基于UBA2211的高效CFL驱动器设计

与传统的白炽灯相比，紧凑型荧光具有发光效率高、节能效果好、寿命长、体积小和使用方便等优点。而在市场方面，紧凑型荧光更是具有广阔的前景。根据datapoint research研究机构统计，全球有20%-25%的电力用于照明，到2012年，全球节能灯泡的销量将超过50亿只。同时中国发改委已经出台相关的政策，预计将在10年内禁用(禁售)白炽灯。随着白炽灯逐渐退出照明市场，人们急需一种新的节能照明方案来满足消费者的各项要求，在这种形势下，cfl和led必将开创一个新的照明时代。不过，对于普通消费者来说，受其成本和寿命等方面的影响，led在短时间内还无法广泛普及。在巨大的市场需求下，可以预计，cfl将会成为当下照明市场的主宰。
但如何才能让荧光灯的优点发挥到极致，这就引出了电子镇流器的概念。早期的cfl电子镇流器多采用变压器和晶体管等分离元件组成，这种驱动方式存在诸多缺点。随着半导体技术的发展，专用驱动ic逐渐兴起。本文以恩智浦半导体(nxp)的不可调光驱动ic uba2211为例，介绍了cfl驱动ic的工作原理、电路设计，并给出了测试结果。
cfl驱动设计
uba2211组成的cfl典型驱动电路如图1所示，镇流器输入电压为交流220v，输入功率12w。
图1：基于uba2211的18w cfl驱动电路。
整个系统由整流滤波电路、控制电路和灯谐振电路三部分组成。
整流滤波电路由四个二极管1n4007、cbuf和lfilt组成，它能将220v交流输入整流滤波为310v左右的dc电压。输入端的rfuse为浪涌抑制电阻，主要用于抑制启动时所产生的浪涌电流。控制电路由uba2211组成，主要实现对灯丝的预热、点火和稳定运行时电流的控制。谐振电路由cla和lla组成，主要为灯丝点火提供高压脉冲。
1．芯片内部结构
uba2211是整个电路的核心器件，为便于后文的分析，本文首先对uba2211的一些结构和特点进行相应的介绍。uba2211是一款cfl专用驱动ic，它采用双列直插封装(dip8)和14脚塑料小型封装(so14)两种封装。芯片内部结构及特点如图2所示。
2．启动阶段
上电后，电路进入启动状态，此时上桥hs关断，下桥ls导通。内部电流源(1ma)对vdd上电容cvdd和fs脚上电容进行充电，内部电路进行复位。此时，rc和sw将会进行接地处理。一旦vdd>vdd(start)(典型为11v)，而且此时未激活过温保护(otp)电路便结束启动状态。注意：一旦vdddd(stop)(典型为8.5v)，电路将会从任何状态返回到启动状态。
图2：芯片内部框图。
3．预热阶段
当vdd>vdd(start)且otp未激活，电路进入预热状态，在预热状态下，vdd电源由dvdt充电泵提供(见图2)。此时sw脚上电容被isweep充电，半桥电路开始振荡，其振荡信号如图3所示，初始振荡频率为工作频率的2.5倍，在预热过程中会逐渐下降到正常的工作频率。在预热状态下，电路对灯丝进行预热处理，以减少灯丝启动时的损耗，延长灯的使用寿命。外部电阻rsense用来检测预热电流，使得rsense的峰值电压等于内部参考电压vref(prht)(0.5v)。预热时间由外部电容csw来设定，一旦csw上电压下降到vsw(prht)时，电路结束预热，如图4所示。
图3：振荡器、驱动器和输出信号。图4：预热、点火和正常工作频率变化。
4．点火阶段
灯丝预热结束后，频率开始下降，一旦频率达到谐振频率，在灯两端lc上发生串联谐振，产生一个600-1200v的高压将灯管击穿，完成对灯丝点火。正常运行下，rms控制被激活，通过控制灯丝电流的rms值，可以将ic损耗和ic温度控制在恒定值。
电路在运行过程中，uba2211内部提供了一个死区时间(图3中的tno)，防止上桥和下桥功率开关同时导通。uba2211还提供过温保护(otp)、冷启动下最小辉光放电控制、防饱和保护和容性模式保护。
主要参数计算
1．工作频率
由图1中rosc和cosc可计算频率，由公式：
fnom=1/(k*rosc*cosc)=1/(1.1*220*100)=41.3khz
其中k=1.1
2．启动频率
fstart=2.5*fnom=2.5*41.3k=103.25k
3．灯电感
首先确定灯两端电压的有效值，设计功率为12w，有公式：
vlamp=plamp/ilamp=12/0.15=80v
灯上电压与灯电压有效值关系如表1所示，查表可得vla_eff=112v，振荡频率与灯两端电压关系为： 2，带入相应参数可得lla=2.87mh，实际设计时取3mh，电感磁芯采用ee16，线径为采用0.19漆包线绕制。取谐振频率60khz，由公式：，其中lla=3mh，fres=60khz，带入上式可得cla=2.34n，考虑到谐振时产生高压，实际取2.2n/1kv。