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用于驅動放電燈的燈驅動器電路和方法

文檔序號:8111192閱讀:540來源:國知局
專利名稱:用于驅動放電燈的燈驅動器電路和方法
技術領域
本發(fā)明涉及驅動放電燈的燈驅動器電路和方法。具體來說本發(fā)明 適合用于驅動一種放電燈,這種放電燈顯示出隨燈電壓的變化而陡峭 變化的阻抗。
背景技術
使用開環(huán)燈驅動器電路來操作放電燈在本領域中是眾所周知的。
燈驅動器電路包括一個逆變器(inverter)電路,用于產生合適的交流 電流來驅動燈。在制造期間針對輸出功率來校準這樣一個開環(huán)驅動器 電路。
公知的放電燈,例如分子輻射燈之類的電感耦合的放電燈,可能 顯示出輸出功率和在燈接線柱(lamp terminals)上的電壓之間的陡峭 的關系。燈電壓尤其取決于所提供的交流電流的頻率,因此輸出功率 也取決于所提供的交流電流的頻率。另外,在啟動期間,燈的阻抗可 能顯示出陡哨的變化。于是,開環(huán)的燈驅動器電路可能不適合驅動這 樣的放電燈,因為開環(huán)的燈驅動器電路不能保證燈的穩(wěn)定操作。
而且,可能期望控制在啟動和穩(wěn)態(tài)操作期間的燈功率。由于上述 的陡峭關系,開環(huán)的燈驅動器電路可能不適合調節(jié)輸出功率。
使用反饋電路并因此使用閉環(huán)的燈驅動器電路來驅動放電燈是公 知的。例如可以響應實際的燈功率來控制交流電流的頻率。然而,由 于電磁干擾的規(guī)定,用于控制的頻率范圍可能要受到限制,不允許控 制穩(wěn)定性和調控功率這兩者,尤其在啟動和用于調暗期間不允許。
另一種可能性是控制直流電壓,逆變器電路從該直流電壓產生交 流電流。然而,由于在直流電壓總線上存在相對較大的用于能量緩沖 的電容,這樣的控制系統(tǒng)相對較慢,而對于穩(wěn)定性控制則要求相對較 快的控制。

發(fā)明內容
期望提供用于操作呈現(xiàn)陡峭阻抗變化的放電燈的方法和電路,所
4述的方法和電路適合控制穩(wěn)定性和在相對較大范圍上控制功率這兩 者。
這個目的在根據權利要求1所述的燈驅動器電路中和在根據權利
要求7所述的用于操作放電燈的方法中實現(xiàn)。
按照本發(fā)明,提供包括高速反饋電路部分和低速反饋電路部分的 反饋電路。響應確定的實際燈功率和設定的燈功率(即預先確定的或 選定的燈功率)之差,來控制頻率和直流電壓這兩者。控制頻率以維 持操作期間的穩(wěn)定性,因為頻率可以在相對較短的時間內得以調節(jié)。 調節(jié)直流電壓以允許放電燈在相對較大的功率范圍內進行操作。
在一個實施例中,實際燈功率檢測電路包括與燈驅動器電路的逆 變器電路相連的一個電阻器。流經逆變器電路的逆變器電流可以用作 實際燈功率的度量,因為逆變器電流與實際燈功率成比例,具體來說, 逆變器電流基本上等于實際燈功率除以直流電源電壓。
在一個實施例中,高速反饋電路包括一個壓控振蕩器(VC0),將 其配置成接收代表功率差的一個電壓信號,以便用合適的操作頻率轉 換功率差。
在一個實施例中,將低速反饋電路配置成接收設定頻率,即預先 確定的或選定的頻率。進而,將低速反饋電路配置成確定操作頻率并 響應操作頻率和設定頻率之間的頻率差來控制直流電源電壓。相應地, 高速反饋電路可以向設定頻率調節(jié)操作頻率。于是,獲得了過程和精 細的控制方法,借此防止高速反饋電路和低速反饋電路之間的干擾。 因為高速反饋電路的帶寬顯著地大于低速反饋電路的帶寬,所以高速 反饋電路將跟蹤低速反饋電路的直流電源電壓的變化。因此與低速反 饋電路相比,高速反饋電路占主導地位。


下面,參照附圖中表示的非限制性實施例詳細說明本發(fā)明,其中
圖l表示說明放電燈的燈電壓和燈功率之間的關系的示意圖2A表示說明放電燈的燈電流頻率和燈功率之間的關系的示意
圖2B表示說明放電燈的燈電流頻率和燈電壓之間的關系的示意
圖;圖3示意地表示包括高速反饋電路的燈驅動器電路的一個實施例; 圖4示意地表示按照本發(fā)明的燈驅動器電路的一個實施例; 圖5表示說明燈電流頻率、燈功率、和直流電源電壓之間關系的 示意圖6示意地表示用于按照本發(fā)明的燈驅動器電路的高速反饋電路 的一部分;
圖7表示說明點火期間燈電流頻率和燈電壓之間的關系的示意以及
圖8示意地表示按照本發(fā)明的燈驅動器電路的一個實施例。
具體實施例方式
下面,相同的附圖標記指的是類似的元件。
圖1表示說明放電燈的燈電壓V (處于水平軸)和燈功率P (處于 垂直軸)之間關系的示意圖,所說的放電燈具體來說是電感耦合的放 電燈,如分子輻射燈。燈電壓V是在燈操作期間在燈接線柱上的電壓。 在燈功率水平A,燈電壓V可以變化而不直接影響燈功率P,因為所示 的曲線基本上是平的。所以,在功率水平A放電燈可以穩(wěn)定地操作。
如果放電燈以不同的功率水平如功率水平B操作,由于燈電壓V 和燈功率P之間的陡哨的關系,為了維持穩(wěn)定的操作,在燈驅動器電 路中需要一個反饋電路。
反饋電路可以控制提供給燈的交流電流的頻率,這在本領域中是 公知的。圖2A表示說明交流燈電流的頻率(處于水平軸)和燈功率(處 于垂直軸)之間關系的示意圖。從所示的曲線顯然看出,在電流頻率 約為2. 9兆赫茲處獲得了最大燈功率。圖2B表示說明交流燈電流的頻 率(處于水平軸)和燈電壓(處于垂直軸)之間關系的示意圖。圖2B 所示的曲線基本上等于圖2A中所示的曲線,在約為2. 9兆赫茲的燈電 流頻率處獲得最大燈電壓。
圖3說明包括用于控制燈電流頻率的合適反饋電路的燈驅動器電 路100的一個實施例。燈驅動器電路連接到燈La。逆變器電路包括兩 個開關元件S1和S2,它們按照半橋拓樸布局進行連接。電感器L1和 電容器Cl連接到逆變器電路的輸出節(jié)點。逆變器電路、電感器L1和
6適的交流燈電流提供給燈La。要說明的 是,所示的電路是示意表示的,實際上這個電路可以包括另外的元件 和連接。
逆變器電路,具體來說即兩個開關元件Sl和S2連接到反相驅動 器電路108。驅動器電路108連接到定時信號發(fā)生器106。逆變器驅動 器電路108可以包括一個電平移動器110和一個通/斷控制電路。定 時信號發(fā)生器106和逆變器驅動器電路可以操作以產生合適的控制信 號,用于控制逆變器電路的開關元件Sl、 S2的通/斷切換。
定時信號發(fā)生器106連接到壓控振蕩器(VCO) 104。壓控振蕩器 連接到第一PI (比例積分)控制器102。第一PI控制器102連接到比 較器118。比較器118進一步連接到功率設定元件116。功率設定元件 116響應設定的燈功率,即預先確定的或用戶選定的燈功率水平,向比 較器118提供設定的燈功率信號。
比較器118進一步還接收指示實際燈功率的實際燈功率信號。在 圖3所示的實施例中,電阻器Rl與逆變器電路串聯(lián)連接,流經逆變器 的逆變器電流也流經電阻器Rl。因此,在電阻器Rl的一端產生一個電 阻器電壓。因為逆變器電流與實際燈功率成比例,所以電阻器電壓與 實際燈功率成比例。具體來說,逆變器電流基本上等于燈功率除以提 供給逆變器電路的直流電源電壓VDe。通過一個低通濾波器電路114給 電阻器電壓濾波,在此之后將電阻器電壓提供給比較器118。
在操作中,經過比較器118將設定的功率水平提供給第一PI控制 器102和壓控振蕩器104。壓控振蕩器104產生合適的操作頻率信號, 操作頻率信號提供給定時信號發(fā)生器106和逆變器驅動器電路108。作 為響應,逆變器驅動器電路108產生提供給開關元件Sl和S2的通/ 斷開關信號,開關元件Sl和S2以對應于壓控振蕩器104產生的操作 頻率信號的操作頻率交替地切換導通和不導通。根據這個頻率產生交 流燈電流,并將這個交流燈電流提供給燈La。
燈La消耗的功率是使用電阻器Rl作為實際燈功率檢測電路確定 的。所確定的實際燈功率信號提供給比較器118。比較器118現(xiàn)在將功 率差信號提供給第一 PI控制器102,這個功率差信號指示實際燈功率 和設定的燈功率之間的功率差。PI控制器響應這個功率差信號來調節(jié) 提供給壓控振蕩器104的信號,壓控振蕩器104作為響應相應地調節(jié)
7操作頻率信號。最終,通過逆變器電路調節(jié)了交流燈電流的頻率,實
際燈功率的變化是由于逆變器電路引起的,如圖2A所示。于是,控制 了實際的燈功率,使其變得基本上等于設定的燈功率。
再次參照圖2A,由于存在電磁干擾的規(guī)定,可能要求交流電流頻 率位于特定的范圍內,具體來說位于2.2-3.0兆赫茲的范圍內。從圖 2A顯然可以看出,實際燈功率的控制范圍因此受到了限制,具體來說 在約50瓦-約85瓦的對應范圍中。這樣一個控制范圍不夠大,特別 地,對于放電燈的啟動階段期間的合適的控制,這個范圍是不夠大的, 因為在啟動期間要求至少50%的功率提升(power boost)。
為了達到合適的功率控制范圍,加入了一個相對較慢的、即低速 反饋回路,如圖4所示。在圖4的實施例中,進一步為高速反饋電路 IOO提供一個低速反饋電路200。在圖4中,高速反饋電路的元件是 功率設定元件116、比較器118、第一PI控制器102、壓控振蕩器104 和低通濾波器114。將定時信號發(fā)生器、逆變器驅動器電路、逆變器電 路、電感器和電容器表示為單個的驅動器電路元件120。
低速反饋電路200包括頻率設定元件202和比較器204。頻率設定 元件202響應設定頻率,即預先確定的或用戶選定的燈電流頻率,向 比較器204提供設定頻率信號。比較器202進一步還連接到壓控振蕩 器104的輸出,用于接收指示實際操作頻率的操作頻率信號。比較器 202輸出指示設定頻率和操作頻率之間的差的頻率差信號。這個差提供 給第二 PI控制器206。第二 PI控制器206的輸出提供給直流電源電壓 發(fā)生器208。進一步為直流電源電壓發(fā)生器208提供交流電源電壓,如 電源電壓。然而,還可以為直流電源電壓發(fā)生器208提供另一個直流 電壓,并且將這個直流電壓轉換成與第二PI控制器206的輸出對應的 合適的直流電源電壓。將所產生的直流電源電壓提供給燈驅動器電路 元件120,用于產生交流燈電流。
參照圖5說明圖4所示的燈驅動器電路的操作。圖5表示的是如 圖2A所示的燈電流頻率-燈功率的關系。在圖5中表示出多個曲線。 每個曲線代表一個直流電源電壓電平。另外,還示出了最小頻率f"n 和最大頻率f_。按照電磁干擾規(guī)定選擇最小頻率f^和最大頻率f,。 最小頻率f^選為2.4兆赫茲,最大頻率f^選為2.8兆赫茲。另外, 設定頻率選為2.6兆赫茲。要注意的是,可以按照對本領域的普通技
8術人員而言顯而易見的不同方式選擇這些頻率。
在圖5中,假定燈是在穩(wěn)定的狀態(tài)模式下操作的。例如,燈在起 始時是在期望的2.6兆赫茲和約為42瓦的條件下操作的。直流電源電 壓于是等于電壓電平V!。
現(xiàn)在參照附圖4和5,如果設定功率然后例如增加到55瓦,則在 設定功率和實際功率之間產生差,并且通過比較器118產生一個對應的 信號。相應地,壓控振蕩器104將操作頻率增加到最大頻率f_,即2. 8 兆赫茲,如箭頭300所示。由于操作頻率現(xiàn)在偏離設定頻率2. 6兆赫 茲,比較器204向第二 PI控制器206和直流電源電壓電路208提供相 應的信號,導致直流電源電壓從電壓電平V,增加到最終的電壓電平V2, 如箭頭302所示。因為實際功率(60瓦)然后超過了設定功率(55瓦), 壓控振蕩器104降低操作頻率, 一直到實際功率等于設定功率55瓦時 為止,如箭頭304所示。然而,由于操作頻率(約2. 7兆赫茲)這時 仍舊還高于設定頻率(2.6兆赫茲),直流電源電壓還要進一步增加到 電壓電平V3,如箭頭306所示。由于實際功率的最終增加,高速反饋 電路再一次降低操作頻率,如箭頭308所示,借此在交流燈電流頻率 為2. 6兆赫茲時實現(xiàn)了實際燈功率55瓦的期望設定。
要說明的是,所選最大頻率f^要比最大功率頻率低,最大功率頻 率也就是提供最大功率的頻率(在圖5中f =約2. 9兆赫茲)。例如由 于制造容差和最大功率頻率的變化,有可能出現(xiàn)的情況是,可以控制 操作頻率,使其高于實際的最大功率頻率。在這種情況下,如從圖2A 和5顯然可以看出,控制回路可能變得不穩(wěn)定,因為燈功率不是增加 而是隨著操作頻率的增加而減小。于是,控制回路可能會切換極性并 轉變180°,并且變得不穩(wěn)定。
圖6表示用于按照本發(fā)明的燈驅動器電路中的高速反饋電路的一 部分。具體來說,圖6所示的電路部分包括功率設定元件116、比較 器118、第一 PI控制器102和壓控振蕩器104。另外,第一開關126 連接在比較器118、第一PI控制器102和地端之間。第二開關130連 接在第一 PI控制器102、壓控振蕩器104和點火設定元件128之間。 點火設定元件128配置成向壓控振蕩器104而不是向第一 PI控制器 102提供頻率控制信號。借此,通過適當地切換第一開關126,將第一 PI控制器102的輸入耦合到地。通過適當地切換第二開關130,將壓控振蕩器104的輸入耦合到點火設定元件128。
壓控振蕩器104的輸出耦合到合適的驅動器電路,以便提供驅動 器信號Sdr,即操作頻率信號。反饋信號Sfb,即實際燈功率信號,提 供給比較器118,如參照圖3所說明的。
如圖7所示,為了點火放電燈,將合適的高電壓提供給放電燈。 在圖7中,在水平軸上表示操作頻率(兆赫茲)。沿著垂直軸表示最 終的輸出電壓(峰值電壓)。輸出電壓是在燈接線柱上的電壓,即燈 電壓。為了產生合適的高壓,選擇相對較高的操作頻率如3兆赫茲(圖 7中的PJ作為起動頻率,并且檢測最終的燈電壓。然后將代表燈電壓 的信號提供給控制單元。如果檢測的燈電壓低于預定的點火電壓Visn, 則通過點火設定元件128由控制單元降低這個頻率。由于燈驅動電路 (包括放電燈)中的共振,燈電壓隨操作頻率的減小而增加,直到燈 電壓等于點火電壓V咖(圖7中的PJ時為止。
點火之后,切換第一開關126和第二開關130,使第一PI控制器 102耦合在比較器118和壓控振蕩器104之間。于是,建立了如圖3所 示的電路,用于進行穩(wěn)態(tài)的操作控制。
圖8表示按照本發(fā)明的燈驅動器電路400的一個實施例,燈驅動 器電路400包括與圖4和圖6所示的類似電路。電壓源402提供交流 電壓,如電源電壓。電磁干擾濾波器電路404和整流器電路406 (如二 極管橋式整流器電路)產生合適的直流電壓,這個直流電壓提供給直 流/直流電壓變換器電路408。由直流/直流變換器電路408輸出的直 流/直流變換器電壓L提供給半橋逆變器電路,這個半橋逆變器電路 包括開關元件S1和S2。該逆變器電路尤其與電感器Ll 一起操作,從 而產生用于操作燈La的合適的燈電流。
如參照圖3所說明的,使用電阻器R1檢測代表實際燈功率的半橋 電流I",并且檢測最終的燈電壓V",燈電壓V"例如用在點火階段期間。 進而,檢測由直流/直流變換器電路408輸出的代表直流/直流變換 器電流1。e的信號和直流/直流變換器電壓VDe。將最終的燈電壓VLa、
直流/直流變換器電壓V。e和相應的直流/直流變換器電流1。e都提供
給控制單元412,控制單元412例如是適當編程的微控制器??刂茊卧?412作為一個功率設定元件操作,用于產生功率設定信號116a。將功 率設定信號116a、半橋電流Ihb提供給反饋電路部分410,反饋電路部
10分410例如包括按照如圖3所示的比較器118和第一PI控制器102的 一個比較器和一個PI控制器。反饋電路部分410向壓控振蕩器104提 供VCO控制信號,壓控振蕩器104又控制逆變器驅動器電路,逆變器 驅動器電路包括定時信號發(fā)生器106和用于驅動開關元件Sl和S2的 逆變器驅動器電路108。
控制單元412還要耦合到用于提供直流電壓控制信號414的直流 /直流變換器電路408以便控制直流/直流變換器電路408以在需要 時調節(jié)直流/直流變換器電壓V,如參照圖4和圖5所說明的。
如參照圖6所述,燈驅動器電路400適合點火放電燈La。參照圖 6和圖8,控制單元412中包括點火設定元件128的功能;反饋電路部 分410中包括第一開關126和第二開關130。因此,為了詳細描述用于 點火燈La的操作,請參照圖6和相應的說明。
燈驅動器電路400包括如參照圖4表示和描述的高速反饋電路和 低速反饋電路。參照圖4和圖8,在控制單元412中并入低速反饋電路 200。按如上所述確定高速反饋電路的元件。因此,為了詳細描述用于 以穩(wěn)態(tài)操作燈La的操作,參照圖4和相應的說明。
雖然在這里公開了本發(fā)明的詳細的實施例,但應該理解,所爿>開 的實施例對于本發(fā)明只是說明性的,本發(fā)明可以按照各種不同的形式 實施。因此,在這里公開的特定結構和功能細節(jié)不被認為是限制性的, 只是權利要求書的基礎,并且只是教導本領域的普通技術人員在實際
的基二。進一步,在相互不同的丄i權利i求中引用某些措施的事實
并不表明這些措施的組合不可被利用。
另外,不希望這里使用的名詞術語是限制性的;而是提供本發(fā)明 的一種可理解的描述。這里使用的術語"一個"被定義為一個或多于 一個。這里使用的術語"另一個"被定義為至少第二個或更多個。這 里使用的術語"包括"和/或"具有"被定義為包括(即開放式語言)。 這里使用的術語"耦合,,被定義為連接,當然不必直接連接,并不必 借助于線的連接。
權利要求
1、用于以設定的燈功率操作放電燈(La)的燈驅動器電路(400),所述的燈驅動器電路包括直流電源電壓電路(408),用于產生直流電源電壓(VDC);輸出電路,用于向所述放電燈(La)提供交流電流,輸出電路包括逆變器電路,用于以操作頻率從直流電源電壓產生交流電流;反饋電路,反饋電路包括實際燈功率檢測電路,用于確定實際燈功率;耦合到逆變器電路的高速反饋電路,用于響應已確定的實際燈功率和設定的燈功率之間的功率差控制交流電流的操作頻率,以便維持穩(wěn)定的燈操作;和耦合到直流電源電壓電路的低速反饋電路,用于響應已確定的實際燈功率和設定的燈功率之間的功率差控制直流電源電壓,以便控制實際燈功率。
2、 根據權利要求1所述的燈驅動器電路,其中實際燈功率檢測電路包括一個與逆變器電路串聯(lián)耦合的電阻器(Rl),用于確定流經逆變器電路的逆變器電流,該逆變器電流基本上等于實際燈功率除以Jj危電源電壓。
3、 根據權利要求1所述的燈驅動器電路,其中所述高速反饋電路包括壓控振蕩器,VC0(104),將該壓控振蕩器配置成接收代表所述功率差的電壓信號,從而以合適的操作頻率轉換所述的功率差。
4、 根據權利要求3所述的燈驅動器電路,其中逆變器電路包括至少兩個橋式拓樸的開關元件(Sl、 S2),所述燈驅動器電路進一步還包括逆變器驅動器電路(106、 108),用于控制開關元件的切換,所述逆變器驅動器電路耦合到壓控振蕩器的輸出端。
5、 根據權利要求4所述的燈驅動器電路,其中將所述低速反饋電路配置成接收一個設定頻率;所述低速反饋電路耦合到壓控振蕩器的一個輸出端以便接收所述操作頻率;以及將所述低速反饋電路配置成響應操作頻率和設定頻率之間的頻率差來控制直流電源電壓,將高速反饋電路配置成作為響應朝設定頻率調節(jié)操作頻率。
6、 根據權利要求1所述的燈驅動器電路,其中低速反饋電路配置成接收設定頻率,以便確定操作頻率并且響應操作頻率和設定頻率之間的差控制直流電源電壓,高速反饋電路配置成作為響應朝設定頻率調節(jié)操作頻率。
7、 用于以設定的燈功率操作放電燈的方法,所述的方法包括產生直流電壓;以操作頻率從直流電壓產生交流電流;向放電燈提供交流電流;確定實際燈功率;響應所確定的實際燈功率和設定的燈功率之間的差控制交流電流的頻率,以便維持穩(wěn)定的操作;和響應所確定的實際燈功率和設定的燈功率來控制直流電壓,以便控制實際燈功率。
8、 權利要求7的方法,其中響應操作頻率和預定頻率之間的差來控制直流電壓。
全文摘要
一種燈驅動器電路(400),包括一個反饋電路,反饋電路用于控制放電燈(La)的穩(wěn)定操作,放電燈例如是諸如分子輻射燈之類的電感耦合的放電燈,反饋電路還用于控制放電燈(La)的光輸出水平。具體來說,如果放電燈(La)在暗光輸出水平操作,光輸出對燈電壓(V<sub>La</sub>)的變化是敏感的,可能導致閃爍。為了控制燈的穩(wěn)定操作并防止閃爍,提供高速反饋電路來控制操作頻率。為了提供用于控制光輸出水平的相對較大的變暗水平的范圍,提供低速反饋電路來控制直流電源電壓(V<sub>DC</sub>)。
文檔編號H05B41/392GK101513132SQ200780033356
公開日2009年8月19日 申請日期2007年9月4日 優(yōu)先權日2006年9月7日
發(fā)明者G·W·范德維恩, R·P·A·德爾諾伊 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司
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