專利名稱：具調(diào)整氣體放電燈管電壓的預(yù)熱控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種具調(diào)整氣體放電燈管電壓的預(yù)熱控制裝置，特別涉及的 是一種利用脈沖寬度調(diào)整(PWM)技術(shù)控制氣體放電燈在預(yù)熱期間的燈管電壓，可 以有效地降低燈管電壓，避免預(yù)熱期間產(chǎn)生的熾光電流，并且仍維持所需要的燈 絲預(yù)熱電流。在穩(wěn)態(tài)時恢復(fù)為脈波頻率調(diào)整(PFM)控制，穩(wěn)定燈管電流。本專利 所提的控制方法不需要更改現(xiàn)有產(chǎn)品的半橋驅(qū)動器架構(gòu)和諧振槽網(wǎng)絡(luò)，即可實現(xiàn) 需求的結(jié)果。本專利所提的控制方法可以輕易地利用模擬集成電路或數(shù)字控制器 實現(xiàn)，將可以加速導(dǎo)入產(chǎn)品應(yīng)用。
背景技術(shù)：
目前現(xiàn)有電子安定器產(chǎn)品中的半橋驅(qū)動器大多采用半橋架構(gòu)，而且為了方便 控制集成電路(IC)的設(shè)計，半橋架構(gòu)都以Class-D型式實現(xiàn)，其中Class-D型式 具有維持標(biāo)準半橋的特性和系統(tǒng)共地的優(yōu)點，其最大的優(yōu)勢在于輸入端的直流鏈 電容也只需要一顆即可，即可有效降低電子安定器的成本，然而采用Class-D型 式的安定器在預(yù)熱期間，如圖l所示，為傳統(tǒng)電子安定器的預(yù)熱、點火至穩(wěn)態(tài)的 燈管電壓與電流波形圖，所述的傳統(tǒng)電子安定器的預(yù)熱、點火與穩(wěn)態(tài)的所有過程， 都釆取脈波頻率調(diào)整(PFM)，自傳統(tǒng)Class-D型式的預(yù)熱、點火到穩(wěn)態(tài)的波形，從 圖中可以看出在預(yù)熱期間燈管電壓載有一半的直流鏈電壓，由于負載(Load)暫 時呈現(xiàn)空載狀態(tài)，會造成預(yù)熱期間燈管電壓(VLAMP )會跨壓 一 半的直流鏈電壓， 而燈絲電流(IF)進一步在點火期間產(chǎn)生熾光電流，若是經(jīng)常作點、滅動作，將 使燈頭提早黑化，也降低燈管壽命。要解決預(yù)熱期間的燈管電壓問題。
目前有二種解決的道， 一為改回標(biāo)準半橋架構(gòu)，另一為增加一外部開關(guān)來強 迫燈管電壓為零電壓(0V)，但是二者都存在其缺失，前者會影響電路原本的設(shè) 計參數(shù)，并且增加直流鏈電容，以及系統(tǒng)共地問題；后者所置入額外的電路和外 部開關(guān)會增加組件成本。二者所存在的缺失都使得現(xiàn)有電子安定器不利于商場上 的竟?fàn)帲虼巳裟芤袁F(xiàn)有的架構(gòu)來改善，不僅可以減少重新設(shè)計的時程，也可加 速導(dǎo)入市場。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述缺陷，本發(fā)明提供一種具調(diào)整氣體放電燈管電壓的預(yù)熱控制裝置，
主要目的為利用脈沖寬度調(diào)整(PWM)技術(shù)控制氣體放電燈管在預(yù)熱期間的燈管電 壓(VLAMP)，可以有效地降低燈管電壓，避免預(yù)熱期間產(chǎn)生的熾光電流，并且 仍維持所需要的燈絲預(yù)熱電流，在穩(wěn)態(tài)時恢復(fù)為脈波頻率調(diào)整(PFM)控制，穩(wěn)定 燈管電流，本專利所提的控制方法不需要更改現(xiàn)有產(chǎn)品的半橋換流器架構(gòu)和諧振 槽網(wǎng)絡(luò)，即可實現(xiàn)需求的結(jié)果，本專利所提的控制方法可以輕易地利用模擬集成 電路或數(shù)字控制器實現(xiàn)，將可以加速導(dǎo)入產(chǎn)品應(yīng)用。
為達上述的目的，本發(fā)明電子安定器的電路，是應(yīng)用在氣體放電燈管的控制， 其包含有
一脈波寬度調(diào)整電路，用以控制燈管在預(yù)熱期間的燈管電壓； 一脈波頻率調(diào)整電路，用以控制燈管在穩(wěn)態(tài)時燈管頻率，以穩(wěn)定燈管電流；
以及
一個計時裝置，用以決定燈管預(yù)熱時間。


圖1為傳統(tǒng)電子安定器的預(yù)熱、點火至穩(wěn)態(tài)的燈管電壓與電流波形圖2為本發(fā)明氣體放電燈管模塊及其電子安定器的電路架構(gòu)圖3為本發(fā)明電子安定器的電路架構(gòu)圖4為圖3各電路方塊公開較為詳細組件電路圖5為本發(fā)明在啟動與預(yù)熱階段所應(yīng)用的電子安定器架構(gòu)圖6為本發(fā)明應(yīng)用脈波寬度調(diào)整的波形圖7為本發(fā)明在穩(wěn)態(tài)階段所應(yīng)用的電子安定器架構(gòu)圖8為本發(fā)明應(yīng)用脈波頻率調(diào)整的波形圖9為本發(fā)明電子安定器的預(yù)熱、點火至穩(wěn)態(tài)的燈管電壓與電流波形圖； 圖10為本發(fā)明應(yīng)用脈波頻率調(diào)整控制后頻率自預(yù)熱、瞬時與穩(wěn)態(tài)的頻率關(guān)系
圖11為本發(fā)明電子安定器在預(yù)熱期間，脈波調(diào)頻控制工作處在固定頻率的狀 態(tài)表示圖。
幅圖標(biāo)記說明GND-接地端；ILAMP 燈管電流；IPH 電流源；RT、 RIG—電阻；TPH-電容；VCC-電壓源；VLAMP 燈管電壓；VLAMPl-第一 燈管電壓；VLAMP2-第二燈管電壓；Vref-參考電壓；Zl、 Z2 補償器；1~電 子安定器；11 參考電壓產(chǎn)生器；12 燈管電壓調(diào)整電路；121-運算放大器；13 ~ 50%責(zé)任周期參考值；14 脈波頻率調(diào)整電路；141 三角波產(chǎn)生器；142~第二 主動開關(guān)；15~脈波電壓調(diào)整電路；151~比較器；16-半橋驅(qū)動器；17~半橋功 率晶體驅(qū)動器；171 高壓側(cè)驅(qū)動器；172-低壓側(cè)驅(qū)動器；18-充電電路；19-第一主動開關(guān)；2-燈管模塊；21-直流鏈電容；22 第一晶體管；23~第二晶體 管；24~變壓器；25~燈管。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明上述的和另外的技術(shù)特征和優(yōu)點作更詳細的說明。
本發(fā)明主要為提出一項新的控制模式，可以有效地降低在預(yù)熱期間的燈管電 壓(VLAMP),并且維持燈管所需要的預(yù)熱電流。
如圖2、圖3所示，為本發(fā)明氣體放電燈管模塊及其電子安定器的電路架構(gòu) 圖，以及電子安定器的電路架構(gòu)圖，其中所述的燈管模塊2為現(xiàn)有的架構(gòu)(包括 有直流鏈電容21、第一晶體管22、第二晶體管23、變壓器24與燈管25),故 不在此做一贅述，本發(fā)明電子安定器1包含以下幾個部份參考電壓(Vref)產(chǎn) 生器11、燈管電壓調(diào)整電路12、50%責(zé)任周期參考值13、脈波頻率調(diào)整電路(Pulse Frequency Modulation, P.F.M.) 14、脈波寬度調(diào)整電路(Pulse Width Modulation, PWM) 15、半橋驅(qū)動器16、半橋功率晶體驅(qū)動器(Half-bridge driver) 17 (包舍 有一高壓側(cè)驅(qū)動器(High side Driving 、 HD ) 171與一低壓側(cè)驅(qū)動器(Low side Driving、 LD)172)、充電電路18(包括有電流源IPH、電阻RT和電容TPH)、 第一主動開關(guān)19與由外部電路產(chǎn)生的定時器。
請參閱圖4所示，為圖3各電路方塊公開較為詳細組件電路圖，其中各功能 方塊內(nèi)部公開實際組件的設(shè)計，例如燈管電壓調(diào)整電路12是由一運算放大器 121所構(gòu)成，且所述的放大器的一端輸入為10%責(zé)任周期參考值，另一端輸入為 第二燈管電壓取樣值VLAMP2;而脈波頻率調(diào)整電路14是由一三角波產(chǎn)生器141 與第二主動開關(guān)142所構(gòu)成；而脈波寬度調(diào)整電路15為一比較器151所構(gòu)成。再 者，外部電路產(chǎn)生的定時器可以由充電電路18形成的計時電路組成。
請參閱圖5所示，為本發(fā)明在啟動與預(yù)熱階段所應(yīng)用的電子安定器架構(gòu)圖，
控制4莫式處在脈波寬度調(diào)整(PWM)階段，并應(yīng)用Zl、 Z2 (R、 C組成電路)來
做為補償器，其中整個點燈流程包含啟動、預(yù)熱和掃頻點火三個部份，本發(fā)明 強調(diào)的部份是在啟動和預(yù)熱期間，電路系統(tǒng)的表現(xiàn)為 一降壓型轉(zhuǎn)換器(BUCK mode) 模式，所謂降壓型轉(zhuǎn)換器模式即為輸出電壓值大于輸入電壓值的模式。透過式(l) 的公式可以計算出一責(zé)任周期D，本實施例責(zé)任周期為10%,恰可使原本為三角 波的參考電壓(Vref),被切成方波，而得到所需要輸出電壓，也就是等效空栽 時的燈管電壓(VLAMP):
<formula>formula see original document page 7</formula>
請參閱圖6所示，為本發(fā)明應(yīng)用脈波寬度調(diào)整時，晶體管驅(qū)動訊號、燈管電
壓和燈絲電流的波形圖，其中圖5電路的二顆晶體管開關(guān)(22、 23)的工作周期
相同，但責(zé)任周期為非對稱的互補波形如圖6，稱為脈波寬度調(diào)整(PWM)，由
脈波寬度調(diào)整電路15執(zhí)行所述的動作，輸出電壓會包含電感電容(L-C)諧振網(wǎng)
絡(luò)所形成的交流成份以及經(jīng)過脈波寬度調(diào)整的直流成份。其中，直流成份可以透
過式(l)的計算得到開回路電壓值，若是將輸出電壓經(jīng)過取樣，加上由運算放大器
121組成的燈管電壓調(diào)整電路12，可以進行閉回路控制，維持輸出電壓的電壓調(diào)
整率，運算放大器的輸出結(jié)果可以從公式(2)得出。 <formula>formula see original document page 7</formula>
其中<formula>formula see original document page 7</formula>
<formula>formula see original document page 7</formula>請同時參閱圖ll所示，為本發(fā)明電子安定器在預(yù)熱期間，脈波調(diào)頻控制工作
處在固定頻率的狀態(tài)表示圖，在預(yù)熱期間，脈波調(diào)頻控制的部份是工作在固定頻
率的狀態(tài)，而不會改變頻率，此固定頻率fPH必須大于點火頻率fos。 fPH的設(shè)計
可以由透過RT電阻決定。
請參閱圖7所示，為本發(fā)明在穩(wěn)態(tài)階段所應(yīng)用的電子安定器架構(gòu)圖，當(dāng)預(yù)熱
結(jié)束時，電路系統(tǒng)由半橋驅(qū)動器(Inverter)所作動，控制模式會變成脈波頻率調(diào)整
(PFM)。此時會由原本的燈管電壓調(diào)整轉(zhuǎn)為50。/。duty參考值13,而脈波頻率調(diào)
整則由一放電電阻(RIG)來決定，所述的放電電阻(RIG)會讓三角波產(chǎn)生器
141內(nèi)部的電容作放電動作，因此三角波的頻率會由一高頻fL3往諧振頻率fos
逼近，直到燈管電流產(chǎn)生后，改由取樣的ILAMP決定工作頻率，其應(yīng)用脈波頻率
調(diào)整的波形圖如圖8所示。Fos可以由式(5)決定，其中Cs和Cf分別是諧振電容
值和諧振電感值。 1
/"as —
V ^+C/ .........................................(5)
請參閱圖9所示，為本發(fā)明電子安定器的預(yù)熱、點火至穩(wěn)態(tài)的燈管電壓與電 流波形圖，其中采用本發(fā)明的PWM-PFM控制方式，即可有效地在預(yù)熱期間降低 燈管電壓(VLAMP)，與圖2相較，舉例而言，原先燈管電壓為1/2VDC，電壓 平均值(Vrms)約為200V;但圖9所公開燈管電壓平均值(Vrms )約為35V, 由上述數(shù)據(jù)即可看出本案所提出電路架構(gòu)可有效降低預(yù)熱期間降低燈管電壓，并 且維持所需求的預(yù)熱電流，此外，此控制方法不需要改變既有的Class-D型式的 電路架構(gòu)即可實現(xiàn)。
請參閱圖10所示，為本發(fā)明應(yīng)用脈波頻率調(diào)整控制方式后，其頻率自預(yù)熱(I )、 瞬時(II)與穩(wěn)態(tài)(III)的頻率關(guān)系圖。
上述圖2至圖ll可整理出，本發(fā)明的電子安定器的電路，是應(yīng)用在氣體放電 燈管的控制，其包含有
一脈波寬度調(diào)整電路，用以控制燈管在預(yù)熱期間的燈管電壓，所述的脈波寬 度調(diào)整電路更包含有 一個運算放大器作為取樣電壓用途，所述的運算放大器可 以由外部電路設(shè)計補償器； 一個比較器作為產(chǎn)生脈波寬度調(diào)整(PWM)波形；一 個1/10參考電壓(0.1Vref)作為參考值；
一脈波頻率調(diào)整電路，用以控制燈管在穩(wěn)態(tài)時燈管頻率，以穩(wěn)定燈管電流， 所述的脈波頻率調(diào)整電路更包含有 一個三角波產(chǎn)生器，所述的三角波產(chǎn)生器的 頻率可變，且峰值等于參考電壓(Vref);由電阻電容產(chǎn)生的振蕩源與一個參考 電壓作為電壓參考，所述的電容為外部組件與與內(nèi)建在三角波產(chǎn)生器的其中一者；
一個計時裝置，用以決定燈管預(yù)熱時間，其中所述的計時裝置更是包含二 個主動開關(guān)，所述的主動開關(guān)會將電路系統(tǒng)由脈沖寬度調(diào)整，切換到50%責(zé)任周 期的頻率調(diào)整，且所述的二主動開關(guān)系為金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET )所構(gòu)成； 一充電電路，是由電流 源IPH、電阻RT和電容TPH所組成，所述的主動開關(guān)系由充電電路所驅(qū)動。
一降壓型轉(zhuǎn)換器，所述的降壓型轉(zhuǎn)換器是操作在安定器預(yù)熱期間，且決定預(yù) 熱期間的燈管電壓直流成份，并可由外部電路決定是否為開回路控制與閉回路控
制的其中一狀態(tài)來執(zhí)行；
一半橋驅(qū)動器，所述的半橋驅(qū)動器是操作在點火和穩(wěn)態(tài)期間。
再者，憑借上述圖2至圖11的公開，即可了解本發(fā)明具調(diào)整氣體放電燈管電 壓的預(yù)熱控制裝置，主要為利用脈沖寬度調(diào)整(PWM)技術(shù)控制氣體放電燈管在預(yù) 熱期間的燈管電壓(VLAMP)，可以有效地降低燈管電壓，避免預(yù)熱期間產(chǎn)生的 熾光電流，并且仍維持所需要的燈絲預(yù)熱電流，在穩(wěn)態(tài)時恢復(fù)為脈波頻率調(diào)整 (PFM)控制，穩(wěn)定燈管電流，本專利所提的控制方法不需要更改現(xiàn)有產(chǎn)品的半橋 驅(qū)動器架構(gòu)和諧振槽網(wǎng)絡(luò)，即可實現(xiàn)需求的結(jié)果，本專利所提的控制方法可以輕 易地利用模擬集成電路或數(shù)字控制器實現(xiàn)，將可以加速導(dǎo)入產(chǎn)品應(yīng)用，在市場上 具有極高的價值，故提出專利申請以尋求專利權(quán)的保護。
綜上所述，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征與各實施例都已詳細揭示，而可充分顯示出本 發(fā)明案在目的與功效上均深富實施的進步性，極具產(chǎn)業(yè)的利用價值，且為目前市 面上前所未見的運用，依專利法的精神所述，本發(fā)明案完全符合發(fā)明專利的要件。
唯以上所述者，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，當(dāng)不能以的限定本發(fā)明所實 施的范圍，即大凡依本發(fā)明權(quán)利要求所作的均等變化與修飾，都應(yīng)仍屬于本發(fā)明 專利涵蓋的范圍內(nèi)，謹請貴審查委員明鑒，并祈惠準，是所至禱。
權(quán)利要求
1. 一種具調(diào)整氣體放電燈管電壓的預(yù)熱控制裝置，是應(yīng)用在氣體放電燈管的控制，其特征在于其包含有一脈波寬度調(diào)整電路，用以控制燈管在預(yù)熱期間的燈管電壓；一脈波頻率調(diào)整電路，用以控制燈管在穩(wěn)態(tài)時燈管頻率，以穩(wěn)定燈管電流；以及一個計時裝置，用以決定燈管預(yù)熱時間。
2、 如權(quán)利要求1所述的具調(diào)整氣體放電燈管電壓的預(yù)熱控制裝置，其特征在 于所述的脈波寬度調(diào)整電路還包含有 一個運算放大器作為取樣電壓用途、一 個以1/10為參考電壓的比較器來產(chǎn)生脈波寬度調(diào)整波形.
3、 如權(quán)利要求2所述的具調(diào)整氣體放電燈管電壓的預(yù)熱控制裝置，其特征在 于所述的運算放大器由外部電路設(shè)計補償器。
4、 如權(quán)利要求1所述的具調(diào)整氣體放電燈管電壓的預(yù)熱控制裝置，其特征在 于所述的脈波頻率調(diào)整電路還包含有 一個以參考電壓為電壓參考的三角波產(chǎn) 生器、由電阻電容產(chǎn)生的振蕩源。
5、 如權(quán)利要求4所述的電子安定器的電路，其特征在于所述的三角波產(chǎn)生 器的頻率可變，且峰值等于參考電壓。
6、 如權(quán)利要求4所述的具調(diào)整氣體放電燈管電壓的預(yù)熱控制裝置，其特征在 于所述的電容為外部組件與內(nèi)建在三角波產(chǎn)生器的其中之一。
7、 如權(quán)利要求1所述的具調(diào)整氣體放電燈管電壓的預(yù)熱控制裝置，其特征在 于所述的計時裝置還包含有兩個主動開關(guān)；以及一充電電路，是由電流源、電阻和電容所組成。
8、 如權(quán)利要求7所述的具調(diào)整氣體放電燈管電壓的預(yù)熱控制裝置，其特征在 于所述的主動開關(guān)是由充電電路所驅(qū)動。
9、 如權(quán)利要求7所述的具調(diào)整氣體放電燈管電壓的預(yù)熱控制裝置，其特征在 于所述的主動開關(guān)會將電路系統(tǒng)由脈沖寬度調(diào)整，切換到50%責(zé)任周期的頻率 調(diào)整。
10、 如權(quán)利要求7所述的具調(diào)整氣體放電燈管電壓的預(yù)熱控制裝置，其特征 在于所述的兩個主動開關(guān)為金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管所構(gòu)成。
11、 如權(quán)利要求1所述的具調(diào)整氣體放電燈管電壓的預(yù)熱控制裝置，其特征在于所述的具調(diào)整氣體放電燈管電壓的預(yù)熱控制裝置還包含有 一降壓型轉(zhuǎn)換器；以及 一半橋驅(qū)動器，用以做電流的轉(zhuǎn)換。
12、 如權(quán)利要求11所述的具調(diào)整氣體放電燈管電壓的預(yù)熱控制裝置，其特征 在于所述的降壓型轉(zhuǎn)換器是操作在安定器預(yù)熱期間。
13、 如權(quán)利要求11所述的具調(diào)整氣體放電燈管電壓的預(yù)熱控制裝置，其特征 在于所述的降壓型轉(zhuǎn)換器是決定預(yù)熱期間的燈管電壓直流成份。
14、 如權(quán)利要求11所述的具調(diào)整氣體放電燈管電壓的預(yù)熱控制裝置，其特征 在于所迷的降壓型轉(zhuǎn)換器由外部電路決定是否為開回路控制與閉回路控制的其 中之一狀態(tài)來執(zhí)行。
15、 如權(quán)利要求11所述的具調(diào)整氣體放電燈管電壓的預(yù)熱控制裝置，其特征 在于所述的半橋驅(qū)動器是操作在點火和穩(wěn)態(tài)期間。
全文摘要
本發(fā)明是一種具調(diào)整氣體放電燈管電壓的預(yù)熱控制裝置，是應(yīng)用在氣體放電燈管的控制，其包含有一脈波寬度調(diào)整電路，用以控制燈管在預(yù)熱期間的燈管電壓；一脈波頻率調(diào)整電路，用以控制燈管在穩(wěn)態(tài)時燈管頻率，以穩(wěn)定燈管電流；一個計時裝置，用以決定燈管預(yù)熱時間。
文檔編號H05B41/295GK101207963SQ200610170778
公開日2008年6月25日 申請日期2006年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月22日
發(fā)明者古忠平, 李清然 申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院