（微电子学与固体电子学专业论文）荧光灯高压驱动芯片的研究与设计.pdf

浙江火学硕士研究生毕业论文 摘要 y 5 8 1 0 3 1 功率集成电路简称p i c ，它被广泛应用于包括功率转换器、马达控制、荧光 灯整流器、自动开关、视频放大器、桥式驱动电路以及显示驱动等多个领域。它 的基本功能是使动力和信息合一，成为机和电的关键接口。而且，作为现代s o c 技术发展的一个关键，它在实现上存在一定的技术难度，因此，也是s o c 研究 的一个主要方向。 作为功率集成电路运用的一个重要分支，荧光灯镇流器芯片在其实现上充分 体现了控制集成电路与功率器件在单一芯片上的有机结合。由于这类芯片无论在 工艺上还是在设计技术上都有其区别于普通集成电路的地方，因此，对它们在线 路设计和器件结构上的特点做一些深入的讨论，对我困目前尚不成熟的功率集成 技术而言是有一定现实意义的。 本文深入讨论了目前市场上一款成熟的荧光灯镇流器芯片u b a 2 0 1 4 。莺点 集中在对其电路设计方面的一些探讨，并对其所有的内部模块进行了提取仿真。 在此基础上，考虑到本芯片由于要提供外接高压驱动管1 0 伏左右的驰动栅压， 凶此要求芯片内部部分低压器件能够耐1 0 伏电压，而目前国内现有的高压流水 线( 上海贝岭) 的低压器件部分一般只提供5 伏的耐压。为了解决这个矛盾， 作者在线路设计上提出了改进方案，力求能够通过线路而非工艺上的变动来完成 芯片的设计。仿真结果表明：改进方案简单，效果良好。 最后，作者绘制了修改后的版图并进行了设计规则验证和l v s 验证。 鲸避j 降种、导师同意 鲂垒女公一j 。 浙江大学硕十研究生毕业论文 a b s t r a c t p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t s ( p i c s ) h a v eb e e nd e v e l o p e df o r a p p l i c a t i o n si n c l u d i n g p o w e rc o n v e r t e r s ，m o t o rc o n t r o l l e r s ，f l u o r e s c e n tl i g h t i n gb a l l a s t s ，a u t o m o t i v e s w i t c h i n g ，v i d e oa m p l i f i e r s ，b r i d g ec i r c u i td r i v e r s ，d i s p l a yd r i v e r s ，e t c t ob et h ek e y i n t e r f a c eb e t w e e np o w e ra n de l e c t r i c i t y , t h eb a s i cf u n c t i o no fp i ci st oc o m b i n e d y n a m i c sa n di n f o r m a t i o n f u r t h e r m o r e ，i ti sa l s ot h em a i nd e v e l o p i n gd i r e c t i o no f s o c ( s y s t e m o na c h i p ) t e c h n o l o g yb e c a u s eo f t h eb a r r i e ro fi t sa c t u a l i z a t i o n f l u o r e s c e n t l i g h t i n g b a l l a s t s t ob eo n eo ft h e i m p o r t a n t b r a n c h e so ft h e a p p l i c a t i o n so f p i c - h a v es y m b o l i z e dt h eh a r m o n i cc o m b i n a t i o no ft h ec o n t r o l l e di c a n dp o w e ri cw i t h i nas i n g l e c h i p t a k i n g i n t oa c c o u n to ft h ed i f f e r e n c e si n t e c h n o l o g ya n dc i r c u i td e s i g nb e t w e e nt h ep i c sa n dn o r m a li c s ，al o to fi n d e p t h d i s c u s s i o n so nt h e d i s t i n g u i s h e dc h a r a c t e r so ft h ep i c sc i r c u i td e s i g na n dd e v i c e s t r u c t u r ew i l lb eh e l p f u lt oc h i n a si m m a t u r ep i c t e c h n o l o g y t h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h ec i r c u i td e s i g no f u b a 2 0 1 4 ，o n eo f t h em o s tm a t u r e d f l u o r e s c e n tl i g h t i n gb a l l a s ti c s ，a n df u l f i l l st h ec o m p u t e rs i m u l a t i o no fi t si n t e r n a l m o d u l e s d e s i g ni m p r o v e m e n t sa r ea l s op r e s e n t e da n dv e r i f i e di no r d e rt ot a p ei to u t i np r e s e n th i g hv o l t a g ef a bl i n e f i n a l l y , t h el a y o u th a sb e e np l o t t e da n dv e r i f i e db y d r ca n d i n s 浙江大学硕士研究生毕业论文 第一章绪 论 随着从简单家用电器到大规模复杂工业控制等越来越多的领域中微处理器、 电子控制技术的广泛运用。将大功率器件集成到芯片当中无疑也越来越被提上了 议事同程。【1 2 0 年前，功率集成电路( p i c ) 第一次被运用于音频放大器( a u d i o a m p l i f i e r ) 的电压调整器( v o l t a g er e g u l a t o r ) l 当中。如今的功率i c 已经被运 用到包括功率转换器( p o w e rc o n v e r t e r s ) 、马达控带l j ( m o t o rc o n t r o l l e r s ) 、 荧光灯整流器( f l u o r e s c e n tl i g h t i n gb a l l a s t s ) 、自动开关( a u t o m o t i v e s w i t c h i n g ) 、视频放大器( v i d e oa m p l i f i e r s ) 、桥式驱动电路( b r i d g ec i r c u i t d r i v e r s ) 以及显示驱动( d i s p l a yd r i v e r s ) 等等更多的领域中去。 功率i c 既包含了高压大电流的器件，同时还集成了低压小电流的控制电 路。为了将这两部分电路结合到一块芯片上，业界已经发展出三种成熟的隔离高 压和低压部分的隔离技术，分别是：结隔离( j u n c t i o ni s o l a t i o n ，j i ) 、准介质 隔离( q u a s i - d i e l e c t r i ci s o l a t i o n ，q d i ) 【2 】和介质隔离( d i e l e c t r i c a l l y i s o l a t i o n ，d i ) 。设计厂商可以根据成本最低原则和设计要求来选用不同的隔离 技术。 同时，随着工艺的不断发展，适用于集成的高压大功率器件也不断涌现。 其中包括r e s u r fl d m o s ( t h er e d u c e ds u r f a c ef i e l dl a t e r a ld o u b l e d i f f u s e dm o s t r a n s i s t o r ) ，v d m o s ( i s o l a t e dv e r t i c a ld m o s ) ，l i g b t ( t h e l a t e r a li n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r , h i g hv o l t a g er e s u r f b i p o l a r t r a n s i s t o r s ，s i n f e t ( t h es c h o t t k yi n j e c t i o nf e t ) 和t d m o s ( t h et r e n c h s i d e w a l lc h a n n e ld m o s ) 。而这些不断涌现的新结构也成为推动功率i c 发展 的主要动力。 与v l s i 不同的是，p i c 的运用依赖于对现存分立器件的替换，因此在价格 上面临很大的挑战。所以它的发展并不象2 0 年前人们设想的那样快。而且，一 些标准单元，例如v l s i 中的m e m o r y , 在p i c 中并不存在，这也限制了p i c 的 大量生产。今天p i c 的设计都被看成是标准的a s i c 设计。而且p i c 设计还存 在一些先天的不足，如：功耗和封装。这些都给它的普及带来困难。 为了迎接上面提出的挑战，新型的器件，如l i g b t 被提出来。它能将d i e 的面积缩小3 到4 倍，从而节省了成本。在大电流的运用场合下，t r e n c h b a s e d 1 浙江大学硕士研究生毕业论文 功率器件同样也能将d i e 的面积缩小2 倍。更让入鼓舞的是：高密度的控制单 元电路和自动设计方法的高速发展让p i c 与传统的v l s i 之问的差距进一步缩 小。但我们仍要看到，工艺和器件的挑战仍然是巨大的。 1 1 高频照明技术与电子镇流器 使用高频照明技术的主要优点体现在两个方面：一是节约峰值电能。照明灯 高频化可以提高发光效率，从而降低峰值功耗。二是节约无功功率。高频照明的 终端功率因数可达9 5 左右，大大降低了无功功率。 下面是使用“高频镇流器+ 高效节能灯”同使用“传统照明装置”( 包括白 炽灯、普通荧光灯，以及各种荧光灯、钠灯、卤灯的电感镇流器) 的比较。用高 频镇流器取代电感镇流器，可节电2 0 左右，功率因数可由0 5 o 6 提高到0 7 0 9 9 。用高频镇流器匹配稀土三基色荧光灯( 紧凑型高效节能灯) 称为电子节能 灯，确切地说是高频节能灯，用以取代普通白炽灯可节电6 0 8 0 ，取代普通 荧光灯可节电2 5 5 0 。我国目前照明仍以普通白炽灯和普通荧光灯为主，紧 凑型荧光灯只占所有照明灯具数量的1 4 7 ，见图1 1 。加大紧凑型节能灯的生 产比重是优化照明灯生产结构的方向。全国照明耗电量约占全国总耗电量的 1 2 。如果8 5 的常用白炽灯和普通荧光灯都实现高频高效化，则可形成年节电 约4 0 0 1 0 3 k w h 的能力。 图1 1我国1 9 9 6 年照明灯具生产结构图 1 。1 。1 高频照明原理与特点 气体放电灯可以分为两大类：一类是冷阴极辉光放电灯，依靠冷阴极电子发 射，并以“二次发射”( 即轰击发射) 的形式发射电子，产生辉光放电。这类灯 ： - 2 - 蚕 浙江大学硕士研究生毕业论文 不需要预热启动( 通常称为冷启动或硬启动) ；另一类依靠热阴极电子发射启辉 发光，需要预热启动( 通常称为热启动或软启动) 。当前大量使用的荧光灯就属 于这一类。 荧光灯在启动时，需要预热灯丝，使热阴极发射电子，再利用高压脉冲使管 内的惰性气体电离，从而使液态水银气化，猛烈轰击惰性气体分子，产生弧光放 电辐射紫外线，激发管内壁涂敷的荧光粉，发出可见光。启辉后的荧光灯管由高 阻开路状态变为低阻导通状态，在额定电压下正常工作。 所谓的电感式镇流器，是通过与灯丝串联的常闭双余属片启辉器，给灯丝提 供预热电流：然后利用双金属片的跳开产生高电压脉冲，轰击管内的惰性气体分 子，通常需要轰击数次才能启辉。灯管启辉后，电感镇流器起到降压限流的作用。 这种类型的镇流器有如下的缺点：首先，由于多次启辉，对灯丝发射物质损失较 大；其次，电子镇流器的直流电阻使灯管多耗电2 0 3 0 ；最后，因为是感性 负荷，使得灯丝系统功率因素只有0 4 0 6 。 而高频照明则是利用高频镇流器控制对荧光灯灯丝预热，当灯丝预热充分后 再利用谐振回路谐振产生的高压来启辉灯管，最后仍然通过镇流器控制灯电路 = ： 作在高频下( 一般是几十k h z ，荧光灯的效率随工作频率的升高而呈波浪形状提 高) 以保持灯管的f 常工作。由于荧光灯的使用寿命同预热时间、启动次数、灯 丝温度等各方面因素有关，而高频镇流器i c 中预热、启动时间都可以控制，而 且一次性启辉，高频运行时阴极的温度较低，阴极降落几乎为零，并且还可以通 过i c 设计来处理灯的异常工作状态，这些特点都可以延长灯管的寿命。高频镇 表1 1高频镇流照明与电感式镇流照明比较表 、 电感式镇流器电子( 高频) 镇流器 光效低高( 提高1 0 t 五o ) 功率因数低( 一般为0 5 左右) 高( o 7 o 8 ，加入功率因数校正可 达0 9 5 09 8 ) 频闪效应5 0 赫兹频闪无法克服，对视力不利工作频率在2 0 千赫兹以上，无闪 烁感觉 音频噪声有5 0 赫兹交流噪声 无 低电压启动性能较差( 低于1 8 0 伏时难启动)很好( 1 5 0 伏仍然能正常启动) 功耗3 0 的灯系统功耗84 的灯系统功耗 体积人小 重量重轻( 只有电感式的2 0 ) 浙江大学硕士研究生毕业论文 ( 续上表) 温升较高 低( 为电感式的1 2 ) 启辉难度难( 需要多次启辉)容易( 延迟o5 s 2 s 一次性启动， 即使电压降到6 0 ，环境温度降 到一1 5 ，也能启动) 高频辐射 较小较大，对电网有一定的污染 寿命较短长( 荧光灯可延长使用寿命 2 5 l 倍，高强度气体放电灯 ( h i d ) 可延妊使用寿命1 5 2 倍) 价格低高( 丰目对与电感式镇流器高2 3 倍、 制造i ：艺简单较复杂 流照明与电感式镇流照明之间的比较如表1 1 。 1 1 2 高频镇流器类型及发展方向 根据高频镇流器的不同用途，不同电路，不同器件和不同档次，可以分为不 同的类型。 1 1 2 1电路类型 高频镇流器是一种高频振荡器。从电子学上看是一种“交一直一交”电压型 换能器。从电路主回路( 即振荡回路逆变回路) 基本原理上分，大体可以分为 变压器耦合式l c 并联谐振回路( 图1 2 ) 和l c 耦合串联谐振( 图1 3 ) 类型。 图1 2 变压器耦合l c 并联谐振电路原理图 4 浙江大学硕士研究生毕业论文 一 d 1 一d 4 z 7 籴 陟 _ 土z 一 图1 3l c 耦台串联谐振电路原理图 早期的高频镇流器多采用并联谐振型。由于全部输出功率都要通过变压器耦 合，势必加大变压器的体积和重量，同时变压器的损耗也直接影响到镇流器乃至 整个灯系统的总功耗。另一方面，l c 并联谐振电路对振荡管( 或称逆变器) 的 耐压要求很高，因此现代高频镇流器多采用串联谐振电路。 图1 4 给出了l c 耦合串联谐振高频镇流器的基本电路。它是由整流电路 ( d 1 d 4 ) 、滤波电路 ( c 1 c 2 ) 和振荡电路( t r l ， t r 2 ，m t ，h l ，c 7 ) 所组成， 是一个典型的“交一直一 交”转换电路。其工作原理 如下：首先通过整流电路 ( d 1 d 4 ) 将市电2 2 0 v 全 波整流为直流电。再经两个 图1 42 0 - 5 0 k h z 晶体管高频镇流器基本电路幽 电解电容器串联分压滤波，以降低电容的端压，从而降低成本并提高可靠性。亦 可采用一个高耐压的电解电容以减小空间。然后通过高频扼流圈h l 、灯丝和电 容器c 7 的串联谐振和两个晶体管t r l 和t r 2 ，将直流电逆变为2 0 5 0 k h z 或更高 频率的交流电。r 1 ，c 3 ，和d 5 组成启动电路用的锯齿波发生器，以激励高频振 荡。产生的高频高压电为灯丝预热0 4 1 秒后，灯管在高频高压下一次性启辉。 灯管启辉后由高阻变为低阻，改变了振荡参数，致使工作频率和工作电压均降至 额定值。此时h l 起限流的作用。由于h l 的电阻很小，所以高频镇流器消耗的 功率只有o 5 l 瓦，从而实现节能的目的。整个电路的功率因数为0 6 左右，如 浙江大学硕士研究生毕业论文 果加设无源滤波电路则可达o 7 以上。此电路即目前国内外普遍采用的触发式半 桥振荡驱动电路，不仅适用于普通荧光灯、细管型荧光灯、紧凑型荧光灯，还可 扩展到低压钠灯。 在上述电路的基础上可以进行种种改造，主要体现在减小器件的发热损耗， 降低有用功率损耗；提高可靠性，延长使用寿命：提高功率因素，降低谐波损耗， 净化电网。高频镇流器中主要的发热元件是晶体管，其次是滤波电容、高频扼流 圈和硅堆整流器。减小晶体管的发热损耗的基本途径是降低其开关损耗，也即是 降低晶体管导通时的饱和压降损耗和转换时的渡越损耗，方法除了保证两只晶体 管的放大倍数和开关时间配对外。还可通过降低发射结存贮时问来达到降低损耗 的目的。 1 1 2 2 器件类型 高频镇流器的类型亦可按其主回路( 即振荡回路逆变回路) 中的功率半导 体器件分为：双极型晶体管型( 目前国内用得最多的一种) ，静电感应晶体管 ( s i t h ) 型( 日本曾采用的类型) ，双极型静电感应晶体管( b s i t ) 型( 信息产 业部第十三所和锦i r , i 光电子管厂曾采用的类型) ，双极型宽温区晶体管( s f t ) 型( 锦州光电子管厂开发的类型) ，金属一氧化物一半导体场效应管( m o s f e t ) 型( 美国将全部采用此类型) ，集成i c + m 0 s f e t 型( 美、日、德、韩国等采用 的类型) 。 随着电子镇流器的迅速发展，迫切需要制订国际性标准，于是，i e c 9 2 8 和 i e c 9 2 9 应运而生。我国对电子镇流器的研究始于8 0 年代中期，近年来该产品已 形成一定生产规模。根据国产电子镇流器的发展情况，我国也先后颁布了 z b k 7 4 0 1l 8 9 和z b k 7 4 0 1 2 9 0 专业标准。这些产品标准的一个重要特点就是 对电子镇流器的性能要求和安全性要求非常苛刻。目前国内电子镇流器生产厂家 虽已达数百家，但产品能达到标准规定要求的却不多。从全国性监督抽检的情况 来看，国产电子镇流器存在的突出问题就是性能低劣和可靠性差。具体地说，主 要表现在以下几个方面：一是谐波含量过高，功率因数太低；二是未解决灯管预 热启动问题：三是未采取异常状念保护措施，故障率太高。之所以会出现这种情 况，根本原因就在于采用了简单的、实际上在发达国家早已被淘汰的电路。因此， 为了彻底解决上述问题，采用专用控制i c 势在必行。 6 浙江大学硕士研究生毕业论文 从高频照明的发展趋势来看，一体化节能灯在向m o s f e t 和i c 方向发展； 工业照明3 5 瓦以下的经济系列仍将咀双极型管为主，高档以m o s f e t 为主；低 压卤素灯的电子镇流器仍以双极型晶体管为主。 随着电子镇流器的推广应用，各类控制i c 必然会迅速得到发展。毫无疑问， 集有源功率因数控制( p f c ) 、功率m o s 管驱动、可调光、灯丝预热启动、直流稳 压和异常状态保护功能于一体的控制i c ，将成为电子镇流器( 专用) 控制i c 发展 的主流。 本文着重要介绍的u b a 2 0 1 4 芯片就是应用于荧光灯驱动的一款芯片。 1 2 高压集成电路的设计 u b a 2 0 1 4 芯片是一块耐高压的半桥荧光灯驱动芯片，属于高压集成电路的范 畴。高压集成电路( h v i c ) 和智能功率集成电路( s m a r tp i c ) 是功率集成电路 ( p o w e ri c ) 的重要分支。高压集成电路是将高压器件和低压控制电路集成在同一 芯片上的集成电路。高压集成电路的出现，使功率电路得到简化，在重量、价格、 体积等方面都大大减小。它的应用范围很广，可以应用到宇航、工业和日用消费 品各个领域，如电信、遥控、显示驱动、以及汽车等等。而高压集成电路的研究 与发展，归功于高压器件、高压集成电路工艺以及设计技术的发展。 1 2 1 高压i c 设计的考虑 与低压i c 设计相比，高压i c 在设计时应仔细考虑版图寄生参数、瞬态、大 电流、热梯度和噪声等因素。 2 1 寄生参数当两条信号线交叉时，通常会出现杂散的漏电流。这种漏电流产 生的原因是由于交叉引起信号线和衬底之间的寄生电容。尽管这一电容很小，但 当高频信号通过芯片时漏电流会变大。对于高压i c ，如果存在比较大的电压摆 动，这些寄生电容会大大降低i c 的工作频率。 终端结构当耐压大于1 0 0 伏时，就必须考虑加终端结构，以降低电场的分 布不均，减弱表面电场，最终使击电压提高到所需的数值。终端结构与元胞应具 有良好的对称性，防止局部电场集中而使击穿电压降低。 瞬态设计高压i c 时，应充分考虑高压脉冲信号和长时间加电这两种情况。 对大电流，必须特别注意其通路的布线。尽管铝一硅合金的电阻率很低，但当电 浙江大学硕士研究生毕业论文 流密度很大时，在大电流布线上产生的压降同样很大。在敏感元件的输入通道中， 这一电压降往往会引起不希望的失调电压。加宽大电流引线，大电流效应可以得 到减弱，但不能完全消除，尤其是如果键合电阻很大时，更不能忽略。当然大电 流引线也不熊太宽，这是因为大面积的铝金属引线反射面积大，会给光刻带来误 差：而且大面积的金属容易剥落，一般采用的防止方法是：在大面积会属上刻上 一些开孔。以上是通过优化版图设计来减小失调电压，当然还可以通过线路上的 设计来减少引线寄生电阻上产生的失调电压，其具体方法就是尽量使用电流模式 在电路各部分间传递信号和偏置。 热梯度发热会引起v b e 的变化，破坏电流镜或带隙基准源的平衡。通常将 所有功耗较大的元件放在芯片的一边，而将热敏元件( 例如差分对，带隙基准源) 放在芯片的另一边。设计时，匹配的晶体管对离开热源的距离应该相等，或者放 在平衡了热梯度的方向上。有时，在热敏元件的设计上有必要采用一些补偿技术。 发热元件的设计也要考虑热对称性和热均匀性。 噪声在设计数字和模拟电路的接口时，应避免从高压线或传输线注入噪 声。当设计的版图不仅含有高压器件还含有低压模拟和数字控制电路时，输出和 未反向的放大器输入端不应放在靠近键合点的位置，以减少币反馈。同时，低噪 声、高增益的输入端也应该远离键合点，以减少噪声注入。地和电源键合点应该 分开。 隔离技术与工艺的考虑采用结隔离技术制作h v i c ，将会占用较大的芯 片面积，而且会影响低压控制电路的性能。若采用介质隔离技术制作h v i c ，则 可节省芯片面积，提高耐压，但工艺复杂，成本较高。还有一种准介质隔离 ( q u a s i d i e l e c t r i ci s o l a t i o n ) 工艺，简称q d ! 工艺。该工艺综合了结隔离和介质 隔离工艺的优点，可以在控制电路和功率器件区方便地采用不同厚度和电阻率的 外延层，使芯片具有较高的集成度。 1 2 2 高压电路设计手段 随着a s i c 技术的发展，半定制高压集成电路成为可能。己出现多种高压单 元库或阵列( 表1 2 ) ，f 2 用这些单元或阵列可以完成多种功能的高压集成电路。 _ 8 浙江人学硕士研究生毕业论文 表1 2 高压单元库和阵列 公司产品 n p n 管 n m o si ，o晟小温度 名称( 工艺)单元 f t ( h 曲 p a d b v c e o 范围 ( m h z ) 数目 ( v )( c ) 齐瑞g e n e s i s 半导 8 0 0 0 ( 积极】 可编程带隙基准 2 3 5 0 体 带隙基准( 2 m a ) 运放 s p i1 0 4 系列( 3 0 m h z 7 2 d b 5 m a ： 宏单兀( 双极， 8 0 m h z ，1 1 0 d b ，2 0 m a ) ， 2 43 55 5 数据介质隔离)比较器( 2 5 n ，o4 m a )+ 1 2 5 线性 运放r - 2 r 网络a d 集成3 一u md a ，比较器。带隙基 电路d l硅栅准，平衡调制器，功率 3 55 5 - 系统c m o s驱动器，开关，电流源+ 1 2 5 1 6 个1 0 0 v 的2 0 0 m a d m o s 1 2 个t t l c m o s 麦克m p d8 0 2 0缓冲器民用 瑞尔( c m o s 1 6 个逻辑颁驱动器 7 81 0 0标准， d m o s 双极)3 个增益单元军用 单元增益缓冲器标准 带隙基准源 高“压电流镜 雷希r l a 系列 品 ( 双檄)运放，比较器4 0 02 5 02 4 - 4 43 25 5 - + 1 2 5 多数电力集成电路( 包括高压集成电路) 都要求专门设计，并且要求设计误差 尽可能小。良好的h v i c 设计工具除了具备系统级模拟、模块级模拟、单元级模 拟和晶体管级模拟等功能以外，还应包括标准单元库和高压器件的自动按比例缩 小功能，并能进行布局布线。菲利浦公司的一个专用功率集成电路的设计工具如 图1 5 所示【2 1 。 浙j ：l = 大学硕士研究生毕业论文 图1 5 菲利浦公司专用功率集成电路的设计1 二具 1 0 浙江大学硕士研究生毕业论文 第二章u b a 2 0 1 4 的特点及运用 该芯片是一款用于驱动荧光灯的单片集成电路，其额定电压达到2 7 7 v - r m s 。 制造工艺为6 5 0 vb c d 工艺。该芯片除了产生两个分立的外部功率m o s 管的栅 驱动波形之外，还包括有电平移位电路( 1 e v e ls h i f tc i r c u i t ) ，振荡器( o s c i l l a t o r ) ， 灯电压监控( 1 a m pv o l t a g em o n i t o r ) ，电流控制功能( c u r r e n tc o n t r o lf u n c t i o n ) ，定 时器( t i m e r ) 和一些保护电路( p r o t e c t i o n ) 。 2 1 芯片简介3 l 作为高频荧光灯( h f f l u o r e s c e n tl a m p ) 的驱动芯片，其最高耐压为6 0 0 v 。 芯片有1 6 个管脚，两种不同的封装形式，即表面封装( s 0 1 6 ) 和双列直插 式( d i p l 6 ) 。 该款i c 芯片所需的外按元件不多，大多为低压电阻电容。它集成有预热功 能，能在较低电压下触发点亮灯管而不用接有功耗的p t c ( p o s i t i v et e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n t ) 热敏元件，这对于提高灯管的寿命很有好处。实验证明，预热点亮 后灯管寿命比硬启动要长2 - 3 倍。 电路正常工作的频率约为4 5 k h z ，不会对红外遥控器( 3 2 3 6 k h z ) 产生不 良影响，而且其三次谐波又低于1 5 0 k h z ，容易通过e m c 的要求。 芯片的管脚定义和外形如图2 1 。 ls y m b o ld e s c r i p t l 0 o t t t p u t o f t h e p 撸h e a l t i n = e r l c s wi n 叫t o f t h ev o l t a g ec , o r c r o h e d o c l 1 a t o r i c f o “叫t o e c t l h b r i 艉e f“洲l o t 聃e 胁d h 自忡n 静 m l l o n og m u 州 i g l9 a t e o f l h ek w “e 8 w i t c h i v d dl o w v o t t a g es u i ：c t y p c s i n p u t p r e h e a tc u m t f v d 0 i o a t , 呐u 即啊t u p p l y f o r t h e h i 曲4 i d e 洲k h g h i e 。f l h th i g h 一删e 附i 妯 s h u r o f l h e h - s i d e 洲n 蚶l a c m i n p t l t c 蛐a 曲l 帕g i l l i e l v s i n p u t l a m pv “w o r v r e f “日托“v 吐a g e m t m n p u to f i h e m m 口e u r f 郫l 特n t o r “q - 自 l i n l _ j l 。| m e “e t t l f r f f n l i e 怕o f 图2 1 芯片的管脚定义和外形图 浙江大学硕士研究生毕业论文 以下是这款芯片的特点和电路框图： 特点： 1 预热时间可调( a d j u s t a b l ep r e h e a tt i m e ) 2 预热电流可调( a d j u s t a b l ep r e h e a tc u r r e n t ) 3 电流型控制工作( c u r r e n tc o n t r o l l e do p e r a t i n g ) 4 一次性启辉( s i n g l ei g n i t i o na t t e m p t ) 5 自适应死区时间控制( a d a p t i v en o n o v e r l a pt i m ec o n t r 0 1 ) 6 集成电位上浮功能( i n t e g r a t e dh i g hv o l t a g el e v e l s h i f tf u n c t i o n ) 7 低功耗模式( p o w e r d o w nf u n c t i o n ) 8 防灯失效及无灯管模式( p r o t e c t e da g a i n s tl a m p f a i l u r e so rl a m p r e m o v a i ) 9 容性模式保护( c a p a c i t i v em o d ep r o t e c t i o n ) 1 0 可调光至l o ( d o w nt o1 0 d i m m i n g ) 电路框图： 该芯片的电路框图及应用图如图2 2 ： 图2 2电路框图和应用图 结合上述特点和流程图，芯片的工作流程如下。 1 2 浙江大学硕士研究生毕业论文 2 2 芯片的工作流程 2 2 1 启动状态( s t a r t u ps t a t e ) 【4 】 结合图2 2 ，4 0 0 伏的直流电源是交流市电通过前级的p f c 得到的，其功率 因素一般在9 5 以上。该直流电源通过保险丝f 1 ，电阻r 1 ，灯管灯丝和电阻r 1 0 对电容c 7 进行充电，其中r 1 和r 1 0 是启动电阻，c 7 是启动电容。将灯丝纳入 充电回路的一个好处在于：当灯丝由于异常原因断路时( 比如灯管被移去) ，充 电回路断开，电路自动被切断，这样就实现了对l a m pr e m o v a l 的保护。充电电容 c 7 的充电电流为流过启动电阻( r 1 和r 1 0 ) 的电流减去i c 的启动电流。另外从镇 流器的输出级s h 引入的充电泵和启动电阻组成典型的充电泵供电电路 ( c 6 ，d 1 ，z 1 ，r 1 ，r 1 0 ) 。启动电阻的选择依据为：在最恶劣的使用情况下，保证在 最低启动线电压时提供两倍的最大启动电流。当低电压电源( v d d ) 的电压值 到达启动门限v d d ( s t a r t ) ( 典型值：1 3 v ) 时，电路开始起振。i c 工作电流增 大到一定程度后，电容c 7 开始放电。如图2 3 ，在放电周期，充电泵对电容充 v c t 图2 3芯片电源管脚上的波形图 电，使电容c 7 上的电压大于芯片的最低工作电压，并保持在一个稳定的电压值 上。启动电容c 7 和缓冲电容c 6 ( s n u b b e rc a p a c i t o r ) 的选择必须保证i c 在最恶劣 浙江大学硕士研究生毕业论文 环境下可以正常工作。以上所描述的供电方式对荧光灯节能很重要，在这种方式 下，只需要用较大阻值的r l 和r 1 0 提供较小的电流就可以使i c 开始工作。而 4 旦线路开始工作，便改由充电泵为i c 供电，从而减少了启动电阻r 1 和r 1 0 上的不必要功耗，有助于提高整个系统的可靠性。这就是我们通常所说的微功率 启动。该款芯片的启动电流典型值为1 7 0 2 0 0 u a 。 在电路的启动状态下，高端功率m o s 管和低端功率m o s 管都处于不导通 的状态。在启动状态下，整个电路会被重置( r e s e t ) ，高端驱动( h sd r i v e r ) 中 包含一个d c 重置电路。 在启动状态下，c f 和c t 两脚的电压值为零。 2 2 2 振荡( o s c i l l a t i o n ) 内部振荡器是一个压控振荡器( v c o ) ，它能产生范围在c f h i g h ( 典型值： 2 5 v ) 和0 v 之间的锯齿波。锯齿波的频率由三个因素决定：c f 、r r e f 和c s w 脚 的电压( 压控) 。最低和最高频率由r r e f 和c f 的值决定，并且这两个最值频率 的比值在电路内部被固定了。锯齿波的频率是半桥频率的两倍。电路将使两个功 率m o s 管以约5 0 的占空比轮流导通。振荡器和驱动信号的波形如图2 4 ： 图2 4振荡波形和驱动波形 浙江大学硕士研究生毕业论文 振荡器在最高频率f m a x 下起振。第一个开关周期低端功率管导通，通常 我们将第一次导通的时间设置得特别长( 典型值：5 0 u s ) ，其目的是为了给自 举电容( b o o t s t r a pc a p a c i t o r ) 充分充电。过程为：在这个时相，内部的v d d 与f v d d 脚相连，晶体管t r 2 导通，v d d 对自举电容c 5 ( 容值较大) 充电， 由于该时相时间较长，c 5 被充分充电至v d d 左右。 2 2 3 可调死区时间( a d a p t i v en o n _ o v e r l a p ) 死区时间( n o n _ o v e r l a pt i m e ) 由a n t ( a d a p t i v en o n _ o v e r l a pc i r c u i t ) 电路实 现。这部分电路的功能就是确定死区时间，并使这个时间相对于不同的频率为最 佳。 死区时间由半桥电压的斜率确定，通过检测接在a c m 脚上的电阻r 1 6 上的 信号获取，见图2 4 。内部固定的最长死区时间约为半桥周期的2 5 ，最短死区 时间固定为l u s 左右。同时在芯片内部为a c m 脚集成了一个3 0 n s 的滤波器，其 目的是为了提高该节点的抗干扰度。 2 2 4 时间电路( t i m i n gc i r c u i t ) 这部分电路用于确定预热时问( p r e h e a tt i m e ) 和起辉时间( i g n i t i o nt i m e ) 。 它包含了一个时钟产生电路和一个计数器。预热时间由c t 和r r e f 共同决定，它 包含7 个脉冲。起辉时l 、日j 是一个脉冲。 时钟电路在启动状态后开始工作。其触发机制是： 1 、v d d 上的电压到达v d d ( s t a r t ) 。 2 、灯电压( l v s 脚的电压) 超过v l a m p f a i l ( 典型值：o 8 1 v ) 。 时钟不工作时，c t 脚的电压被l m a 的电流泻放到o v 。 2 2 5 预热状态( p r e h e a t s t a t e ) 电路在最高频率f m a x ( 典型值：1 0 0 k h z ) 下启动后，频率开始持续下降， p c s 脚上的瞬时电压持续上升( c s w 脚的电压也逐渐升高) ，直到p c s 脚上的 瞬时电压值到达一个固定的预热电压值( 典型值：o 6 v ) 。当超过这个电压时， 预热电流感应器( p c s ：p r e h e a t c u r r e n ts e n s o r ) 将会输出电流对c s w 脚上的电 容放电，其结果是频率升高，p c s 上的电压下降。这样反复过程的结果使电路频 1 5 浙江大学硕士研究生毕业论文 率基本稳定在一个频率上( 我们所需要的最佳预热频率，一般为5 5 k i - i z 左右) 。 这个过程持续的时间由内部定时器( 7 个c t 脉冲) 控制。在预热状态下，灯丝 电流是受控的，两个灯丝以最佳方式得到预热，灯丝发射大量的电子，允许在较 低的电压下，触发点亮灯丝，减少对灯丝的损伤，防止灯管发黑，有利于延长灯 管寿命。 在预热时间内平均电流检测电路( a v e r a g e c u r r e n ts e n s o rc i r c u i t ) 不工作。 在p c s 脚同样包禽了一个3 0 n s 的滤波器，它能提高该管脚的抗噪能力。 2 2 。6 起辉状态( i g n i t i o ns t a t e ) 见图2 5 ： 矗。 v h m d m 积 v i a r 删 i g n i t i o n t i m e r i i l ：亡二二二 t i m e - 图2 5 正常启辉时的波形 预热时间过后，电路进入起辉状态。在这个状态中，内部的固定电流会持 续对c s w 充电。电路频率以较低的速率下降，半桥负载仍呈电感性( 串联谐振 电路在工作频率高于谐振频率时呈电感性) ，与灯管并联的启动电容c 2 2 上的电 压随频率的下降而上升，一旦频率下降到接近半桥负载的串联谐振频率 ( r e s o n a n c ef r e q u e n c y ) 时( 一般此频率略大于其谐振频率) ，在灯管上就会产生 较大的电压使灯管启跳点亮，即灯管被触发。这个启跳电压的典型值大于4 5 0 v ， 它在l v s 脚上的分压一般高于电平v l a m p f a i l ( 典型值：o 8 1 v ) 。而一旦l v s 脚 电压超过v l a m p f a i l ，起辉计数器开始工作。 1 6 浙江大学硕七研究生毕业论文 2 2 7 点亮状态( b u r ns t a t e ) 如果上升的l v s 脚的电压并没有超过电平v l a m p ( m a x ) ( 典型值：1 4 9 v ) ， c s w 脚上的电容将持续被充电直至到达一个固定值，其效果是电路频率到达最 小值( 典型值：4 0 5 k h z ) 。 当频率到达最小值后，我们通常假设灯已经点亮并且电路进入点亮状态。 这时平均电流检测电路( a c s ：a v e r a g ec u r r e n ts e n s o r ) 开始工作。一旦电阻r 1 4 上的平均电压，也即是c s 一脚上的电压到达c s + 脚上的参考电平值时，a c s 电路 将会通过对c s w 上的电容充放电来反馈的控制频率，进而控制灯电流和灯的亮 度。 通过改变c s + 脚上的参考电平值可以达到控制灯亮度的目的。 为了防止因为输入电压的1 0 0 h z ( 或1 2 0 h z ) 纹波干扰a c s 的工作，在c s 脚外接滤波电容c 1 2 。 2 。2 8 灯失效模式( 1 a m p f a i l u r em o d e ) 分为两种情况： 1 失效在启辉状态( d u r i n gi g n i t i o ns t a t e ) 如图2 6 ，灯并没有点亮，l v s 脚电压持续上升。当它超过了电平 v l a m p ( m a x ) 时，电压将被箝位在v l a r n p ( m a x ) 上。启辉计数器早在电压 超过v l a m p f a i l 时就已经开始计数。如果检测到l v s 上的电压在启辉时间 ( 1 个c t 脉冲) 过完后仍然高于v l a m p f a i l ，电路将停止振荡并强制进入 低功耗模式( p o w e r - d o w nm o d e ) 。这时只有当电源电压下降到一定值后 电路才会被重置( r e s e t ) 。 2 失效在正常工作状态( d u r i n gb u r ns t a t e ) 如图2 7 ，如果在正常工作时，灯突然失效。那么灯两端的电压将会 大幅度提高并且会超过v l a m p f a i l 电平，这将会使电路重