專利名稱：按標(biāo)準(zhǔn)型式設(shè)計(jì)的高頻鎮(zhèn)流器結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熒光燈鎮(zhèn)流器，更具體地說，涉及一種按標(biāo)準(zhǔn)型式設(shè)計(jì)、與驅(qū)動(dòng)不同類型燈的各種交流電源配用、對(duì)多個(gè)串并聯(lián)連接的燈進(jìn)行各種操作的高頻鎮(zhèn)流器。
熒光燈鎮(zhèn)流器必須能滿足廣泛一系列的產(chǎn)品要求。這些產(chǎn)品要求可包括一至四個(gè)串并聯(lián)接線的多個(gè)燈的驅(qū)動(dòng)，即時(shí)和預(yù)熱啟動(dòng)、獨(dú)立和非獨(dú)立的操作、調(diào)光和固定光的輸出和在包括120伏、277伏和240伏電源在內(nèi)的各種交流電源下的操作。此外，除驅(qū)動(dòng)許多不同類型的燈外，對(duì)不同產(chǎn)品還需要區(qū)分其安全標(biāo)準(zhǔn)和電磁干擾(EMI)標(biāo)準(zhǔn)。因此，一般鎮(zhèn)流器制造廠家必須開發(fā)、制造和儲(chǔ)藏大量的超過200庫存計(jì)算單位(SKU)的各個(gè)產(chǎn)品，以便作為全面服務(wù)的供應(yīng)商營業(yè)。


圖1示出了一般的多燈可調(diào)光的鎮(zhèn)流系統(tǒng)，它由下列各部分組成1．功率因數(shù)校正(PFC)部分2，供根據(jù)電源輸入1校正有功功率因數(shù)。
2．直流(DC)母線部分3，包含大的電解電容器，用以平滑高頻負(fù)荷波紋電流引起的電壓，并在峰值功率下(例如引燃時(shí))提供穩(wěn)定的電流源。
3．穩(wěn)壓的直流高電壓4，加到燈的倒相級(jí)5上，倒相級(jí)5有一個(gè)半橋式金屬氧化物硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)功率級(jí)，供驅(qū)動(dòng)諧振回路電路6。
4．諧振回路電路6可包括多個(gè)電感器和電容器，以達(dá)到對(duì)一個(gè)以上的燈7進(jìn)行鎮(zhèn)流的目的。此外，還可以包括一個(gè)變壓器，供隔離之用。
5．電極加熱通常是從電感器上的附加線圈、電容器或獨(dú)立的變壓器取得的。此外，還采用控制集成電路(IC)8給倒相器(例如半橋結(jié)構(gòu))5產(chǎn)生適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)信號(hào)(電平)10，使輸出功率達(dá)到所要求的功率級(jí)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)是選通信號(hào)，加到MOSFET的各柵極，使MOSFET導(dǎo)通和截止。為提高精確度，可將燈的輸出信號(hào)9加以檢測(cè)，將其與控制輸入相比較，以設(shè)定適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電平10。
采用圖1所示的上述燈調(diào)光鎮(zhèn)流器普遍有這樣的兩個(gè)問題。首先，現(xiàn)行的系統(tǒng)大部分專用來驅(qū)動(dòng)一種結(jié)構(gòu)和一種類型的燈。舉例說，在諸如依利諾斯州羅斯蒙特市先進(jìn)變壓器公司制造的AdvrceMarkⅦ型之類的調(diào)光鎮(zhèn)流器中，可以驅(qū)動(dòng)串聯(lián)連接的1-3個(gè)燈。然而，各產(chǎn)品品種主要回路各組成部分的值必須根據(jù)燈數(shù)和具體的燈型加以改變。這種串聯(lián)連接受到三個(gè)以上的燈引燃電壓要求的限制，而且需要大的無功元件。
在諸如菲利浦斯電子設(shè)備公司高頻(HF)-R型之類并聯(lián)燈驅(qū)動(dòng)器的情況下，具體燈型各回路元件值的調(diào)節(jié)也同樣受到限制。此外，這種結(jié)構(gòu)中采用平衡變壓器補(bǔ)償?shù)驼{(diào)光狀態(tài)下的元件容差，從而增大了鎮(zhèn)流器的體積和提高鎮(zhèn)流器的造價(jià)。
現(xiàn)行調(diào)光設(shè)計(jì)的另一個(gè)問題是燈不能獨(dú)立運(yùn)行(ILO)。在串聯(lián)連接的情況下，除去一個(gè)燈時(shí)就使整個(gè)回路遭破壞，全部燈都滅了。在并聯(lián)連接的燈結(jié)構(gòu)中，除去一個(gè)燈會(huì)啟動(dòng)停止電路，為安全起見停止電路將倒相器斷開，同樣也使燈全部滅了。
為降低高昂的研制費(fèi)和儲(chǔ)存大量專用產(chǎn)品類型庫存的后勤費(fèi)，各種方法提出來了，這包括引用更靈活的鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)原理，其目的在于大幅度減少鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)的多樣化。所有這些努力有很多是集中于電能網(wǎng)的布局，特別是無功元件的組合。
這里需要的是一個(gè)或多個(gè)燈串并聯(lián)連接的按標(biāo)準(zhǔn)型式設(shè)計(jì)的高頻熒光燈鎮(zhèn)流器。這種鎮(zhèn)流器必須能用來即時(shí)和預(yù)熱啟動(dòng)、獨(dú)立和非獨(dú)立工作，調(diào)光和固定光輸出和在各種交流電源下工作。此外，這種鎮(zhèn)流器必須符合不同產(chǎn)品的各種安全和EMI標(biāo)準(zhǔn)，而且能驅(qū)動(dòng)許多不同類型的燈。
本發(fā)明說的是一種按標(biāo)準(zhǔn)型式設(shè)計(jì)功率級(jí)的原理和適應(yīng)性強(qiáng)的鎮(zhèn)流器結(jié)構(gòu)擴(kuò)充到兩個(gè)或以上的燈的控制方法。這種方法一方面利用了低成本的集成硅功率模塊，另一方面利用了低成本可編程的控制集成電路(IC)。由于采用按標(biāo)準(zhǔn)型式設(shè)計(jì)的功率級(jí)，因而使新方法可用來驅(qū)動(dòng)多個(gè)燈，從而既給體積和成本上帶來好處，又提高了功能和適應(yīng)能力。具體地說，這種功率模塊可以獨(dú)立和交錯(cuò)切換的方式驅(qū)動(dòng)，既可以減小前置調(diào)節(jié)級(jí)的體積和成本，又可以獨(dú)立操縱燈的固定和調(diào)光電路。此外，通過在一系列產(chǎn)品采用標(biāo)準(zhǔn)化的模塊，可以提高主要元件的經(jīng)濟(jì)效益從整體上降低生產(chǎn)線的總成本的同時(shí)增加大量的產(chǎn)品。
本發(fā)明按標(biāo)準(zhǔn)型式設(shè)計(jì)的高頻鎮(zhèn)流器有一個(gè)操縱各燈的分立模塊。這種鎮(zhèn)流器能驅(qū)動(dòng)多個(gè)燈，并分別加以引燃。各模塊包括至少一個(gè)對(duì)直流高電壓起反應(yīng)，由一個(gè)有功半橋晶體管功率級(jí)組成的倒相器，供驅(qū)動(dòng)諧振回路電路。鎮(zhèn)流器還有一個(gè)諧振級(jí)LC諧振電路，供產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)諧振輸出級(jí)信號(hào)，一個(gè)燈絲加熱變壓器；一個(gè)功率因數(shù)校正電路，供接收電源輸入，一個(gè)直流母線電路，包括一個(gè)大電解電容器，供平滑高頻負(fù)荷波紋電流引起的電壓和供在峰功率期間提供穩(wěn)定的電流源。各個(gè)模塊由一個(gè)控制集成電路獨(dú)立控制。
控制集成電路可接收供設(shè)定燈所要求的明暗程度的外部控制信號(hào)和來自各燈的電壓和電流信息。此外，控制集成電路還對(duì)各燈起調(diào)節(jié)作用，調(diào)節(jié)是通過產(chǎn)生適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電平信號(hào)并將其發(fā)送給各倒相器使輸出功率達(dá)到所要求的電平進(jìn)行的。此外，控制集成電路還檢測(cè)各燈的電流電平，并逐一調(diào)節(jié)各燈驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空因數(shù)，以達(dá)到良好的匹配狀態(tài)，從而無需使用平衡變壓器和減小鎮(zhèn)流器的體積和重量。
結(jié)合附圖和下面對(duì)最佳實(shí)施例的詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員們可以更輕易地理解本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點(diǎn)。附圖中，所有視圖中類似的元件都以同樣的編號(hào)標(biāo)出，其中圖1是一般現(xiàn)有技術(shù)多燈調(diào)光鎮(zhèn)流系統(tǒng)的方框圖；圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例的兩燈鎮(zhèn)流系統(tǒng)的方框圖；圖3是控制集成電路各主要功能的方框圖；圖3A是本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例模塊的方框圖；圖4是從圖3的控制集成電路提供給兩個(gè)半橋級(jí)的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的曲線圖；圖5是按標(biāo)準(zhǔn)型式設(shè)計(jì)的雙燈電路在非交錯(cuò)切換方式下的波形曲線；圖6是按標(biāo)準(zhǔn)型式設(shè)計(jì)的雙燈電路在交錯(cuò)切換方式下的波形曲線；圖7是燈穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間產(chǎn)生的半橋輸出波形曲線；圖8是啟動(dòng)過程中的順序引燃波形曲線，包括預(yù)熱階段期間發(fā)生的燈絲加熱波形和兩燈兩端的電壓；圖9除去一個(gè)燈時(shí)的電壓波形圖。
圖2是示出了本發(fā)明雙燈鎮(zhèn)流器20的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這里本發(fā)明要說明詳細(xì)的是一種簡(jiǎn)單的單燈或雙燈串聯(lián)驅(qū)動(dòng)模塊25，模塊25除裝有簡(jiǎn)單的LC諧振電路26供在輸出端11產(chǎn)生大體上諧振信號(hào)外還裝有一個(gè)倒相器(有功功率級(jí))14，一般為半橋型的。模塊12與這種單燈驅(qū)動(dòng)模塊一模一樣，為的是可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)燈。單一可編程的控制IC28用來控制鎮(zhèn)流器20的工作過程。
除上面結(jié)合圖1說明的PFC部分2和DC BUS部分3的功能外，鎮(zhèn)流器20還包括兩個(gè)一模一樣的燈驅(qū)動(dòng)模塊25,12，它們各自包括一個(gè)集成高電壓(HV)功率IC14和一個(gè)電路級(jí)26a,26b，電路級(jí)26a,26b則包括一個(gè)諧振(LC)電路和一個(gè)燈線加熱器，燈絲加熱器可以是一個(gè)電容器，一個(gè)耦合到諧振電感器的線圈或一個(gè)獨(dú)立的燈絲加熱(電極)變壓器。各燈在穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行期間，各倒相器14工作的切換頻率接近但高于諧振(LC)電路的諧振頻率。即時(shí)啟動(dòng)操作時(shí)，燈絲加熱變壓器可以不起作用。電能通過級(jí)26a,26b分別提供給燈27a,27b。各模塊對(duì)沿線路29饋給控制IC28的燈工作情況(例如燈電壓和/或電流)進(jìn)行抽樣，控制IC28獨(dú)立控制各模塊。控制IC28接收外部控制輸入30，以設(shè)定所要求的燈調(diào)光水平。
圖3示出了控制IC28的主要功能部件?？刂艻C28包括振蕩器31，供設(shè)定切換頻率；斜波發(fā)生器32，供掃描燈引燃時(shí)的脈沖占空因數(shù)；調(diào)光基準(zhǔn)33，供設(shè)定所要求的輸出光強(qiáng)級(jí)；引燃程序邏輯塊34和多路復(fù)用(MUX)功能元件35，供控制特定的燈引燃狀況。此外，還有兩套脈寬調(diào)制(PWM)功能元件36、37、誤差信號(hào)放大器38、39、燈檢測(cè)電路40、41和輸出驅(qū)動(dòng)器42,43。
控制IC28在兩個(gè)燈都在穩(wěn)態(tài)下運(yùn)行時(shí)可對(duì)兩燈的切換頻率和調(diào)光基準(zhǔn)電平取同樣的值。然而，由于PWM36,37，誤差信號(hào)放大器38,39，燈檢測(cè)器40,41和輸出驅(qū)動(dòng)器42,43都是一模一樣的兩套，故在燈的整個(gè)燃點(diǎn)、調(diào)光和引燃過程中都保持獨(dú)立控制狀態(tài)。實(shí)際運(yùn)用各項(xiàng)控制功能元件時(shí)可采用模擬法或數(shù)字法。
控制IC28是為圖4中所示的各倒相器提供互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)信號(hào)而設(shè)計(jì)的。當(dāng)?shù)瓜嗥鞯妮敵鰹楦邥r(shí)，電流在高側(cè)開關(guān)處于周期的正向?qū)ú糠制陂g從緩沖電容器提取。通過驅(qū)動(dòng)兩倒相器使它們相位上相差180度(即交錯(cuò)切換)，從包含在直流母線塊3(圖2)的高壓緩沖電容器提取的峰值波紋電流比起單個(gè)倒相器驅(qū)動(dòng)兩個(gè)燈或兩倒相器同相運(yùn)行的情況是減半了。這可以進(jìn)一步減小緩沖電容器的體積。
按照本發(fā)明如圖3A所示的另一個(gè)實(shí)施例，模塊12′和25′分別具有倒相級(jí)14″和14′。倒相級(jí)14′和14″分別具有兩個(gè)半橋倒相器14a,14a′和14b,14b′。半橋倒相器14a,14b分別通過諧振(LC)電路26a′,26b′給燈27a,27b供電。燈絲的加熱由半橋倒相器14a和14b分別通過燈絲加熱(電極)變壓器13a,13b提供，以分別調(diào)節(jié)燈27a,27b的燈絲?？刂艻C28′與控制IC28燈似，但還包括另外供驅(qū)動(dòng)倒相器14a′,14b′的輔助線路(圖中未示出，但這是本技術(shù)領(lǐng)域所周知的)。
圖5和圖6中分別示出了模擬按標(biāo)準(zhǔn)型式設(shè)計(jì)的雙燈電路在正常(即同相/不交錯(cuò))和交錯(cuò)切換的情況得出的實(shí)際波形。這些圖分別示出了提供給倒相器14,14′和14″的輸入電流50,60、加到電路26a,26a′上的倒相器輸出電壓51,61、加到電路26b,26b′的倒相器輸出電壓52,62和燈電壓53,63。(交錯(cuò)切換時(shí)的)輸入電流60在大約2倍(非交錯(cuò)切換時(shí))輸入電流50的頻率下約為峰值的一半。提高頻率時(shí)同樣需要采用較小電磁干擾(EMI)的濾波器。
在穩(wěn)態(tài)工作期間可產(chǎn)生圖7中所示的倒相器(半橋)輸出波形。在兩個(gè)獨(dú)立的PWM電路的情況下，各燈可在稍微不同的占空因數(shù)70下運(yùn)行。為補(bǔ)償諧振電路元件26(圖2)和因布線寄存電容引起的組件公差可以對(duì)一個(gè)燈相對(duì)于另一個(gè)燈的占空因數(shù)70進(jìn)行小幅度的調(diào)節(jié)。
在燈的輸出級(jí)并聯(lián)的情況下，一般需要一個(gè)平衡變壓器使燈的調(diào)光程度在正常組件分散在諧振組件的情況下達(dá)到合理的均衡狀態(tài)。在這種系統(tǒng)中，各燈的電流電平由控制IC28檢測(cè)，各燈的占空因數(shù)逐一調(diào)節(jié)，使其達(dá)到良好的匹配狀態(tài)。這樣既無需平衡變壓器又減小了鎮(zhèn)流器的體積和重量。
此外，燈的各獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器還可以使燈在稍微不同的時(shí)間引燃，從而減少在預(yù)調(diào)節(jié)階段瞬時(shí)加載。在各燈串聯(lián)連接的鎮(zhèn)流器中，通常是用跨接在一個(gè)或多個(gè)燈兩端的一個(gè)啟動(dòng)電容器完成順次引燃的。然而，啟動(dòng)電容器影響各燈之間在低調(diào)光度下的先平衡。在并聯(lián)的燈系統(tǒng)中，預(yù)調(diào)段必須提供充分的峰值功率，以確保所有的燈同時(shí)引燃起來。這意味著在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行要求方面使各組件超過應(yīng)有的尺寸。鎮(zhèn)流器20既不需要啟動(dòng)電容器也不需要超尺寸的組件。
圖8示出了預(yù)熱階段出現(xiàn)的燈絲加熱波形81和按圖3A運(yùn)行時(shí)兩燈兩端的電壓82,83。預(yù)熱階段期間。各燈驅(qū)動(dòng)器不起作用，各燈的兩端都沒有電壓。
按照本發(fā)明，鎮(zhèn)流器按標(biāo)準(zhǔn)型式設(shè)計(jì)的功能使引燃可以通過延遲各驅(qū)動(dòng)器42和43之間的引燃掃描順次進(jìn)行。這樣可以最大限度地減小預(yù)調(diào)階段對(duì)峰值功率的要求。在圖2或圖3A的實(shí)施例中，在產(chǎn)生足以使燈引燃起來的燈電壓之前，一個(gè)燈驅(qū)動(dòng)級(jí)的占空因數(shù)增加。占空因數(shù)只有在圖3A中的預(yù)熱階段之后才增加。接著，加到第一個(gè)燈上的電壓增加，直到第一個(gè)燈處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式為止。第一個(gè)燈處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式之后，第二個(gè)燈的倒相器即刻被掃描，引燃第二個(gè)燈，接著加到第二個(gè)燈的電壓增加，使其處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。各燈基本上不用同時(shí)引燃可以最大限度地減小預(yù)調(diào)節(jié)所需要的峰值功率，從而可以在體積和開銷方面達(dá)到節(jié)省的目的。
此外，為提供ILO，可能還需要單獨(dú)將燈引燃起來，例如一個(gè)燈清除掉然后換裝同時(shí)另一個(gè)燈繼續(xù)點(diǎn)燃的情況就是這樣。單獨(dú)引燃掃描可確保換裝下來的燈可以引燃。此外，當(dāng)一個(gè)燈從鎮(zhèn)流器卸下時(shí)，ILO要求其余燈繼續(xù)點(diǎn)燃。這可以用上述按標(biāo)準(zhǔn)型設(shè)計(jì)的系統(tǒng)達(dá)到。圖9示出了一個(gè)燈清除掉時(shí)的電壓波形。在此情況下，與級(jí)2連接的燈在以91標(biāo)出的一點(diǎn)時(shí)清除掉。
燈清除掉時(shí)，燈檢測(cè)功能元件40,41(圖2)判定有一個(gè)燈不復(fù)存在。這通常是通過檢測(cè)未加載輸出級(jí)11的輸出電壓是否大于燈存在時(shí)的而達(dá)到的。燈不復(fù)存在時(shí)，與該燈有關(guān)的倒相器停止/再也不工作(即由控制IC28驅(qū)動(dòng))。鑒于模塊不加載(例如燈不在)的輸出電壓減到零，因而可以既安全又使燈獨(dú)立運(yùn)行而無需隔離變壓器。這可導(dǎo)致鎮(zhèn)流器進(jìn)一步的小型化和造價(jià)上的進(jìn)一步降低。
上面已就本發(fā)明的一些例舉的最佳實(shí)施例具體展示和說明本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員都知道，在不脫離本發(fā)明只在所附權(quán)利要求書中加以限定的精神實(shí)質(zhì)和范圍的前提下是可以對(duì)上述實(shí)施例在形式和細(xì)節(jié)方面進(jìn)行上述和其它修改的。舉例說，本發(fā)明不一定包括PFC塊2和直流母線塊3，而包括給模塊12和14提供調(diào)節(jié)過或未調(diào)節(jié)過的直流電壓的線路。同樣，各倒相器輸出端耦合到燈上不一定需要包括諧振LC電路，而包括任何適當(dāng)?shù)南蘖髟?例如電感器、電容器或電感器與電容器的非諧振組合)。
權(quán)利要求
1．一種按標(biāo)準(zhǔn)型式設(shè)計(jì)的高頻鎮(zhèn)流器(20)，供給至少兩個(gè)燈供電之用，它包括一個(gè)用于各燈(27b,27a)的模塊(12,25)，各模塊包括至少一個(gè)倒相器(14)；和一個(gè)控制器(25)，供獨(dú)立控制各模塊用，響應(yīng)至少一個(gè)燈而控制各燈的操作狀況。
2．如權(quán)利要求1所述的鎮(zhèn)流器，其特征在于，至少一個(gè)模塊還包括一個(gè)燈絲加熱變壓器(13a,13b)和一個(gè)諧振LC電路(26a′,26b′)。至少一個(gè)模塊包括第一倒相器(14a,14b)和第二倒相器(14a′,14b′)，其中第一倒相器通過諧振LC電路供電，使第一個(gè)燈(27a)明亮，第二倒相器通過燈絲加熱變壓器供電，在第一個(gè)燈預(yù)熱階段調(diào)節(jié)第一個(gè)燈。
3．如權(quán)利要求1所述的鎮(zhèn)流器，其特征在于，至少一個(gè)燈的工作條件包括燈電壓和燈電流。
4．如權(quán)利要求1的鎮(zhèn)流驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，各倒相器為半橋型的。
5．如權(quán)利要求1所述的鎮(zhèn)流器，其特征在于，它還包括功率因數(shù)校正電路(2)，供接收電源輸入；和直流母線電路(3)，包括一個(gè)電解電容器，供平滑高頻負(fù)荷波紋電流引起的電壓和供在峰值功率期間提供穩(wěn)定電流源。
6．如權(quán)利要求1所述的鎮(zhèn)流器，其特征在于，控制器產(chǎn)生供控制各倒相器切換頻率的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
7．如權(quán)利要求1所述的鎮(zhèn)流器，其特征在于，至少兩個(gè)模塊彼此相差大約180度的不同相工作。
8．如權(quán)利要求6所述的鎮(zhèn)流器，其特征在于，控制器檢測(cè)各燈的電流電平，并調(diào)節(jié)提供給各倒相器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空因數(shù)。
9．如權(quán)利要求1所述的鎮(zhèn)流器，其特征在于，控制器還對(duì)表示燈所要求的調(diào)光水平的信號(hào)起反應(yīng)。
全文摘要
一種用于雙燈或多燈的按標(biāo)準(zhǔn)型式設(shè)計(jì)的高頻鎮(zhèn)流器。各模塊以交錯(cuò)或非交錯(cuò)方式驅(qū)動(dòng)。在固定光和調(diào)光電路的情況下,燈都可以獨(dú)立運(yùn)行。通過交錯(cuò)切換操作即可以預(yù)調(diào)節(jié)電路級(jí)的體積,又可以降低預(yù)調(diào)節(jié)電路級(jí)的成本。模塊可以標(biāo)準(zhǔn)化供操縱一系列燈。
文檔編號(hào)H05B41/28GK1319322SQ00801585
公開日2001年10月24日 申請(qǐng)日期2000年7月19日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月30日
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