高功率因數、高效率電子鎮流器控制器ML4831原理分析

摘要：ML4831是美國Micro Linear半導體公司生產的高集成度電子鎮流器控制器。本文介紹這種電路的基本工作原理、特點及典型應用。
關鍵詞：功率因數控制（PFC）；鎮流器；過壓保護（OVP）

　

1. 概述

　　ML4831是一種亮度可調的高功率因數、高效率電子鎮流器控制器。它主要由功率因數控制器、振蕩器、預熱關斷時序、控制選通邏輯、輸出驅動器及過壓、過熱保護等部分組成（參見圖1）。重新啟動和燈管再輸出由外部時序控制，并且考慮到對不同燈管特性的綜合控制，鎮流器控制裝置可通過頻率調制（FM）來調整燈管的功率，通過補償編程調整燈管的功率，通過補償編程來調整壓控振蕩器（VCO）的工作頻率。這些功能集成在一塊芯片上，它可以在不同的場合下使用。

　　芯片的主要特點如下：
　　●功率因數校正和功率調節功能由一塊集成電路完成。
　　●低失真，高效率，連續升壓，平均電流檢測功率因數。
　　●快速啟動或瞬時啟動，啟動時間可調。
　　●燈管電流反饋控制亮度。
　　●變頻調光和啟動。
　　●燈管熄滅情況下，可調再啟動，以避免鎮流器發熱。
　　●內部超溫關斷保護代替了外部傳感保護，保證了設備的安全。
　　●PFC中過壓比較器可以消除因負載開路引起的失控。
　　●采用大幅度振蕩器和標準電流乘法器，提高了抗噪力。

2.　引腳功能

　　ML4831采用雙列直插18引腳封裝，引腳排列如圖2所示。各引腳功能說明如下：
　　●EA　OUT：PC誤差放大器輸出和校正端。
　　●IA　OUT：PFC平均電流互導放大器的輸出和調整節點。
　　●I（SINE）：PFC電流乘法器輸入。
　　●IA+：PFC平均電流互導放大器同相輸入和PFC逐周限流比較器峰值電流檢測點。
　　●LAMP　F.B：燈管起弧電流取樣(或調節)誤差放大器的反相輸入端，也是亮度控制輸入節點。
●LFB OUT：燈管電流誤差跨導放大器輸出。
●R(SET)：外接電阻，它設定振蕩器的最高頻率Fmax和R(X)/C(x)充電電流。
●INTERRUPT：用于燈管的熄滅檢測和再起動。當該腳的時間間隔后再起動。
●R(X)/C(X)：預熱定時，亮度鎖定和中斷。
●GND：地
●P GND：芯片功率接地端。
●OUT B：鎮流器的MOSFET驅動輸出端B。
●OUT A：鎮流器的MOSFET驅動輸出端A。
●PFC OUT：PFC MOSFET驅動輸出端。
●VCC：芯片正電源。
●VREF：7.5V參考電壓緩沖輸出端。
●EA_/OVP：PFC誤差放大器反相輸入和OVP比較器輸入端。

3. 主要參數

●電源ICC：75mA
●輸出電流。流入或流出13、14、15腳的直流電流：250mA
●3腳的乘法器輸入I(SINE)：10mA
●引腳5、9、18輸入電壓：0.3VCC～-2V；
●引腳4輸入電壓：-3～+2V；
●引腳1、6最大過載電壓：-0.3～+7.7V；
●引腳1、2、3最大過載電流：±20mA；
●引腳2最大過載電壓：-0.3～+6V；
●工作溫度范圍：-65～+150℃

4. ML4831主要單元功能介紹

圖1為ML4831的內部原理框圖，其中幾個主要單元的功能如下：
4.1 功率因數部分
ML4831中的功率因數修正電路采用平均電流檢測升壓型功率因數控制電路。該電路的工作原理可參考有關資料。
4.2 乘法器
ML4831的乘法器是一個線性電流輸入的乘法器，是功率因數控制器的一個部分。它對大功率轉換引起的干擾有很強的抑制能力。輸入正弦波電壓經整流后的直流電壓，通過降壓電阻轉換成電流，這樣，很小的接地噪聲在PWM(脈寬調制)比較器的基準上產生微小。乘法器的輸出電壓加在電流放大器正相輸入端，形成電流誤差放大器的基準。其傎按下式計算。
VMUL≈[I(SINE)×(VEA-1.1V)]/4.17mA
其中，I(SINE)為降壓電阻上的電流；VEA為誤差放大器的輸出電壓。乘法器的最高輸出電壓為1V。
4.3 平均電流和輸出電壓的穩定
PFC控制部分的脈寬調制器(PWM)可抑制乘法器輸出引起的正電壓干擾和接在4腳的電流取樣電阻上的負電壓干擾和接在4腳的電流取樣電阻上的負電壓干擾。逐周限流用于高速電流瞬變時，保護MOSFET。當管腳4的電壓低于-1V時，脈寬調制器的周期終止。
4.4 過壓保護(OVP)
過壓保護(OVP)用于負載突變(燈管損壞開路)時避免電源電路承受過高的電壓。直流高壓經分壓后過壓保護值。當18腳的電壓高于2.75V時，PFC晶體管關斷，而鎮流器將繼續工作。過壓保護值必須設置在既能使電源部分安全運行，又不能過低而影響升校正回路。

4.5 振蕩器

振蕩器控制原理如圖3所示。振蕩器的振蕩頻率范圍由LFB(燈管反饋)放大器輸出(6腳)控制。當燈管電流減小時，6腳電壓升高，控制信號增大，電容C(T)充電電流減小，從而使振蕩頻率降低。由于鎮流器輸出網絡衰減較高的頻率，因此燈管功率提高。

4.6 欠壓封鎖和超溫關斷

集成電路(IC)內部包含一個并聯調節，它能將電壓VCC限制在13.5V(VCCZ)。IC需要很小的電源電流，這個電流主要由鎮流變壓器的輔助組供給。當VCC低于VCCZ-0.7V時，IC的靜態工作電流低于1.7mA，此時輸出關斷。這里，IC可由交流市電整流后通過降壓電阻直接供電。圖4為欠壓封鎖及電源電流波形圖。
為了降低成本，ML4831內含有一個溫度傳感器，當IC的結溫高于12℃時，鎮流器將停止工作。為使內部傳感器安全代替外部傳感器，必須將IC設置在鎮流器中的適當位置，以確保準確地檢測鎮流器的溫度。ML4831芯片的溫度(Tj)可由下面的經驗公式計算：
(Tj)=TA+PD×65℃/W
其中，TA為環境溫度；PD為芯片的耗散功率。

4.7 起動、重新啟動、預熱和關斷

采用ML4831后，日光燈啟動不影響燈管壽命，并且在日光燈熄滅時鎮流器產生的熱量很小。
日光燈預熱和中斷定時器電路如圖5。C(X)以電流IR(set)/4譯電，然后通過R(X)放電。C(X)兩端的初始電壓為0.7V(VBE)，由0.7V上升到3.4V所需的時間為燈絲預熱時間。在這段時間內，振蕩器的充電電流(ICHG)為2.5V/R(set)。這將為燈絲預熱產生一個高電流，但又不會產生使燈管起動的高壓。
陰極燈絲預熱以后，逆變器的頻率降低到Fmin，并產生一個高電壓來啟動燈管。燈管啟動后，兩商電壓不再降低。加到9腳的燈管反饋電壓上升到高于參考電壓Vref時，C(X)的充電電流中斷并且逆變器封鎖。此時，C(X)通過R(X)放電，一直到C(X)兩端電壓下降到門限值1.2V時，逆變器又開始工作。用這種方式關斷逆變器，可以防止逆變器產生過大的熱量。
選擇較大阻值的R(X)可以使預熱時間足夠長。在C(X)兩端電壓達到6.8V門限值以前，LFB OUT對于振蕩器不起作用，所以，全部功率加到燈管上。然后調節亮度，C(X)兩端電壓被箝位在7.5V。
各種狀態下逆變器工作頻率如右表所列。

5. 典型應用

圖6是一個采用ML4831實現的高功率因數，高效率日光燈鎮流器原理電路。輸入交流電壓(120V)經整流后獲得直流高壓。通過開關管Q2、Q3和開關變壓器T2B、C1、C2獲得三組輸出，可啟動控制三路日光(熒光)燈，且亮度可調。由R16～R19，D10，D11、C16、C17構成整流取樣電路，將燈管的反饋信號及亮度控制電壓送到芯片的5腳，通過控制13、14腳輸出脈沖頻率，以實現亮度調節及自動穩定控制。Q2、Q3交替導通，Q3起續流作用，從而提高電源效率。
由R1及D10、D11組成主回路電流取樣電路，取樣電流信號加到芯片4腳作為PFC輸入信號。R12、R13及D19～D22組成過壓保護取樣電路，取樣信號加到芯片18腳。通過15腳輸出驅動Q1，以實現功率因數校正和過壓保護。功率因數校正電路主要由Q1、L3、C7、D7組成。
附圖6元件參數：

C1、13、33：0.22μF、50V、10%；
C2、3：3.3nF、125VAC、10%；
C4：0.33μF、250VAC；
C28：2.2nF、50V、10%；
C6：47μF、25V、10%；
C9：10nF、25V、10%；
C7：120μF、250V、20%；
C10、5：1.5nF、50V、2.5%；
C11、16：0.0047μF、50V、10%；
C12、20：220pF、2kV、10%；
C14：0.068μF、160V、5%；
C15：4.7μF、50V、20%；
C17：2.2nF、50V、2%；
C18：0.22μF、63V、10%；
C19：0.068μF、250V、5%；
C21：6.8nF、630V、5%；
C22：22nF、630V、5%；
C23：330pF、50V、10%；
C26：0.1μF、250V、5%；
C29：1μF、25V、10%；
C30：0.1μF、25V、10%；
C32：4.7nF、25V、10%；
R1：0.5Ω、5%、1W；
R2：36kΩ、1/2W、5%；
R3：33Ω、1/4W、5%；
R4：360kΩ、1/4W、5%；
R5：17.8kΩ、1/4W、1%；
R6：35.7kΩ、1/4；
R7：110kΩ、1/4W、1%；
R8：51.1kΩ、1/4W、1%；
R9：1.96kΩ 、1/4W、1%；
R10：681kΩ、1/4W、5%；
R12：5.49kΩ、1/4W、1%；
R16：100kΩ、1/4W、1%；
R17：412kΩ、1/4W、1%；
R28：100kΩ、1/4W、5%；
R19：9.09kΩ、1/4W、1%；
R21、22：22Ω、1/4W、1%；
R23：475kΩ、1/4W、1%；
R27：100Ω、1/4W；
R29：100kΩ；
R30：12kΩ、1/4W、5%；
R31：4.3kΩ、1/4W、1%；
D1-4：1A、600V；
D19-22：1A、600V、快速二極管；
D6：20V、5%、1W；
D7：3A、400V、快速二極管；
D10-13：0.1A、75V；
D15、18：0.1A、75V；
D16、17：1A、50V；
Q1-3：5.5A、400V；
T1：電感20mH，抽頭1、4間150匝；抽頭2、3間75匝。
T2A：電感3.87mH，抽頭1、3間200匝，抽頭5、6間200匝。
T2B：電感1.66mH，抽頭1、2間200匝，抽頭5、6間3匝，抽頭7、8間3匝。
L3：電感1mH，抽頭1、4間195匝。
T4：電感1.38mH，抽頭1、3間190匝，抽頭4、6間70匝。
L1、L2電感600μH，直流電阻0.45Ω。
F1：2A。