- 照明節(jié)能產(chǎn)品的技術(shù)分析
- 電磁感應(yīng)燈采用芯片技術(shù)簡(jiǎn)介
- 芯片在照明產(chǎn)品上應(yīng)用
- 集成有高低驅(qū)動(dòng)端的輸出信號(hào)處理電路
- 調(diào)制脈寬與調(diào)頻功能相集合
- 輸出功率的自動(dòng)補(bǔ)償
一、市場(chǎng)上照明節(jié)能產(chǎn)品的技術(shù)分析
目前市場(chǎng)上的電子節(jié)能燈(CFL燈)和常規(guī)的獨(dú)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(qū)動(dòng)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(shí)(頻率fo=1/2πLC)，諧振電容兩端產(chǎn)生瞬間高壓，激活燈管內(nèi)汞離子點(diǎn)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(dòng)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(gè)繞組相互耦合產(chǎn)生兩個(gè)相位相反的高頻脈沖方波，使雙極性晶體管循環(huán)開關(guān)，熒光燈管能正常工作。因?yàn)榇穗娐返恼袷庮l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(fù)阻特性等共同決定。燈管既是輸出負(fù)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(gè)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(shè)計(jì)都是以一恒定頻率為基礎(chǔ)的。振蕩頻率的改變會(huì)使鎮(zhèn)流器的性能與效率降低，并會(huì)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(huì)立即被切斷而停止工作。與此同時(shí)，這種電路中功率開關(guān)管的開關(guān)時(shí)間過長(zhǎng)，造成開關(guān)損耗過大，特別對(duì)電磁感應(yīng)燈，工作頻率往往要求較高，開關(guān)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(qū)動(dòng)線路，是相互牽制，且線路過于簡(jiǎn)單，整體電路的可靠性相對(duì)較差。
在AC/DC電源部分：設(shè)計(jì)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(yán)重超標(biāo)，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(dǎo)通角增大，電源電流過零的死區(qū)時(shí)間縮短，功率因素能被提高，電流諧波有的能夠滿足強(qiáng)制性電氣安全國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(yán)重。
電路的穩(wěn)定性受到較大的破壞，易造成上下一對(duì)功率開關(guān)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(biāo)，燈管兩端易發(fā)黑，加速燈管的光衰，且燈管閃爍，對(duì)用戶易造成頭暈?zāi)垦：徒?。大批量生產(chǎn)時(shí)，廠家一般慎用此種電源設(shè)計(jì)電路。分立元件的電子鎮(zhèn)流器線路，因?yàn)榭紤]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(diào)光功能和常見的異常保護(hù)功能如短路、開路、激活、過壓等。
二、電磁感應(yīng)燈采用芯片技術(shù)的必然性和優(yōu)越性
相對(duì)市場(chǎng)上廣泛使用的節(jié)能燈產(chǎn)品，電磁感應(yīng)燈有其自身的特點(diǎn)：
首先，電磁感應(yīng)燈的工作頻率往往較高，通常在幾百KHZ以上，遠(yuǎn)高于普通的節(jié)能燈。高的工作頻率要求對(duì)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(yán)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(yīng)燈采用芯片技術(shù)成為了必然。集成芯片的低能耗、長(zhǎng)壽命、穩(wěn)定的性能使電磁感應(yīng)燈能高效、穩(wěn)定地工作。
[page]
其次，使用芯片技術(shù)可以大大提高電磁感應(yīng)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(diào)節(jié)電磁感應(yīng)燈的工作頻率，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)光的目的。同時(shí)芯片的低能耗使超小功率電磁感應(yīng)燈制造成為了可能。如一個(gè)20W的電磁感應(yīng)燈，如果使用分立元器件，電子鎮(zhèn)流器上的損耗可能會(huì)超過額定功率的一半，這顯然是不可能投入市場(chǎng)的。使用芯片擴(kuò)大了電磁感應(yīng)燈的功率范圍，因而使電磁感應(yīng)燈的應(yīng)用范圍大大擴(kuò)大了。
再次，使用芯片控制的電子鎮(zhèn)流器，其對(duì)外界的EMI和EMC可以降到最低。芯片對(duì)電路的功率因素進(jìn)行校正，功率因素可達(dá)到0.95以上，減少了傳導(dǎo)干擾，元器件的集成封裝使得電子鎮(zhèn)流器對(duì)外界的感應(yīng)干擾也大大降低了，芯片的使用可以使電磁感應(yīng)燈輕松地達(dá)到IEC對(duì)電磁干擾的要求，使電磁感應(yīng)燈真正成為健康環(huán)保的新型光源。
三、電磁感應(yīng)燈的芯片技術(shù)
性能優(yōu)良可靠的電子鎮(zhèn)流器線路，必須依靠芯片技術(shù)，用一塊芯片代替幾千個(gè)分立元件來實(shí)現(xiàn)諸多功能。芯片技術(shù)較少或較小范圍、較小功能地應(yīng)用在照明領(lǐng)域。以下通過上海宏源照明電器有限公司的電磁感應(yīng)燈專用芯片來展示芯片技術(shù)的功效和卓越。
電磁感應(yīng)燈是用磁環(huán)耦合將燈點(diǎn)亮，沒有燈絲，燈管壽命長(zhǎng)，光衰小，咸澀指數(shù)高，功率范圍大的先進(jìn)光源，有許多優(yōu)點(diǎn)。電磁感應(yīng)燈的燈管必須工作在200~300KHZ的高頻狀態(tài)下，這對(duì)電磁感應(yīng)燈的電子鎮(zhèn)流器要求相當(dāng)苛刻。復(fù)雜的功能需求，只有宏源電磁感應(yīng)燈專用芯片才能滿足。
高頻振蕩驅(qū)動(dòng)專用芯片：采用模擬與數(shù)字混合為一體的ASIC/SOC系統(tǒng)設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的Layout通過到晶圓廠流片，經(jīng)過多次驗(yàn)證及溝通轉(zhuǎn)碼，輔助采用硬件語言，再采用模擬、數(shù)字單元門陳列設(shè)計(jì)，采用特殊面包板防真驗(yàn)證技術(shù)，使電磁感應(yīng)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(hào)的采集：調(diào)理、轉(zhuǎn)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(shù)優(yōu)勢(shì)如下：
◆具有20~350KHZ的高頻振蕩的頻率特性;
◆在長(zhǎng)壽命加固方面、抗瞬態(tài)幅照、抗輻射等方面有明顯優(yōu)點(diǎn);
◆啟動(dòng)時(shí)頻率自動(dòng)下掃，在下掃過程中，遇到諧振點(diǎn)，產(chǎn)生高壓將燈點(diǎn)亮;
◆完善的異常態(tài)保護(hù)功能，過壓、開路、容性模式、失磁等狀態(tài)保護(hù);
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(nèi)集成有大量的高速比較器;
◆輸出功率的自動(dòng)補(bǔ)償(恒功率)：通過對(duì)輸出電流和電壓的采樣，自動(dòng)調(diào)節(jié)工作頻率，調(diào)整輸出電感的感抗，控制輸出電流來恒功率，頻率補(bǔ)償范圍220~290KHZ;
◆調(diào)制脈寬與調(diào)頻功能相集合，實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)光功能、指數(shù)曲線式調(diào)光。8位以上的微處理器快速執(zhí)行信號(hào)的采樣與計(jì)算，增強(qiáng)了調(diào)光的精度和平穩(wěn)性;
◆集成有高低驅(qū)動(dòng)端的輸出信號(hào)處理電路，提供優(yōu)質(zhì)的G1G2高頻方波;
◆嚴(yán)格控制芯片的死區(qū)時(shí)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(shè)計(jì)方面，注意到功率管開關(guān)時(shí)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(zhuǎn)換的軟開關(guān)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(dǎo)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(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)PWM的功率開關(guān)管脈寬的占空比，提供恒定的直流電壓。
◆完善的軟過壓保護(hù)、動(dòng)態(tài)過壓保護(hù)、靜態(tài)過壓保護(hù)。
另外，智能控制專用芯片：采用單片機(jī)芯技術(shù)，它具有很強(qiáng)的控制功能;能夠針對(duì)性地解決從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各類控制任務(wù)。實(shí)現(xiàn)光控、時(shí)控、調(diào)光等功能。采用232與485通訊接口IC電路。實(shí)現(xiàn)群集智能控制，易于實(shí)現(xiàn)多機(jī)系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，讓照明更為人性化、科學(xué)化、節(jié)能化。
四、芯片在照明產(chǎn)品上應(yīng)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(jià)比遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)宏源電磁感應(yīng)燈工作和眾多功能。另外明顯降低采購(gòu)、倉(cāng)儲(chǔ)和加工成本，大大加快了新產(chǎn)品的研發(fā)周期。電磁感應(yīng)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(xiàng)產(chǎn)品更為關(guān)注的最重要的特點(diǎn)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(shù)指標(biāo)，必須重視電路可靠性的設(shè)計(jì)，隨著電磁感應(yīng)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(yīng)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(guó)際上對(duì)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(gè)，電路的可靠性由每一個(gè)元件相乘，總可靠性R=R1*R2*R3…RN(0≤R≤1)，故相對(duì)電磁感應(yīng)燈電子鎮(zhèn)流器采用芯片技術(shù)，系統(tǒng)的失效率將會(huì)提升。電路簡(jiǎn)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(shù)。因此，只有芯片技術(shù)成功的應(yīng)用，照明產(chǎn)品才會(huì)快速飛躍發(fā)展。
