Chế độ tự khóa khi thấp áp (UVLO) được hiểu như là chế độ của IC khi VCC ở dưới ngưỡng để có thể mở được IC. IC IRS2573D được thiết kế để có thể duy trì dòng điện nguồn thấp trong suốt chế độ UVLO là 150 A cho trường hợp mất dần năng lượng thông qua một điện trở bên ngoài và để đảm bảo đầy đủ các chức năng cho IC trước khi chuyển từ mức điều khiển mạch buck và mạch full-bridge từ mức tích cực xuống mức thấp. Tụ điện bên ngoài từ chân VCC tới chân COM sẽ được nạp điện thông qua đường truyền một chiều để tiếp tụ cấp nguồn cho IC thông qua một điện trở khởi động bên ngoài.
Khi điện áp của một con tụ trên chân VCC đạt được ngưỡng khởi động (UVLO+) và điện áp của chân RST nhỏ hơn 1,5V, IC bắt đầu mở và xung của mạch full-bridge tại chân CT và tại cực điều khiển gate của các đầu ra (HO1, LO1, HO2 và LO2) bắt đầu có xung. Tụ điện từ chân VCC tới chân COM bắt đầu xả điện làm tăng dòng mở của IC.
Một nguồn bổ sung (cuộn dây thứ cấp, tụ nạp…) có thể gây ra quá trình quá độ đối với điện áp cấp nguồn trước khi VCC xả tới ngưỡng của IC tắt. Trong suốt chế độ UVLO, mạch full-bridge và mạch buck sẽ tắt, mạch kích và xung đếm cũng sẽ tắt, chế độ báo lỗi và bộ đếm sẽ được reset.
Hình 2.4 Chế độ Undervoltage lock-out.
2.2.2. Chế độ bình thường (General Mode).
Trong suốt chế độ bình thường, IC sẽ đáp ứng với các yêu cầu thay đổi về tải (hở mạch, ngắn mạch, làm ấm đèn, công suất cố định, lỗi điện áp đèn thấp, quá điện áp đèn…) bởi các quá trình mở hoặc đóng mạch buck, hiệu chỉnh thời gian mở mạch buck. IC sẽ đo đạc các điều kiện thay đổi của tại các chân VSENSE và ISENSE, so sánh với các điện áp tại các chân này với những ngưỡng tại chân OV và OC và sau đó sẽ hiệu chỉnh, điều chỉnh các chế độ của IC.
2.2.3. Thời gian mạch kích. (Ignition Timer)
Thời gian mạch kích bắt đầu được tính khi mà IC vào chế độ kích (IGN). Tần số của mạch kích được quyết định bởi tụ bên ngoài tại chân TIGN. Tụ CTIGN nạp xả một cách tuyến tính thông qua hai ngưỡng điện áp giới hạn là 2V hoặc 4V.Xung được thiết lập ở bên trong (thường là 666micro s) và sử dụng để mở cực điều khiển của đầu ra (chân IGN) và điều chỉnh thời gian tắt của mạch kích (thường là 21s ở mức logic cao và 64s ở mức logic thấp). Ở mức logic cao tại chân IGN sẽ mở mosfet kích ở bên ngoài IC và mạch kích sử dụng xung của sidac ở bên ngoài IC sẽ hoạt động. Mạch kích sẽ liên tục kích đèn HID với chế độ mở kích trong thời gian 21s và tắt mạch kích trong thời gian 64s, cho tới khi đèn kích được. Nếu như đèn kích không thành công sau 787s thì IC sẽ chuyển sang chế độ báo lỗi. Nếu như đèn kích thành công thì điện áp tại chân VSENSE sẽ phải giảm dưới VOV(2/5) và thời gian kích sẽ tắt (tại chân IGN mức logic sẽ là thấp).
Hình 2.5 Dạng sóng phần mạch kích.
2.2.4. Bộ đếm lỗi quá điện áp (Over-voltage)
IC IRS2573D gồm có bộ đếm quá điện áp tại chân VSENSE. Bộ đếm quá điện áp này sẽ đếm trong suốt thời gian có lỗi quá điện áp ngắn hạn tại đầu ra của mạch buck thay đổi đèn hoặc là đèn bị cháy. Nếu như điện áp tại chân VSENSE sai lệch quá VOV (2/5) và thời gian vượt quá bộ đếm (thường là 787s), sau đó IC sẽ chuyển sang chế độ lỗi và tắt đi. Nếu điện áp tại chân VSENSE giảm dưới mức VOV (2/5) trước khi bộ đếm quá điện áp hết thời gian và sau đó đèn kích thành công thì IC vẫn sẽ chuyển sang chế độ bình thường. Tại chân IGN (điểu khiển cực gate của mosfet kích) sẽ vẫn ở mức tích cực cao trừ khi thời gian mạch kích hết.
2.2.5. Bộ đếm lỗi điện áp thấp (Under-Voltage Fault Counter).
IC cũng bao gồm một bộ đếm lỗi điện áp thấp tại chân VSENSE.Đèn sau khi đã kích thành công, điện áp của đèn sẽ giảm xuống thấp (thường là 20V). Trong quá trình làm ấm đèn (Warm up) điện áp của đèn sẽ tăng từ từ tới khi đạt tới điện áp định mức của đèn (thường là 100V). Nếu như điện áp của đèn mà thấp và sai lệch quá nhiều và nó sẽ báo lỗi và ballast phải tắt đi. Để phát hiện ra điều này, tại chân VSENSE nó gồm có một ngưỡng điện áp thấp VOV (1/7,5). Nếu như điện áp tại chân VSENSE giảm xuống dưới ngưỡng VOV(1/7,5) và bộ đếm quá điện áp đếm quá thời gian (thường là 197s) sau đó quá trình làm ấm đèn sẽ không được thực hiện và IC sẽ chuyển sang chế độ báo lỗi và tắt đi. Nếu điện áp tại chân VSENSE tăng quá ngưỡng VOV (1/7,5) trước khi bộ đếm điện áp thấp hết thời gian, thì sau đó đèn sẽ làm ấm thành công và IC lại chuyển về chế độ bình thường. Quá trình dò báo lỗi điện áp thấp rất nhanh cũng được thực hiện tại chân VSENSE của IC IRS 2573D.
2.2.6. Điều khiển mạch cầu:
IC báo điều khiển mạch cầu ở mức cao và thấp để cấp cho đèn HID với sóng xoay chiều dạng vuông. Dạng sóng của mạch full-bridge do phần tạo tần số ngay khi mà IC ra khỏi chế độ UVLO và hoạt động. Mạch full-bridge là loại mạch thông thường điều khiển tần số thấp để hạn chế hiện tượng cộng hưởng
âm thanh từ đèn.Tần số của mạch cầu được quyết định bởi tụ bên ngoài tại chân CT của IC.CT nạp và xả một cách tuyến tính và điện áp ngưỡng của nó là 2V và 4V.CT bắt đầu với 4V và luôn ngược chiều với từng cặp riêng biệt LO1/HO1, và LO2/HO2.
Có một khoảng thời gian trễ của hai cặp mosfet thường là 1,0 s (dead-time). Trong suốt thời gian dead-time này tất cả các mosfet của mạch full-bridge đều được tắt và điểm đỉnh của xung sẽ trùng với thời điểm tắt của nửa cầu. Nó có thể tạo một điện áp ở bên ngoài trong suốt thời gian dead-time có thể cộng hưởng với điện áp đỉnh của xung phần kích trùng với điểm giữa của nửa cầu (chân VS1 và chân VS2) có thể làm chuyển mức cao và mức thấp một cách nhanh chóng vượt quá độ biến thiên dv/dt của IC. Để hạn chế điều này, các phần tử bên trong IC phải bảo đảm rằng chân IGN sẽ lên mức logic thấp trong suốt thời gian dead- time.Không có một xung kích nào có thể xuất hiện trừ khi quá trình dead-time kết thúc và khi đó các mosfet của mạch full-bridge cũng bắt đầu mở.Mạch full- bridge sẽ tắt các xung chỉ khi mà IC rơi vào chế độ báo lỗi hoặc là chế độ UVLO.
Hình 2.6. Dạng sóng phần full-bridge.
2.2.7. BUCK Control
Mạch điều khiển buck hoạt động ở chế độ dẫn hoặc chế độ duy trì phụ thuộc vào thời gian tắt đầu ra của mạch buck hoặc là dòng điện chạy qua MOSFET của mạch BUCK (MBUCK). Khi đèn hoạt động bình thường, điện áp nối 2 đầu điện trở cảm biến của mạch BUCK được đo bởi chân CS, nó thường dưới ngưỡng quá dòng thường là 1,2V. Thời gian mạch BUCK mở được xác định bởi thời gian mà cần cho các tụ phóng điện để làm tăng điện áp ở chân PCOM hoặc chân ICOMP, tùy theo giá trị của chân nào thấp hơn. Trong suốt thời gian mở, dòng điện trong mạch buck tăng lên tới đỉnh, tùy theo giá trị của điện cảm và đầu ra cuộc dây thứ cấp của mạch buck và tỉ số giữa cuộn dây sơ cấp và cuộn thứ cấp. Đầu ra của cuộn dây thứ cấp được đo bởi chân ZX của IC, nó được kẹp bởi điện áp tích cực mức thấp và một diode làm giảm xuống dưới mức COM, sử dụng diode ESD và dòng điện tích cực thấp tới hạn chảy qua chân của điện trở
ngoài là RZX. Khi điện áp trên tụ xả lớn hơn điện áp ở chân PCOM hoặc chân ICOMP, thời gian mở của mạch BUCK sẽ kết thúc và đầu ra của BUCK sẽ được ngắt.
Đầu ra thứ cấp của mạch BUCK bao gồm vài mức điện áp tích cực, điều này phụ thuộc vào tỉ số giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp, đây cũng chính là nguyên nhân làm cho chân ZX vượt ngưỡng 2V.Dòng điện trong mạch BUCK lúc đó bắt đầu xả vào đầu ra của mạch Full Bridge của đèn.Khi dòng điện giảm về 0, chân ZX giảm xuống ngưỡng 2V. Đây là nguyên nhân để các tín hiệu logic điều khiển mạch buck bắt đầu một chu kì đếm mới. Cách thức hoạt động như thế này được gọi là chế độ dẫn tối ưu bởi vì MOSFET trong mạch buck chỉ mở trong chu kì khi mà dòng điện giảm về 0. Thời gian mở được quyết định bởimức điện áp trên chân PCOMP và thời gian tắt được xác định bởi thời gian làm cho dòng điện giảm về 0, và nó được đo bởi mức tích cực thấp trên chân ZX. Hình dáng của dòng điện là các xung tam giác với giá trị đỉnh được xác định bởi giá trị điện cảm và thời gian mở cài đặt vào.
Trong suốt quá trình khởi động của đèn hoặc điều kiện ngắn mạch, dòng điện sẽ tăng đột biến điều này có thể gây ra bão hòa các điện cảm hoặc là làm hỏng MOSFET của mạch BUCK. Để ngăn chặn hiện tượng này, các cảm biến điện trở được đưa vào trong mạch BUCK sao cho điện áp tại chân CS vượt ngưỡng tới hạn( thường 1,2V) trước khi có hiện tượng bão hòa điện cảm. Nếu chân CS vượt quá 1,2V trước khi tụ mở để cung cấp điện áp cấp điện áp cho chân PCOMP hoặc ICOMP, thời gian mở này sẽ kết thúc và đầu ra của mạch BUCK sẽ ngắt.Thời gian tắt được xác định bởi mức tích cực thấp ở chân ZX, hoặc nếu thời gian lớn nhất như đã lập trình chính là thời gian làm cho CTOFF trên chân TOFF thay đổi lên tới ngưỡng tới hạn 2V.
Hình 2.7 Dạng sóng phần buck.
2.2.8. Constan Power Control.
Trong suốt chế độ chung của bóng đèn và sau khi kích, IC sẽ điều chỉnh công suất ra của đèn ở một mức cố định. Để làm được điều này, IC đo điện áp và dòng điện của đèn tại các chân VSENSE và ISENSE, sau đó nhân điện áp và dồng điện bằng một mạch nhân để tính ra công suất và điều chỉnh đầu ra của mạch nhân với một điện áp tham chiếu cố định bằng cách tăng hoặc giảm thời gian mở của mạch BUCK. Nếu công suất của đèn mà bị thấp thì đầu ra của mạch nhân sẽ thấp hơn điện áp tham chiếu.Khi đó bộ khuyếch đại dẫn (OTA) sẽ cấp cho đầu ra của nguồn một dòng điện ở chân PCOMP điều này sẽ làm thay đổi COMP lên mức điện áp cao. Dẫn tới tăng thời gian mở của mạch buck và dòng điện đầu ra của đèn sẽ tăng thêm làm cho công suất của đèn cũng tăng. Nếu công suất của đèn cao quá, điều ngược lại sẽ xảy ra, OTA sẽ giảm dòng đầu ra của chân PCOM điều này sẽ làm thay đổi CPCOMP xuống dưới mức điện áp thấp, dẫn tới thời gian mở của mạch buck sẽ giảm và dòng điện đầu ra của đèn bị giảm và công suất của đèn sẽ giảm xuống. Tốc độ điều chỉnh công suất được
đặt bởi giá trị của CPCOM tại chân PCOMP, điều này sẽ quy định vòng lặp nhanh ra sao bằng cách điều chỉnh thời gian của mạch buck khi mà tải thay đổi.
2.2.9. Current Limitation Control.
Dòng điều khiển công suất cố định sẽ tăng hoặc giảm dòng điện trên mạch buck để duy trì công suất cố định cho tải đèn. Trong suốt quá trình khởi động, điện áp của đèn cần phải thấp (20V là tối ưu) và vòng điều chỉnh công suất cố định sẽ cố gắng tăng dòng của mạch buck lên vài Ampe để duy trì công suất không đổi. Dòng điện này cao và có thể vượt quá dòng tối đa của nhà sản xuất đèn HID. Để khắc phục hiện tượng này, cần thêm vào IC một vòng điều chỉnh dòng tới hạn.Nếu điện áp của chân VSENSE vượt quá điện áp của chân OC. Bộ phận OTA sẽ giảm dòng xuống từ chân ICOMP.Khi điện áp của chân ICOMP giảm dưới mức điện áp của chân PCOMP, sau đó dòng điều chỉnh dòng tới hạn sẽ ghi đè vòng điều chỉnh công suất và chân ICOMP sẽ làm giảm thời gian của mạch BUCK.Các mức tích cực thấp của chân PCOMP hoặc ICOMP sẽ được ghi đè lẫn lên nhau và điều chỉnh thời gian của mạch BUCK. Khi ở cuối giai đoạn khởi động và điện áp của đèn sẽ tăng tới một mức, tại đó dòng điện của đèn sẽ dưới mức cho phép sau đó điện áp của chân ICOMP sẽ tăng tới đỉnh điện áp của chân PCOMP và chân PCOMP sẽ điều chỉnh thời gian trên mạch BUCK một lần nữa để duy trì công suất cố định.
2.2.10.BUCK OFF Mode.
IC sẽ chuyển sang chế độ BUCK – OFF nếu 1 trong 3 điều kiện sau thỏa mãn:
+ VSENSE> VOV. + PCOMP < 0,2V. +ICOMP < 0,2V.
Khi ở chế độ BUCK – OFF, IC sẽ trở lại chế độ bình thường nếu cả 3 điều kiện sau được thỏa mãn:
+ VSENSE < VOV (2/5). + PCOM > 0,2V.
+ ICOM > 0,5V.
2.2.11.Fault Conditions.
Các điều kiện lỗi như là mạch hở, không có bóng, đèn bị tắt, đèn hỏng, ngắn mạch, có lỗi trong quá trình khởi động, IRS2573 sẽ chuyển sang chế độ lỗi sau khi thời gian lỗi đến hết. Trong các chế độ này, các chốt báo lỗi được thiết lập, mạch full – bridge và mạch buck được tắt, mạch kích và thời gian báo lỗi được tắt và IRS2573 tiêu thụ cực ít năng lượng. Bộ IC IRS2573D có thể cài đặt lại với reset lỗi (RST > VRST+) hoặc thiết lập lại dưới Vcc và quay trở lại ngưỡng UVLO. Bộ đếm thời gian là 1 chương trình sử dụng tụ ngoài CTCLK ở chân TCLK.
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA MẠCH BALLAST.
Như đã nói ở chương 1 của phần ballast, ballast điện tử ngoài việc đáp ứng yêu cầu cơ bản của một ballast cho đèn HID là phải đáp ứng được hai giai đoạn chính là kích đèn thành công và duy trì được điện áp của đèn khi đèn đã hoạt động bình thường. Ballast điện tử sử dụng IC IRS2573D cũng phải đáp ứng được yêu cầu đó. Ngoài ra nó còn đáp ứng thêm các yêu cầu khác mà ballast như là chế độ công suất cố định, bảo vệ quá dòng, quá áp….
Dựa vào cấu tạo của mạch ballast mà em thiết kế, em chia bộ ballast này thành 5 phần chính là:
Hình 3.1. Các phần chính trong ballast.
- Phần 1: Các thông số đầu vào (Programming Inputs). - Phần 2: Mạch Buck.
- Phần 3: Mạch Full-Bridge. - Phần 4: Mạch kích (Ignition).
- Phần 5: Phản hồi áp, dòng (Voltage/Current Sensing).