1、引言
由于荧光灯的固有特性[1]，高频电子镇流器[1，2]作为一种重要的节能产品，越来越受到各国的普遍重视。在美国等一些发达国家，早在上个世纪90年代初就已开始限制生产和使用白帜灯和电感镇流器。我国“绿色照明工程”的正式启动，也将对我国的能源、电光源和照明技术，甚至环境保护等各个领域产生巨大影响[3]。并且，国际电工委员会标准IEC929和我国的专业标准ZBK74012-90都对电子镇流器的性能进行了规定，如“正常情况使用时，应使灯启动，但不对灯性能造成损害”，、“施加阴极预热电压的最短时间不小于0.4s”等。国际上已经出现用灵巧功率集成电路（Smart Power Integrated Circuit，缩写SPIC）做荧光灯镇流器的产品，例如用IR215X系列或L6569等SPIC，利用SPIC的优点之一是容易将对功率器件的控制电路及保护电路做在同一芯片上，使可靠性提高。但国外SPIC的成本高，成为制约其发展的瓶颈。
我国发明了不采用介质隔离或pn结隔离的方法（即不采用国外BCD技术方法）而用普通CMOS和BiCMOS工艺将高压（功率）器件与低压CMOS电路或BiCMOS电路做在一块芯片上的方法[4，5]。这将使SIPC的成本大大下降。
本文就电子镇流器用的SPIC中供给荧光灯的电源频率的控制提出一种价格便宜而性能良好的方法。荧光灯的电源频率与通常电源不同的最大特点是有一个较长的给灯丝的预热时间，然后有一个点燃过程才进入到正常工作。根据荧光灯（预热式）的特点，其正常工作需要有三个工作阶段：①在一定时间内给灯丝一个大电流进行预热；②在较短时间内给灯一个足够高的启动电压用于点燃；③最后使灯工作在额定功率下正常发光[6]。下面，我们将简单介绍电子镇流器如何通过改变频率来实现灯的三个阶段工作需要的原理。图1为变频电子镇流器的输出态简图。图中输入为一正弦波Uin=Umsin（2πft），其中Um为幅值，f为输入信号的角频率，R代表灯的电阻。当灯回路在某个频率点fph时，进行预热；当f逐渐减小趋近于LC电路固有谐振点f0时，灯两端电压迅速增大到其点燃电压范围600～800V时，使其点燃，我们设灯达到点燃电压Vign时的频率点为fign。此后，灯点亮并正常发光。R由很大变为几百欧（据灯型而定），电路Q值降低，设使灯工作在额定功率下的频率点为frun。我们根据灯两端电压会随电路本身Q值及输入信号的频率变化而变化的特性，来满足荧光灯在三个工作阶段的电流、电压要求[6]。
2、电路的理论分析与实现
为了实现荧光灯工作的三个工作阶段，其输入信号Uin的频率随时间变化曲线如图2中曲线1所示。
实际上，灯丝为一个很小的电阻Rf，所以在灯未启动前输出回路是一个LCRf串联回路输入，因之，灯两端电压UR（t）是一个频率为f（f大于f0）的正弦激励信号，其瞬态零状态响应为
其中，f0是LC串联谐振回路的固有频率点，f0=1/2π，f为输入信号频率，且f>f0。由上式可看出，由于电路本身的影响，灯两端电压将是暂态到稳态的过程[6]。可以证明，在t=0后一个短时间内，要使UR（t）不致过大，即避免灯未经预热而发生冷启动，则f/f0应比1大。当f/f0值为2或3时，UR（t）峰值约为Um或其一半，即可避免冷启动。
在经过2L/Rf时间（当L取1mH时约小于0.2ms）后，进入稳态，此时灯两端电压为
综合上述，我们希望输入Uin的频率为开始由很高的频率fstart下降，在t1时刻到预热频率fph，经过0.4～1s时间的预热后，在t2到t3时间内使频率逐渐过滤到燃点频率，最后稳定在使灯工作于额定功率下的。其输入信号的频率变化曲线如图2中曲线2所示。
实际电路中，我们将要用到的是一个方波信号提供给后端电路如图1，幅值为1，占空比为50%，角频率为ω的方波U（t），其傅立叶分解为：
此方波信号经一个隔直电容后，可近似认为只有基波分量起作用，与上述原理相同。本文提出一种如何得到一个如上图2中曲线2所示频率变化以满足燃灯要求的三个工作阶段所需的方波信号，且又是简单的CMOS电路的方法，使所产生的驱动信号，基本上是振荡频率按要求变化的一个方波信号。电路原理图如图3所示。
图3中，比较器comp1和comp2参数均按常规设计，且在V+>V-时输出低；电流源is1和is2经开关PMOS、NMOS控制分别给电容C充电，且电流源is1的电流i11比电流源is2的电流i12大很多，电流i12可由电流i11的镜像方法得到；D触发器为时钟上升沿有效。
此电路共有两个部分：一个是由两个比较器、或非门、两个可选电流源及控制电容C组成的预热频率及时间控制部分；另一个是由压控镜像电流及振荡部分组成的频率可调变的方波发生器。由于荧光灯电子镇流器的振荡电路的频率变化特点（如图3），需要一个很慢的变化时间作为预热时间，此时间即为t2-t1的时间，大约为1s的数量级，若用一个电流源给电容C充电，则因电流源的电流较小，要想达到上述的时间要求，则需用一个很大的电容C，这样频率变化时间过长；若电流源的电流过大，则频率变化过快，也不能满足时间要求。那么如何得到一个在一段时间内近于不变的预热频率呢？我们采用的方法是用一个很小的镜像电流i12给控制电容C充电。用电流镜的方法可得到一个很小的电流给电容C充电，则电容不必很大，就可满足在很长的时间内频率近于不变，达到了预热的要求，而在频率变化要求很快的阶段则用较大的电流给C充电。以下详述如何实现频率变化的工作过程。
开始，电容C上的电压VC较低，由图3中可知，VC
其中，λ为沟道调制系数。i3是i2的镜像电流。
由于VC的变化特点，VGSN2开始将快速下降，由公式（3）可看出i3电流因电流i2的变化亦快速减小；同理，当VGSN2电压缓慢变化时，i3电流变化亦很小，而i3电流的大小的变化决定了振荡电容C1的充放电速度，所以也决定了振荡频率的变化。由电容C1和电阻R1、NMOS3及施密特触发器、D触发器组成的振荡电路部分，其原理是，电流i3给电容C1充电，当Vc1达到施密特触发器的上阈值点S+时，触发器输出变高，NMOS3导通，电容C1经电阻R1放出变低，此输出波形给D触发器的时钟起分频作用，则输出端Q得到一个占空比为50%的方波信号，且此信号频fQ随着电流i3给电容C1的充放电速度的变化而变化。
由i3变化的特点知，振荡频率开始将由很高快速降低，设在t1时刻达到预热频率（此频率值可改变Rref来控制），再缓慢变化一段时间，t1到t2的时间用来做镇流器的预热时间，此时间由is2的电流i12和电容C控制，我们可看到此段时间内频率变化很低直到i3电流稳定不变后，输出频率在t3时刻亦达到一个稳定值，此值可由调节C1、R1改变，作为荧光灯的发光工作频率点。其输出频率曲线示意图如图2中曲线3所示。与图2中所要求的曲线2相比，此方法用了近似的方法从而达到了简化的目的。
对于许多电子镇流器的控制IC，其振荡电路部分的振荡频率要满足以上的频率变化的曲线，则必有相应的外接元件和引脚及一些控制电路，来达到预热时间和预热频率的控制等。本文提出的这种实现以上频率变化曲线的方法，可减少外接元件及引脚的数目，对于确定灯型的荧光灯的电气特性和工作要求，参考分压电阻Rref和Rref1以及R1可利用CMOS工艺中栅多晶硅形成在集成电路中。这样此电路仅有两个引脚和两个外接元件电容C和电容C1，从而降低了成本，有利于应用和推广。
3、该电路知电子镇流器中的应用
该电路的原理是用两个比较器来控制电容C的充电电流，其中i11>>i12，从而控制给振荡电容C1充电的电流来控制输出频率的变化。以下我们将根据40W日光灯的电气要求，设在直流脉动高压均值为220V，低压Vdd为6V下，需要的方波频率为fpb=65kHz，fign=56kHz，frun=42kHz。以下模拟中，采用了CANDENCE模拟工具，为了更好地观察模拟结果，取C值比实际的小，以缩短频率变化时间，取Rref=8kω，Rref1=1kω，C=4.4nF，C1=220pF，R1=6.3kω；PMOS和NMOS的宽长比（设沟道长最小2μm）列于附表；电流源is1和is2所提供的电流i11和i12分别为162μA、4μA。
模拟结果示于下图5中。图5中，横坐标均为时间。最上一条为曲线1，其纵坐标为电路原理图3中A点电压，可选择电流源给电容C充电；曲线2的纵坐标为控制电容C上的电压；曲线3的纵坐标是给振荡电容充电的电流i3；最下面一条曲线4的纵坐标是D触发器Q输出端的电压，即我们所需要的频率随时间变化的驱动电压，由于振荡电容C1和电阻R1经施密特触发器后得到的振荡频率很高，变化太快不易看出，故这里仅给出由D触发器分频后的脉冲波形。
开始时A点为低电平，PMOS导通，NMOS关断，i11给电容C充电，C上的电压上升很快，当电压VC上升到Vref1=4V时（此时输出振荡频率为70kHz），B点变为高电平，PMOS关断，NMOS导通，i12给电容C充电，电容C上电压上升很慢，经1ms左右，C上的电压上升到Vref2=4.5V（此时输出振荡频率位60kHz），此时A点又变为低电平，PMOS导通NMOS关断，i11给电容C充电，C上的电压则很快上升到Vdd。由于VC电压的变化，给振荡电容C1充电的电流i3的变化曲线如图5中曲线3所示，开始很高，其后也将出现一段缓慢变化的阶段，然后迅速下降到稳定。由公式（4）看出Q点的频率会随电流i3的变化而变化。从图5中可以看出，电容C上的电压VC出现了一个比较平坦的台阶，而输出频率（见图5中曲线4）在此阶段以非常缓慢的趋势下降，可以近似看作不变，此过程可作为灯丝的预热过程；当电容C上的电压由4.5V上升到6V的过程，频率继续快速下降，且可通过使灯启动的频率点使灯点燃；最后电容C的电压稳定到6V后，即为荧光灯正常发光的频率点，大约为41.7kHz。根据类回路以及日光灯的要求可以确定预热时的频率，因而根据公式（4）及MOS管的电流电压方程（3）可以确定预热时电容C上的电压。当VC1=4.3V时，频率为65kHz，预热电流为0.85A。实际中将以上模拟中的控制频率变化的电容C扩大千倍，则可以得到预热时间将近1s。
4、讨论与结论
由以上的理论分析和模拟结果可知，该电路较好地完成了日光灯电子镇流器用方波的频率变化特点，即可较好的实现荧光灯的预热、启动及正常发光的工作要求，可达到预热时间1～2s，快速启动，以及频率可调。目前有许多公司如IR、飞利浦、ST、西门子、三星等在开发与生产电子镇流器控制IC，其实际方法各有不同。对于文献[7]中介绍的IR21571芯片，虽具有很高的可靠性、很强的通用性，其实现该频率变化曲线共用了六个引脚和近十个外接元件；对于一些如KA7543等控制IC其实现预热控制及软启动频率变化采用了4个引脚和相应的外接元件[8]。因此，本文提出的实际以上频率变化的电路方法，结构简单，节省外接元件，降低了成本，所以具有很高的应用价值。根据此电路的设计思想，电路稍做改变还可以产生频率由低到高可调控的变化曲线等等。此电路也可应用于马达调速控制以及其它需要电源频率随时间变化的场合。
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