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Monolithische Beleuchtungsregler Hochvolt-Chips für moderne Lichtechnik

| Autor / Redakteur: Zan Huang* / Gerd Kucera

So können jüngste HVIC-Leistungshalbleiter beim Entwickeln moderner Beleuchtung helfen, die Implementierung elektronischer Vorschaltgeräte für Leuchtstofflampen zu vereinfachen.

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( Archiv: Vogel Business Media )

ICs für elektronische Vorschaltgeräte sind zu einem Schlüsselelement bei der Entwicklung von Beleuchtungen mit Leuchtröhren geworden, nachdem die Hersteller unablässig bemüht sind, die Schaltungen zu vereinfachen, die Entwicklungszeit zu verkürzen, den Wirkungsgrad zu verbessern sowie die Gesamtkosten auf einem Minimum zu halten.

Das Resultat ist, dass die Vielfalt der dem Beleuchtungsdesigner zur Verfügung stehenden ICs mittlerweile von einfachen selbstschwingenden Halbbrückentreibern zu hoch integrierten Bausteinen mit einer geringen Zahl von Pins und umfangreichen Regeleigenschaften reicht, wie beispielweise die Soft-Start-Funktionalität und Frequenzregelung für den Preheat-, Zünd- und Arbeitsbetrieb. Ständig weitergehende Fortschritte in der Halbleitertechnologie brachten darüber hinaus eine wachsende Zahl integrierter Schutzeigenschaften heraus, zu denen sowohl der Schutz gegen Unterschreiten der Resonanzfrequenz (Below Resonance Protection) als auch der Übertemperaturschutz zählen.

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Moderne Lampentypen bringen neue Design-Herausforderungen

Bislang jedoch benötigten qualifizierfähige Vorschaltgeräte (solche mit Nennleistungen von mehr als 25 W in Europa und 40 W in den USA) immer noch eine separate Leistungsfaktorkorrektur-(PFC-)Stufe mit der damit verbundenen höheren Anzahl von Bauelementen und der höheren Komplexität sowie höheren Kosten. Gleichzeitig finden T5-HO-(High-Output-)Lampen dank ihres schlankeren Formfaktors und höheren Wirkungsgrads immer öfter Anwendung. Allerdings bringen diese Lampentypen neue Herausforderungen mit sich, die eine weitere Erhöhung der Bauelementezahl und der externen Schaltungen erforderlich machen.

Höhere Zündspannung bei niedrigerer Gastemperatur

Zwei wesentliche Probleme für Ingenieure, die T5-HO-Lampenapplikationen entwickeln, hängen mit der Zündspannung und dem End-of-Life-(EOL-)Schutz zusammen. Die Zündspannung derartiger Lampen nimmt beträchtlich zu, je niedriger die Gastemperatur ist. Um deshalb sicherzustellen, dass die Lampe über einen weiten Temperaturbereich hinweg zündet, muss bei herkömmlichen Methoden zur Ansteuerung der Vorschaltgeräte der Schwellenwert für die Überspannung hoch eingestellt werden. Ist der Wert jedoch zu hoch, dann kann der Überspannungsabschaltschutz des Vorschaltgeräts beeinträchtigt werden.

Aus diesem Grund besteht der ideale Weg zur Ansteuerung von T5-HO-Lampen im Anlegen einer Konstantspannungszündvorrichtung. Während des Übergangs von Vorheiz- zu Arbeitsfrequenz wird die Ausgangsspannung erfasst und mit einem voreingestellten Schwellenwert verglichen. Sollte die Spannung die Schwelle übersteigen, erhöht eine Zündregelschaltung die Frequenz geringfügig, indem sie die VCO-Spannung heruntertaktet. Diese Rückkopplung Cycle-by-Cycle stellt die Frequenz bei jedem Zyklus ein und begrenzt deshalb die Amplitude der Ausgangsspannung für einen programmierbaren Zeitraum auf einen hohen und konstanten Pegel, bis entweder die Lampe gezündet wurde oder die Schaltung zum Schutz der Lampen bei Auftreten einer Überspannungs-/Überstrombedingung automatisch abgeschaltet wird.

Ein End-of-Life-Schutz ist zwingend notwendig

Bild 1 zeigt die typische Signalform dieser Ansteuersequenz, einschließlich Soft-Start, Vorheizung, Zündung, Schutz und Arbeitsbetrieb. Durch Einschalten eines Strommess-(CS-)Widerstands, der den Source-Pin des Low-Side-MOSFETs mit Masse verbindet, wird der Induktorstrom, der direkt die Ausgangsspannung wiedergibt, erfasst und durch das Vorschaltgerät geregelt.

Ein End-of-Life-Schutz wird für T5-Lampen wegen ihrer schlanken Ausführung, aufgrund derer die Wendel näher am Glasröhrenäußeren liegen, zwingend notwendig. Daher muss unbedingt verhindert werden, dass die Kappen der Lampe zu heiß werden, wenn die Lampe ihr Ende der Lebensdauer erreicht. Entsprechend dem IEC-Standard 61347-2-3 müssen die T5- (und auch die T4-)Vorschaltgeräte mindestens einen der drei EOL-Tests bestehen, um qualifiziert zu werden. Zum Absolvieren dieser Tests – zu denen ein asymmetrischer Impulstest, asymmetrische Leistungserfassung und ein Offener-Wendel-Test zählen – reichen herkömmliche Methoden zum Erfassen von Strom oder Spannung nicht aus. Deshalb werden neue Schutzverfahren nötig.

Neue Prozessgeneration für HVIC macht die Realiserung möglich

Letztendlich strebt der Entwickler danach, dass er einen einzigen Baustein auswählen kann, der all diese Regel-, PFC- und Schutzanforderungen bewältigt. Die Herausforderung bei der Entwicklung eines solchen Bausteins liegt in der Integration einer Hochvolt-Treiberfunktionalität mit CMOS-kompatiblen Niederspannungseigenschaften. Glücklicherweise tragen Halbleiterprozesse wie beispielsweise International Rectifiers neue GEN5-Hochvolt-IC-(HVIC-)Technologie dazu bei, diese hoch integrierten Bausteine herstellen zu können.

Der GEN5-HVIC-Prozess ermöglicht die Verbesserung in den Bausteineigenschaften, engere Spezifikationen, Temperaturstabilität sowie die Integration von Eigenschaften, die bislang nicht verfügbar waren. Eine Hochvolt-Level-Shifter- und Terminierungstechnik etwa ermöglicht potenzialfreie 600-V-Gate-Treiber sowie Bootstrap-Dioden mit einem überlegenen elektrischen Überlastungsschutz und hoher Zuverlässigkeit im Feldeinsatz.

Mittlerweile ermöglicht der CMOS-kompatible Niederspannungsprozess die monolithische Integration von präzisen analogen Referenzen, Regel- und Rückkopplungsschaltungen sowie umfassenden Schutzfunktionen. Schließlich gewährleistet eine Abgleichtechnik auf Wafer-Ebene höchst genaue Design-Parameter, die von Temperatur und Prozessschwankungen unabhängig sind. Diese Trimm-Technik benötigt keine zusätzlichen Pins am Gehäuse und ist deshalb besonders attraktiv für kostengünstige Ballast-Control-IC-Anwendungen, bei denen die Zahl der I/O-Pins beschränkt ist.

Implementierung eines Single-Chip-Bausteins mit vielen Funktionen

Durch Einsatz ihrer GEN5-Technologie war International Rectifier in der Lage, einen voll integrierten und vollständig geschützten 600-V-IC für Vorschaltgeräte inklusive PFC-Feature zu entwickeln, der sich ideal für die Anforderungen einer T5-Lampe eignet. Bild 2 zeigt die Funktionsbausteine des neuen ICs IRS2168D, der in einem kompakten 16-Pin-Gehäuse erhältlich ist und zahlreiche programmierbare Eigenschaften hat, darunter Vorheizzeit, Vorheizfrequenz, Arbeitsfrequenz und Schaltflanke.

Zusätzlich zu Basisschutzfunktionen wie einem geschlossenen Regelkreis für den Zündungsstrom, DC-Bus Unterspannungs-Reset sowie einer automatischen Restartfunktion sind Schutzvorkehrungen gegen Halbbrücken-Überstrom, PFC-Überstrom, Nichtzünden der Lampen sowie Heizfadenausfall integriert. Darüber hinaus zeichnet sich der IC durch eine integrierte Bootstrap-Diode ebenso aus wie durch eine feste interne Halbbrücken-Totzeit von 1,6 µs, einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO), einen End-of-Life-Komparator-Pin, einen Abschalt-Pin bei Entfernung der Lampe mit automatischem Neustart sowie eine interne 15,6-V-Klemmdioden auf Vcc.

Bester Leistungsfaktor bei minimalem Gesamtklirrfaktor

Wie Bild 2 zeigt befindet sich im Kern des Ballast-Controllers ein VCO, dessen Ausgang verstärkt und potenzialverschoben wird, um die Halbbrücken-MOSFETs des Schwingkreises anzusteuern. Die VCO-Frequenz kann entsprechend den Anforderungen der Lampenansteuerung durchlaufen werden. Umfassende Schutzschaltungen sowie Schaltungen zur Frequenzregelung sind ebenfalls im Ballast-Controller enthalten. Der PFC-Controller besitzt einen eigenen VCO, der für den CCM-(Critical Conduction Mode)Verstärkungswandler geregelt wird. Eine Methode zur Regelung ergibt den besten Leistungsfaktor (PF) sowie einen minimalen Gesamtklirrfaktor (THD).

Um einen hochgenauen Analog-IC zu entwickeln, wird eine abgeglichene Bandgap-Spannungsreferenz angelegt. Diese Schaltung versorgt den VCO, die Schutzschaltungen sowie den PFC-Controller mit genauen Schwellenspannungen.

Bild 3 zeigt die Regelungstopologie des integrierten PFC-Controllers, der lediglich fünf Pins benötigt, um die notwendige Funktionalität zu liefern. Im Gegensatz zum VCO des Ballast-Controllers besteht die entscheidende Betrachtung beim Design des PFC-Oszillators darin, mit Hilfe einer adaptiven Ein/Aus-Zeit für den PFC-Gate-Treiber einen minimalen Gesamtklirrfaktor sicherzustellen. Der IC vergleicht ununterbrochen die DC-Busspannung mit einem Zielwert, wobei die Differenz den Eingabewert für die Regelung der Einschaltzeit des PFC-Oszillators ergibt.

Die Regelschleife der Einschaltzeit arbeitet während des Vorheiz- und Zündbetriebs mit höherer Verstärkung zur raschen Verstärkung des DC-Buspegels, und im Arbeitsbetrieb mit geringerer Verstärkung und damit einer langsameren Regelgeschwindigkeit. Die Abschaltzeit des PFC-Ozillators wird durch die Zeit bestimmt, die der Induktorstrom benötigt, um auf Null zu entladen. Der Nullstrompegel wird durch eine Sekundärwicklung über einen externen Strombegrenzungswiderstand erfasst.

Der IC vergleicht den Spannungspegel mit den internen Spannungsreferenzen (durch die Bandgap-Spannung generiert) und legt damit den Beginn und das Ende der Abschaltzeit fest. Das Ergebnis ist ein System, bei dem der PFC-Oszillator konstant von einer hohen Frequenz der AC-Eingangsspannung nahe dem Nulldurchgang zu einer niedrigeren Frequenz auf deren Spitzenwert regelt.

Praktisches Anwendungsbeispiel mit dem IRS2168D

Bild 4 stellt dar, wie ein Entwickler rund um den IRS2168D eine typische Vorschaltgeräteapplikation für Leuchtstofflampen schaffen kann. Über die Tatsache hinaus, dass er viele integrierte Features für maximale Programmierbarkeit und maximalen Schutz bereits enthält, bietet der Baustein IRS2168D einen Weitbereichseingang, der die Design-Herausforderung komplexer elektronischer Multilampen-Ballastschaltungen angeht. Durch den Einsatz des ICs können Entwickler einen hohen Leistungsfaktor von 0,995 und einen niedrigen Gesamtklirrfaktor von weniger als 10% sowie eine DC-Busregelung innerhalb einer Toleranz von ± 2,5% erreichen.

Der Mehrwert neuer HVIC für die Beleuchtungstechnik

Die Hochvolt-IC-Technologie (HVIC) mit PN-Isolation ermöglicht kostengünstige Regler für die Leistungselektronik, die ein breites Anwendungsspektrum abdecken. Das HVIC erlaubt die Platzierung der Schaltung innerhalb eines isolierten Bereichs, der 600 V gegenüber der Niederspannungsschaltung floaten kann. Dadurch lässt sich ein High-Side- und eine Low-Side-Treiber auf einem einzigen Chip zur Ansteuerung der meist verbreiteten Schaltwandlertopologien integrieren. Vorteile in der Anwendung: unter anderem bessere Steuerung von Lichtstärke und Energieverbrauch; andere Beleuchtungstechniken wie Halogenlampen oder superhelle LEDs (High-Bright-LEDs) bieten in Verbindung mit einem optimierten elektronischen Regler eine Verbesserung von Wirkungsgrad, Lichtausbeute, Zuverlässigkeit und Flexibilität.

*Zan Huang ist Entwickler bei International Rectifier, El Segundo/Kalifornien.

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