电子镇流器计算机辅助设计助理软件（BDA）

摘要：本文主要介绍了电子镇流器计算机辅助设计助理软件（BDA）特点、功能、常用IR电子镇流器集成电路与特点。IR的BDA具有使用方便、物理概念清晰的优点。

关键词：BDA 气体放电灯电子镇流

1 电子镇流器与气体放电灯

自然界中的人工电光源主要有：1、热致发光光源、2、气体放电光源 3、固体发光光源。在这三类人工光源中，热致发光光源如白炽灯，它利用斯忒藩-波尔兹曼定律：物体温度越高，它幅射出的能量越大。这可用公式：E=μξT4表示。式中：E表示某物体在温度T时单位面积和单位时间的红外幅射总能量，μ表示斯忒藩-波尔玆曼常数（μ=5。6697×10-12W/cm2K4）,ξ表示比幅射率，即物体表面幅射本领与黑体幅射本领之比值，T表示物体的绝对温度。利用热致发光原理制成的人工光源制作简单，成本低，但是发光效率低，只有20%左右，而其余的能量则以热的形式消耗掉。而固体光源，如发光二极管、等离子体发光器件等，尽管它们的发光效率高，目前还不能得到大功率（如上百瓦、据报道世界上日本松下公司、美国GREE公司已有10W功率输出的发光二极管器件推出），所以固体发光器件要进入大规模实用阶段还有一段距离。而气体发光器件，如荧光灯(Florescent)、金卤灯（Halide）、高强度放电灯（HID）等气体放电发光器件，它们的发光效率为普通白炽灯的4-10倍。由于气体放电灯的功率可以做的较大（上千瓦），发光效率又高，是一种绿色照明光源，所以目前气体放电灯的推广、应用已提高到世界各国的议事日程。

随着社会的不断发展，我国对外改革开放的深入，人民生活水平的不断提高，照明在日常生活中的应用越加广泛，大建筑、大宾馆的照明种类、用量越来越大，而照明用电在我国基本已占全国总装机容量的10%，而国外高达25%。由于荧光灯具有发光效率高，为白炽灯的4倍，所以荧光灯及各种高发光效率的气体放电灯的应用越加广泛。但是气体放电灯尽管发光效率高，由于气体放电灯的负阻工作特性，要使它正常工作，须加一个镇流器，确保它稳定正常发光工作。而常用的电感式镇流器由于效率低，功率因数低，体积大，重量重，而消耗大量硅钢片和铜线等贵重金属，所以人们又寻求电子镇流技术来提高工作效率、功率因数及改善普通电感镇流器存在的发光频闪问题。自1978世界上第一只高频电子镇流器问世后，在近20多年的时间里得到了广泛应用。气体放电灯的光通量与工作频率曲线如图1所示。

图 1 光通量与工作频率曲线

由于高频交流电子镇流器的节能效果显著。据统计，如将现在世界上200亿只正在使用的灯具中50亿只改为电子镇流的气体放电灯，则可节电200GW，就可少建几个发电站。所以目前世界上美国（如美国加州理工大学的S.Cuk教授及他的研究生们、美国Cleveland State University、美国Virginia State University 的CPSE 研究中心）、加拿大的 Concordia 大学、巴西、英国、香港大学、香港理工大学、台湾工业研究院、台湾交通大学、北京北方工业大学、上海交通大学、上海大学、哈尔滨工业大学、华南理工大学等，每年都有相关的论文及研究生论文报道，并且有许多相关产品推出。它们采用的电路主要形式有：1、单管式样2、半桥式样3、推挽式样4、全桥式单级变换拓扑，如在以上的基础上再加一级有源、无源功率因数补偿，则可实现功率因数较正，又可形成两级变换电路。

但是两级变换电路尽管性能好，但造价较高，元器件使用数量较多，所以限制了它的应用，人们又开始探讨具有两级功能的单级变换电路拓扑，目前这是世界上的一个研究热点，每年在国际、国内都有许多文献报道。

同时，为了进一步适应气体放电灯的应用，世界上主要公司又推出了一系列集成控制电路，如西门子、美国微线、IR、南韩三星等公司的电子镇流器控制集成电路，而其中品种较全、性能较好的以美国IR的系列集成控制电路最有代表性。它具有微程序控制功能，可实现灯故障检测、控制、保护等功能，国内公司纷纷加以引入，介绍，并且在世界上IR公司首先推出了电子镇流器计算机辅导设计软件（BDA）。

很明显电子镇流器应具备以下功能：

a．在灯的两电极间提供所需的启动电压。

b．灯进入稳态工作后，应确保灯工作电流稳b．定。

c．即使在故障情况下，电路应仍能稳定工作。

d．应满足相关标准（如PFC、THD、RFI和

b．安全性）。

同时一个高质量的电子镇流器还应具有如：可调光、灯故障检测、遥控等功率等功能。

如何设计一只工作可靠，性能良好的电子镇流器一直是相关专业和国内同行的努力方向。并且由于国际、国内的“绿色照明”工程的推广、实施，这个问题显得更为突出。目前国外已有电子镇流器的设计软件（BDA）推出，而国内目前这个领域还处于起步阶段。

2 美国IR的BDA

美国IR（International Rectifier）公司为了方便它的IC使用和高频交流电子镇流器电路设计，推出了相关设计软件BDA （Ballast Design Assistant），下面以BDA第二版（Version 2.00）为例加以介绍，该设计软件具有以下特点：

IR公司的相关电子镇流器设计软件（BDA Version 2.00）具有以下功能特点和相应设计步骤：

2.1 要设计功能有

（1）它主要适用于IR公司的IR21571、IR2156和IR2159集成电路。

（2）对给定的电路类型、集成电路型号、灯型号和输入电压范围等技术要求，可生成相应的电路图、元件表、相应技术参数（如点火工作频率、预热工作频率、正常工作频率电路的工作电压、电流、灯预热电流、相关电感、磁芯等技术参数）。

（3）良好的Windows图形设计界面，可给出电子镇流器的电参数、元件值和整个电子镇流器的相关文件。具有使用简单、方便、直观和物理概念清晰的优点。

2.2 主要特点如下

（1）五步设计流程；

（2）灯型号流览、输入、输出参数选择、电路形式选择等；

（3）设计流览；

（4）良好的显示界面；

（5）电子镇流器工作点的计算；

（6）电子镇流器工作点的图形表示；

（7）Windows的图形显示界面；

（8）LC谐振腔元件参数计算；

（9）PFC元件参数计算；

（10） IR21571、IR2159和IR2156外围相关元件参数计算；

（11）电路图；

（12）元件清单；

（13）电参数图；

（14）元件参数表等。

2.3 灯的选择和电路基本设计选择主要包含以下

2.3 内容；

（1）灯型号（2）灯功率（3）灯管工作电压（4）最大灯管预热电压（5）灯管最小点火电压（6）预热电流（7）预热时间（秒）（8）工作频率（9）点火工作频率（10）预热工作频率（11）电感、磁芯参数等

2.4 基本设计选择含以下内容：

①最低电源电压 ②最大电源电压 ③预热直流总线电压 ④启动点火直流总线电压 ⑤直流工作总线电压 ⑥PFC工作频率 ⑦镇流器工作频率等。

并且BDA软件有两种工作方式：

(1) 标准5步法（含以下步骤）

① 电源交流市电输入参数选择；

② 选灯型；

③ 选择控制集成电路型式；

④ 选择电路结构形式；

⑤ 自动计算生成设计结果。

同时还可以计算相关电感参数和编程计算集成电路相关编程参数。

(2) 高级工作方式（含以下设计步骤）

① 作点计算和IR21571、IR2156、IR2159

外围元器件计算；

② 允许预先设定所要求参数值；

③ 设计灵活、方便。

2.5 相关设计界面

(1) 操作界面

操作界面分别如下面的有关图表示。

五部法操作界面如下图2所示。

① 选择交流市电输入范围；

② 选择灯型；

③ 选择集成电路型号；

④ 选择灯电路结构；

⑤ 生成设计结果。

图3 工作点和谐振腔参数显示界面

图2 五部法操作界

从图3 可以看出点火（Ignition）、预热（Preheat）、工作（Run）频率间的变化关系。

3 IR常用电子镇流器集成电路应用与特点

3.1 简介

IR为电子镇流器用设计的集成电路得到了广泛应用。

IR2153/2153D是IR2155、IR2151的改进型用以驱动半桥变换级。内含高压半桥栅极驱动电路和满足工业标准的555 CMOS定时器电路。可用于室内、商业环境照明应用场合，IR2153简化了电路设计，被各大型照明生产制造厂商采用。IR2153为卤素灯用电子镇流器集成电路。

IR2156为高压半桥驱动具有可编程振荡频率功能。控制功能齐全，可编程功能易于使用。

IR21571为600V荧光灯和HID灯电子镇流器集成电路，控制功能完善、使用可靠。

IR2159/IR21591为可调光600V半桥驱动集成电路，保护功能齐全，使用安全可靠。

IR2167具有PFC功能，集成度高，保护功能齐全，集600V半桥功率驱动电路一体，适用于荧光灯、HID灯用电子镇流器。

这些集成电路适用于工业、民用和商业照明应用场合。

3.2 特点：

（1）调光和非调光应用；

（2）适用于所有灯型；

（3）设计方便，使用元件少。

（4）高效率；

（5）高可靠；

（6）体积小、重量轻、集成度高并可编程；

（7）节能（可调光工作）；

分别如表1、表2所示。

表1 IR电子镇流器用集成电路分类

HID	卤素灯	荧光灯
IR2117 （FD）	IR21064（FD）	IR2117（FD）
IR2118 （FD）	IR21084（FD）	IR2118S（FD）
IR2101 （FD）	IR21814（FD）	IR2101S（FD）
IR2102 （FD）	IR21813（FD）	IR2102S（FD）
IR2106 （FD）	IR2100（FD）	IR 2106S（FD）
IR2103 （FD）	IR2112（FD）	IR 2181S（FD）
IR2108 （FD）	IR2113（FD）	IR 2103S（FD）
IR2111 （FD）	IR2194（FD）	IR 2108（FD）
IR2183 （FD）	IR21844（FD）	IR 2111（FD）
IR2104 （FD）		IR2183S （FD）
IR2109 （FD）		IR2104S （FD）
IR2184 （FD）		IR2109S （FD）
IR2153 （FDH）		IR 2153S（FDH）
IR21531 （FDH）		IR21531S （FDH）
IR2153D （FDH）		IR2159 （FDH）
IR2156 （FD）	IR21565（FD）	IR 21571（FDH）

功能特点如表2 所示；

表2 功能特点

特点/型号	IR2153	IR2156	IR2167	IR21571	IR2159/IR21591
微功率启动	有	有	有	有	有
电源供电稳压二极管箝位	有	有	有	有	有
600V半桥驱动	有	有	有	有	有
工作频率可编程	有	有	有	有
死时间可编程	有	有	有	有	固定
闭环调光					有
模拟调光接口					有
过流保护		有	有	有	有
欠压保护		有	有	有	有
过温保护			有	有	有
邻近谐振保护			有	有
自动再启动关断	有	有	有	有	有
功率因数补偿
直流总线电压稳压
DIP—SOIC封装引脚数	8	14	20	16	16