全集成鎮流器ic的製作方法

2023-05-03 08:51:01

專利名稱：全集成鎮流器ic的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於MOS門器件的柵驅動電路，特別涉及用於MOS門器件的單片柵驅動電路，尤其涉及用於螢光燈鎮流器電路的這些驅動電路。
由於可得到功率MOSFET開關器件和絕緣柵雙極電晶體(「IGBT」)代替以往使用的功率雙極開關器件，所以近來用於氣體放電電路的電子鎮流器已廣泛得到使用。單片柵極驅動器電路，例如由國際整流器協會推薦並在此完全引證其公開內容的美國專利No.5545955中所述的IR2155，已被設計用於驅動電子鎮流器中的功率MOSFET或IGBT。IR2155柵驅動IC顯示出超過以往電路的明顯優點在於，它封裝在普通的DIP或SOIC外殼中，包括內部電平移位電路、欠電壓鎖存電路、空載時間延遲電路、附加邏輯電路和輸入端，使驅動器在由外部電阻RT和電容器GT確定的頻率上可以自激振蕩。
儘管IR2155對以往的鎮流器控制電路提供了很大的改進，但它仍缺乏許多期望的特性，例如(ⅰ)在燈上不產生起始高壓脈衝的情況下確保無閃爍啟動的啟動過程，(ⅱ)非零電壓開關保護電路，(ⅲ)超溫(overtemperature)關斷電路，(ⅳ)DC總線和AC開/關控制電路，和(ⅴ)趨近或低於諧振的檢測電路。
本發明提供新的單片電子鎮流器控制器IC，它可以驅動兩個MOS門功率半導體，例如功率MOSFET或IGBT，一個稱為「低端開關」，另一個稱為「高端開關」，將兩個開關按推挽式輸出電路或半橋式電路連接。因此，本發明的IC執行很特殊的一套指令來控制螢光燈和保護鎮流器。尤其注意的是適當提高和降低IC和半橋式電路的功率，預熱和點火燈，運行燈，檢測各種可能的故障狀態，和根據燈的正常維護從這些故障狀態中恢復。
本發明的電子鎮流器IC(經國際鎮流器協會確定，稱為IR2157)根據對IC的各種輸入狀態設有五種基本的工作模式。這五種工作模式包括1)欠電壓鎖存模式2)預熱模式3)點火上升模式4)運行模式；和5)故障模式該電路設計成按照「狀態圖」在這些模式之間進行轉換，此外該電路還設計成在燈上不會加有起始高電壓脈衝的情況下確保無閃爍啟動，以及在一旦出現非零電壓開關、過熱情況、DC總線或AC線路電壓中的故障、或在趨近或低於諧振條件的場合下徹底關閉IC的功能。
根據以下參照附圖的說明，本發明的其它特徵和優點將變得明顯。


圖1是表示本發明集成電路工作的狀態圖。
圖2是表示本發明集成電路的典型連接圖。
圖3是表示本發明集成電路的電路方框圖。
圖4是說明在CT波形和稱為LO和HO-VS的IC輸出電壓之間基本關係的時序圖。
圖5表示涉及本發明集成電路工作的傳輸函數。
圖6表示在預熱模式和點火模式期間本發明IC工作頻率的曲線圖。
圖7表示在具有附加的外部電阻和電容器以在預熱前首先提高頻率的情況下(波形A)和在沒有附加的外部電阻和電容器以在預熱前首先提高頻率的情況下(波形B)，啟動時跨接在燈上的電壓。
圖8表示現有技術的IR2155鎮流器驅動IC的振蕩器部分。
圖9表示在起始導通時序期間現有技術的IR2155的輸入和輸出波形，可以看出起始輸出脈衝比後續脈衝長。
圖10是本發明IC的輸入和輸出波形的時序圖，該IC包括啟動時用於確保相等寬度驅動脈衝的控制電路，可以看出，一旦IC啟動，所有LO和HO輸出脈衝有相同寬度。
圖11是在本發明的「無閃爍啟動」時序中工作頻率與時間的曲線圖。
圖12表示本發明的「無閃爍啟動」時序的傳輸函數。
圖13是本發明鎮流器驅動IC的振蕩器部分的方框圖。
圖14表示在本發明鎮流器驅動IC中採用的溫度測量電路的優選實施例。
參照圖1，表示集成為本發明的IC2以控制電子(快速啟動)螢光燈鎮流器的集成電路狀態圖。圖2表示用本發明的集成電路2驅動單個螢光燈4的典型連接圖。圖3表示本發明集成電路2的基本方框圖。
按照該「狀態圖」結構，本發明的集成電路2便於執行很特別的一套指令，以控制燈4和保護鎮流器。IC精確地控制和適當地完成以下功能提高和降低IC2和半橋式電路(MOSFET6和8)的功率；預熱和點火燈；運行燈；檢測各種可能的故障狀態；和依靠正常的燈維護從這些故障狀態中恢復。
根據對IC的各種輸入狀態，狀態機構在五種基本的工作模式之間工作。這五種工作模式包括1)欠電壓鎖存模式2)預熱模式3)點火上升模式4)運行模式；和5)故障模式圖2表示包括所有輸入和輸出的IC2管腳。
晶片的輸入端包括1)VCC2)VDC3)SD4)CS5)CPH6)CT7)RTVCC表示待檢測的輸入和提供給IC的初始低電壓。除這七個輸入外，IC表面接合溫度表示第八個輸入。IC的輸出端包括1)HO2)LO3)RPH4)RUN5)DTIC的電源包括1)VCC2)COM3)VB4)VS本發明IC的一般管腳的說明如下
下面，將說明IC的五個基本工作模式模式1欠電壓鎖存(UVLO)在該控制模式中，只有重要的內務處理功能在IC2內有效。晶片(IQCCUV)的螢光電流保持與實際值(對於本發明的IC來說，典型值為150μA)一樣低，以便用來自整流線路或DC總線(參見圖2，電阻10)的1/4瓦電阻啟動IC。振蕩器不能使用，結果RT=CT=DT=RUN=0V。預熱管腳(CPH)被自動地固定為0V，VDC管腳被偏置在等於DC總線(或整流的AC線路)電壓的幾分之一的電壓上。在UVLO模式中，為了控制適當的啟動時序，偏置檢測VDC管腳上電壓的比較器。為了在半橋式電路(MOSFET 6、8)輸出時防止不必要的開關，柵驅動器輸出維持低水平(LO和HO-VS)。儘管利用VCC大於確定故障條件(後面說明)下的該上升閾值電壓使IC進入UVLO模式，但VCC電壓一般設置在0V和升高欠電壓鎖存閾值電壓(這種情況下為11.4V)之間。假設在半橋式電路輸出時無開關，那麼CS管腳為0V。根據IC外部電路的結構，從VCC由電容器12和二極體14構成的浮動電源(VB至VS)可以是0V，或VCC-0.7V(二極體14的正向電壓降，或0V和20V(VB至VS的推薦最大電壓)之間的電壓。
儘管SD管腳是控制UVLO模式的三個管腳之一(其它管腳是VCC和VDC)，但SD管腳在啟動時一般被偏置在其2.0V上升閾值電壓以下。與VDC管腳和VCC管腳的情況一樣，為了有助於控制UVLO模式，偏置的比較器檢測SD管腳電壓。
2．預熱模式在該工作模式中，IC內許多內部電路已經偏置和使能。結果，振蕩器運行。起電壓控制電流輸入作用的RT管腳被偏置為約2.0V。RPH管腳維持在0V，在預熱模式期間按並聯有效地連接電阻RT和電阻16。由跨接於RT和16的並聯組合的2.0V電壓產生的電流在IC內是鏡像的，用於編程使CT電容器(CT)充電的電流。對于振蕩來說，在CT管腳上檢測的下閾值電壓和上閾值電壓分別是2.0V和4.0V。利用圖2所示的CT電容器CT和空載時間電阻18編程表示LO和HO-VS輸出交替開關之間的空載時間的CT波形下降時間。
圖4表示CT波形和輸出電壓之間的基本關係。帶有分成兩個邏輯電路(圖3)的雙穩雙穩態多諧振蕩器20在LO和HO-VS輸出驅動信號中分開振蕩器輸出。因此，在振蕩器頻率的一半時導通半橋式電路(6、8)的輸出。
預熱模式期間，由內部的1μA電流源充電CPH管腳上的外部電容器24，並按照下式，由該電容器從0V充電至4V所需多長時間來確定預熱時間(即在預熱頻率上振蕩的持續時間)tPH=C24(4.0V)1A]]>為了允許IC用戶將預熱電容器24(圖2)製成表面安裝型(即對於快速啟動螢光燈的典型預熱時間來說，該電容器約小於470nf)，選擇1μA電流源。
預熱控制所需要的輸入條件包括1)VCC＞上升的UVLO閾值電壓(在優選實施例中為11.4V)2)VDC＞5.1V(DC總線或整流的AC線路正常工作的信號)1.0V CS閾值電壓在預熱期間無效的原因在於，強制導通總是在半橋式電路首先開始振蕩時出現，這種強制導通可被理解為故障條件和使半橋式電路斷路。
使無負載0.2V CS閾值電壓無效的原因在於，在預熱的初始周期期間，以及從點火至運行模式的過渡期間，下端MOSFET8(圖2)中的電流可能至少在一個周期(點火和運行之間的後段工作情況只有觀察某些燈型，例如40W、T12型)中自然地達到零。
根據同樣的理由，諧振以下的0.2V CS閾值電壓在預熱期間無效。最後，即使在半橋式電路的輸出上無負載但SD小於1.7V(燈4未故障的信號)的條件情況下，由功率MOSFET(6和8)觀測的強制導通不會產生基本器件加熱(快速啟動螢光燈的預熱時間一般為0.5-2.0秒)。此外，典型的功率電晶體外殼(例如，TO-220)的溫度時間常數為0.5-1.0分鐘。
總之，在預熱模式期間，VCC＞11.4V(正常工作條件下)，VDC＞5.1VSD＜1.7V
Tj＜175℃0V＜VCPH＜4.0VVRT=2.0VRPH=0VRUN=開路正如在稱為「無閃爍啟動」部分中的以下全部說明，本發明的優選實施例包括從RT管腳至地電位的電阻和電容器的串聯連接，以提供「初步預熱」頻率上升。如圖7所示，這種初始的頻率上升有利於防止燈啟動時的瞬時過電壓。
圖7的波形A表示預熱中初始循環期間出現的波形。跨接在燈上的電壓可以瞬時地超過燈的點火電位，導致燈內電弧電流的形成。儘管該電弧電流因其瞬間的持續時間可能是不可見的，但當燈絲冷卻時會出現電流流過其自身，從而降低燈絲上發射塗層的壽命。最終結果是鎮流器本身縮短了燈的壽命，而不是延長壽命。通過在更高頻率、正好幾個循環的啟動，產生圖7所示的波形B，從而保護燈絲上發射塗層的完整性。
3．點火上升模式當CPH管腳上的電壓達到4.0V時，IC2進入點火上升工作模式。此時，RPH管腳和COM(IC地電位)之間連接的開路漏極NMOS電晶體26(圖3)截止。在典型的連接配置中(參見圖2)，點火上升電容器28從RPH管腳連接至地電位(COM)。因此，當RPH管腳上內部開路漏極NMOS電晶體26截止時，按照下式，電容器28指數充電至RT管腳電壓VRPH=VRT(1-exp(-tR16C28))]]>RPH管腳上電壓的這種指數上升導致由電阻16(圖2)造成的RT管腳中電流的指數衰減，導致半橋式電路輸出工作頻率的下降。
工作頻率的這種衰減的效果使跨接諧振電容器30上的電壓增加至足以點燃燈4。這可用圖5表示如下在預熱的末端，頻率從點A衰減，產生跨接諧振電容器30上電壓的自然的無阻尼諧振曲線的結果，如果適當地選擇fMIN，那麼燈將在點B點火。一旦燈已經點火，那麼就存在新的負載傳輸函數，該函數比無阻尼諧振有明顯下降的增益。結果，一旦燈已經點火，那麼負載控制點就從圖5中的點B變為點C。儘管圖2中跨接在電阻16上的電壓繼續指數地衰減至零，但結果輸出頻率繼續向fMIN衰減(圖5中的點D)。
當CPH管腳電壓從4V充電至5.1V時，就是點火上升模式結束的信號。般來說，然後這樣選擇外部部件(24、28、CT、RT、16和18)，使輸出頻率在CPH管腳電壓從4V上升至5.1V前就上升至fMIN。圖6表示這種情況。
點火模式開始時，當CPH管腳電壓達到4.0V時，可實現1.0V CS閾值電壓。在預熱結束時實現該閾值電壓的作用在於，確定跨接諧振電容器(圖2中30)電壓不超過電容器的最大額定值(應該指出，圖5所示的諧振曲線可以描述負載電流以及由CS管腳檢測的電流，在y軸上正如兩個圖示說明諧振的Vcap30)的故障燈(例如，燈絲OK但燈中沒有氣體)情況。
總之，在點火上升模式期間，1)CPH利用1μA電流源經外部電容器從4V充電至5.1V；2)RPH開路；3)RUN開路；和4)實現1.0V CS閾值電壓。
4．運行模式當CPH管腳充電至5.1V時運行模式開始。此時，RUN管腳通過開路漏極NMOS電晶體32在內部短路至地電位。結果，圖2中的電阻34與電阻RT並聯連接，從而增加工作頻率。圖5表示這種轉換(從點D(fMIN)至E(fRUN))。
從fMIN至fRUN的改變對便於大批量的燈鎮流器製造極其重要。儘管對於確定的燈型和對應的負載電路來說，可以調節大批量製造中需要的fPH＞fIGN＞fRUN的控制時序，但fIGN和fRUN可能如此靠近以致可能出現使燈觸發電弧的問題。在控制時序上對用戶提供單獨的控制較好，使fPH＞fIGN＞fMIN，但唯一的其它約束是fRUN＞fMIN。這允許用戶在點火上升模式期間稍微過驅動燈，以便在所有環境和製造公差條件下保證適當的燈觸發電弧。fPH、fMIN、fRUN的這種單獨控制和採用外部電阻的點火上升便於由鎮流器或燈製造商控制這些模式的生產平衡。這些參數公差上的減小使用戶獲得最大的燈壽命和鎮流器的可靠性。
在進入運行模式中出現的另一情況是實現0.2V CS閾值電壓(相對於無負載和低於諧振的工作)。因此，如上所述，無負載電流的出現應該經過半橋式電路的至少一個循環，所以檢測實際故障條件是安全的。相同的方式用於低於諧振的工作。假設(根據許多不同的燈類型的分析進行觀察)到CPH達到5.1V時，那麼負載電流和電壓(正常工作條件下)已經達到穩定狀態。
5．故障模式在故障工作模式中，檢測四個條件之一1)CS＞1.0V(過電流或強制導通)；2)CS＜0.2V(無負載)；3)CS＜0.2V(低於諧振工作)；或4)Tj＞175℃(過熱條件)。
在檢測這些條件的其中一個後，設定故障鎖存器36(圖3)。一旦設定這個故障鎖存器，在IC內進行幾個動作1)降低柵驅動器輸出LO和HO-VS，關斷半橋式電路的輸出。2)將振蕩器輸出分成高端柵驅動控制信號和低端柵極控制信號的T(雙穩態多諧振蕩器)雙穩態多諧振蕩器20復位，以便一旦振蕩是重新啟動的，LO輸出總是首先出現。3)CPH管腳通過內部開路漏極NMOS電晶體38與地電位短路，復位預熱時序。4)使振蕩器關斷，變成原來的電壓基準，產生結果RPH=RT=RUN=CT=DT=0V。5)關斷大部分內部電路的偏置，產生大約150μA的靜態電流。
保持輸出關斷和具有低靜態電流的後果在於VCC電壓將維持15.6V(或如果該電壓還未達到該值就充電至15.6V)。在沒有任何附加外部輸入的情況下，晶片可以長期保留該模式。但是，從燈維護的觀點看，一旦分別出現燈電源導通和燈自身關斷，燈最可能用插入燈具的新燈管更換。
由四個上述故障條件的其中之一設定的故障鎖存器36被兩個信號的其中之一復位(參見圖3)1)VCC跌落到下欠電壓鎖存閾值電壓(在此情況下為9.5V)以下，從而從欠電壓檢測電路40產生「高」輸出；或2)SD＞2.0V(發出燈更換信號)。
狀態圖的說明上面說明了狀態圖控制的五個不同模式，下面說明狀態圖本身。
當鎮流器電源首先導通時，DC總線電壓或整流的AC線路電壓根據使用的電路(PFC控制，簡單整流器等)按dv/dt上升，以產生對半橋式電路的高電壓輸入。啟動電阻10(圖2)上的電壓降將造成流入VCC退耦電容器42的電流，該電流等於Icap42=(VBUS/R10)-IQCCUV隨著IC的VCC管腳充電上升，IC初步處於欠電壓鎖存(UVLO)模式。當滿足下列四個條件時，IC離開UVLO模式進入預熱模式。1)VCC＞11.4V(VCC＞UV+)，和2)VDC＞5.1V(DC總線或AC線路)，和3)SC＜1.7V(燈ok)，和4)Tj＜175℃(接合溫度ok)。
如果未滿足這四個條件中的任何一個，那麼IC就不進入預熱模式。
假設滿足這四個條件，晶片將開始預熱燈絲。CPH管腳將充電至其4.0V閾值電壓，振蕩器將在fPH上驅動半橋式電路。
儘管在預熱模式中，但可能出現幾個不同的故障狀態。根據作為特定故障的作用，這些故障被分成兩個不同的組。第一組具有將IC拉回UVLO模式的特徵。這組故障包括1)VCC＜9.5V(VCC故障或功率下降)，或2)VDC＜3.0V(DC總線或AC線路故障或功率下降)，或3)SD＞2.0V(燈故障或燈更換)。
因此，如果出現這些故障的其中之一，那麼IC就返回UVLO模式(參見圖1)。
預熱模式中可以檢測的唯一其它故障應該是連接過熱條件(Tj＞175℃)。如果在IC上檢測出過熱條件，那麼設定故障鎖存器36，晶片返回故障模式(參見圖1所示的狀態圖)。
假設當CPH達到4.0V時燈成功預熱，那麼晶片進入點火上升模式。在點火上升期間，輸出頻率從fPH指數衰減至fMIN。由CPH電容器(圖2中電容器24)、1μA內部電流源和~1V傳送至CPH管腳(4V至5.1V)確定點火上升模式的持續時間。在點火上升模式開始時可實現1V CS電壓閾值。
一旦進入點火上升模式，可以檢測兩種不同的故障條件。第一組條件將IC返回UVLO模式。這些故障是1)VCC＜9.5V(VCC故障或功率下降)，或2)VDC＜3.0V(DC總線或AC線路故障或功率下降)，或3)SD＞2.0V(燈故障或燈更換)。另一組故障使晶片進入故障模式。這些故障是1)CS＞1.0V(使燈觸發電弧的故障或強制開關檢測故障)，或2)Tj＞175℃(過熱條件)。
如果晶片成功地完成點火上升和CPH達到5.1V閾值，那麼IC進入運行模式。在這種情況下，輸出頻率從fMIN至fRUN開關(當RUN→0V時)。CPH繼續充電(1μA)，通過內部的7.6V齊納二極體最終箝位。最終的頻率fRUN確定輸送給燈的功率，因此確定燈亮度。
一旦燈運行(運行模式)，那麼可實現0.2V CS電壓閾值，使晶片可以檢測無負載條件或工作低於諧振。
在運行工作模式內，可以檢測兩種不同的故障條件。第一組條件使IC返回UVLO模式。這些故障包括1)VCC＜9.5V(VCC故障或功率下降)，或2)VDC＜3.0V(DC總線/AC線路故障或功率下降)，或3)SD＞2.0V(燈故障或燈更換)。
使IC進入故障模式的第二組故障包括1)CS＞1.0V(過電流或強制開關)，或2)CS＜0.2V(無負載或工作低於諧振)，或3)Tj＞175℃(過熱)。根據故障模式，復位故障鎖存器的唯一方式是1)產生SD＞2.0V(燈拆除)，或2)VCC＜9.5V(使IC循環至零的功率)。
以下是接電、啟動、運行、故障檢測和根據圖1所示的狀態圖由本發明IC完成的校正條件的幾個實例。Ⅰ．正常工作1．導通鎮流器電源↓2．整流的AC上升，建立DC總線
↓3．UVLO模式↓4．預熱模式↓5．點火模式↓6．運行模式↓7．因關斷電源，DC總線或整流AC線路下降(VDC＜3.0V)↓8．UVLO模式↓9．IC截止，VCC=0VⅡ．正常工作-交叉測試1．導通鎮流器電源↓2．整流的AC上升，建立DC總線↓3．UVLO模式↓4．預熱模式↓5．關斷鎮流器電源，然後導通，使VDC短暫下降到3.0V以下，隨後上升到5.0V以上(在光開關上交叉測試)↓6．UVLO模式↓7．預熱模式
↓8．點火模式↓9．運行模式↓10．因電源關斷，DC總線或整流的AC線路下降↓11．UVLO模式↓12．IC截止，VCC=0VⅢ．燈故障-熔斷下燈絲1．導通鎮流器電源↓2．整流的AC上升，建立DC總線↓3．UVLO模式↓4．預熱模式↓5．點火模式↓6．運行模式↓7．下燈絲使開路電路故障(SD＞2.0V)↓8．UVLO模式，VCC=15.6V,SD＞2.0V↓9．電源導通，燈關閉→燈更換，∴從燈具上拆除燈↓
10．仍處於UVLO模式(與8相同)↓11．替換成新燈，SD＜1.7V↓12．預熱模式↓13．點火模式↓等等Ⅳ．燈故障-熔斷上燈絲a)因熔斷的燈絲未連接諧振電容器，所以電弧電流繼續流動。
1．導通鎮流器電源↓↓6．運行模式↓7．上燈絲故障↓8．燈維持點亮↓a)…↓X．…↓7．鎮流器電源關閉↓8．DC總線下降，整流的AC線路下降，VDC＜3.0V↓9．UVLO模式
↓10．IC截止，VCC=0V↓11．電源再次導通(例如，第二天)↓12．整流的AC上升，建立DC總線↓13．UVLO模式↓14．預熱模式↓15．點火模式，檢測強制開關↓18．故障模式，燈保持關閉↓19．電源導通，燈關閉→燈更換，∴拆除燈(SD＞2V),UVLO模式↓20．在燈具上裝上新燈，SD＜1.7V(電源開通)↓21．預熱模式↓a)…↓21．…↓22．點火模式↓23．運行模式↓等等
b)熔斷燈絲未連接電感器，電弧電流中斷。
1．導通電源↓6．運行模式↓7．上燈絲故障↓8．檢測強制開關(CS＞1.0V)或檢測無負載(CS＜0.2V)↓9．故障模式↓10．電源導通，燈關閉→燈更換，從燈具上拆除燈，(SD＞2.0V),UVLO模式↓11．將新燈裝在燈具上，SC＜1.7V(電源開通)Ⅴ．燈故障-熔斷燈絲1．導通電源↓↓11．…↓12．預熱模式↓13．點火模式↓14．運行模式↓等等Ⅵ．燈故障-非對稱的燈電壓(整流)1．導通電源
↓…6．運行模式↓7．燈電壓變成燈壽命的非對稱表示端，檢測強制開關(CS＞1.0V)↓8．故障模式↓9．電源導通，燈關閉→燈更換，∴拆除燈，SD＞2V↓10．將新燈裝在燈具上，SD＜1.7V,UVLO模式↓11．預熱模式↓等等Ⅶ．燈故-燈運行時玻璃裂縫，漏氣，燈絲正常1．導通電源↓…6．運行模式↓7．燈運行時玻璃裂縫，漏氣，電弧電流消失，負載傳輸函數從阻尼回到非阻尼(燈絲正常)，工作低於諧振(CS＜0.2V)↓8．故障模式↓9．電源導通，燈關閉→燈更換，∴拆除燈，SD＞2V,UVLO模式↓10．將新燈裝在燈具上，SD＜1.7V(電源開通)↓
11．預熱模式↓等等Ⅷ．燈故障-在沒有氣體、燈絲正常下啟動燈1．導通電源↓2．整流的AC上升，建立DC總線↓3．UVLO模式↓4．預熱模式↓5．點火模式，CS＞1.0V(點火故障)↓6．故障模式↓7．電源導通，燈關閉→燈更換，∴拆除燈，SD＞2V,UVLO模式↓等等Ⅸ．運行時AC線路損耗1．導通電源↓↓6．運行模式↓7．線路損耗，VCC＞9.9V(UV-)VDC＜3.0V↓8．半橋式電路斷路，燈關閉，UVLO模式↓9．線路恢復，VDC＞5V
↓10．預熱↓11．點火↓12．運行↓等等Ⅹ．運行時的過熱狀態(自加熱)1．導通電源↓…↓6．運行模式↓7．Tj＞175℃，故障模式，燈關閉↓8．電源導通，燈關閉→燈更換，∴拆除燈，SD＞2V,UVLO模式↓等等Ⅺ．運行時的過熱條件-因鎮流器周圍環境溫度上升產生的熱(例如，空氣調節器故障)1．導通電源↓…↓6．運行模式↓7．Tj＞175℃，故障模式，燈關閉↓
8．電源導通，燈關閉→燈更換，∴拆除燈，SD＞2V,Tj＞170℃，所以仍是故障模式↓9．將新燈裝在燈具上，SD＜1.7V，且Tj＜170℃↓10．仍處於故障模式↓11．電源導通，儘管燈更換但燈仍然關閉，∴鎮流器被懷疑有故障↓12．根據許多因素進行下個動作a)Tj＞170℃持久嗎？如果持久，那麼鎮流器的交換不是固定問題(維修人員多半不會在該熱環境下更換鎮流器)。
b)如果Tj＞170℃不是持久的，那麼有多種可能性。
ⅰ)在更換鎮流器前循環電源(在Tj＜170℃後)→燈導通，無更換要求ⅱ)在鎮流器更換前不循環電源→更換鎮流器，燈導通以下部分更詳細地說明在上述狀態圖工作中包括的本發明的特別有利的特性。
1．用於確保按相等寬度驅動脈衝啟動的控制電路圖8表示現有技術的鎮流器驅動器集成電路(稱為I2155)的方框圖，該集成電路完成產生交替、非重疊、50％佔空循環柵驅動信號HO和LO，以驅動半橋式電路的MOSFET(或IGBT)的振蕩器功能。
圖8中，比較器50和比較器52與RS鎖存器54及電阻56、58和60構成的分壓器一起形成裝入IR2155 IC中的555型振蕩器。通過連接外部電阻RT和電容器CT，可以按下式編程RT管腳上振蕩的穩定狀態頻率fRT=11.4RTCT]]>圖9表示IC初始導通時序期間的輸入和輸出波形。這些波形表示需要校正的問題。
在IC的VCC電壓達到內部欠電壓鎖存電路的上升閾值電壓的時刻，被固定在CT管腳下的NMOS電晶體截止。由於RT管腳電壓在這種情況下是高電壓，所以CT電容器利用RT電阻開始充電。使CT管腳從其初始條件(VCT=0V)充電至2/3 VCC閾值電壓的時間為t1=1.11RTCT因此，該時間是從LO輸出上看到的第一脈衝寬度。
另一方面，使CT管腳從2/3VCC閾值電壓充電下降至1/3VCC電平(即從t1至t2)所需時間獲得以下結果t2-t1=0.69RTCT振蕩器的以上這種特殊形式是眾所周知的，假設VCC的穩定值，那麼所有後續的充電和放電時間(例如，t3-t2、t4-t3)都等於0.69RTCT。
以上等式之間的關係表示要解決的問題，就是說，如圖9所示，第一脈衝比後續脈衝長。這種較長的第一脈衝的作用在於，在低頻時初步驅動負載，導致超過燈上的電壓。這是圖9所示的底部線路。
在圖9中VCT上所示的第一脈衝越長，導致燈上的電壓越高，如果電壓超過燈的點火電位，那麼可以在燈上看到瞬間閃爍，燈絲壽命被極大地降低。
本發明的概念簡單地用於本發明的控制集成電路內的電路，以確保一旦IC啟動所有LO和HO輸出脈衝都是同樣寬度。
這種改善啟動步驟的結果在於，燈電壓未超過點火電位，未看見閃爍和明顯地實現高可靠性。圖10的時序圖表示這種新的啟動特性。
本發明方框圖(圖3)中的點劃線部分70表示實施本發明這一特性的電路。比較器72檢測CT管腳電壓，並將其與振蕩器的低閾值電壓的2.0V基準電壓比較。比較器72的輸出在任何時間都高於小於2.0V基準電壓的CT管腳電壓。比較器72的輸出饋入給逆變器74的輸入，然後該逆變器的輸出饋入給RS鎖存器76的設定輸入。在UVLO模式或故障模式期間，RS鎖存器76復位，Q輸出低電平。當進入預熱模式時，RS鎖存器76的復位輸入被拉低，輸出Q保持低電平。在進入預熱模式的同時，CT管腳電壓開始從0V的其初始條件上升。當CT管腳電壓上升超過2.0V時，比較器72的輸出變成依次設定RS鎖存器76的低電平，其Q輸出變成高電平，並維持高電平直至進入UVLO模式或故障模式。RS鎖存器76的Q輸出饋給與門77的其中一個輸入和與門78的其中一個輸入。這有效地阻塞在CT管腳上升超過振蕩器第一循環的2.0V閾值電壓前LO輸出的任何開關，因此LO輸出的第一脈衝的持續時間與後續脈衝相同。此時，CT管腳電壓在振蕩器的2.0V和4.0V閾值電壓之間振蕩。
2．無閃爍啟動如果工作頻率在預熱模式初期過低，燈上的合成高電壓可以導致燈短暫點火，產生不期望的瞬間閃爍，該閃爍對眼睛有害，並可能降低燈的壽命期望值。
改善的啟動時序包括在本發明的IC中，以保證燈在電源加給鎮流器的初期使用中無閃爍。圖11和圖12表示這種無閃爍時序。圖11表示振蕩頻率與時間的曲線。可以看出，時序開始於頻率fSTART，該頻率在時間零點時高於頻率fPREHEAT；就是說，改善的時序在振蕩頻率高於預熱頻率時開始。然後，頻率上升至預熱燈陰極所需要的值。觀察圖12，可以看出，通過在高於預熱所需要的頻率上運行，運行的點進一步離開串聯LC電路的諧振頻率。這種情況下，跨接在燈上的電壓以更低的幅度開始，因此進一步在可能使燈點火的電平以下。
通過本發明的半橋式MOS門器件器集電路中的振蕩器部分，便於實現這種改善的啟動時序的簡單方法。本發明的鎮流器驅動器IC2包括與工業標準脈衝寬度調製器集成電路類似的振蕩器。通過挑選圖2所示的電阻RT和電容器CT編程振蕩的頻率。這樣挑選電阻值，該電阻值將編程用於升高振蕩器電容器CT上電壓的充電電流。第二電阻18用於使振蕩器電容器CT放電。圖13表示本發明的鎮流器驅動器集成電路的振蕩器部分的方框圖。利用圖13所示的連接，但在不包括所示電阻RSTART和電容器CSTART的情況下，預熱振蕩頻率是固定的，並不作為時間函數變化。
在沒有電阻RSTART和電容器CSTART的情況下的運行如下當將電源開始施加給本發明的鎮流器驅動器IC時，預熱定時電容器24放電。RT管腳電壓固定為零，不出現振蕩。當電壓升高到欠電壓鎖存閾值電壓時，電容器24開始充電，RT管腳電壓導通。此時，鎮流器驅動器IC開始在預熱頻率上振蕩。由RT和電阻16的並聯組合確定該頻率。當電容器24的電壓達到預定閾值電壓時，發出預熱模式完成信號，從電路中有效地拆除電阻16。此時，由電阻RT單獨確定振蕩頻率，因此頻率下降至運行值。
為了實施改善的啟動時序，必須附加圖13所示的兩個部件，電阻RSTART和電容器CSTART。些部件將運行變更如下如上述情況那樣，在鎮流器驅動器IC產生欠電壓鎖存模式前，電容器24放電，RT管腳電壓固定為零。這種情況下，電容器CSTART也放電。當鎮流器驅動器IC的電壓升高至欠電壓鎖存閾值電壓以上時，CPH開始充電，RT管腳電壓導通。鎮流器驅動器IC開始振蕩，但在該情況下，由電阻16、RT和RSTART的並聯組合確定該頻率。由於電容器CSTART開始放電，所以在振蕩開始啟動時出現附加電阻RSTART的組合。但是，振蕩頻率上RSTART的影響因CSTART通過RSTART充電隨時間減弱。隨著CSTART電壓趨近RT管腳電壓的水平，由RSTART拉出的電流趨近零，僅由電阻16和RT的並聯組合確定諧振頻率(這種情況假設CSTART充電時間短於預熱模式時間)。此後，振蕩器的運行與前述相同。
3．DC總線/AC導通/截止控制電路在給螢光燈供電的電子鎮流器中，在DC總線電壓或AC線路電壓的可編程電平上具有導通和截止控制是常見的，有時是必需的。除通過完成由按控制電源電壓(VCC)的預定電平激勵和不激勵鎮流器的鎮流器控制電路或IC完成的鎮流器控制的標準欠電壓控制外，DC總線或AC線路通/斷控制確保鎮流器輸出級在運行期間始終被供給最小的DC總線電壓電平。
如果僅根據VCC的值由標準欠電壓鎖存確定通/斷控制，那麼在IC因限定鎮流器燈諧振輸出級的運行範圍斷路前，燈可以長久地熄滅。這可能導致半橋式MOSFET或IGBT的嚴重故障。此外，鎮流器輸出級和輸入時任何有源功率因數控制(PFC)級之間的相互作用可以產生燈閃爍、呃逆、降低亮度和欠電壓期間相對於各級和其相應的斷路時序的依賴電源(VCC)結構的其它不期望的效果。再有，依據鎮流器電路中存在的保護邏輯類型，AC線路和/或DC總線(節電條件)上的快速過渡可能導致故障，出現(即燈熄滅和檢測出過電流)迫使鎮流器鎖存直至完成線路電壓的再循環或燈更換。
本發明的鎮流器驅動器IC中的電路提供可編程的通/斷電平，在可能出現任何故障條件、不期望的負載效果或半橋式MOSFET或IGBT的故障前，允許鎮流器在安全DC總線電平時被完全斷路。
參照圖2的連接圖，當半橋式輸出(VS)開始振蕩時，在按15.6V的內部上升電壓保持VCC的必要供給電流情況下，將電容器80和二極體82及84構成的電荷泵電路供給本發明的IC。在運行期間的這種結構中，IC不再由DC總線提供電源，而由鎮流器輸出級提供電源。此時不依賴於DC總線電平上的變化(至某個程度)。DC總線應該下降至零，IC將繼續由電荷泵提供電源直至VCC＜9.5V，該電壓在燈將被熄滅後長久地出現。換句話說，在沒有本發明的DC總線/AC線路通/斷控制電路情況下，DC總線控制的鎮流器控制器範圍＞＞DC總線控制的鎮流器輸出級的範圍。燈熄滅和控制頻率應該保持固定和低於點火前鎮流器輸出級的諧振頻率，構成半橋式電路的MOSFET(6和8)或IGBT因任何一個MOSFET(或任何一個IGBT)導通時出現的高電流峰值可能災害性地損壞。
在圖3所示的方框圖中用點劃線框90表示的本發明的通/斷控制電路包括上下限比較器，即比較器92和94，該比較器比較分別相對於5V、3V兩個內部閾值電壓的來自DC總線的分配電壓。5V閾值電壓用於升高，3V閾值電壓用於下降。將兩個電壓之間的差轉換成導通和截止DC總線/AC線路電壓電平之間的滯後，以調整AC波紋、瞬態和噪聲。此外，DC總線應該是未調節的，根據燈的功率，DC總線將點火前整流線路電壓的峰值變換成運行期間的某個較低的值。滯後是足夠大的，使因負載造成的DC總線電平的下降不會導致鎮流器斷路，該斷路可能產生持續的呃逆。
因此，通過正確地選擇構成檢測DC總線分壓器的電阻96和98編程相應的導通和截止DC總線/AC線路閾值電壓。除VCC上的UVLO電路外，鎮流器控制器此時將等待直至VCC＞11.4V和VDC＞5.1V。
電路的工作如下首先，在導通情況下，當VDC超過5V時，RS鎖存器100的R(復位)輸入變「高」，使鎖存器的Q輸出變低，從而啟動半橋式驅動器(如果對或門102的所有其它輸入也為低)。VDC應該下降至3V以下，RS鎖存器100的S(置位)輸入變「高」，使鎖存器的Q輸出變「高」，因此未啟動半橋式驅動器。
總之，本發明的上述DC總線/AC線路導通/截止控制電路具有以下有利的設計特性1)可編程裝置，根據鎮流器輸出級的控制範圍，使鎮流器在DC總線的預定電壓電平上導通/截止。
2)允許導通/截止控制被編程為DC總線電壓電平或AC線路電平的函數。
3)在因限定鎮流器輸出級的控制範圍造成的熄滅燈的情況下，消除因在諧振運行以下造成的半橋式MOSFET或IGBT的災難性破壞的潛在危險。
4)包括滯後，以構成調整和未調整的DC總線結構，和改變負載條件(即預熱、點火、無負載)。
5)以DC總線電壓供給鎮流器輸出級的合適電平通過導通和截止消除任何不期望的燈效果，例如閃爍、不亮的光水平、呃逆等。
4．過熱斷路電路在固定輸出(恆定光)鎮流器中，在穩定狀態控制頻率和總線電壓相對恆定的情況下，利用集成電路可以檢測鎮流器內的環溫度。因此，可以利用這種溫度檢測技術保護鎮流器免於潛在的危險過熱狀態。
由於IC表面的接合溫度直接涉及鎮流器內的環境溫度，所以可以將溫度檢測電路設計在IC中，該檢測電路可以用於在鎮流器外殼內保護鎮流器不超過環境溫度。鎮流器斷路時的精確溫度可以由IC製造廠商在IC製造工藝中利用不同的金屬掩模容易地編程，因此允許鎮流器製造廠商仔細地將保護溫度與特定的結構聯繫，並用於產生鎮流器設計。
圖14表示採用本發明的鎮流器驅動器IC的溫度測量電路的優選實施例。在圖3中用過熱框110表示該溫度測量電路。齊納二極體112表示該電路內的電壓基準。電流源113向該二極體提供恆定的偏置電流，以便在電晶體114的發射極上保持恆定的電壓VREF。電晶體114和116表示緩衝電路，用於把VREF電壓傳送給電晶體116的發射極。電阻118和120用於設定電晶體122的基極電壓，以便在斷路溫度以下的溫度時，使電晶體122截止。由於齊納二極體擊穿電壓和該擊穿電壓的溫度係數之間的關係，轉換基準電壓(在電晶體118的發射極)的溫度係數不是接近零就是稍微為正。作為實例，對於5.15V齊納二極體來說，溫度係數(TC)＜1mV/℃。對於7.5V齊納二極體來說，TC約為4mV/℃。結果，由於用電阻118和120構成分壓器，所以電晶體122基極上電壓的溫度係數也接近零或稍微為正。但是，在恆定的電流時(例如，圖14中的124)，電晶體122的VBE有約-2mV/℃的負TC。因此，可以這樣選擇由電阻118和120形成的分壓率，使電晶體122在特定的溫度下導通，在OT節點上發出過熱(OT)狀態信號。
可以預計，對於本領域技術人員來說，可以採用許多不同的設計完成溫度檢測和斷路本發明的電路。
5．檢測接近諧振或低於諧振工作的電路在正常工作條件下，相對於半橋式電路電壓VS的電感電流(通過電感器130(圖2)的電流)的相位處於0和-90度之間。但是，如果相位接近0度，則頻率趨近諧振。在接近諧振時，在半橋式電路上可能出現非零電壓開關，導致在兩個半橋式開關導通時的大電流峰值。
還可以使諧振的燈輸出級工作在低Q電路(運行期間)的諧振頻率以上，但在高Q(點火前)電路的諧振頻率以下。因此，如果燈被拆除，那麼傳輸函數從低Q曲線躍至高Q曲線，同時頻率保持不變和在高Q電路的諧振頻率以下。這導致半橋式電路的幾乎立即損壞。
可能造成低於諧振工作的另一條件在於，如果燈絲是完整的，而燈內的氣體漏出(例如，玻璃裂縫)。在這種條件下，負載工作條件會立即從阻尼(諧振以上)變為無阻尼(諧振以下)。
本發明的鎮流器IC驅動器適當地包括檢測燈的工作接近諧振頻率或在諧振頻率以下的電路，和在這種條件下斷路燈的工作電路，以防止半橋式驅動器電路的開關器件(MOSFET或IGBT)的嚴重故障。
比較在下電晶體開關和地電位之間配置的或在下燈絲和地電位之間配置的檢測電阻電壓(在圖2的典型連接中表示為電阻132)與預定的基準電壓，以產生輸出比較信號。輸出比較信號選通下MOSFET或IGBT8(在下電晶體開關和地電位之間配置檢測電阻的情況下)的截止邊緣，或選通上MOSFET(在下燈絲和地電位之間配置檢測電阻的情況下)的截止邊緣，以便在接近諧振或在諧振操作以下的燈諧振電路工作的狀態下產生斷路半橋式電路的信號。
參照圖3的方框圖，接近諧振或諧振以下的本發明的檢測電路包括用參考序號134表示的在點劃線內的部件。接近諧振或諧振以下的本發明的檢測電路檢測電感電流，並將它與預定的低電壓閾值比較，在調光的燈中該電壓閾值很高，以便不幹擾燈的正常工作，但不能過高，以致不必要地發出遠大於諧振頻率的故障條件信號。
更具體地說，在本發明的電路中，利用在驅動電路的下半橋式MOSFET或IGBT的源極和地電位之間配置的電阻132，按圖2的典型連接電路那樣檢測電感器電流。檢測的電壓施加在本發明的鎮流器驅動器IC的CS輸入上。
下面參照圖3的方框圖和在點劃線內特別表示的電路134，將表示跨接電阻132電壓的CS輸入用比較器136與基準電壓(例如，圖3所示的0.2V)進行比較，然後比較器136的輸出選通下端MOSFET或IGBT8選通信號的截止邊緣。在圖3所示的本發明優選實施例中，採用D型雙穩態多諧振蕩器140實現該選通。
如果跨接檢測電阻132的電壓在下端MOSFET或IGBT8截止時下降至下電壓閾值(0.2V)以下，那麼相對於半橋式電路電壓，電感器130電流的相位角指示趨近零，因此控制頻率接近輸出級諧振頻率或在輸出級諧振頻率以下，D型雙穩態多諧振蕩器140的Q輸出變低，RS鎖存器36的輸出變高，半橋式電路被鎖存。
根據調頻原理，由本發明的電路完成趨近或諧振以下的運行檢測，以致幾乎立即出現斷路。當傳輸函數從諧振之上突然改變至諧振以下和半橋式電路應該在故障出現的下一個周期內斷路時，這對於負載拆除來說是重要的。
6．非零電壓開關保護電路當驅動具有高端和低端半橋式驅動器電路的諧振負載時，必須滿足零電壓開關。這確保平滑的AC電流和電壓，並提供連續不間斷的電感電流。在用諧振輸出級驅動螢光燈的同時如果出現非零電壓開關，高電流峰值出現在半橋式開關中，該電流可以超過開關的最大電流額定值，和/或在開關中產生功率損失可以導致開關熱損壞。
因一個或兩個燈絲斷裂可能出現非零電壓開關，導致電路開路或正常使燈運行但DC總線電壓下降。在各自情況下，半橋式輸出電壓Vs在下開關導通前必須轉換成零，或在上開關導通前必須轉換成DC總線電壓。如果燈不存在，那麼因開關和(如果存在)緩衝電容器80造成電感器電流不流動，以便將電容器從Vs轉換成地電位。本發明的電路檢測產生的電流峰值，如果它超過預定值，那麼就使兩個半橋式開關斷開。
本發明的保護電路通過在下半橋式開關和地電位之間安裝的檢測電阻132檢測表示非零電壓開關條件的電流峰值。檢測電阻132提高跨接它的電壓，該電壓對應於流過下開關的電流。該電壓被施加在圖2所示的本發明的鎮流器驅動器IC的CS輸入上。
下面參照圖3的方框圖，將CS輸入管腳上的電壓施加給本發明的非零電壓開關電路，該開關電路包括用參考序號150表示的點劃線內的電路。更具體地說，將跨接檢測電阻的電壓(即CS輸入管腳電壓)用比較器152與固定的閾值電壓(在本發明的優選實施例中為1.0V)比較。在非零電壓開關條件的情況下，如果跨接檢測電阻的電壓超過1.0V，將RS鎖存器36通過比較器152的輸出設定達到「高」，因此通過RS鎖存器36的復位輸入和雙穩雙穩態多諧振蕩器20的輸入斷路柵驅動信號。然後，上下MOSFET或IGBT6和8鎖存三態模式(兩個關閉)。電路保持該禁止模式直至欠電壓檢測電路40因電路供給電壓VCC的重複循環從低循環至高再循環到低，或者或門160的復位輸入因燈的拆除和重新插入從低循環至高再到低。
儘管利用其特殊的實施例已經說明了本發明，但對於本領域技術人員來說，顯然可以進行許多其它變化、改進和其它應用。因此，應該指出，本發明並不限於這裡的特定披露，而僅由後面的權利要求書限定。
權利要求
1．一種集成電路，用於驅動以半橋式配置連接的將振蕩電流提供給螢光燈電源的第一和第二MOS柵功率電晶體，集成電路包括根據集成電路的各種輸入狀態至少在以下多個運行模式之間自動開關的電路，多個運行模式包括1)欠電壓鎖存模式2)預熱模式3)點火上升模式4)運行模式；和5)故障模式。
2．如權利要求1的集成路，還包括防止跨接在燈上的電壓在預熱模式期間超過點火電壓以確保無閃爍啟動的電路。
3．如權利要求2的集成電路，其特徵在於，防止跨接在燈上的電壓在預熱模式期間超過點火電壓以確保無閃爍啟動的電路，包括在預熱模式的初始部分期間短暫升高施加給燈的振蕩電流頻率的電路。
4．如權利求2的集成電路，其特徵在於，防止跨接在燈上的電壓在預熱模式期間超過點火電壓以確保無閃爍啟動的電路，包括在預熱模式開始直至定時電容器充電期間一開始就延遲供給燈的振蕩電流的電路，以便從開始確保將相同長度門脈衝供給半橋式功率電晶體。
5．如權利要求1的集成電路，還包括檢測非零電壓開關出現和在出現這種情況下將供給螢光燈的振蕩電流斷路的電路。
6．如權利要求1的集成電路，還包括檢測螢光燈接近諧振或諧振以下運行的出現和在出現這種情況下將供給螢光燈的振蕩電流斷路的電路。
7．如權利要求1的集成電路，還包括檢測集成電路過熱條件的出現和在出現這種情況下將供給螢光燈的振蕩電流斷路的電路。
8．如權利要求1的集成電路，還包括檢測DC總線或AC線路電壓故障和在出現這種故障情況下將供給螢光燈的振蕩電流斷路的電路。
全文摘要
一種鎮流器控制集成電路,該集成電路通過集成狀態圖結構執行特定的一套指令,以控制螢光燈和保護鎮流器。狀態圖結構控制IC和由IC驅動的半橋式電路的功率升高和下降,燈的預熱和點火,燈的運行和依靠燈的正常維護從這些故障條件中恢復。
文檔編號H05B41/298GK1228671SQ99100430
公開日1999年9月15日 申請日期1999年1月5日 優先權日1998年1月5日
發明者託馬斯J·理巴裡奇, 塔爾博特M·霍克, 丹娜S·威廉 申請人:國際整流器有限公司