用FMS7401型功率控制器設計的數字調光熒光燈鎮流器

為了控制預熱時間、最低與最高驅動頻率及正常工作頻率等各種參數,模擬電子鎮流器的控制器外部必須連接一些阻容元件。這些無源元件的參數存在一些容差,而且隨著溫度的變化而變化。基于模擬控制集成電路的可調光電子鎮流器需要用模擬信號控制。為了發送模擬調光信號,外部微控制器或微處理器必須通過d／a轉換器進行數／模轉換。

飛兆半導體公司推出的fms7401型數字功率控制器(dpc)為實現鎮流器控制、電機控制和電池管理功能提供了理想的解決方案。基于fms7401的簡單、低成本、全數字調光電子鎮流器能夠提供更多的功能。例如熒光燈觸發電壓監測、無燈檢測、燈壽終(eol)識別及最佳預熱時間設置等。

2 fms7401的內部結構及引腳功能

fms74采用14引腳pdip、soic和tssop封裝,引腳排列如圖1所示。

fms7401采用cmos工藝制作,內置8位微控制器內核、1k字節代碼eeprom、64字節動態隨機讀寫存儲器(dram)、5通道8位adc、帶死區時間控制的12位pwm定時器、振蕩器、增益為16的自動調零放大器及獨立放大器、電平可編程比較器、看門狗復位電路及數字濾波器等。其內部結構如圖2所示。表1列出fms7401的引腳功能。

3 fms7401的主要功能與特點

fms7401基于數字硬件提供快速pwm和pfm。數字硬件結構含有所有傳統微控制器特點,例如eeprom、ram、adc和可編程參考電壓等。為了實現快速控制,fms7401內部還集成了運算放大器和模擬比較器。片內的pll支持內部數字pwm頻率高達64mhz。對于250khz的pwm頻率有8位的分辨率。

fms7401輸出可變頻率脈沖,可用作驅動鎮流器輸出級lc串聯諧振網絡,對燈絲進行預熱。
fms740l監控燈電流,能識別過電流、過電壓、過溫度、燈觸發失敗和燈絲斷路等故障。

fms740l的片內振蕩器外部無需電阻器和電容器。振蕩器有1μs的指令周期時間。對于一般用途的i／o腳,可以多輸入喚醒。快速12位pwm定時器提供死區時間控制和半橋輸出驅動。5通道8位adc有1.2lv的內部參考電壓,轉換時間為21μs。片內有1ma的電流源產生器。fms7401的可編程讀／寫具有禁止功能,軟件i／o可隨意選擇。

fm7401支持數據eeprom、代碼eeprom和初始化寄存器電路內部編程。電路內部編程由4線串行接口組成。為將器件設置成編程模式,系統復位期間10位操作碼必須移位進入器件。器件有100000個數據變化,數據保留期間40年。

4　數字鎮流器系統設計

基于fms7401的可編程特點,用其可以設計數字化電子鎮流器。用這種電子鎮流器驅動biax t／e型32w燈管,工作頻率為180khz,預熱頻率為400khz,系統效率為90％,輸入功率為36w。

4.1　設置系統時鐘

圖3所示為fms7401的時鐘與pll電路結構。

fms7401內部時鐘fclk可以調節,并通過設置初始寄存器來測試,fclk可設置在2mhz。初始寄存器int2帶飛兆公司的感光乳膠與仿真程序工具(tool kit)。fclk是數字倍增器或pll輸入時鐘。pll的倍增因數利用fs[1：o]的2位可以在4mhz、8mhz、16mhz和32mhz幾個點頻上調節。其中。fs[1：0]為pscale[6：5],并且pllen的使能輸入=pscale[7]。若將fclk設置在2mhz,數字倍增器的輸出取決于fs[1：0],可以為8／16／32／64mhz,并到達數字開關輸入b。如果fsel=1(fsel=pscale[4]),數字開關y可以是8／16／32／64mhz：如果fsel=0,則y為1mhz。數字開關的輸出y變成內部數字pwm計數器的基本時鐘頻率fpwm。fms7401的時鐘控制寄存器pscale的設置如表2所示。

若pllen=“1”,pll使能：若pllen=“0”,pll禁止。

若fsel=“1”,fpwm=fclk×4(fs=#oob),或fpwm=fclk×8(fs=#01b),或fpwm=fclk×16(fs=#1ob),或fpwm=fclk×32(fs=#11b);若fsel=“0”,并且fclk=2mhz,fpwm則為1mhz。

若fm=“1”,軟件執行基本時鐘coreclk=fclk/2(fs=#oob),或coreclk=fclk(fs=#01b),或coreclk=fclk×2(fs=#為10b),或coreclk=fclk×4(fs=#11b)。若fm=“0”,coreclk=fclk/2。

當fm設置為“1”時,coreclk則為1mhz;當fs=“0”時,coreclk=fpwm/2。從表2可知,fm=pscale[3]。通過設置fm=“1”,軟件指令時間變為1μs。如果pscale設置到#11010000b。則pwm頻率fpwm變為32mhz,最低輸出頻率為125khz。基于這些設置,通過減小t1ral寄存器值,可以獲得較高的輸出驅動頻率。表3列出fs1、fs0和fm設置與相關頻率。

4.2 設置pwm單元

圖4為fms7401的pwm結構框圖。來自pll輸出的fpwm,通過ps[2：0]=pscal[2：0]寄存器／2n,除法器的輸出是自由運行上行計數器timer1的基本時鐘。t1ra是預加載計數器寄存器。當timer1值等于t1ra時,timer1自動復位。改變tira值。可以控制pwm頻率。

為了避免半橋中的高／低側2個功率mosfet“貫通”,fms7401提供死區時間(即非交疊時間),并通過設置dtime寄存器來控制。pwm輸出信號和比較功能由寄存器t1cmpa和t1cmpb提供。如果timer1計數值超過t1cmpa值,則數字比較器輸出oa變為高電平,如圖5所示。

數字比較器輸出oa成為與門和或門的輸入。比較器輸出通過延遲單元(1／2n)按照6位dtime設置值延時。經延時的輸出doa成為與門和或門的另一個輸入。與門和或門輸出oh與ol,成為半橋高／低側mosfet的柵極驅動信號。由于延遲電路的時鐘來自fpwm,利用6位dtime寄存器可以使死區時間從32mhz(周期tpwn=31.25ns),fpwn時鐘的0到2n之間進行調節。如果fpwm=32mhz,通過設置pscale=oxdo(#11010000b),可將死區時間控制在0-2μs(64x31.25ns=2μs)。

為了得到適當的oh和ol輸出波形,并使數字比較器的ol電平反轉,必須利用port-gc和portgd寄存器,設置pgo=“1”。在本設計中,高端和低端輸出信號被定義為輸出腳。

4.3 鎮流器系統設計方案

圖6所示為基于fms7401的32w熒光燈全數字調光電子鎮器電路。110v的ac輸入采用倍壓整流電路,220v的ac輸入采用全橋整流濾波電路。因此,二種ac輸入產生的dc總線電壓是相同的(約300v)。ic2和ic3分別為高側mosfet (v1)和低側mosfet(v2)的柵極驅動器。l2和cres組成lc串聯諧振網絡,c6、c7、vd6、c8、vs1、r3、vs2和c9等組成：ic1、ic2和ic3的供電電路。

圖7所示為鎮流器的驅動頻率曲線。在半橋電路啟動之后,首先輸出預熱頻率fpre以加熱燈絲。預熱時間tpre可由ic1根據不同功率和型號的燈管編程設置,不需要任何無源元件。對于ge照明公司的32w biaxt／e燈管,額定電壓是100v,額定電流為0.32a。推薦預熱時間tpre=2s。預熱時間由ic1軟件程序中的等待循環設置。在結束預熱階段后,驅動頻率通過增加軟件程序中的t1ra值降低。隨頻率向低處掃描,燈電壓增加,并接近燈觸發電壓電平。當 頻率接近輸出lc電路的諧振頻率時,發生lc串聯諧振。在cres上產生足夠高的電壓使燈管擊穿而點亮。在l2=330μh和cres=1.5nf下,諧振頻率為226khz。

燈一旦觸發,驅動頻率降至最低值frun-low,鎮流器進入調光模式。在頻率從frun-low開始向frun-high線性增加過程中,l2的阻抗逐漸增大,燈電流減小,燈光漸暗。

不同工作模式的頻率f和周期t由t1ra寄存器設置如下：

#0x50：fpre=400khz,周期tple=2.5μs;

#0x82：fign=246khz,周期tign=4.06μs;

#0x78：frun-low=267khz,周期trun-low=3.75μs;

#0x84：frun-high=178khz,周期trun-high=5.625μs。

為使驅動頻率有125khz～500khz的變化范圍,ic1的時鐘設置在2mhz,死區時間(tdead)設置在0.1μs。在驅動頻率為frun-low(178khz)時,燈亮度最大(100％);當驅動頻率升至frun-high(267khz)時,燈光最暗。

在故障情況下,ic1輸出控制端口被設置到低電平,ic2和ic3的ho腳及lo腳驅動輸出被禁止v1和v2截止。

利用fms7401還可以設計f8t15／8w、f15t8／15w、f32t8／32w和f40t12／40w等不同型號和不同功率的熒光燈的數字調光電子鎮流器。