧入标准插座。

图6：基于UBA20261的整个CFL驱动电路，包括IC和相关无源器件，均可安装在本演示/评估中心的圆形PC板上因为它们的高效率，紧凑的外形，紧凑型荧光灯(CFL)正在迅速成为浪费能源的白炽灯泡的有吸引力的替代品，因此可以安装在标准的爱迪生灯泡中。 ，而且成本低。与可以直接从各种电压的交流或直流电源或需要低压直流电流源的LED灯一起工作的白炽灯不同，CFL需要一个电源(“镇流器”)，它可以提供启动(冲击)电压以及适当的工作电压。本文研究了如何提供CFL独特的电压驱动要求以及相关的电磁干扰，功率因数校正(PFC)以及调整CFL的挑战。