IR2166：集PFC与镇流器控制于一身的高效芯片

在电子工程师的日常设计工作中，寻找一款能高效集成多种功能且具备可靠保护机制的芯片至关重要。今天，我们就来深入探讨国际整流器公司（International IOR Rectifier）的IR2166系列芯片，看看它如何在PFC和镇流器控制领域发挥独特优势。

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一、芯片概述

IR2166是一款全面集成且具备全方位保护功能的600V镇流器控制芯片，专为驱动各类荧光灯而设计。其最大的亮点在于将PFC（功率因数校正）、镇流器控制以及半桥驱动功能集成于一体，极大地简化了电路设计。PFC电路采用临界传导模式（Critical Conduction Mode）的升压型（Boost Type）设计，能够有效实现高功率因数（PF）、低总谐波失真（THD）以及对直流母线的稳定调节。

（一）主要特性

1. 集成度高：集PFC、镇流器控制和半桥驱动于一体，减少了外部元件数量，降低了设计复杂度。
2. PFC特性：临界传导模式的升压型PFC，无需PFC电流检测电阻，实现了高效的功率因数校正。
3. 可编程功能丰富：支持可编程预热频率、预热时间、运行频率、死区时间、过流保护以及寿命终点保护等，为设计师提供了极大的灵活性。
4. 保护功能完善：具备多种保护机制，如防灯管无法点亮、灯丝故障、寿命终点保护、直流母线欠压复位以及自动重启功能等，提高了系统的可靠性。
5. 启动功耗低：采用微功耗启动（150µA），降低了启动时的功耗。
6. 封装形式多样：提供16引脚PDIP和16引脚（窄体）SOIC两种封装形式，满足不同的应用需求。

二、技术参数详析

（一）绝对最大额定值

绝对最大额定值定义了芯片能够承受的极限参数，超过这些值可能会对芯片造成损坏。例如，高侧浮动电源电压（VB）的最大值为625V，而最大允许输出电流（lOMAX）为±500mA。在设计电路时，必须确保所有参数在这些额定值范围内，以保证芯片的安全运行。

（二）推荐工作条件

为了确保芯片正常工作，建议在推荐的工作条件下使用。例如，高侧浮动电源电压（VBs）应在Vcc - 0.7V至VCLAMP之间，结温（TJ）应在 - 25°C至125°C之间。严格遵循这些条件可以提高芯片的性能和稳定性。

（三）电气特性

电气特性详细描述了芯片在特定条件下的性能参数。例如，Vcc电源欠压正向阈值（VCcUV+）典型值为11.5V，而PFC误差放大器输出电流源（ICOMP SOURCE）典型值为35µA。这些参数对于电路设计和性能评估至关重要。

三、功能模块解析

（一）镇流器部分

1. 欠压锁定模式（UVLO）：当VCC低于芯片的开启阈值时，芯片进入欠压锁定模式。在此模式下，芯片保持超低的电源电流（小于400µA），并确保在高低侧输出驱动器激活之前芯片完全正常工作。通过合理设计启动和供电电路，如利用IR2166的启动电流和镇流器输出级的电荷泵，可以实现高效的供电。
2. 预热模式（PH）：当VCC超过UVLO正向阈值时，芯片进入预热模式。在此模式下，HO和LO以预热频率（由RT和RPH以及CT共同决定）和50%的占空比振荡，同时通过内部的3µA电流源对CPH引脚的外部预热定时电容进行线性充电。预热模式有助于将灯管灯丝加热到合适的发射温度，从而延长灯管寿命并降低所需的点火电压。
3. 点火模式（IGN）：当CPH引脚的电压超过10V时，芯片进入点火模式。此时，RPH引脚与RT引脚连接，使工作频率从预热频率平滑过渡到点火频率，最终达到运行频率。同时，CS引脚的过流阈值可以保护镇流器免受灯管无法点亮或灯丝开路等故障的影响。
4. 运行模式（RUN）：灯管成功点亮后，镇流器进入运行模式。运行模式的振荡频率由定时电阻RT和定时电容CT决定。如果在半桥处发生硬开关现象，CS引脚的电压将超过内部阈值（1.3V），芯片将进入故障模式，锁定高低侧和PFC的输出。
5. 直流母线欠压复位：当直流母线电压在欠压或过载情况下过低时，VBUS引脚的电压会下降。当VBUS引脚电压低于3.0V时，VCC将放电至UVLO - 阈值，所有栅极驱动器输出将被锁定为低电平。通过合理设计PFC部分，可以确保在交流输入电压下降到镇流器额定输入电压以下之前，直流母线不会下降，从而实现镇流器的可靠关闭和重启。
6. CS和EOL故障模式（FAULT）：在运行模式下，如果SD/EOL引脚的电压超过3V或低于1V，芯片将进入故障模式，锁定所有栅极驱动器输出。要退出故障模式，需要将VCC循环回低于UVLO负向关闭阈值，或者将SD引脚拉高至5.2V以上。

（二）PFC部分

1. 工作原理：IR2166的PFC电路采用临界传导模式的升压型转换器，通过不断监测直流电压并调整PFC MOSFET的导通时间，将直流母线电压调节到固定值。在每个开关周期中，电路会等待电感电流放电到零后再开启PFC MOSFET，从而实现高功率因数和低THD。
2. 控制引脚：PFC控制电路仅需四个控制引脚：VBUS用于检测直流母线电压，COMP用于编程PFC MOSFET的导通时间和反馈环路的速度，ZX用于检测电感电流是否放电到零，PFC为PFC MOSFET的低侧栅极驱动器输出。
3. 导通时间调制：为了降低电流的总谐波失真和高次谐波，PFC控制部分增加了导通时间调制电路。该电路会在交流输入电压接近零交叉时动态增加PFC MOSFET的导通时间，从而减少线路电流的交叉失真。
4. 保护功能：PFC部分具备过压保护（OVP）、欠压复位（UVR）和可选的过流保护等功能。过压保护会在直流母线电压超过内部阈值（4.3V）时禁用PFC输出，欠压复位会在VBUS引脚电压低于内部阈值（3V）时使芯片进入UVLO模式，而可选的过流保护可以通过在PFC MOSFET源极与地之间插入电流检测电阻来实现。

四、设计方程与应用

（一）镇流器设计方程

镇流器设计过程中，需要根据所需的参数来选择合适的元件值。以下是一些关键的设计方程：

1. 死区时间编程：$t{DT}=C{T} cdot 1475$（秒）或$C{T}=frac{t{DT}}{1475}$（法拉），通过选择合适的CT值可以编程HO和LO输出之间的死区时间。
2. 运行频率编程：$f{RUN}=frac{1}{2 cdot C{T}(0.51 cdot R{T}+1475)}$（赫兹）或$R{T}=frac{1}{1.02 cdot C{T} cdot f{RUN}}-2892$（欧姆），根据所需的运行频率选择RT和CT的值。
3. 预热频率编程：$f{PH}=frac{1}{2 cdot C{T} cdot (frac{0.51 cdot R{T} cdot R{PH}}{R{T}+R{PH}}+1475)}$（赫兹）或$R{PH}=frac{(frac{1}{1.02 cdot C{T} cdot f{PH}}-2892) cdot R{T}}{R{T}-(frac{1}{1.02 cdot C{T} cdot f_{PH}}-2892)}$（欧姆），通过RT、RPH和CT来编程预热频率。
4. 预热时间编程：$t{PH}=C{PH} cdot 3.33e6$（秒）或$C{PH}=t{PH} cdot 0.3e - 6$（法拉），根据所需的预热时间选择CPH的值。
5. 最大点火电流编程：$I{IGN}=frac{1.3}{R{CS}}$（安培峰值）或$R{CS}=frac{1.3}{I{IGN}}$（欧姆），通过RCS来编程最大点火电流。

（二）PFC设计方程

PFC设计同样需要精确的计算，以下是PFC设计的关键方程：

1. 计算PFC电感值：$L{PFC}=frac{(VBUS - sqrt{2} cdot VAC{MIN}) cdot VAC{MIN}^{2} cdot eta}{2 cdot f{MIN} cdot P_{OUT} cdot VBUS}$（亨利），其中VBUS为直流母线电压，VACMIN为最小交流输入电压有效值，η为PFC效率（通常为0.95），fMIN为最小交流输入电压下的最小PFC开关频率，POUT为镇流器输出功率。
2. 计算峰值PFC电感电流：$i{PK}=frac{2 cdot sqrt{2} cdot P{OUT}}{VAC_{MIN} cdot eta}$（安培峰值），确保PFC电感在该电流下不会饱和。
3. 计算最大导通时间：$t{ON{Max}}=frac{2 cdot P{OUT} cdot L{PFC}}{VAC_{M H N}^{2} cdot eta}$（秒）。
4. 计算最大COMP电压：$V{COMP MAX}=frac{t{ON MAX}}{0.9E - 6}$（伏特）。
5. 选择齐纳二极管DCOMP值：$D{COMP}$齐纳电压 ≈ $V{COMP MAX}$（伏特）。
6. 计算电阻RSUPPLY值：$R{SUPPLY}=frac{VAC{MIN}+10}{IQCCUV}$（欧姆）。

五、总结与思考

IR2166芯片凭借其高度集成的功能、丰富的可编程特性和完善的保护机制，为电子工程师在设计荧光灯镇流器和PFC电路时提供了一个强大而可靠的解决方案。通过合理运用芯片的各项功能和设计方程，可以实现高效、稳定的照明系统。

然而，在实际应用中，我们也需要考虑一些问题。例如，芯片的参数可能会受到环境温度等因素的影响，在设计时需要充分考虑这些因素并进行相应的补偿。此外，对于可选的PFC过流保护，需要根据具体的应用场景和实验结果来决定是否添加。

作为电子工程师，我们应该不断探索和优化芯片的应用，结合实际需求充分发挥其优势，为推动照明技术的发展贡献自己的力量。你在使用IR2166芯片或类似芯片时遇到过哪些问题呢？又是如何解决的？欢迎在评论区分享你的经验和见解。