基于集成芯片的低压大功率可控硅调光型节能灯的解决方案

在严峻的能源供给形势下，新型环保节能的产品成为关注的热点。相对于传统的白炽灯，在输出相同的光效情况下，荧光灯的节电效能可达到70%~80%，因而被称为“绿色照明”。随着对更高生活品质的追求，人们对照明环境的体感舒适度要求越来越高，可调光的荧光灯照明系统就是这种更加人性化的具体实现，而且调光节能灯不仅可以使灯的光输出更适合人们的需要，还可以最大限度地节能[1]。

当前，可调光的荧光灯照明系统大体可分为两类：分离式电子镇流器驱动的荧光灯系统与调光型一体化节能灯。由于分离式系统的布线比较复杂而且需要较大的安装空间，所以该系统在一些应用环境中存在局限性。而从安装便利、有限空间利用以及整体美观的角度来看，可调光型一体化节能灯具有其独特性和先进性。

传统的可调光节能灯，大多采用磁环驱动和分立器件的设计方法，具有电路简单、成本低廉的优势。但该类系统同时具有较明显的离散性和温度依赖性，其性能、可靠性较差；又由于其在落后的调光技术和有限空间的热管理方面的局限性，使得产品应用还大多停留在低压小功率(120 V)或高压较大功率(220 V~240 V)的照明系统中。为了克服传统一体化节能灯的不足，本文介绍一种新的技术解决方案，即采用基于集成芯片的优化设计和热管理技术，实现低压大功率的小尺寸、高性能、低成本的可控硅调光型节能灯[1]。

1 技术方案
设计要求：前/后沿切角的可控硅调光器，供电系统120 V/50~60 Hz，满载功率输出>40 W，调光范围5%~100%，整机满载效率>85%，寿命>10 000小时，FCC Class B民用级电磁兼容，UL安全认证、灯光无闪烁、低噪声20 dB、尺寸小、成本低。
技术平台[3]：可控硅调光器+滤波整流+集成芯片+闭环反馈控制+滞环控制+故障安全保护。平台核心采用英飞凌公司的宽功率负载集成芯片ICB1FL02G[2]。该芯片具有CCM模式的有源功率校正(APFC)升压调节，半桥频控驱动、压控振荡器、过压过流及故障保护功能。技术方案中调光功能是通过外部预置电压信号控制芯片的压控振荡器(VCO)，并由VCO线性地产生所对应的半桥驱动频率，由该频率驱动LC串联谐振来进行可控的灯光输出调节，实现通过预设电压产生连续可控的调光输出。技术平台基本实现如图1所示。

2 主要功能
系统的基本工作信号流[3]如图2所示。在120 V/50~60 Hz低压供电系统中，输入电压Vin经前/后沿切角的可控硅调光器后得到包含切角信号Φ的电压V1(Φ)，V1(Φ)滤波整流后的电压为V2，V2再经过APFC(Boost升压拓扑)电路升压转化为后级负载所需要的母线电压V4。V4通过高频半桥驱动LCR(ω)负载（R为灯负载），使R获得与半桥频率对应的电压电流并以光的方式输出，并且光亮度与频率成反比。同时，V2经过采样电路得到与调光器切角Φ相对应的预设调光电压信号V3[4]，V3通过VCO线性地产生相应的频率信号ω来驱动半桥的负载，从而实现以旋转调光器的切角调节不同亮度的光输出。

为了得到高安全可靠性，系统采用相关的过压/过流保护和负载故障保护，即当系统检测到过压/过流时，APFC电路将停止工作，直至过压/过流状态消失后电路重新恢复工作。过压/过流保护设计确保了后级母线电压V4及电源输入电流不出现异常破坏性的升高；当系统检测到灯负载故障(漏气灯、进入整流态的灯)时，系统将停止工作，直至故障消失。
灯负载的闭环控制实现了预设调光信号V3对灯反馈信号V5的校正。当偏差信号ΔV趋于零即V5=V3时，闭环控制实现了光输出完全唯一地跟随预设调光信号，从而可得到稳定、可控的灯光输出。
为了提高灯的使用寿命，需要给灯丝合适的能量。灯在点亮之前，灯丝需获得预热能量以避免辉光的产生；在整个调光过程中，灯丝需要维持相应的能量（级）以确保荧光冲击电子的发射。本方案采用辅助的灯丝预热控制电路，使灯的寿命周期达到10 kh以上。灯使用寿命的提高直接降低了产品使用成本，同时也间接减少了产品过早失效废弃而产生的环境成本。
3 主要功能模块
3.1 有源功率校正(APFC)
采用Boost升压拓扑，将反映调光器切角?准的低压脉动直流电压V2升压至系统负载所需要的高压低脉动直流母线电压V4，以使得输出级负载在启动时获得足够的击穿电压并在连续工作时具有合适的相位裕量。普通的调光节能灯大多无APFC电路，不能将低输入电压提升到与负载相适应的等级，而且在输入电压的波谷甚至波峰时，负载回路不能获得足够相位裕角，严重限制了低压大功率节能灯的运用。相反，本方案由于APFC的引入，使得在整个调光器的切角范围内获得连续稳定的后级母线电压，并实现低压大功率设计。
3.2 压控振荡器(VCO)与半桥负载驱动
VCO将输入的预设调光信号V3转化为对应的负载半桥驱动频率信号ω，而且电压V3与频率ω成反向关联：V3越大，ω越小；V3越小，ω越大。如图3为V3与ω间的关系。V3为为调光设定电压， ω为半桥(负载）驱动频率。