高功率因数、高效率电子镇流器控制器ML4831原理分析

高功率因数、高效率电子镇流器控制器ML4831原理分析

摘要：ML4831是美国Micro Linear半导体公司生产的高集成度电子镇流器控制器。本文介绍这种电路的基本工作原理、特点及典型应用。
关键词：功率因数控制（PFC）；镇流器；过压保护（OVP）

　

1. 概述

　　ML4831是一种亮度可调的高功率因数、高效率电子镇流器控制器。它主要由功率因数控制器、振荡器、预热关断时序、控制选通逻辑、输出驱动器及过压、过热保护等部分组成（参见图1）。重新启动和灯管再输出由外部时序控制，并且考虑到对不同灯管特性的综合控制，镇流器控制装置可通过频率调制（FM）来调整灯管的功率，通过补偿编程调整灯管的功率，通过补偿编程来调整压控振荡器（VCO）的工作频率。这些功能集成在一块芯片上，它可以在不同的场合下使用。

　　芯片的主要特点如下：
　　●功率因数校正和功率调节功能由一块集成电路完成。
　　●低失真，高效率，连续升压，平均电流检测功率因数。
　　●快速启动或瞬时启动，启动时间可调。
　　●灯管电流反馈控制亮度。
　　●变频调光和启动。
　　●灯管熄灭情况下，可调再启动，以避免镇流器发热。
　　●内部超温关断保护代替了外部传感保护，保证了设备的安全。
　　●PFC中过压比较器可以消除因负载开路引起的失控。
　　●采用大幅度振荡器和标准电流乘法器，提高了抗噪力。

2.　引脚功能

　　ML4831采用双列直插18引脚封装，引脚排列如图2所示。各引脚功能说明如下：
　　●EA　OUT：PC误差放大器输出和校正端。
　　●IA　OUT：PFC平均电流互导放大器的输出和调整节点。
　　●I（SINE）：PFC电流乘法器输入。
　　●IA+：PFC平均电流互导放大器同相输入和PFC逐周限流比较器峰值电流检测点。
　　●LAMP　F.B：灯管起弧电流取样(或调节)误差放大器的反相输入端，也是亮度控制输入节点。
●LFB OUT：灯管电流误差跨导放大器输出。
●R(SET)：外接电阻，它设定振荡器的最高频率Fmax和R(X)/C(x)充电电流。
●INTERRUPT：用于灯管的熄灭检测和再起动。当该脚的时间间隔后再起动。
●R(X)/C(X)：预热定时，亮度锁定和中断。
●GND：地
●P GND：芯片功率接地端。
●OUT B：镇流器的MOSFET驱动输出端B。
●OUT A：镇流器的MOSFET驱动输出端A。
●PFC OUT：PFC MOSFET驱动输出端。
●VCC：芯片正电源。
●VREF：7.5V参考电压缓冲输出端。
●EA_/OVP：PFC误差放大器反相输入和OVP比较器输入端。

3. 主要参数

●电源ICC：75mA
●输出电流。流入或流出13、14、15脚的直流电流：250mA
●3脚的乘法器输入I(SINE)：10mA
●引脚5、9、18输入电压：0.3VCC～-2V；
●引脚4输入电压：-3～+2V；
●引脚1、6最大过载电压：-0.3～+7.7V；
●引脚1、2、3最大过载电流：±20mA；
●引脚2最大过载电压：-0.3～+6V；
●工作温度范围：-65～+150℃

4. ML4831主要单元功能介绍

图1为ML4831的内部原理框图，其中几个主要单元的功能如下：
4.1 功率因数部分
ML4831中的功率因数修正电路采用平均电流检测升压型功率因数控制电路。该电路的工作原理可参考有关资料。
4.2 乘法器
ML4831的乘法器是一个线性电流输入的乘法器，是功率因数控制器的一个部分。它对大功率转换引起的干扰有很强的抑制能力。输入正弦波电压经整流后的直流电压，通过降压电阻转换成电流，这样，很小的接地噪声在PWM(脉宽调制)比较器的基准上产生微小。乘法器的输出电压加在电流放大器正相输入端，形成电流误差放大器的基准。其傎按下式计算。
VMUL≈[I(SINE)×(VEA-1.1V)]/4.17mA
其中，I(SINE)为降压电阻上的电流；VEA为误差放大器的输出电压。乘法器的最高输出电压为1V。
4.3 平均电流和输出电压的稳定
PFC控制部分的脉宽调制器(PWM)可抑制乘法器输出引起的正电压干扰和接在4脚的电流取样电阻上的负电压干扰和接在4脚的电流取样电阻上的负电压干扰。逐周限流用于高速电流瞬变时，保护MOSFET。当管脚4的电压低于-1V时，脉宽调制器的周期终止。
4.4 过压保护(OVP)
过压保护(OVP)用于负载突变(灯管损坏开路)时避免电源电路承受过高的电压。直流高压经分压后过压保护值。当18脚的电压高于2.75V时，PFC晶体管关断，而镇流器将继续工作。过压保护值必须设置在既能使电源部分安全运行，又不能过低而影响升校正回路。

4.5 振荡器

振荡器控制原理如图3所示。振荡器的振荡频率范围由LFB(灯管反馈)放大器输出(6脚)控制。当灯管电流减小时，6脚电压升高，控制信号增大，电容C(T)充电电流减小，从而使振荡频率降低。由于镇流器输出网络衰减较高的频率，因此灯管功率提高。

4.6 欠压封锁和超温关断

集成电路(IC)内部包含一个并联调节，它能将电压VCC限制在13.5V(VCCZ)。IC需要很小的电源电流，这个电流主要由镇流变压器的辅助组供给。当VCC低于VCCZ-0.7V时，IC的静态工作电流低于1.7mA，此时输出关断。这里，IC可由交流市电整流后通过降压电阻直接供电。图4为欠压封锁及电源电流波形图。
为了降低成本，ML4831内含有一个温度传感器，当IC的结温高于12℃时，镇流器将停止工作。为使内部传感器安全代替外部传感器，必须将IC设置在镇流器中的适当位置，以确保准确地检测镇流器的温度。ML4831芯片的温度(Tj)可由下面的经验公式计算：
(Tj)=TA+PD×65℃/W
其中，TA为环境温度；PD为芯片的耗散功率。

4.7 起动、重新启动、预热和关断

采用ML4831后，日光灯启动不影响灯管寿命，并且在日光灯熄灭时镇流器产生的热量很小。
日光灯预热和中断定时器电路如图5。C(X)以电流IR(set)/4译电，然后通过R(X)放电。C(X)两端的初始电压为0.7V(VBE)，由0.7V上升到3.4V所需的时间为灯丝预热时间。在这段时间内，振荡器的充电电流(ICHG)为2.5V/R(set)。这将为灯丝预热产生一个高电流，但又不会产生使灯管起动的高压。
阴极灯丝预热以后，逆变器的频率降低到Fmin，并产生一个高电压来启动灯管。灯管启动后，两商电压不再降低。加到9脚的灯管反馈电压上升到高于参考电压Vref时，C(X)的充电电流中断并且逆变器封锁。此时，C(X)通过R(X)放电，一直到C(X)两端电压下降到门限值1.2V时，逆变器又开始工作。用这种方式关断逆变器，可以防止逆变器产生过大的热量。
选择较大阻值的R(X)可以使预热时间足够长。在C(X)两端电压达到6.8V门限值以前，LFB OUT对于振荡器不起作用，所以，全部功率加到灯管上。然后调节亮度，C(X)两端电压被箝位在7.5V。
各种状态下逆变器工作频率如右表所列。

5. 典型应用

图6是一个采用ML4831实现的高功率因数，高效率日光灯镇流器原理电路。输入交流电压(120V)经整流后获得直流高压。通过开关管Q2、Q3和开关变压器T2B、C1、C2获得三组输出，可启动控制三路日光(荧光)灯，且亮度可调。由R16～R19，D10，D11、C16、C17构成整流取样电路，将灯管的反馈信号及亮度控制电压送到芯片的5脚，通过控制13、14脚输出脉冲频率，以实现亮度调节及自动稳定控制。Q2、Q3交替导通，Q3起续流作用，从而提高电源效率。
由R1及D10、D11组成主回路电流取样电路，取样电流信号加到芯片4脚作为PFC输入信号。R12、R13及D19～D22组成过压保护取样电路，取样信号加到芯片18脚。通过15脚输出驱动Q1，以实现功率因数校正和过压保护。功率因数校正电路主要由Q1、L3、C7、D7组成。
附图6元件参数：

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、快速二极管；
D6：20V、5%、1W；
D7：3A、400V、快速二极管；
D10-13：0.1A、75V；
D15、18：0.1A、75V；
D16、17：1A、50V；
Q1-3：5.5A、400V；
T1：电感20mH，抽头1、4间150匝；抽头2、3间75匝。
T2A：电感3.87mH，抽头1、3间200匝，抽头5、6间200匝。
T2B：电感1.66mH，抽头1、2间200匝，抽头5、6间3匝，抽头7、8间3匝。
L3：电感1mH，抽头1、4间195匝。
T4：电感1.38mH，抽头1、3间190匝，抽头4、6间70匝。
L1、L2电感600μH，直流电阻0.45Ω。
F1：2A。