用于照明系統的可控電源電路及其操作方法

專利名稱：用于照明系統的可控電源電路及其操作方法
技術領域：
本發明涉及用于低電壓照明系統的電源。
背景技術：
用于照明系統的電源，典型包括將輸入的電源電壓轉換成高頻的整流逆變器系統。
圖1所示為在普遍受讓于本發明受讓人并在此包含引作參考的美國專利6097158(Manor等人)中描述的通常指定為10的低電壓照明系統。照明系統10包括連接到虛線輪廓中所示低頻AC電壓源13的一對輸入端子11和12。AC(交流電)電壓源13源自傳統的具有典型為347-100V電源電壓以及50/60Hz電源頻率的電力供給饋線。傳統的整流器14經由端子11和12耦合到AC電壓源13，用于將低頻AC電壓轉換成DC(直流電)，然后該DC被饋給逆變器15，該逆變器包含傳統的用于在30KHz轉換成高頻AC的斬波電路。與逆變器15組合的整流器14因此構成用于將低頻AC電壓轉換成高頻AC電壓的頻率轉換裝置16。
降壓變壓器17耦合到頻率轉換裝置16的輸出端，用于將347-100V的高頻電源電壓轉換成高頻、具有48V或低于48V，典型為12V的低電壓AC信號。降壓變壓器17優選使用環形鐵氧體鐵芯來實現，以及輸出線圈優選使用辨編線(非常優良絕緣的電線束)來實現，以便通過減小由于初級和次級線圈之間的空氣間隙引起的泄漏電流，和通過減小由于趨膚效應和鄰近效應引起的損耗來將損耗最小化。還能夠使用其他鐵芯和線圈。替換地可以產生較高的頻率以及使用平面型變壓器實現輸出變壓器。
在這種現有技術中，雖然不在傳統的現有技術中，為了防止和巨大的高頻電流相關的缺陷，使用同步整流器18來整流高頻信號，同步整流器18與用于將低電壓AC轉換成低電壓DC的降壓變壓器17的次級線圈(未示出)相耦合。將一對導線19和20連接到該低電壓DC用于將低電壓電燈(未示出)連接到它們。
圖2所示為已知點火電路30，用于AC-DC或AC-AC逆變器31，它耦合到橋式整流器32輸出端并且它的點火基于阻容(RC)電路33和觸發二極管34，例如用于給低電壓白熾燈35供電。RC電路33包括經由電阻37充電的電容36。在觸發二極管達到擊穿電壓時，電容36通過驅動變壓器(未示出)放電，導致點火。
還如在圖2中所示的調光器38，將該調光器的輸出與橋式整流器32耦合，用于改變電燈35的亮度。當前沿或正向沿控制開關(F調光器)使用并行于RC電路33的逆變器31時，將加速器電路39耦合到橋式整流器的輸出端，并將加速信號饋給逆變器31以加速點火過程，從而導致點火過程和調光器斷流-導通(cut-on)的較佳同步。
在這些方案中逆變器在調光器截止和接下來斷流-導通之間是不激活的，注意到這一點是重要的。這導致了調光器上負載的不存在，是這種調光器-逆變器系統的缺陷。其他缺陷涉及與輸入電壓零交叉相關的開關瞬間的不穩定性，取決于逆變器負載，連接電線的長度，輸入濾波器的電容，逆變器輸入電橋中的電容等等。
而且，正如以下更詳細地說明，在點火之前逆變器的無源狀態的存在導致大量的寄生過程，使逆變器去同步并破壞調光器的正常工作，這反過來損害了整個調光器-逆變器系統的工作。
還已知在調光器工作中尖峰電流前沿的存在是電燈機械振動的原因之一，導致聲頻噪聲(acoustic noise)。已知有各種方法來降低噪聲，基于前沿調光器的正向前方的整形，或者基于使用存儲在大電容中的能量，用于在尾隨調光器的情況中擴展反向前方。在后者的情況中，在反向前方的截止期間，在電容放電時間期間，在電容中出現附加的電流，這將導致再次產生聲頻噪聲的電容大的機械振動。結果，電燈中聲頻噪聲的減小由電容中的聲頻噪聲來替換。
調光器逆變器系統的其他缺陷是這樣的事實，即必須將逆變器設計成和前沿調光器或尾隨調光器工作，或必須提供該逆變器具有一個電路，能夠確定調光器的類型并且能夠相應地改變它的操作。但是，如果錯誤地確定調光器類型，則在逆變器電路中能夠出現非常高的聲頻噪聲和大的震動。例如，可能發生所述前沿調光器將在正向前方沒有整形具有輸入電橋中的大電容時進行工作，這將導致逆變器和調光器中的附加電流，以及電容大的振動和聲頻噪聲。
以本申請人姓名在2003年7月17日公布的題為“Lamp transformerfor use with an electronic dimmer and method for use thereof forreducing acoustic noise”的WO03/058801，公開了用于減小在前沿調光器使用期間所產生的聲頻噪聲的控制器。響應于饋給它輸入電壓的前沿控制器在前沿檢測到的時候產生一個控制信號，以及線性開關耦合到該前沿控制器，并響應用于線性地開關輸入電壓的控制信號，這樣降低了前沿上升的速率。后沿控制器可以耦合到前-后沿檢測器以便響應于后沿調光器的檢測，用于禁止前沿控制器和通過使用例如如上所述的大電容來降低輸入電壓后沿的下降速率。
圖3示意性所示為在圖1所示的電路中與逆變器31連接到橋式整流器32輸出端相關聯的其他調光問題。由于典型跨接在橋式整流器輸出端上大的平滑電容40的存在，所述逆變器的輸入是電容性的。由于跨接在電源輸出端上的電磁干擾(EMI)濾波器41的存在，橋式整流器的輸入也是電容性的。在時間周期的不激活部分期間，即，當所述逆變器不導通時，電容40被充電并且使點火滯后和不穩定。另外，電容40的充電可以在調光器點火之前觸發逆變器的點火。這可能產生若干不想要的情形●逆變器可能產生調光器的提早點火和改變其點火角度；●到調光器點火時，逆變器截止，沒有足夠的能量維持正常的操作。由于所需的等待時間，它將在以后重新點火；●具有波動性質的逆變器提早點火，可以在調光器的輸出中產生尖峰信號，這種尖峰信號反過來可能導致逆變器的另一個不想要的重新點火。
在所述的其中一個模式中，當調光器被連接時，依賴于諸如點火角度、逆變器負載、周圍環境條件等等的大量外部參數的所有這些過程將導致系統的不穩定操作。
此外，當使用逆變器具有前沿調光器時，應用加速器電路來加速點火過程。在這些方案中所述逆變器在調光器的截止和接下來斷流-導通之間不激活。這導致了不想要的調光器負載的損耗，因為它在電燈中產生閃爍并且增強調光器噪聲。
通常已知當使用這些轉換器給白熾燈，或具有類似于白熾燈的啟動特性的任何其他電燈供電時，在啟動期間在AC-AC和AC-DC轉換器中產生沖擊電流。這些電流由以下事實產生，即冷光燈的電阻非常低以便轉換器利用有效短路負載工作。這些沖擊電流減小了燈的預期使用壽命。峰值電流能夠達到高的值。
圖4圖示為圖形軟啟動電壓VCS的波形，來自于運用到開關MOSFET的軟電容CS；和運算電路的輸出電壓，該運算電路計算一個輸出電壓，這個輸出電壓是升壓轉換器輸出電壓的函數，該升壓轉換器形成功率因數校正電路的一部分。輸出電壓Vmo跟隨AC線電壓，并且當跨越該軟電容的電壓VCs橫貫包封的時候，該輸出電壓Vmo表示使用脈沖寬度調制(PWM)進行采樣的該包封。圖4b圖示為圖形連續電流尖峰信號和平均輸入電流的波形，將這些尖峰信號通過軟啟動電路饋給逆變器。因此，可以看出瞬時逆變器電壓跟隨線電壓，但是由于僅僅線電壓的離散采樣在依賴于PWM占空周期的時間間隔被饋給逆變器，所以平均逆變器電壓低于該線電壓。由此出現兩個特性首先，在任何給定的AC半周期期間，重復的電壓脈沖饋給逆變器；其次在采樣線電壓時，每個電壓脈沖的幅度等于線電壓的瞬時峰值電壓。
從根據以上內容顯現出，現有技術燈電源的控制需要逆變器的定制控制，因此妨礙現成現有技術逆變器的使用。同樣地，與由白熾燈點火所產生的沖擊電流相關的問題便于對用來減小這些現象的軟啟動電路的改進。此外，只要關注與調光器工作的電源，仍有聲頻噪聲的問題，這種聲頻噪聲的減小依賴于進一步的改進；并且逆變器的不連續點火以及所產生的逆變器-調光器-負載系統的不穩定性需要改進。

發明內容
所以本發明的目的是給低電壓照明電路提供改進的電源，這解決了與到目前為止提出的如上所討論的電源相關的主要缺點。
根據本發明的第一方面這個目的通過減小在使用燈前沿調光器期間所產生聲頻噪聲的方法實現，該方法包括(a)確定前沿調光器的標稱點火時間；和(b)應用后校正(post correction)給施加于從所述標稱點火時間啟動的調光器的電壓以在預定的后校正時間期間過程中逐步地增強電壓并因此減小其前沿上升的速率。
根據本發明的另一個方面提供一種減小在使用燈后沿調光器期間所產生的聲頻噪聲的方法，該方法包括(a)確定后沿調光器的標稱截止時間；和(b)應用預校正(pre-correction)給施加于從所述標稱截止時間啟動的調光器的電壓以在預定的預校正時間期間過程中逐步地減小電壓并因此減小其前沿上升的速率。
根據本發明的再一個方面提供一種減小在使用燈調光器期間所產生的聲頻噪聲的方法，該方法包括(a)確定所述調光器是前沿調光器還是后沿調光器；(b)如果該調光器是前沿調光器i)確定該前沿調光器的標稱點火時間；和ii)應用后校正給施加于從所述標稱點火時間啟動的調光器的電壓以在預定的后校正時間期間過程中逐步地增強電壓并因此減小其前沿上升的速率。
(c)如果該調光器是后沿調光器i)確定后沿調光器的標稱截止時間；和ii)應用預校正給施加于從所述標稱截止時間啟動的調光器的電壓以在預定的預校正時間期間過程中逐步地減小電壓并因此減小其前沿上升的速率。
根據本發明的再一個方面提供一種軟啟動白熾燈所使用的燈電源的方法，該方法包括(a)在連續的AC半周期期間從零電壓開始施加電壓片；和(b)在連續的AC半周期期間增加所述電壓片的持續時間同時保證在白熾燈的點火之前流過燈絲的燈絲電流不超出預定的閾值。
根據本發明的再一個方面提供一種點火電源電路中逆變器的方法，所述電路具有輸入電容和耦合到逆變器輸出端的負載并且其中AC電源電壓經由耦合到橋式整流器的調光器電路被饋給所述逆變器，該方法包括(a)將被整流的調光器電壓饋給逆變器的輸入端；(b)連續地給逆變器饋給點火脈沖直到饋給所述逆變器輸入端的被整流調光器電壓的幅度必須達到特定的電平；以及(c)當饋給所述逆變器輸入端的被整流調光器電壓的幅度達到所述特定的電平時i)經由逆變器將輸入電容上的調光器電壓放電到負載；和ii)中斷饋給逆變器的所述點火脈沖。
根據本發明的再一個方面提供一種模擬前電壓沿調光器的操作以便將受控輸入電壓饋給經由橋式整流器耦合到該調光器的逆變器的方法，該方法包括(a)確定調光器前沿的最大抖動角度Δt；和(b)利用大于和輸入電壓相關的最大抖動角度Δt的時間延遲開關所述逆變器。


為了理解本發明，以及明白在實踐中可以如何實現本發明，現在僅將參考附圖通過非限制性實例的方式描述優選實施例，其中圖1是功能性顯示現有技術低電壓照明系統的方框圖；圖2是功能性顯示用于逆變器的現有技術點火器電路的方框圖；圖3是功能性顯示具有電容性輸入的逆變器的傳統拓撲的方框圖；圖4a和4b顯示了與已知軟啟動電路相關的圖形電壓波形，將該軟啟動電路進行設計，以減小由白熾燈點火所產生的沖擊電流；圖5是功能性顯示根據本發明具有改進的逆變器點火電路的電源方框圖；圖6a是示意性顯示在圖5中所示的逆變器點火電路細節的電路圖；
圖6b是圖5中所示逆變器點火電路的簡化電路圖；圖7a到7d顯示圖形輸入電壓的電壓波形以及與圖5中所示點火電路相關的點火脈沖；圖8是功能性顯示根據本發明具有受外部控制鎮流器的電源方框圖；圖9是功能性顯示根據本發明具有用于減小聲頻噪聲的校正鎮流器的電源方框圖；圖10顯示圖形電壓波形，與圖9中所示鎮流器相關；圖11功能性顯示后沿調光器，為聲頻噪聲校正該調光器，和使用傳統方法和根據本發明的相關圖形電壓波形；圖12到14顯示根據本發明與軟啟動控制電路相關的圖形電壓波形。
具體實施例方式
圖5是功能性顯示根據本發明通常示為50的可變電源電路的方框圖，該電路50具有電流反饋逆變器所使用的改進的逆變器點火電路51。不管需要何種逆變器的應用，這種逆變器必須通過點火脈沖進行點火。電源50包括耦合到輸入橋式整流器53輸入端的調光器52，它的輸出端耦合到逆變器54以已知的方式產生饋給燈55的輸出電壓。點火電路51受脈沖定時器56的控制，該定時器由能量累加器電路57供電，并且并響應地耦合到電流傳感器58和閾值檢測器59。
圖6a是示意性顯示在圖5中所示逆變器點火電路51細節的電路圖。該逆變器包括由四個雙極型NPN結式晶體管61、62、63和64構成的橋。晶體管61和63的集電極共同連接到橋式整流器53的正電源線，而晶體管62和64的發射極共同連接到該橋式整流器的負電源線。晶體管61的發射極在結點65連接到晶體管62的集電極上。同樣，晶體管63的發射極在結點66連接到晶體管64的集電極上。燈55經由電流變壓器67耦合到結點65和66上。纏繞在公共鐵芯上的示為68的每一個相應電流變壓器初級線圈被耦合在晶體管分別一個的基極和發射極之間。點火電路56經由次級線圈69耦合到電流變壓器的初級線圈以便將基極觸發脈沖饋給這四個晶體管。
當逆變器輸入電壓下降到低于預定閾值時，該逆變器停止導通并且當所述輸入電壓足夠高時必須被重新點火。為此目的，在AC半周期的開始施加一連串的高頻點火脈沖，直到當中斷這些點火脈沖時所述逆變器被點火。
圖6b以簡化形式顯示圖5中描述的電源電路50。與橋53相關的是濾波電容Cf以及與逆變器相關的是電容Cinv。由于這兩個電容是并聯的，與電路相關的總輸入電容由以下給出C＝Cf+Cinv圖7a圖示跨越電源輸入電容上的調光器電壓V。與饋給在圖7b中圖示逆變器54的點火電壓Vign之間的時間關系。圖7c圖示逆變器電壓與圖7a和7b中所示波形之間的時間關系以及與圖7d中圖示檢測器電壓之間的時間關系。調光器電壓Vc的形式初始取決于調光器的特性并且上升直到它的幅度達到閾值檢測器59的閾值電壓VGen為止。直到發生這種情形為止，如在圖7b中所示的高頻點火脈沖被連續地饋給點火電路51，但是逆變器54不能導通直到它的輸入電壓超出特定的電平。如此校準該閾值檢測器59，即當檢測器電壓Vdet的幅度達到預定的閾值電壓VT時，輸入到逆變器的電壓具有足夠的幅度以允許逆變器的點火。當這種情形發生時，禁止所述脈沖定時器將其他點火脈沖饋給點火電路51。可以看到實際上在點火之后僅將圖7b中所示的單個點火脈沖施加于逆變器，并且施加持續剩余的導通周期，當所述逆變器停止導通以及點火脈沖被再次饋給逆變器點火電路時，在它導通時沒有其他點火脈沖饋給逆變器直到檢測器電壓下降到低于所述閾值為止。點火脈沖的頻率必須足夠的高以保證一旦逆變器變成激活，則對調光器-逆變器電路的輸入電容進行放電，從而防止輸入電容的影響被逆變器傳遞到負載。
一旦逆變器54被點火并開始導通，則跨越輸入電容的調光器電壓經由逆變器54向負載55進行放電。這避免了上述提及的有關傳統電路的問題，輸入電容的再充電中斷調光器逆變器系統正常的工作這樣導致抖動的產生。
從以上描述清楚的是為了逆變器54開始導通，必須滿足兩個基本條件
1)饋給逆變器輸入端的被整流調光器電壓必須達到特定的電平；以及2)點火脈沖必須饋給逆變器。
如果輸入電容被不正確地放電，兩種現象的其中一種或二者的組合將會發生1)當上述輸入電容(在調光器的輸出端也可以發現)被充電時它將改變調光器的點火角度。這將影響調光器角度的穩定性。
2)相同輸入電容的高電平電壓充電能夠產生逆變器的過早發生(在調光器點火之前)。但是，逆變器不具有足夠的能量來繼續工作因為它的能量源只是在輸入電容中短期存儲的能量而不是持續的調光器能量。在逆變器截止之后，該逆變器不能總是立即開始發生。在調光器點火的同一點上，逆變器沒有準備好開始發生。
應該重要注意到上述過程并不總是穩定的，這將導致負載能量的抖動。當使用鹵素燈或鹵鎢燈時，這一點通過閃爍來表明其自身。
如果使用高頻點火源，那么只要逆變器開始發生，系統將自動地開始放電電容到負載。
在圖5中所示的電路具有以下的優點●逆變器-調光器-負載系統的穩定性，●在不具有調光器的電路中以最小相位角激活逆變器的能力(減小點火沖擊和增加占空因數)，●不需要前沿調光器的特別的同步電路，●由于調光器的有效負載現在是逆變器本身，所以不需要加載調光器的特別電路。
圖8是功能性顯示根據本發明的“智能”電源80的方框圖，該電源包括可切換地耦合到橋式整流器83的前沿調光器81和后沿調光器82，該整流器耦合到鎮流器84和逆變器85用于以已知方式對燈負載86進行饋送。鎮流器84由示為87的可編程控制器直接地控制，控制器還用于饋送點火信號給逆變器85。可編程控制器87由電源88供電，該電源耦合到橋式整流器83的DC輸出端，并且該編程控制器接收作為輸入信號的電壓基準Vin，它相應于橋式整流器83輸出端整流AC電壓的估計，由電壓傳感器89所確定；電流基準Iout，相應于由電流傳感器90確定的饋給燈86的輸出電流；和外部溫度傳感器91檢測的環境溫度信號t0。可編程控制器87的第一輸出被饋給用于向鎮流器84饋送PWM控制信號的PWM驅動器92。可編程控制器87的第二輸出被饋給點火電路93，用于向逆變器85饋送點火信號。外部端口94饋送輸入信號到可編程控制器87，并且允許外部地饋送控制參數，用于修改控制器87的行為。通過這些裝置，能夠根據特定用戶需求定制控制器87而不需要對電源電路作出任何的改變。
可編程控制器87被編程成向逆變器饋送構造的電壓波形，以便減小由調光器所產生的聲頻噪聲，并且還允許白熾燈的軟啟動。現在將特別參考圖9到14說明完成這種編程的方式。控制器87直接控制鎮流器，以便通過鎮流器饋給逆變器的全部是點火脈沖。由于諸如軟啟動、前沿和后沿調光器控制的所有控制經由鎮流器完成，這樣允許使用現成的任何逆變器，以及以50％的占空周期和饋給它的點火脈沖工作。在諸如短路故障的緊急情況下，當必須沒有延遲地中斷逆變器的時候，控制器87直接施加中斷信號到該逆變器，到所述逆變器晶體管的其中一個柵極。
圖9是功能性顯示根據本發明的具有用于減小聲頻噪聲的校正鎮流器的電源100方框圖。電源100包括可切換耦合到橋式整流器103的前沿調光器101和后沿調光器102，該整流器耦合鎮流器104和逆變器105，用于以已知方式對燈負載106進行饋送。鎮流器104通過示為107的外部控制器直接控制，該控制器包括將控制信號饋給PWM整形控制單元110的后校正控制單元108和預校正控制單元109，所述PWM整形控制單元將PWM控制信號饋給鎮流器。后校正控制單元108聯合前沿調光器工作，而預校正控制單元109聯合后沿調光器工作，用于校正施加到鎮流器104的電流波形分別的前沿或后沿。
鎮流器104的控制受到下列因素的影響確定哪一個沿(前沿、后沿、或二者)失真，尋找調光器接通/截止的相位角，以及計算鎮流器相位角，需要提供正確的校正度數以獲得負載電流所需要的平滑形狀。因此，如果調光器是前(上升)沿調光器，將不存在電壓直到調光器點火為止。因此，代替電壓平滑、連續的上升，可以將前沿視為失真，是由于在點火的角度，從無電壓到瞬時AC電源電壓的突然不連續性而產生的。反之，如果所述調光器是后(下降)沿調光器，后沿將會顯示出電壓的平滑、連續上升，但是在調光器電壓的后沿下降之后將不存在電壓。所以，代替電壓平滑、連續的下降，可以將后沿視為失真，是由于在調光器下降角度，從瞬時AC電源電壓到無電壓的突然不連續性而產生的。
在已經因此確定所述調光器是前沿還是后沿調光器之后，就確定了調光器的接通/截止的相位角。對于這兩種類型的調光器，測量AC周期，并且還可以監控電壓越過時間軸的瞬間。對于前沿調光器，可以通過測量自點火直到電壓越過時間軸的時間，并從半時間周期中(即AC半周期的時間)減去該測量的時間來確定相位角。后沿調光器當AC輸入電壓在零之上時開始導通，因此在這種情況下相位角簡單來說就是從AC半周期開始直到下降電壓為止的測量時間。用于提供正確的校正度數以獲得負載電流所需的平滑形狀和保護要求的鎮流器相位角的計算，必須考慮這些參數如先前的調光器抖動、檢測器濾波器延遲、噪聲、負載電平、先前的調光器最佳點火條件、啟動要求等等。例如，在前沿調光器中，調光器的點火抖動對于促進延遲(Δt)扮演重要作用，并且需要后校正以便鎮流器總是在最近的可能時間即t+Δt上升。下面將參考附圖中的圖10g更詳細地說明這種原理，該圖顯示了鎮流器在調光器利用某(低)傳輸因數接通時，立即開始導通，并在計算的時間上升。在后沿調光器中，相反地適用并且需要預校正以通過保證鎮流器在最早的可能時間即t-Δt下降從而避免抖動。下面將參考附圖中的圖11f更詳細地說明這種原理。在兩種情況下因此保證當調光器在工作時，鎮流器總是某傳輸因數下導通，并且避免調光器可能試圖經由不存在的負載導通的可能性。確定的輸入參數包括輸入電壓的前沿和后沿的相位角，并且這些參數被用于計算鎮流器控制器107的內部準調光器角度、軟啟動時間等等。
應該注意到盡管在圖9中控制器107示為在前沿和后沿調光器的外部，它可能與此與調光器構成整體，該調光器電路是控制器的一部分。在控制器在調光器外部的情況下，有必要如上所述確定該調光器是前沿還是后沿調光器，以便控制器107可以知道是否應用后校正或者預校正、軟啟動指令、某些系數等等。這些術語將在下面參考附圖中的圖12到14更詳細地描述。但是，仍然具有某些場合，確定所述調光器是前沿還是后沿調光器的行為是不必需的例如如果控制器和已知類型的調光器構成整體。當然，在這種情況下，控制器107可以具有更簡單的結構，因為不再需要具備后校正控制單元108和預校正控制單元109兩者取決于控制器107配置的調光器類型，只需要其中之一。但是，在說明這個時，值得注意的是鎮流器還可以被配置用于組合的前沿/后沿調光器，在該調光器中輸入電壓的前沿和后沿二者都失真，在這種情況下，可能需要后校正控制單元108和預校正控制單元109。在具有輸入電壓的前沿和后沿二者失真的這種組合的前沿/后沿調光器中，在線電壓已經越過時間軸之后，點火(上升)發生，并且在它越過時間軸之前，下降發生，這樣通過零交叉點的方式不可以測量時間周期或相位角。但是，時間周期可以測量為連續點火之間的時間，可以很容易地將該周期確定為電壓從零改變成非零的瞬間。實際上，可以將使用時鐘與一對單穩態相聯合，以產生一對相互同步的脈沖串，它們其中的一個上升沿開始與點火同步，以及另一個上升沿開始與下降同步。兩個脈沖串中相應脈沖的各自上升沿之間的差接著對應調光器的瞬時相位角，應該明白由于例如抖動的原因在連續的脈沖之間發生變化這種情況。
可以從接通調光器的瞬間，即對于AC半周期，應用前沿的后校正。但是，由于后沿必須在能夠被檢測到之前發生，因此將預校正應用到第一AC周期是不可能的，并且僅在后沿被檢測到之后，才能應用預檢測必需的量。因此在實際中，在當前周期到下一個AC周期的后沿之后，將為每個AC周期計算的預校正量應用到時間T-Δt，這里T是時間周期以及Δt是必需的預校正。在所有情況下，將會明白可以使用分立的電子或經由適當編程的微處理器或在固件中來實現預校正和后校正單元。
圖10a所示為當不應用后校正時，通過前沿調光器101將整流的AC電壓施加到逆變器105。因此，取決于調光器101的點火角度，當將調光器點火時，尖峰、幾乎瞬時的電壓上升發生了。但是，在這種情況發生，作為點火角度已知的時刻，特別是在使用低質量的時候，可以從一半周期改變到另一半周期。因此，用于第一半周期的點火角度是t，而用于下兩個半周期的相應點火角度是t+Δt。標稱點火角度t和實際點火角度之間的最大時間Δt已知為調光器的抖動。而且，所述調光器甚至可能完全地點火失敗如圖10c所示，其中該調光器不在第三半周期中操作。
圖10b圖示為根據本發明模擬應用到前沿電壓調光器101的點火脈沖的鎮流器電壓。鎮流器104利用相對于輸入電壓的時延進行切換，其中所述時延必須大于前沿抖動的時間Δt，這樣完全地消除負載中的抖動。而且，如在圖10d中所示在調光器過程截止的臨時消失的情況下(由于調光器的不穩定操作)，所述控制器繼續以計算的時間操作鎮流器(內部準調光模式)。此外，通過在點火之后，在短的后校正時間周期期間，逐步地增強電壓，避免與傳統調光器相關的在圖10a中所示的尖峰電壓上升，在后校正時間周期之后，電壓波形在時間t+Δt處恢復其原始的形狀。
在根據本發明的后沿調光器102的情況下，鎮流器104利用相對于輸入電壓后沿的時間提前進行切換。將該時間提前計算為用于形成負載電流平滑下降所必須的預校正時間，以及輸入電壓后沿的最大抖動角度的求和。在后沿臨時消失的情況下(由于調光器的不穩定操作)，如圖10d所示該控制器以計算的時間繼續操作鎮流器(內部準調光模式)。
圖10e圖示為當點火不發生，這樣AC半周期繼續不被中斷時的調光器電壓。圖10f圖示為當在時間t正常點火發生時的調光器電壓。如上所述調光器的點火角度能夠改變±Δt。圖10g圖示為通過鎮流器施加到逆變器的模擬電壓。因此，在時間t，鎮流器施加非常小的電壓給逆變器，并且在時間間隔Δt之后它施加完整的輸入電壓，這樣逆變器輸出電壓達到最大電平。通過這些方式，將該調光器進行模擬在它的最大點火角度t+Δt點火，同時避免在時間t不應用小電壓階躍將會發生的抖動。
圖11a再次以簡化形式顯示圖5中描述的傳統電源電路50，用來與后沿調光器一起使用，其中如本領域中所已知的那樣，使用電容Vc來減小聲頻噪聲，用于在調光器導通時存儲能量，并且當調光器停止導通時所述電容放電以避免電壓中的突然下降。在傳統的調光器中，電容Vc在存儲足夠能量的原理上操作，以便在輸入電壓中斷之后，將能量饋送給負載一些時間，并且因此避免引起噪聲的電壓突然中斷。
圖11b圖示為根據傳統的方法，如在圖11c中所示，調光器電壓Vc和饋給逆變器的逆變器電壓VC之間的時間關系。因此，可以看到，在傳統的方法中，電容必須足夠的大，以便在點火后沿調光器之后提供電壓給逆變器一些時間，這樣它停止導通。由于所述電容用作能量源，所以它必須具有足夠的電容值以在電壓中斷之前存儲來自電網的能量。電容值越大，它將存儲的能量越多，并且放電所花的時間越長，以及負載中的聲頻噪聲也將越小。對于300W調光器，所述電容必須具有接近3到7μF的電容值。
圖11d以簡化形式顯示經修改的用于與后沿調光器(未示出)使用的電源電路120，其中使用預校正鎮流器121減小聲頻噪聲。鎮流器121連接到橋式整流器122的輸出端，以及連接到逆變器123的輸入端，該逆變器輸出連接到負載124上。將電容VC連接跨在鎮流器121的輸出端上。將會看出圖11a中描述的傳統電路50和圖11d中描述的修改電路120之間的區別在于鎮流器121，如現在將要說明的，該鎮流器用于控制逆變器123。
圖11e圖示為調光器電壓Vc和饋給如圖11f中圖示根據本發明的逆變器的逆變器電壓VC之間的時間關系。如以上參考附圖的圖11a到11c所說明的，工作原理不同于傳統的后沿調光器。具體而言，因為容易確定點火角度調光器何時將要截止是已知的。在這種情況下，鎮流器中的控制器稍微提前地點火所述調光器，這樣它停止導通以及然后饋送在電容中所存儲的能量直到它被完全地放電。在這種情況下，電容的電容值必須這樣，在點火后沿調光器之后，將電壓持續地饋給逆變器直到所述調光器將已經被正常地點火的時間為止。由于在調光器的實際點火由控制器來控制，以在實際點火之前發生，這樣輸入電壓還沒有被中斷，因此從AC電力供應繼續提供電壓。因此，電容VC不需要存儲電壓以便在點火之后給負載提供能量，并且可以因此比傳統的方法具有相當低的電容值。具體而言，對于300W調光器，電容VC必須具有接近0.1到0.5μF的電容值-即小于傳統后沿調光器幅度的等級。
因此，在本發明提供的預校正方法中，后沿調光器在被整流AC半周期中比將會正常發生的稍微早些停止導通完整的AC電壓。以類似的方式，后校正方法可以用于前沿調光器，以便調光器在被整流AC半周期中比將會正常發生的稍微晚些開始導通完整的AC電壓。所以，在二者情況中，通過調光器將稍微較小的平均電壓施加給負載。但是，正如與此相對存在對于后沿調光器來說明顯的以下優點●不需要使用大電容校正后沿調光器；●在逆變器中不存在電子沖擊；●形成前沿和/或后沿最佳形狀的可能性，用于將聲頻噪聲和燈閃爍最小化，以及將傳遞到負載的能量最大化；●校正輸入電壓周期的任何部分(前沿，后沿，或二者)的可能性；●校正調光器臨時故障的內部準調光模式；●即使錯誤地確定調光器類型并且不執行其中一個邊沿的整形，由于不存在大的電容，在逆變器中也將不會出現大的沖擊。
在輸入電壓的前沿和后沿都失真的情況下，執行正向前部和后向前部的預校正和后校正。
圖12到14圖示為與根據本發明軟啟動控制電路相關的電壓波形，用于消除或至少減小冷燈絲啟動引起的沖擊電流。以下的描述涉及圖11d中所示的電路120，并假設將AC電源電壓饋給輸出端連接到橋式整流器122的前沿或后沿調光器(未示出)。
圖12a所示為具有半周期期間T的AC電源電壓波形Vin，并且圖12b所示為在橋式整流器122的輸出端被整流的電壓波形Vrec。圖12c所示為當使用前方調光器時，將輸入電壓Vin饋給橋式整流器122。因此，輸入電壓Vin是零直到調光器被點火為止，在此之后它跟隨圖12a中所示的AC半周期直到AC電源電壓變成零，當調光器電壓被中斷并且保持為零直到在負半周期調光器被點火。圖12d所示為在橋式整流器122的輸出端對應于在圖12c中所示輸入電壓Vin被整流波形的被整流電壓Vrec。
圖12e顯示表示為Vsw的遞增啟動電壓，將該電壓饋給逆變器，并且在輸入電壓的連續半周期期間，該電壓跟隨圖12d中所示被整流電壓波形Vrec連續較長時間期間。因此，在第一半周期結束時，在時間T-Δt1，將啟動電壓Vsw初始施加Δt1的時間期間。在第二半周期期間，在時間T-(Δt1+Δt2)將啟動電壓Vsw施加(Δt1+Δt2)時間期間。在第三半周期期間，在時間T-(Δt1+Δt2+Δt3)，將啟動電壓Vsw施加(Δt1+Δt2+Δt3)時間期間。通常，在第nth半周期期間，在時間 將啟動電壓Vsw施加等于 的時間期間，對于后沿調光器，該啟動電壓總是在接近相應半周期結束時施加，并且在連續半周期期間增加，直到白熾燈被完全點火為止。
圖12f所示為當使用后沿調光器時的輸入電壓。因此，輸入電壓跟隨圖12a中所示的AC半周期直到該調光器被點火，在此之后中斷該調光器電壓，并且在AC半周期的剩余部分保持零。在負半周期期間，調光器電壓再次跟隨負AC半周期直到調光器被點火，之后中斷調光器電壓并且保持零到下一個負半周期。圖12g所示為在橋式整流器122輸出端的被整流電壓Vrec，對應于在圖12f中所示輸入電壓Vin的被整流波形。
圖12h所示為表示為Vsw的遞增啟動電壓，將該電壓饋給逆變器，并且在逆變器電壓的連續半周期期間，跟隨圖12e中所示電壓波形Vrec連續較長時間期間。因此，在第一半周期的開始，在時間0啟動將電壓Vsw初始施加一段時間期間Δt1。在第二半周期期間，在時間Δt1將啟動電壓Vsw施加一段時間周期(Δt1+Δt2)。在第三半周期期間，在時間(Δt1+Δt2)將啟動電壓Vsw施加一段時間周期(Δt1+Δt2+Δt3)。通常，在第n個半周期期間，在時間 將啟動電壓Vsw施加等于 的時間周期，對于前沿調光器，所述總是在相應半周期的開始時施加啟動電壓，并且在連續的半周期期間增加該啟動電壓，直到白熾燈被正確點火為止。
圖13a再次所示為具有半周期期間T的AC電壓波形Vin，并且圖13b所示為饋給鎮流器121的被整流電壓波形Vrec。圖13c以放大比例顯示在連續的半周期期間，用于后沿或前沿調光器的逆變器輸入電壓。圖13d以放大比例顯示前沿調光器的啟動電壓的連續階段。特別值得注意的是在通常情況下Δti-1＞Δti以便不會發生不必要地延長啟動過程。
現在將參考圖示通過白熾燈的部分電流波形的圖14a到14c說明對于此的原因。在接近如通過Ii-1所示AC半周期的開始電流幅度不是足夠大以使白熾燈點火，但是這樣使得燈絲開始發熱。燈絲的增加溫度使其電阻值增加，反過來這減小了流過燈絲的電流。因此，在傾向于增加燈絲電流的電壓增加，和由于自加熱引起增加的電阻所導致的燈絲電流降低之間存在一種平衡。在如通過Ii所示的接下來的半周期期間電流幅度超出燈的閾值電流。根據經驗，可能認為需要通過在下一個半周期期間減小電壓來減小電流。但是，實際上不需要這樣做，這是因為由于通過燈絲增加的I2R損耗所產生的電阻增加減小了燈絲電流。因此，在下一個半周期期間，不需要減小電壓，并且應用的唯一補償是不改變輸入電壓，并且因此不改變輸入電流。這通過Ii+1所示的電流波形進行圖示，其中將饋給燈絲的電壓片的時間周期以及因此電流片的時間周期保持和前一半周期一樣即Δti+1＝0。盡管這樣，可以看出由于它增加的電阻，燈絲電流稍微地降低。
圖8中所示的可編程控制器87，它可以是圖11d中所示鎮流器121一部分，調節這個平衡，以便將足夠大的增量饋送足夠的電流通過燈絲，燈絲逐步地加熱，但是它仍然僅在若干半周期內點火，因此減小了由于過多突然點火所產生的沖擊電流。
這可以與饋給圖4b中所圖示的現有技術軟啟動電路的逆變器的連續電流尖峰相比較。如上所述，盡管減小了圖4b中所示通過燈絲的平均電流，每個瞬時電流峰值在同一時間瞬間與相應的AC半周期具有相同的幅度。與此相反，如在本發明中，該燈絲電流從不超出控制器設置的預定閾值。然而與現有技術電路的進一步區別在于，在相同的AC半周期中，連續的軟啟動脈沖被饋給燈絲，這樣接下來的電流脈沖的應用期間，電流總是流過燈絲。另一方面，在本發明中，在每個連續的半周期期間，饋給燈絲的軟啟動電流總是從零開始。
將會理解在不背離如權利要求書所定義的本發明范圍的條件下可以對優選實施例作出各種修改。例如，盡管未示出，本發明包含半橋式和全橋式逆變器以及次級線圈上的AC和標稱DC輸出電壓。
權利要求
1.一種在燈調光器使用期間，用于減小所產生的聲頻噪聲的方法，該方法包括(a)如果所述調光器是前沿調光器(101)i)確定該前沿調光器的標稱點火時間；和ii)將后校正應用到一個施加至該調光器的電壓，該調光器從所述標稱點火時間啟動，以在預定的后校正時間期間過程中，逐步地增強電壓，并因此減小其前沿上升的速率；(b)或如果所述調光器是后沿調光器(102)i)確定該后沿調光器的標稱截止時間；和ii)將預校正應用到一個施加至該調光器的電壓，該調光器從所述標稱截止時間啟動，以在預定的預校正時間期間過程中，逐步地減小電壓，并因此減小其前沿上升的速率。
2.根據權利要求1的方法，包括檢測該調光器是前沿調光器還是后沿調光器。
3.根據權利要求2的方法，其中檢測該調光器是前沿調光器還是后沿調光器包括(a)確定前沿或后沿中的哪一個被失真；(b)找到調光器接通的相位角；以及(c)計算鎮流器的相位角，需要它以提供校正的正確度數，以便獲得負載電流需要的平滑形狀。
4.一種在燈前沿調光器(101)使用期間，用于減小所產生的聲頻噪聲的方法，該方法包括(a)確定該前沿調光器的標稱點火時間；和(b)將后校正應用到一個施加至該調光器的電壓，該調光器從所述標稱點火時間啟動，以在預定的后校正時間期間過程中，逐步地增強電壓，并因此減小其前沿上升的速率；
5.一種在燈后沿調光器(102)使用期間，用于減小所產生的聲頻噪聲的方法，該方法包括(a)確定后沿調光器的標稱截止時間；和(b)將預校正應用到一個施加至該調光器的電壓，該調光器從所述標稱截止時間啟動，以在預定的預校正時間期間過程中，逐步地減小電壓，并因此減小其前沿上升的速率。
6.根據權利要求1到5的任何之一的方法，其中所述施加于調光器的電壓是標稱DC。
7.一種用于模擬前電壓沿調光器(101)的操作，以便將受控輸入電壓饋給逆變器(105)，該逆變器經由橋式整流器(103)耦合到該調光器的方法，該方法包括(a)確定調光器前沿的最大抖動角度Δt；和(b)利用大于和輸入電壓相關的最大抖動角度Δt的時間延遲，對該逆變器進行開關。
8.根據權利要求7的方法，甚至當所述調光器不點火時，用于模擬該調光器的操作，還包括(d)在時間t，將一小部分輸入電壓施加給逆變器；以及(e)在進一步的時間間隔Δt之后，將該輸入電壓施加給逆變器。
9.一種用于將受控輸入電壓饋給逆變器(105)的控制器，該逆變器經由橋式整流器(103)耦合到前電壓沿調光器，所述控制器被配置成根據權利要求7或8的方法來操作。
10.一種用于模擬應用到后電壓沿調光器(102)點火脈沖，以便將輸入電壓饋給逆變器(105)，該逆變器經由橋式整流器(103)耦合到該調光器(102)的方法，該方法包括(a)確定調光器前沿的最大抖動角度Δt；和(b)利用大于和輸入電壓相關的最大抖動角度Δt的時間提前，將該逆變器進行開關。
11.根據權利要求10的方法，其中所述時間提前等于對形成負載電流的平滑下降所必須的預校正時間和調光器后沿的最大抖動角度Δt的求和。
12.一種用于將受控輸入電壓饋給逆變器(105)的控制器，該逆變器經由橋式整流器(103)耦合到后電壓沿調光器，該控制器被配置成根據權利要求10或11的方法來操作。
13.一種燈調光器(81，82)，配置成根據權利要求1到12的其中任何之一的方法來操作。
14.一種用于軟啟動燈電源用于與白熾燈使用的方法，該方法包括(a)在連續的AC半周期期間，從零電壓開始施加電壓片；和(b)在連續的AC半周期期間，增加所述電壓片的持續時間，同時保證在白熾燈點火之前，流過燈絲的燈絲電流不超出預定的閾值。
15.根據權利要求14的方法，還包括(c)在白熾燈點火之前，相應于瞬時電壓片來比較預尖峰燈絲電流和預定的電流閾值；和(d)如果預尖峰燈絲電流超出所述閾值，保持連續電壓片的持續時間等于瞬時電壓片的持續時間。
16.根據權利要求14或15所述的用于后沿調光器使用的方法，其中在每個AC半周期開始時施加連續電壓片。
17.根據權利要求14或15所述的用于前沿調光器使用的方法，其中在每個AC半周期結束時施加連續電壓片。
18.一種用于白熾燈使用的電源，所述電源被配置成根據權利要求14到17的其中任何之一的方法來操作。
19.一種用于點火電源電路(50)中逆變器(54)的方法，它具有輸入電容和耦合到逆變器輸出端的負載(55)，并且其中將AC電源電壓饋給該逆變器，經由耦合到橋式整流器(53)的調光器電路(52)，該方法包括(a)將被整流的調光器電壓饋給逆變器的輸入端；(b)連續地向逆變器饋給點火脈沖，直到至逆變器輸入端的被整流調光器電壓的幅度必須達到特定的電平；和(c)當饋給該逆變器的輸入端的被整流調光器電壓的幅度達到所述特定的電平時i)經由逆變器(54)將跨接輸入電容的調光器電壓放電到負載(55)；和ii)中斷所述點火脈沖至該逆變器。
20.一種用于在電源電路(50)中點火逆變器(54)的點火電路，它具有輸入電容和耦合到逆變器輸出端的負載(55)，并且其中AC電源電壓被饋給該逆變器，經由耦合到橋式整流器(53)的調光器電路(52)，該點火電路被配置成根據權利要求19的方法來操作。
全文摘要
一種減小在使用燈調光器期間所產生的聲頻噪聲的方法檢測是否所述調光器是前沿調光器(101)還是后沿調光器(102)。確定前沿調光器的標稱點火時間并且應用后校正給施加于從所述標稱點火時間啟動的調光器的電壓以在預定的后校正時間周期期間逐步地增強電壓并因此減小其前沿上升的速率。確定后沿調光器的標稱截止時間并且應用預校正給施加于從所述標稱截止時間啟動的調光器的電壓以在預定的預校正時間周期期間逐步地減小電壓并因此減小其前沿上升的速率。還公開了軟啟動白熾燈和控制調光器電路的其他方法。
文檔編號H02M5/293GK101040570SQ200580035233
公開日2007年9月19日 申請日期2005年8月1日 優先權日2004年8月16日
發明者維克多·欽克, 亞歷山大·弗特爾 申請人:照明技術電子工業有限公司