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集成技术在电磁感应灯(无极灯)上的应用

发布时间:2019-05-06 04:28 来源:未知 编辑:admin

  集成芯片是相对于分立电路而言的,就是把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上,组成一个不可分割的整体。微电子学的迅速发展,芯片技术正日趋应用在各种技术领域。集成芯片正在逐渐取代分立元件电路,打破了分立元件和分立电路的设计方法,实现了材料、元件和电路的相统一。

  目前市场上的电子节能灯(CFL灯)和常规的独立式电子镇流器,普遍都是由分立元件组成。

  在高频振荡驱动部分:采用半桥电压馈电串联推挽逆变电路,由输出电感和谐振电容串联,发生谐振时(频率fo=1/2πLC),谐振电容两端产生瞬间高压,激活灯管内汞离子点亮灯管。谐振的产生,不能自发完成,必须在电路中增加由电阻、电容和双向二极管组成的启动电路提供触发脉冲才能引起振荡。元件的增加降低了工作的可靠性,通过脉冲振荡变压器的三个绕组相互耦合产生两个相位相反的高频脉冲方波,使双极性晶体管循环开关,荧光灯管能正常工作。因为此电路的振荡频率是由输出电感的电感量、脉冲变压器的匹数以及灯管并联的谐振电容和灯管的负阻特性等共同决定。灯管既是输出负载又是组成谐振电路的重要元件,灯管的性能成为影响电路工作的一个重要因素。一方面由于灯管是振荡回路的组成部分,灯管的差异必然造成振荡频率的改变,而电子镇流器的设计都是以一恒定频率为基础的。振荡频率的改变会使镇流器的性能与效率降低,并会影响到其寿命。另一方面如果灯管出现短暂的开路,振荡的正反馈环路被切断,镇流器振荡会立即被切断而停止工作。与此同时,这种电路中功率开关管的开关时间过长,造成开关损耗过大,特别对电磁感应灯,工作频率往往要求较高,开关损耗可能成为镇流器损耗最大的一部分。故分立元件组成的驱动线路,是相互牵制,且线路过于简单,整体电路的可靠性相对较差。

  在AC/DC电源部分:设计上常见的是采用低功率因素(NPFC)和无源功率因素校正电路(PPFC)二种。灯管的波峰因素CF值与输入功率的功率因素在电路上相互影响和牵制,在大功率电路上表现得更为突出。低功率因素电路因谐波干扰严重超标,故在稍大一些功率的电路上不可采用。虽然逐流式、高频泵式、高频双泵式、叠加式反馈等无源功率因素校正电路上,将整流二极管的导通角增大,电源电流过零的死区时间缩短,功率因素能被提高,电流谐波有的能够满足强制性电气安全国际标准IEC61000-3-2的要求,但整体电路分析,弊大于利,由此带来高频电磁开挠严重。电路的稳定性受到较大的破坏,易造成上下一对功率开关管工作状态不平衡,功耗易集中,高低频交叠。另灯管的波峰因素易超标,灯管两端易发黑,加速灯管的光衰,且灯管闪烁,对用户易造成头晕目眩和近视。大批量生产时,厂家一般慎用此种电源设计电路。分立元件的电子镇流器线路,因为考虑产品的成本和受到局部空间的限制,避免分立元件过多,故一般不具有调光功能和常见的异常保护功能如短路、开路、激活、过压等。

  首先,电磁感应灯的工作频率往往较高,通常在几百KHZ以上,远高于普通的节能灯。高的工作频率要求对电子镇流器的性能提出了更苛刻的要求。如电路各电子元器件上的损耗必须足够低,元器件上的温度必须严格控制,元器件寿命必须有足够的保证。这些问题的提出使得电磁感应灯采用芯片技术成为了必然。集成芯片的低能耗、长寿命、稳定的性能使电磁感应灯能高效、稳定地工作。

  其次,使用芯片技术可以大大提高电磁感应灯的产品种类,如可形成不同工作频率、不同功率的产品系列。使用芯片可以方便地调节电磁感应灯的工作频率,可以实现调光的目的。同时芯片的低能耗使超小功率电磁感应灯制造成为了可能。如一个20W的电磁感应灯,如果使用分立元器件,电子镇流器上的损耗可能会超过额定功率的一半,这显然是不可能投入市场的。使用芯片扩大了电磁感应灯的功率范围,因而使电磁感应灯的应用范围大大扩大了。

  再次,使用芯片控制的电子镇流器,其对外界的EMI和EMC可以降到最低。芯片对电路的功率因素进行校正,功率因素可达到0.95以上,减少了传导干扰,元器件的集成封装使得电子镇流器对外界的感应干扰也大大降低了,芯片的使用可以使电磁感应灯轻松地达到IEC对电磁干扰的要求,使电磁感应灯真正成为健康环保的新型光源。

  性能优良可靠的电子镇流器线路,必须依靠芯片技术,用一块芯片代替几千个分立元件来实现诸多功能。芯片技术较少或较小范围、较小功能地应用在照明领域。以下通过上海宏源照明电器有限公司的电磁感应灯专用芯片来展示芯片技术的功效和卓越。

  电磁感应灯是用磁环耦合将灯点亮,没有灯丝,灯管寿命长,光衰小,咸涩指数高,功率范围大的先进光源,有许多优点。电磁感应灯的灯管必须工作在200~300KHZ的高频状态下,这对电磁感应灯的电子镇流器要求相当苛刻。复杂的功能需求,只有宏源电磁感应灯专用芯片才能满足。

  高频振荡驱动专用芯片:采用模拟与数字混合为一体的ASIC/SOC系统设计。通过芯片和分离元件搭连的模拟和数字电路集成为一块ASIC芯片。ASIC采用HDL语言和FPGA设计,设计的Lay out通过到晶圆厂流片,经过多次验证及沟通转码,辅助采用硬件语言,再采用模拟、数字单元门陈列设计,采用特殊面包板防真验证技术,使电磁感应灯专用振荡芯片得以快速诞生和成功。此芯片定制以模拟信号的采集:调理、转换为主,并集有数字电路功能为一体的专用芯片。此芯片的技术优势如下:

  ASIC避免主回路电流相位超前于电压,以使mosfet 产生极大的功耗而失效。

  ◆ 输出功率的自动补偿(恒功率):通过对输出电流和电压的采样,自动调节工作频率,调整输出电感的感抗,控制输出电流来恒功率,频率补偿范围220~290KHZ;

  ◆ 调制脉宽与调频功能相集合,实现连续调光功能、指数曲线位以上的微处理器快速执行信号的采样与计算,增强了调光的精度和平稳性;

  ◆ 芯片设计方面,注意到功率管开关时电压电流波形交叠易产生功耗,该功耗随工作频率升高而增加。配合外围线路共同组成零电压或零电流转换的软开关电路,提高系统的稳定性;

  ◆ 芯片工作频率由外围阻容决定fsoc≈1/1.4PTG。频率定位精度高,保证灯光平稳。有源功率因数校正控制专用芯片:属于断续传导模式不定频率的APFC升压式电路。

  ◆ 输入交流电压在80~310VAC时,自动调节PWM的功率开关管脉宽的占空比,提供恒定的直流电压。

  另外,智能控制专用芯片:采用单片机芯技术,它具有很强的控制功能;能够针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务。实现光控、时控、调光等功能。采用232与485通讯接口IC电路。实现群集智能控制,易于实现多机系统向网络化方向发展,让照明更为人性化、科学化、节能化。

  芯片与晶体管等分立元件联成的电路比较,体积更小,重量轻,功耗更小,从加工工艺上,减少了电路的焊接,所以芯片的性价比远远超出大量分立元件组成的电路。ASIC芯片代替了大量外围线路,才能实现宏源电磁感应灯工作和众多功能。另外明显降低采购、仓储和加工成本,大大加快了新产品的研发周期。电磁感应灯属于一种高科技新一代照明产品,产品的寿命也是此项产品更为关注的最重要的特点之一。此产品的寿命主要取决于电子线路的可靠性。因把系统的可靠性引为重要技术指标,必须重视电路可靠性的设计,随着电磁感应灯功能的多样化,分立元器件品种和数量增加很快,为适应多样恶劣环境,包括高、低温、高湿度、冲击等,电路上中心课题首先为可靠性。根据国际上对电子产品可靠性的分析,采取足够的提高系统可靠性的措施,最有效的为电子元器件的集成化。减少元器件数量从几千到几个,电路的可靠性由每一个元件相乘,总可靠性R=R1*R2*R3…RN(0≤R≤1),故相对电磁感应灯电子镇流器采用芯片技术,系统的失效率将会提升。电路简单、元器件少、功能多,能够产业化、商业化必须依靠芯片技术。因此,只有芯片技术成功的应用,照明产品才会快速飞跃发展。

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