直到最近，能夠通過品質要求的鎮流器，也就是在歐洲高於25瓦或者在美國高於40瓦的產品，依然還需要獨立的功率因數校正(Power Factor Correction, PFC)電路，以及伴隨而來的零件數量、複雜度與成本的提升；同時間，具備更薄外型尺寸與更高效率的T5 HO(High Output)高輸出燈管也日益普及，因而也帶來了增加零件數與外接電路的新挑戰。
T5 HO燈管設計挑戰甚鉅
工程師設計T5 HO燈管應用時所面臨的兩個主要問題為啟動電壓以及壽命終止(End-Of-Life, EOL)保護。這類燈管的啟動電壓在內裝氣體溫度較低時會大幅上升，為確保燈管能在寬廣的溫度範圍下都能啟動，傳統的鎮流器控制方式須將過電壓保護的臨界值設定在較高的程度，但如果設得過高，鎮流器過電壓關機保護功能就可能會受到影響。
有鑑於此，固定電壓啟動功能就成為推動T5 HO燈管的理想方式。藉此功能可在預熱到運作頻率的過程中，持續進行輸出電壓的感測並與預先設定的臨界值比較。如果電壓超過臨界值，啟動調節電路就會透過讓電壓控制振盪器(Voltage Controlled Oscillator, VCO)的電壓下降來稍微提高頻率。這個以週期為單位的回授機制可調整每個週期的頻率，因此能夠將輸出電壓振幅，在預先設定時間內維持在較高的固定水準，直到燈管被點亮或者出現過電壓或過電流情況時，自動關閉電路運作來進行燈管的保護。
圖1顯示驅動程序的標準波形，包括和緩啟動、預熱、啟動、保護與運作，透過在低電壓端金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)的S接腳使用一個電流感測(Current Sense, CS)電阻連接到接地，就可進行與輸出電壓直接相關電感電流的感測，並利用鎮流器來加以控制。
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| 圖1 驅動程序的標準波形 |
由於T5燈管尺寸較薄，意味著燈絲與玻璃燈管外裝更加接近，因此EOL保護就變得相當重要，工程人員須避免燈管的外罩在燈管到達EOL情況時變得過熱，依國際電氣委員會(IEC)標準61347-2-3，T5(事實上是P4)鎮流器最少必須通過三個EOL測試之一才算合格，為通過這些包含非對稱脈波測試、非對稱電源偵測以及開放燈絲測試等測試，傳統的電流或電壓感測方法已不合適，因而需要新的保護方式。
HVIC技術具高整合特性
設計工程師的終極目標是希望擁有一個能滿足包括控制、PFC以及保護功能等要求的單一元件，要架構這類元件所面臨的挑戰在於將高電壓驅動功能與CMOS相容低電壓處理能力加以整合。目前已有如國際整流器公司(IR)新GEN5高電壓晶片(HVIC)技術，正逐步實現高度整合元件的夢想。
GEN5 HVIC製程可帶來元件處理能力、更精密規格、溫度變化下穩定度以及整合先前無法加入功能等多方面的改善，例如高電壓位準變換與終端技術，可帶來600伏特浮動閘驅動能力，以及具備良好的電氣過載保護與現場運作穩定度的靴帶式二極體；同時CMOS相容低電壓製程也能帶來精確類比參考電路、控制與回授電路以及各種完整保護功能的單晶片化整合。
最後，晶圓級的調整技術更可確保不受溫度與製程變動影響的高精確度關鍵設計參數，這項調整技術不需要在包裝上耗用額外接腳，使得它對低成本鎮流器控制晶片輸出入接腳數相當有限的應用特別具有吸引力。
單晶片元件的實現
透過採用自有的GEN5技術，國際整流器公司已經能夠開發出內建PFC功能，適合T5燈管應用要求的完全整合且完全保護的600伏特鎮流器控制晶片。圖2為此一元件的架構方塊，採用精簡16支接腳包裝，此產品編號為IRS2168D的新晶片擁有許多可程式功能，包括預熱時間、預熱頻率、運作頻率和啟動上升控制等，在保護功能方面則提供半橋式過電流、PFC過電流、燈管啟動失效與燈絲失效等，以及如閉迴路啟動電流控制、直流電壓過低重置和自動重新啟動功能等保護功能。此外，這顆晶片還擁有內建的靴帶式二極體、內部固定1.6微秒(μs)半橋式停滯時間、電壓控制振盪器(Voltage Controlled Oscillator, VCO)、EOL窗型比較器接腳、燈管移除/自動重新啟動關閉接腳，和將電壓限制在VCC的內部15.6伏特齊納二極體。
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| 圖2 IRS2168D的主要的功能架構方塊 |
如圖2中所描述，鎮流器控制器的中心包括一個VCO，其輸出經過放大及位移來驅動共振轉換器的半橋式MOSFET，VCO的頻率可依燈管驅動要求變化。鎮流器控制器中還包含完備的保護電路及頻率調整電路，PFC控制器的核心則是一個用來做為關鍵傳導模式(Critical Conduction Mode, CCM)升壓轉換器調節的獨立VCO，閉迴路控制方式帶來最佳的功率因數(PF)及最低的整體諧振失真(THD)。為高精確度類比晶片的設計，還提供經調整的帶隙(Band-gap)電壓參考電路，此電路為VCO、保護電路與PFC控制器提供精確的臨界電壓值。
圖3描述內建PFC控制器的閉迴路電路拓撲結構，只需五支接腳就能提供所需功能。和鎮流器控制器VCO不同，PFC振盪器的關鍵設計考量是透過為PFC閘極驅動電路提供一個自動調整的開啟/關閉時間來確保最小的THD。晶片持續將直流電壓與目標值進行比較，並將得到的差距提供做為進行PFC振盪電路導通時間調整的輸入，導通時間調節迴路在預熱與啟動模式下以較高的增益運作以便快速提升直流位準，而在運行模式下，則以較低的增益運作，以降低迴路速度。
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| 圖3 PFC的電路拓撲結構 |
PFC振盪器的關閉時間由將電感電流放電到零所需的時間決定，零電流位準透過二次端繞線上的一個外部限流電阻來偵測，晶片會將電壓與內部由帶隙電壓所產生的參考電壓比較來決定關閉時間的開始與結束，因此可得到一個持續由接近交流輸入線路電壓零交叉高頻率到尖峰值較低頻率進行變化的PFC振盪器。
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| 圖4 實際的鎮流器實現電路 |
圖4顯示設計工程師可以如何應用IRS2168D晶片來完成標準螢光燈鎮流器應用的設計，除整合許多帶來最高控制彈性及保護功能外，還提供相當寬廣的輸入範圍，能滿足設計複雜多燈管電子鎮流器電路的挑戰，採用這顆晶片可讓設計工程師達到0.995的高功率因數、低於10%的低整體諧振失真，以及誤差在±2.5%之內的直流穩壓功能。
(本文作者任職於國際整流器公司)
