基于IR2161专用智能控制IC的低压卤素灯电子变压器

摘要：简单介绍了低压卤素灯电子变压器的特点，详细介绍了基于IR2161控制IC的基本电子变压器电路原理与设计，同时给出了带附加功能的电子变压器电路.

关键词：IR216控制器；低压照明；电子变压器

0 引言

卤素灯也称为卤钨灯。卤素灯灯丝为钨丝，灯管内除充有适量的氩气，还充入了溴或碘微量卤素，故因此而得其名。卤素灯与白炽灯一样，属于热辐射光源。卤素灯的光效、寿命和显色指数均优于普通白炽灯，故在展示厅、商业厨窗、摄影、摄像、剧院、城市亮化等照明场合，有着广泛的应用，其作用是其它光源不可替代的。在全球电子镇流器市场，低压照明电子变压器占有10％的份额。

低压卤素灯额定工作电压大多仅为12V。若采用220V的工频市电供电，需使用笨重的铁芯（降压）变压器。采用电子变压器替代老式铁芯变压器，具有尺寸小、重量轻、节材、节电等优点。

低压卤素灯电子变压器与荧光灯电子镇流器一样，都是将工频转换为几十kHz的高频。在电路结构上二者十分相似，大多都采用半桥逆变拓扑。但是，由于卤素灯是一种电阻性负载，故卤素灯电子变压器与荧光灯电子镇流器比较，存在一些不同点，具体表现在以下几个方面。

1）卤素灯电子变压器不需要预热和触发启动时序；

2）卤素灯电子变压器DC总线电压是全波整流的AC线路电压，无需大容量滤波电容器；

3）卤素灯电子变压器的线路功率因数接近1，并且无需采用功率因数校正（PFC）；

4）输出是经隔离的高频低压，安全性好。

采用分立元器件设计和制作电子变压器，若使其具有保护功能和调光功能，需要增加很多元器件。基于IR公司生产的智能半桥驱动器芯片IR2161的电子变压器，无需可饱和磁环变压器，仅需用少量元器件，则可实现高性能和高可靠及调光功能。

1 基于IR2161的基本低压照明电子变压器电路

图1所示为基于IR2161的100W/12V卤素灯电子变压器基本电路。

图1 基于IR2161的100W/12V卤素灯电子变压器基本电路

在接通工频市电电源后，桥式整流器通过R_s的电流除流入IC脚V_CC上的启动电流外，其余的大部分电流对电容C_VCC1充电。当IC脚V_CC上的电压达到启动阈值（11.8V）后，IC开始工作。一旦IC启动，由C_SNUB、D_CP1和D_CP2组成的电荷泵电路为IC脚V_CC馈送电流。自举二极管D_B和电容C_B为IC高侧驱动器电路供电。齐纳二极管D_Z用作分流IC过剩电流，以防止IC损坏。

卤素灯灯丝电阻为带正温度系数，在室温下的“冷电阻”远小于灯工作时的“热电阻”。在灯启动时，会产生较大的浪涌电流，影响灯寿命。但IR2161提供软启动操作，可以避免浪涌电流产生。在灯启动期间，IR2161输出125kHz的高频。由于系统中输出高频变压器T1初级漏感是固定的，在较高的频率下呈现较高的阻抗，初级绕组上的电压较低，致使变压器输出电压较低，灯电流较小，同时也避免了保护电路被触发。约经1s的时间，电路以较低频率运行。在此过程中，IC脚3外部电容C_SD上的电压从0V增加到5V。

当空载时，V_CSD=0V，振荡器频率约60kHz。在最大负载下，V_CSD=5V，振荡器频率约30kHz。当输出短路时，大电流流过半桥，被R_CS感测。只要IC脚4（CS）上电压超过1V的门限电平持续50ms以上的时间，系统将关闭。如果负载超过最大负载的50％，IC脚4上的电压将超过0.5V较低的门坎电压，在经0.5s之后，系统将关闭。不论是短路保护还是过载保护，都能自动复位。IR2161还提供过热关闭功能。当芯片结温超过135℃的过温度限制值时，半桥开关将停止工作，以避免MOSFET烧坏。

图2所示为计算R_CS的输出级电路。在半桥中间点上的电压为DC总线电压的1/2。DC总线R_MS电压与AC线路R_MS电压相同，负载上的R_MS电压为AC线路R_MS电压的50％，通过R_CS的电流为负载电流的一半。由于负载呈电阻性，电流波形为正弦包迹，半桥输出占空比为50％，在最大负载上RCS上的峰值电压V_CS(PK)=0.4V，通过R_CS的R_MS电流为

I_CS(RMS)=×I_LOAD(RMS)=×=×=（1）

R_CS中的峰值电流为

I_CS(PK)=×I_CS(RMS)（2）

R_CS两端的峰值电压为

V_CS(PK)=I_CS(PK)R_CS=0.4V（3）

从式（1）、式（2）和式（3）得到

R_CS==0.141×（4）

图2 计算R_CS的输出级电路

对于工作在V_AC(RMS)=220V交流线路电压下的P_LOAD=100W的电子变压器，电流感测电阻R_CS值为

R_CS=0.141×=0.31Ω

R_CS可选择0.33Ω/0.5W的标准电阻。

关于输出变压器T₁的选择程序如下。

1）在30kHz和最大负载下，选择正确的磁芯尺寸，根据制造者提供的磁芯数据，确定最大容许功率。

2）计算初级绕组匝数。初级绕组最少匝数N_p(min)可根据式（5）计算

N_p(min)=（5）

式中：V_PK为最高峰值总线电压，可取其为400V；

T_on(max)为最大导通时间，其值可选取18μs；

B_max为最大磁通密度，单位为T，其值可从制造者提供的铁氧体材料工作在100℃时的曲线获得；

A_e为磁芯有效截面积，单位为m²。

3）计算次级需要的匝数。次级绕组匝数NS可按式（6）计算。

N_S=（6）

式中：V_O(RMS)=12V，V_AC(RMS)=220V。

IR公司在参考设计中采用Vogt或Kaschke公司环形磁芯，初级绕组78匝，次级绕组8匝，初级与次级绕组之间利用压塑分离器隔离。

2 增强功能的电子变压器电路

2.1 带开路保护的卤素灯电子变压器电路

在空载条件下，IC脚VS上的高dv/dt将引起MOSFET发生硬开关，导致MOSFET过热，直至其损坏。为此，可以设置如图3所示的开路保护电路。在开路情况下，R_OC上的峰值电压足以使二极管D_OC导通，并对电容C_F充电。只要C_F上的电压超过IC脚VS上的短路保护门限电平，短路保护电路则被触发，IR2161则关闭。为防止MOSFET过热，IC将进入50ms导通和1s关断的自动重新启动模式。

图3 带开路保护的卤素灯电子变压器电路

2.2 利用频率调节输出电压的电子变压器电路

如果电子变压器输出电压过低，会使灯光变暗；若输出电压过高（超过12V额定值的20％），将缩短灯寿命。采用图4所示的电路提供了较好的解决方案。当输出电压过高时，在分压器电阻R₆上的电压将超过IC₃内部2.5V的参考值，光电耦合器IC₂中光耦晶体管导通，将IC₁脚VS上的电位拉低，致使工作频率升高。由于变压器T₁初级漏感的作用，频率增加使输出电压降低。频率调节电路的加入，将使IR2161的短路关闭保护电路失效。为解决这个问题，加入了由V_S1、C₅、D₇和R₃组成的短路保护电路。在短路情况下，晶闸管V_S1导通，将IR2161的VCC脚上的电压拉低到欠电压锁定门限电平（10.2V）以下，IC则关闭。

图4 通过频率调节输出电压的电子变压器电路

2.3 调光电子变压器电路

图5所示为调光电子变压器电路。其中，IC₂为低成本开路集电极或漏极输出双比较器。由于IC₂的加入需汲取电源电流，故IC₁脚VCC外部电阻R_S应由270kΩ（3W）降低到56kΩ。未经滤波的全桥整流输出电压通过R₃和R₄分压输入到IC_2-1的同相端，IC_2-1输出端电容C_T上的电压为与AC线路电压半周期同步的锯齿波信号。该信号输入到IC_2-2的同相端，IC_2-2的另一个输入为电位器R_P1分压的DC电压。IC_2-2的输出为占空因数变化的矩形波。当IC_2-2输出高电平时，通过D₆将IC1脚VS上的电压上拉到短路保护电平以上，使IR2161关闭，变压器次级对灯不再施加电压。这种调光方案为后沿模式相位切断调光。通过调节R_P1，可使卤素灯灯光从零到最大输出（即从0％到100％）变化，并且消除了灯闪烁。图6所示为DC总线电压和灯电压波形。