1、智能功率集成電路之電子鎮(zhèn)流器摘要：本文介紹了智能功率集成電路應(yīng)用于電子鎮(zhèn)流器的相關(guān)內(nèi)容，介紹了電子鎮(zhèn)流器電路的基本構(gòu)成， 核心電路的工作原理，旨在對功率集成電路的工作方式形成一定的認識。關(guān)鍵詞：智能功率集成電路 電子鎮(zhèn)流器 半橋逆變電路啟輝一、智能功率集成電路概述SPIC將輸出功率器件、低壓控制信號處理以及傳感、保護、檢測、診斷等功 能電路集成到同一芯片上，是微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)、控制技術(shù)、檢測技術(shù) 相結(jié)合的產(chǎn)物，目前被廣泛應(yīng)用于汽車電子、開關(guān)電源、電機驅(qū)動、工業(yè)控制和 電源管理等方面。SPIC電路的基本構(gòu)成如圖所示。SPIC 一般包括三個部分:功率控制、檢測和 保護以及接口電路。智能功軍

2、鼐成電路智能功軍鼐成電路功率控制電路包括功率器件和驅(qū)動電路兩部分，主要實現(xiàn)終端功率輸出處理 功能。出于功耗、控制難度等考慮，功率電路一般使用MOS柵功率器件為主。為 了保證功率器件正常工作并發(fā)揮出功率器件的特點，一般還需要增加?xùn)膨?qū)動電路 或電平位移電路，來控制功率器件的開啟和關(guān)斷。檢測和保護電路主要針對SPIC高壓、大電流特點，增加SPIC或外圍電路發(fā) 生異常情況（過壓/欠壓、過溫、過流和短路/斷路等）時進行保護的功能,從而較 好地保護SPIC不受損壞，提高SPIC的穩(wěn)定性和使用壽命SPIC發(fā)生異常情況（如 過熱、過壓等）時，如果在很短時間內(nèi)不作出反應(yīng),SPIC電路（特別是功率器件）就 可能損

3、毀，所SPIC的檢測和保護功能一般由高速雙極型晶體管構(gòu)成的高性能模 擬電路完成。隨著CMOS特征尺寸的大幅度減小，標準CMOS器件的截止頻率也達 到幾十GHZ到上百GHZ的范圍，目前很多檢測和保護電路也采用CMOS電路來替 代雙極型晶體管電路，因為這有利于簡化工藝步驟、降低生產(chǎn)成本和減小芯片面 積等。出于這種變化趨勢，部分BCD工藝也逐漸向CMOS-DMOS工藝轉(zhuǎn)變。SPIC接口電路一般由高密度邏輯CMOS實現(xiàn)，主要功能是完成與微機的信息 交互,對微機的指令進行簡單處理然后控制功率器件作出響應(yīng)，同時將當前的工 作狀態(tài)、負載信息及其他，檢測到的信息傳送回給微機系統(tǒng)，為下一步更好地控 制SPIC電

4、路提供數(shù)據(jù)。隨著BCD工藝水平的不斷提高,SPIC的接口電路已不僅 僅是這些功能，它集成ROM器件可以不間斷地儲存SPIC相關(guān)的信息，它集成射頻 模塊電路使它具有無線通信功能等。日常生活中，電子鎮(zhèn)流器是智能功率集成電路的一個重要應(yīng)用。1938年問 世的熒光燈，是照明光源的一個飛躍。在熒光燈問世后的40余年間，人們一直 采用電感式鎮(zhèn)流器并配之啟輝器作為穩(wěn)流和啟動附件。電感鎮(zhèn)流器的優(yōu)點是可靠 性較高，使用壽命較長。但由于這種鎮(zhèn)流器體積和重量大而且自身功耗大，有噪 音，會使熒光燈產(chǎn)生頻閃。早有人就針對電感鎮(zhèn)流器存在的一些弊端，開始了對 其改進的研究，在50年代，提出了采用電了鎮(zhèn)流器的設(shè)想。1963年

5、,Roddam在 晶體管變流器與換能器一書中，首次發(fā)表了熒光燈交流電子鎮(zhèn)流器具體電路， 并進行了詳細的分析和討論。只是由于當時沒有可供選擇的功率開關(guān)晶體 管,Raddam的設(shè)計方案并未得到實施。半導(dǎo)體開關(guān)功率器件的出現(xiàn)，人們終于 將這一設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實。在美國等一些發(fā)達國家，早在上個世界90年代初就已開 始限制生產(chǎn)和使用白熾燈和電感鎮(zhèn)流器，這就為直管形熒光燈交流電子鎮(zhèn)流器提 供了巨大的市場和發(fā)為此，像飛利浦、ST、西門子、摩托羅拉和三星等一些半導(dǎo) 體巨商，從未停止電子鎮(zhèn)流器控制IC的開發(fā)與生產(chǎn)。70年代80年代初，飛利 浦公司率先推出了由分立元器件組成的電子鎮(zhèn)流器，這是自1938年熒光燈問世 以來

6、在技術(shù)上的一次重大突破。1997年10月1日，我國“綠色照明工程”正式啟動，這是照明技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)一 項重大決策和舉措，必將對我國的能源、電光源和照明技術(shù)，甚至環(huán)境保護等各 個領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響。隨著電子鎮(zhèn)流器的發(fā)展，迫切需要制定國際性標準。于是， IEC928和1EC929應(yīng)運而生。我國對電子鎮(zhèn)流器的研究始于80年代中期，近年 來該產(chǎn)品已形成一定生產(chǎn)規(guī)模。根據(jù)因產(chǎn)電子鎮(zhèn)流器的發(fā)展情況,我國也先后頒 布了 ZBK74011-89和ZBK74012-90專業(yè)標準。這些產(chǎn)品標準的一個重要特點就是 對電子鎮(zhèn)流器的性能要求和安全性要求非常苛刻。例如“正常情況下使用時，應(yīng) 使燈啟動，但不對燈性能造成損害”，“

7、施加陰極預(yù)熱電壓的最短時間應(yīng)不少于 0.4S”，“開路電壓的波峰系數(shù)不得超過l.8”，“在最低預(yù)熱期間，不得產(chǎn)生 即使是極窄的、不影響有效值的電壓峰值”等規(guī)定。目前，電子鎮(zhèn)流器!已經(jīng)由 自激式發(fā)展到軟啟動式，提高了可靠性和使用壽命。二、電子鎮(zhèn)流器原理（一）電子鎮(zhèn)流器電路的基本組成半橋逆變電爵 及自啟動部分一個基本的電子鎮(zhèn)流器的框圖如上所示。它包含防止電磁干擾（EMI）的EMI 濾波電路、整流電路、平滑濾波電路、功率因數(shù)校正電路、半橋逆變電路及其自 啟動電路、燈負載等部分。（二）半橋逆變電路及其工作原理濾波電路第一部分L、C、C組成 型EMI濾波器，用來濾除半橋逆變電路本身所 產(chǎn)生的EMI信號，

8、使它們不能通過電源線進入其他電氣設(shè)備，避免引起傳導(dǎo)干擾。 二極管VD -VD組成全波橋式整流電路，將交流電壓（頻率為50Hz/60Hz）整流， 轉(zhuǎn)換為電解電容器C上的直流脈動電壓，電容C起平滑濾波的作用。當輸入交 流電壓瞬時值超過電3解電容器上的電壓時，它便對電解電容器充電，充電電流流 過輸入端；而當輸入電壓低于電解電容器上的電壓時，停止充電，由電解電容器 C對后面的負載即半橋逆變電路放電。這樣一來，電解電容器時而充電，時而放 電。只有在對電解電容器充電很短的一段時間內(nèi)才有電流流過電源的輸入端?？?見，輸入電流是一個持續(xù)時間很短的窄脈沖，而不再是正弦波了。由于這個原因， 電路的功率因數(shù)是很低的

9、，為0.5左右。電解電容器的容量愈大，后面的負載愈輕（即半橋逆變電路所支取的電流愈 小），則電解電容器上的電壓愈平滑，愈接近直流電壓，輸入電流的窄脈沖的持續(xù) 時間也愈短，功率因數(shù)愈低。在這種情況下，半橋逆變電路的供電電壓相對來說 是比較穩(wěn)定的，我們能夠把半橋逆變電路中開關(guān)三極管的工作狀態(tài)調(diào)整到比較好 的狀態(tài)，鎮(zhèn)流器自身損耗很少，三極管工作比較可靠。濾波后的電壓可看成是一 個近似恒定的直流電壓，在輸入為220V交流電壓下，其有效值300 - 310V，并以 V或E表示之。DC反之，電解電容器的容量愈小，后面的負載愈重，則充放電過程進行得愈厲 害，而電解電容器上的電壓起伏愈大，輸入端電流持續(xù)時間也

10、愈長，其功率因數(shù) 愈大。下圖所示是電解電容器CZ上的電壓波形及輸入端電源電流波形。顯而易 見，輸入電流遠不是一個正弦波形，產(chǎn)生了非線性失真，這是因為電源接到非線 性的器件（二極管）所造成的。半橋逆變電路的工作原理圖3-4中，三極管VT、VT組成有源半橋支路，電容C、C組成無源半橋支1 、 27_ - 8 .路，半橋的中點電壓為直流電壓的一半，即E/2。燈管作為負載與電感L相串聯(lián)， 跨接在兩個半橋中點之間。由半橋中點所提供的高頻方波電壓，代替了 50HZ的 低頻電壓來供給燈管，可以減輕電感的重量和尺寸，也有助于減少損耗。在緊湊 型熒光燈中，為節(jié)省空間，只用C，而省去C不用。VT、VT是半橋逆變電

11、路中的重要器件，起著功率開關(guān)的作用，它們將直流電壓 轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳a功率信號，驅(qū)動燈管發(fā)光。在選擇三極管時，應(yīng)考慮其開關(guān)參數(shù)如存 儲時間、開關(guān)時間以及放大倍數(shù)、最大集電極電流、反向耐壓等，并根據(jù)燈功率 的不同，選用不同型號、規(guī)格的管子。電路的工作原理如下：（1）VT2的觸發(fā)導(dǎo)通加上電源后，由直流電壓V （E）提供的電流經(jīng)R、R對積分電容C充電。一 旦其電壓達到并超過觸發(fā)二極管DB （它實際上是兩個背對背連接的齊納二極管） 的轉(zhuǎn)折電壓（3040V）后，該二極管擊穿導(dǎo)通，并有電流注入VT2的基極，使VT2 導(dǎo)通，此時，電流流通的路徑為電源VC3C7燈絲C6燈絲電感 L 磁環(huán)變壓器Tr的初級繞組N VT面

12、集電極地。62 VT集電極電流的增長趨勢在磁環(huán)變壓器的初級繞組N上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢， 同時在其次級（N、*）也產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其極性是各繞組上用“ ”表示的同 名端為正，從而使VT的基極電位升高，VT的基極電流、集電極電流進一步加大， 在電路中產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，在這種連鎖的正反饋作用下，VT2導(dǎo)通并很快飽和。在VT導(dǎo)通后，電容C上的電荷通過二極管VD和導(dǎo)通后的管子VT放電，其電壓很 快下降，不再能使觸發(fā)管導(dǎo)通，該支路也不再對VT基極產(chǎn)生影響。所以，由 R、R、C及DB所組成的觸發(fā)電路（或稱自啟動電路），只在電源接通后對VT的 12532導(dǎo)通起觸發(fā)作用；而在VT、VT開關(guān)轉(zhuǎn)換后，其開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率很高，V

13、T截止時 間很短，在這樣短的時間內(nèi)C來不及得到充分的充電，而在VT導(dǎo)通后，2 C又能 很快放電。這樣，在C上面的電壓是一個幅度很小的鋸齒波，達不到足以使DB 導(dǎo)通的電壓。因此，一旦電路轉(zhuǎn)換，VT、VT輪流導(dǎo)通與截止后，DB將不再導(dǎo)通，3 對電路也不起任何作用。123（2） VT的轉(zhuǎn)換：如何由導(dǎo)通變?yōu)榻刂乖谌龢O管2VT導(dǎo)通后，開始i、i、v均增加，到某一時刻，v達到一個最 2. b2 c2 b2 B2大（峰）值，電流i也有一個峰值，以后由于磁環(huán)的磁導(dǎo)率下降，v開始下降。 此時在基區(qū)仍存在大量的少數(shù)載流子（電子）還沒有被拉走，管子仍處于飽和狀 態(tài)。但隨著磁環(huán)磁導(dǎo)率的下降，會出現(xiàn)磁環(huán)繞組上電壓v低于

14、v的情況，使基 極電流反向（實際上是存儲在基區(qū)的少數(shù)載流子跨過基射2結(jié)，返回到發(fā)射極）， i變?yōu)樨撝?，依靠此反向電流，使基區(qū)中引起飽和的多余的少數(shù)載流子被拉走， 經(jīng)過一段時間后，VT從飽和狀態(tài)退出，進入放大狀態(tài)。一旦進入放大狀態(tài)，電 流i下降，通過磁環(huán)的正反饋使i、i進一步減小，出現(xiàn)與上述相反的過程， .c2 c2 一一VT很快變?yōu)榻刂??；鶚O的反向電流是很重要的，它能幫助VT退出飽和狀態(tài)，是 VT：由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換為截止的必要條件。22 （3）VT的轉(zhuǎn)換：如何由截止變?yōu)閷?dǎo)通在上述正反饋變化的同時，磁環(huán)繞組N的電壓V改變極性，上正下負，在 延遲一段時間后，VT有電流i產(chǎn)生，在磁環(huán)變壓器中將產(chǎn)生與i增加

15、時相反 極性的電動勢，即各繞組中用爐.”表示的同名端電壓為負。這樣一來，VT的基 極電位上升，集電極電流 七將增加，電流的流通路徑為電源V3VT1集電極 VT發(fā)射極電感L 燈絲C 燈絲C8羸。1流過電感L及磁環(huán)的電流與 VT導(dǎo)通時的電流方向相反，并出現(xiàn)連鎖反應(yīng)，結(jié)果 VT迅速由截止變?yōu)閷?dǎo)通并飽和：以后經(jīng)過一段時間，VT又會由導(dǎo)通變?yōu)榻刂梗?其過程與VT由導(dǎo)通變?yōu)榻刂沟倪^程是一樣的。1在VT由截止變?yōu)閷?dǎo)通的開始且v變?yōu)樽銐蛘龝r，VT的基射結(jié)及基集結(jié)都變?yōu)?正偏；并有較大的正vb1值，它除產(chǎn)生正向基極電流ib向基區(qū)注入大量電子外， 還產(chǎn)生由基極流向集電極的反向電流-i，此電流由集電極流出。集電極的

16、反向 c1電流經(jīng)C流入燈管，同先刖的VT流過燈管及電感L的電流方向是一致的，組成 7 2 一 2一一 燈管電流。它的流通路線是：由VT集電極經(jīng)C、燈管、電感L、磁環(huán)繞組N、 N及電阻R （或通過接于VT的基射1結(jié)的反向二極管）流回基極：在集電極的反向 電流-i流通的時間內(nèi)，三極管VT可以看作是兩個背對背連接的PN結(jié)，在集射 極之間兩個PN結(jié)的壓降是相互抵消的，因而壓降很小。以后，i逐漸加大，由 負變正，由于基射極之間的壓降v很大，很大的i使三極管VT處于深飽和， 這樣i N0時VT的集射極之間壓降仍然很小。由此可見，在三極管導(dǎo)通的全過 程中，它的集射極之間壓降一直是很小的，可以視為短路，而不論

17、其集電極電流 為正或為負。這時候三極管可視為閉合的開關(guān)。上述三極管轉(zhuǎn)換過程周而復(fù)始地 重復(fù)下去，VT、VT輪流地導(dǎo)通與截止。VT集射極 1電壓V就是有源半橋中點的電壓，它是方波電壓，在轉(zhuǎn)換過程中， 先由E1下降到零，以后又由零跳變?yōu)镋。無源半橋中點電壓一直為直流電壓的一 半，即E/2。這樣，兩個半橋中點之間的電壓是一個交變的方波電壓，其幅度為 E/2。此交變的方波電壓經(jīng)過啟動電容C、電感L的串聯(lián)諧振作用，使流過燈管 的電流接近正弦波，并在C6兩端產(chǎn)生了一個很高的電壓（其值由電感匕的Q值及 電容C的值決定）加到燈管上，將燈管啟輝點亮。如將燈絲預(yù)熱（如加2 PTC熱敏 電阻，6或通過電感上的次級繞

18、組給燈絲預(yù)熱），將會使燈管觸發(fā)啟輝所需要的電 壓降低，燈管更容易點亮。燈被點亮后，燈管可近似視為一個電阻，其值由穩(wěn)定 后的燈管電壓與燈管電流之比求得，它對電路的工作頻率有影響。電容C4的續(xù)流作用在電路實際搭建時，應(yīng)當在兩個三極管之間插入一段“死區(qū)時間”，以避免 兩個三極管同時導(dǎo)通而燒毀。但是，流過電感以及燈管的電流又必須是連續(xù)的交 變電流，因此在實際電路中還會引入電容C，利用電容電流可以突變的特性，在 C上產(chǎn)生正負相間的脈沖，補充在兩管都不4導(dǎo)通時的電流缺口，保證流過燈管的4.電流是連續(xù)的。（三）影響鎮(zhèn)流器工作頻率的一些因素影響鎮(zhèn)流器工作頻率的因素很多，主要有磁環(huán)變壓器的匝數(shù)（N、N、N）， 它的磁導(dǎo)率M，電路中三極管的基極電阻、發(fā)射極電阻，以及燈管的參數(shù)（燈管 長度、管壓、管流等）。除此以外，環(huán)境溫度也會對工作頻率產(chǎn)生影響。磁環(huán)的次級匝數(shù)N、N愈多，則三極管的驅(qū)動電壓愈人，三極管的管壓低， 進入飽和深，工作頻率愈低2，反之結(jié)果相反。磁環(huán)的磁導(dǎo)率p愈大，工作頻率愈低。加大發(fā)射極電陰（R）,增加其負反饋作用，三極管不易飽和，工作頻率將變高， 加大基極電阻（Rb）,減小驅(qū)動電流及三極管飽和程度，工作頻率亦將變高。當環(huán)境溫度上升時，三極管的基極電壓Ub減小,存儲電荷與存儲時間變大，工作 頻率將變低。鐵氧體磁環(huán)的磁導(dǎo)