- 照明節(jié)能產(chǎn)品的技術分析
- 電磁感應燈采用芯片技術簡介
- 芯片在照明產(chǎn)品上應用
- 集成有高低驅動端的輸出信號處理電路
- 調制脈寬與調頻功能相集合
- 輸出功率的自動補償
一、市場上照明節(jié)能產(chǎn)品的技術分析
目前市場上的電子節(jié)能燈(CFL燈)和常規(guī)的獨立式電子鎮(zhèn)流器，普遍都是由分立元件組成。
在高頻振蕩驅動部分：采用半橋電壓饋電串聯(lián)推挽逆變電路，由輸出電感和諧振電容串聯(lián)，發(fā)生諧振時(頻率fo=1/2πLC)，諧振電容兩端產(chǎn)生瞬間高壓，激活燈管內汞離子點亮燈管。諧振的產(chǎn)生，不能自發(fā)完成，必須在電路中增加由電阻、電容和雙向二極管組成的啟動電路提供觸發(fā)脈沖才能引起振蕩。元件的增加降低了工作的可靠性，通過脈沖振蕩變壓器的三個繞組相互耦合產(chǎn)生兩個相位相反的高頻脈沖方波，使雙極性晶體管循環(huán)開關，熒光燈管能正常工作。因為此電路的振蕩頻率是由輸出電感的電感量、脈沖變壓器的匹數(shù)以及燈管并聯(lián)的諧振電容和燈管的負阻特性等共同決定。燈管既是輸出負載又是組成諧振電路的重要元件，燈管的性能成為影響電路工作的一個重要因素。
一方面由于燈管是振蕩回路的組成部分，燈管的差異必然造成振蕩頻率的改變，而電子鎮(zhèn)流器的設計都是以一恒定頻率為基礎的。振蕩頻率的改變會使鎮(zhèn)流器的性能與效率降低，并會影響到其壽命。另一方面如果燈管出現(xiàn)短暫的開路，振蕩的正反饋環(huán)路被切斷，鎮(zhèn)流器振蕩會立即被切斷而停止工作。與此同時，這種電路中功率開關管的開關時間過長，造成開關損耗過大，特別對電磁感應燈，工作頻率往往要求較高，開關損耗可能成為鎮(zhèn)流器損耗最大的一部分。故分立元件組成的驅動線路，是相互牽制，且線路過于簡單，整體電路的可靠性相對較差。
在AC/DC電源部分：設計上常見的是采用低功率因素(NPFC)和無源功率因素校正電路(PPFC)二種。燈管的波峰因素CF值與輸入功率的功率因素在電路上相互影響和牽制，在大功率電路上表現(xiàn)得更為突出。低功率因素電路因諧波干擾嚴重超標，故在稍大一些功率的電路上不可采用。雖然逐流式、高頻泵式、高頻雙泵式、疊加式反饋等無源功率因素校正電路上，將整流二極管的導通角增大，電源電流過零的死區(qū)時間縮短，功率因素能被提高，電流諧波有的能夠滿足強制性電氣安全國際標準IEC61000-3-2的要求，但整體電路分析，弊大于利，由此帶來高頻電磁開撓嚴重。
電路的穩(wěn)定性受到較大的破壞，易造成上下一對功率開關管工作狀態(tài)不平衡，功耗易集中，高低頻交疊。另燈管的波峰因素易超標，燈管兩端易發(fā)黑，加速燈管的光衰，且燈管閃爍，對用戶易造成頭暈目眩和近視。大批量生產(chǎn)時，廠家一般慎用此種電源設計電路。分立元件的電子鎮(zhèn)流器線路，因為考慮產(chǎn)品的成本和受到局部空間的限制，避免分立元件過多，故一般不具有調光功能和常見的異常保護功能如短路、開路、激活、過壓等。
二、電磁感應燈采用芯片技術的必然性和優(yōu)越性
相對市場上廣泛使用的節(jié)能燈產(chǎn)品，電磁感應燈有其自身的特點：
首先，電磁感應燈的工作頻率往往較高，通常在幾百KHZ以上，遠高于普通的節(jié)能燈。高的工作頻率要求對電子鎮(zhèn)流器的性能提出了更苛刻的要求。如電路各電子元器件上的損耗必須足夠低，元器件上的溫度必須嚴格控制，元器件壽命必須有足夠的保證。這些問題的提出使得電磁感應燈采用芯片技術成為了必然。集成芯片的低能耗、長壽命、穩(wěn)定的性能使電磁感應燈能高效、穩(wěn)定地工作。
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其次，使用芯片技術可以大大提高電磁感應燈的產(chǎn)品種類，如可形成不同工作頻率、不同功率的產(chǎn)品系列。使用芯片可以方便地調節(jié)電磁感應燈的工作頻率，可以實現(xiàn)調光的目的。同時芯片的低能耗使超小功率電磁感應燈制造成為了可能。如一個20W的電磁感應燈，如果使用分立元器件，電子鎮(zhèn)流器上的損耗可能會超過額定功率的一半，這顯然是不可能投入市場的。使用芯片擴大了電磁感應燈的功率范圍，因而使電磁感應燈的應用范圍大大擴大了。
再次，使用芯片控制的電子鎮(zhèn)流器，其對外界的EMI和EMC可以降到最低。芯片對電路的功率因素進行校正，功率因素可達到0.95以上，減少了傳導干擾，元器件的集成封裝使得電子鎮(zhèn)流器對外界的感應干擾也大大降低了，芯片的使用可以使電磁感應燈輕松地達到IEC對電磁干擾的要求，使電磁感應燈真正成為健康環(huán)保的新型光源。
三、電磁感應燈的芯片技術
性能優(yōu)良可靠的電子鎮(zhèn)流器線路，必須依靠芯片技術，用一塊芯片代替幾千個分立元件來實現(xiàn)諸多功能。芯片技術較少或較小范圍、較小功能地應用在照明領域。以下通過上海宏源照明電器有限公司的電磁感應燈專用芯片來展示芯片技術的功效和卓越。
電磁感應燈是用磁環(huán)耦合將燈點亮，沒有燈絲，燈管壽命長，光衰小，咸澀指數(shù)高，功率范圍大的先進光源，有許多優(yōu)點。電磁感應燈的燈管必須工作在200~300KHZ的高頻狀態(tài)下，這對電磁感應燈的電子鎮(zhèn)流器要求相當苛刻。復雜的功能需求，只有宏源電磁感應燈專用芯片才能滿足。
高頻振蕩驅動專用芯片：采用模擬與數(shù)字混合為一體的ASIC/SOC系統(tǒng)設計。通過芯片和分離元件搭連的模擬和數(shù)字電路集成為一塊ASIC芯片。ASIC采用HDL語言和FPGA設計，設計的Layout通過到晶圓廠流片，經(jīng)過多次驗證及溝通轉碼，輔助采用硬件語言，再采用模擬、數(shù)字單元門陳列設計，采用特殊面包板防真驗證技術，使電磁感應燈專用振蕩芯片得以快速誕生和成功。此芯片定制以模擬信號的采集：調理、轉換為主，并集有數(shù)字電路功能為一體的專用芯片。此芯片的技術優(yōu)勢如下：
◆具有20~350KHZ的高頻振蕩的頻率特性;
◆在長壽命加固方面、抗瞬態(tài)幅照、抗輻射等方面有明顯優(yōu)點;
◆啟動時頻率自動下掃，在下掃過程中，遇到諧振點，產(chǎn)生高壓將燈點亮;
◆完善的異常態(tài)保護功能，過壓、開路、容性模式、失磁等狀態(tài)保護;
ASIC避免主回路電流相位超前于電壓，以使mosfet產(chǎn)生極大的功耗而失效。
◆ASIC內集成有大量的高速比較器;
◆輸出功率的自動補償(恒功率)：通過對輸出電流和電壓的采樣，自動調節(jié)工作頻率，調整輸出電感的感抗，控制輸出電流來恒功率，頻率補償范圍220~290KHZ;
◆調制脈寬與調頻功能相集合，實現(xiàn)連續(xù)調光功能、指數(shù)曲線式調光。8位以上的微處理器快速執(zhí)行信號的采樣與計算，增強了調光的精度和平穩(wěn)性;
◆集成有高低驅動端的輸出信號處理電路，提供優(yōu)質的G1G2高頻方波;
◆嚴格控制芯片的死區(qū)時間，避免mosfet共態(tài)異通;
◆集成度高，超低功耗;
◆VDD耐壓高、芯片工作可靠;
◆芯片設計方面，注意到功率管開關時電壓電流波形交疊易產(chǎn)生功耗，該功耗隨工作頻率升高而增加。配合外圍線路共同組成零電壓或零電流轉換的軟開關電路，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性;
◆芯片工作頻率由外圍阻容決定fsoc≈1/1.4PTG。頻率定位精度高，保證燈光平穩(wěn)。有源功率因數(shù)校正控制專用芯片：屬于斷續(xù)傳導模式不定頻率的APFC升壓式電路。
◆工作頻率f≥25kHZ
◆功率因素在0.99以上
◆輸出低紋波的直流電壓
◆輸入交流電壓在80~310VAC時，自動調節(jié)PWM的功率開關管脈寬的占空比，提供恒定的直流電壓。
◆完善的軟過壓保護、動態(tài)過壓保護、靜態(tài)過壓保護。
另外，智能控制專用芯片：采用單片機芯技術，它具有很強的控制功能;能夠針對性地解決從簡單到復雜的各類控制任務。實現(xiàn)光控、時控、調光等功能。采用232與485通訊接口IC電路。實現(xiàn)群集智能控制，易于實現(xiàn)多機系統(tǒng)向網(wǎng)絡化方向發(fā)展，讓照明更為人性化、科學化、節(jié)能化。
四、芯片在照明產(chǎn)品上應用其意義巨大
芯片與晶體管等分立元件聯(lián)成的電路比較，體積更小，重量輕，功耗更小，從加工工藝上，減少了電路的焊接，所以芯片的性價比遠遠超出大量分立元件組成的電路。ASIC芯片代替了大量外圍線路，才能實現(xiàn)宏源電磁感應燈工作和眾多功能。另外明顯降低采購、倉儲和加工成本，大大加快了新產(chǎn)品的研發(fā)周期。電磁感應燈屬于一種高科技新一代照明產(chǎn)品，產(chǎn)品的壽命也是此項產(chǎn)品更為關注的最重要的特點之一。此產(chǎn)品的壽命主要取決于電子線路的可靠性。
因把系統(tǒng)的可靠性引為重要技術指標，必須重視電路可靠性的設計，隨著電磁感應燈功能的多樣化，分立元器件品種和數(shù)量增加很快，為適應多樣惡劣環(huán)境，包括高、低溫、高濕度、沖擊等，電路上中心課題首先為可靠性。根據(jù)國際上對電子產(chǎn)品可靠性的分析，采取足夠的提高系統(tǒng)可靠性的措施，最有效的為電子元器件的集成化。減少元器件數(shù)量從幾千到幾個，電路的可靠性由每一個元件相乘，總可靠性R=R1*R2*R3…RN(0≤R≤1)，故相對電磁感應燈電子鎮(zhèn)流器采用芯片技術，系統(tǒng)的失效率將會提升。電路簡單、元器件少、功能多，能夠產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化必須依靠芯片技術。因此，只有芯片技術成功的應用，照明產(chǎn)品才會快速飛躍發(fā)展。
