用于燈具加熱和減光控制的集成電路的制作方法

專利名稱：用于燈具加熱和減光控制的集成電路的制作方法
本申請是申請號為01812644.8、申請日為2001年4月3日、發明名稱為“用于燈具加熱和減光控制的集成電路”的專利申請的分案申請。
背景技術：
電子鎮流器被用以驅動熱陰極管螢光燈具(HCFL)。此電子鎮流器需要對燈絲及引燃電壓提供預先加熱能量以點亮燈具。在燈具點亮后，電子鎮流器應規律燈具電流并持續供應較低水平的加熱能量至燈絲。為節省能源，電子鎮流器最好可進行減光控制。當HCFL操作于各種減光條件時，燈絲之加熱能量應據此而調整以確保燈絲之正常壽命。據此，本發明提供可提供預先加熱能量予燈絲，并提供燈具之各種減光控制之控制電路。

發明內容
據此，本發明提供一電子鎮流器，該電子鎮流器含有一可變電壓源，該變電壓源可產生指示熱陰極管螢光燈具所欲減光值的第一信號，及指示該可變電壓源之平均功率的第二信號。一鎮流器控制器被提供，其包括有燈絲電流控制電路，該燈絲電流控制電路包含在一預定期間對燈具之燈絲產生預先加熱燈絲電流的預先加熱燈絲電流控制電路以及在該預定期間后產生與所欲減光值成反比例之穩態燈絲加熱電流之穩態燈絲電流控制電路。此控制器亦包括減光電路，該減光電路包含接收該第一信號且產生與所欲減光值成比例之PWM(脈寬調制)信號的突發PWM產生器；接收指示施加至該燈具之電流的信號并比較指示施加至該燈具的電流的信號和該PWM減光信號以產生可變電力控制信號之電流反饋電路；及接收該可變電力控制信號并產生通過反相該第二信號而得到的與電力控制信號成比例的AC信號的反相器電路。此鎮流器系統更包括輸出電路，該輸出電路耦接至包含接收該AC信號以遞送點亮與穩態正弦電力至該燈具的空腔諧振器電路的該反相器電路。
在另一實施例中，本發明提供一電子鎮流器系統，其包含產生指示熱陰極螢光燈具所欲減光值之第一信號以及指示該可變電壓源之平均功率之第二信號的可變電壓源。一鎮流器控制器被提供，其包括有燈絲電流控制電路，該燈絲電流控制電路包含在一預定期間對該燈具之燈絲產生預先加熱燈絲電流的預先加熱燈絲電流控制電路及在該預定期間后產生穩態燈絲加熱電流的穩態燈絲電流控制電路；用以改變遞送至該燈具作為該第一信號值的函數的電力減光電路；及根據該減光電路由該第二信號產生一AC信號之全橋式反相器電路。此鎮流器亦包括輸出電路，該輸出電路耦接至全橋式反相器的輸出，該全橋式反相器包含接收該AC信號并產生正弦信號以遞送點亮和穩態電力至該燈具的空腔諧振電路。
本領域技術人員將可了解，雖然下列詳細敘述將參考例示實施例及使用方法而進行，但本發明之范圍并不限于該等例示實施例于使用方法。詳而方之，本發明之范圍更廣，且僅受限于申請專利范圍所設限之范圍圖式簡要說明。


本發明之其余特征對本領域技術人員而言可參考下列詳細敘述及參考圖式而更為清楚，其中相同編號代表相同之部件，其中第1圖為本發明之燈具減光與加熱控制電路之例示方塊圖；第2圖為根據本發明的用于燈具燈絲電流控制的釋例電路；及第3A、3B、及3C圖為本發明之例示HCFL減光電路的電路釋例與時序圖。
具體實施例方式
參考第1圖，其設有供熱陰極管螢光燈具(HCFL)所用的釋例鎮流器控制系統10。此控制系統10包括產生減光水平電壓信號(整流器2)和線水平電壓信號(整流器1)的傳統整流器14和16；包括燈絲預先加熱電路的控制器12；穩態燈絲加熱電路；減光電路；及用以產生驅動熱陰極螢光燈具(HCFL)的高電壓AC信號的反相器電路。該系統更包括施加預先加熱與穩態燈絲加熱電流于燈具20之驅動電路18及供燈具20操作的控制電壓。反饋電路22被提供以產生指示燈具狀況之反饋信號。此等功能性元件將于下文詳述。
首先，應了解者為第1圖之IC實施方塊圖為用于控制包括燈絲預先加熱電路與減光電路的一或多個HCFL(S)的單一IC釋例實施例。熟于此技都將可確知第1圖所給示之IC僅為本發明許多釋例其中之一，且本發明并非僅限于第1圖之釋例。甚者，下列詳細敘述將參考第1圖之IC之特定接腳而進行，然而，此等特定接腳僅為釋例用且同樣地并非用以限制本發明。
燈絲加熱控制本發明之控制器12包括預先加熱燈絲加熱控制電路26以在一預定期間控制并遞送預定電流至燈具之燈絲，及穩態燈絲電流控制電路28以控制在燈具之穩態操作期間所施加之電流。如本領域技術人員所了解，在點亮各種熱陰極管之燈具前，燈絲必需在供給必要點亮電壓前預先加熱。下文敘述是針對釋例實施例之控制器12之方塊24、26、28、30、及32之電路與方法而說明。
減光電路之更為詳細敘述提供如下。然而，為更了解燈絲加熱控制之目的，整流器2(14)產生由整流器之位置角所決定之DC電壓，舉例言之，如整流器2之分壓器相關的三端雙向可控硅開關元件(Triac)的位置組合所設定。此程序將可為本領域技術人員所了解。此將產生與所欲減光值成比例之電壓信號，Vdim42。此減光水平信號42被輸入于控制器與Vbus檢測方塊24。在此實施例中，VBus檢測24包含檢測在三端雙向可控硅開關元件出現之電壓之一般磁滯比較器，并被用以產生導通預先加熱燈絲控制電路26與燈絲控制電路28(及下述控制器12之其他元件)之致動信號40。換言之，控制器12在三端雙向可控硅開關元件未產生可變電壓時并未產生預先加熱或穩態燈絲電流。
如同熱于鎮流器領域者所習知，且特別是用于驅動HCFLs之鎮流器，不同之燈具20要求不同之燈絲預先加熱電流及/或預先加熱燈絲所需之時間。據此，本發明包括使用者可定義插腳64，用于提供與被遞交至燈具燈絲的所欲預先加熱電流的數量成比例的信號。同樣地，插腳72允許鎮流器設計者設定一個期間來定義預先加熱期間，例如，通過連接至Cpreheat插腳72之外部電容器而設定。為建立燈具于穩態操作期間所使用之最大與最小燈絲電流，插腳68與72被用以建立欲被遞送至燈具20之燈絲的最小與最大燈絲電流數量。
回到第2圖之詳細釋例方塊圖，釋例電路系被顯示以供第1圖之預先加熱燈絲控制箱26、穩態燈絲電流控制箱28、高頻脈寬調制箱30、及預先加熱時序控制箱36所用。舉例而言，如圖所示，燈絲預先加熱信號64、最大穩態燈絲加熱電流控制信號68、及最小穩態絲加熱電流控制信號70(各自表示為燈絲DIM-MAX及燈絲DIM-MIN)可使用分壓器與電壓參考信號Vref86而產生。本領域技術人員將可確知此處所描述之信號之產生僅系供釋例說明用，且此等信號可以其他方法達成下述之功能，且此種替換皆系為本發明這范圍所包括。燈絲預先加熱插腳64對特定燈具設定預先加熱水平。此燈絲預先加熱程序將敘述如下。
一旦被VBus檢測電路24(如上所述)致動，預先加熱燈絲控制電路26接收燈絲預先加熱信號64并產生DC信號指示(或與之成比例)供燈絲預先加熱用之所欲電流設定。預先加熱燈絲控制電路26基本上包含選擇器開關，該選擇器開關由通過信號64以產生供預先加熱燈具之燈絲用的預定燈絲電流的致動信號所控制。在第2圖所示之釋例實施例中，多數燈具制造者所要求之范圍通常約2伏特至約7伏特間，雖然此范圍可根據燈具的操作特性而設定至任合所欲水平。
此預先加熱時間是由預先加熱時序控制電路36所設定且通常定義如下。在插腳72之外部電容器Cpreheat通常定義由電路26所產生之預先加熱電流預選加熱燈具之時間。如本領域技術人員所了解，電流或電壓源106經由以致動信號40所控制之開關108而被提供以充電預先加熱電容器。比較器110比較預先加熱電容器之充電所產生之電壓與參考電壓(在第2圖之釋例中，參考電壓被所示為6.8伏特，但可被選擇做為所欲輸出之任何參考電壓)。通常，電流或電壓源106被選擇為大于提供給比較器110之參考電壓，雖然其相反設定取決于所提供之開關架構而亦有可能為真。一旦預先加熱電容器上之電荷超過參考電壓，比較器110產生控制信號，開關S1及S2之傳導狀態將討論于下。預先加熱時序控制電路36更包括由重置信號38所控制的重置開關112且其可操作以泄放儲存預先加熱電容器內之能量，從而在控制器被重置后可避免錯誤信號進入比較器。因此，預先加熱電容器之時間常數與本發明之控制器所定義之預先加熱時間期間成比例，且可由選擇所欲電容器設定為任何所欲時間。燈絲預先加熱時間期間可藉由提高或降低施用至比較器110之參考電壓而調整以縮短或延長預先加熱燈絲控制電路26將預先加熱電流遞送至燈具之燈絲的期間。
一旦由預先加熱時序控制電路36所定義之時間期間結束，開關S1切換(由比較器110所產生之控制信號所控制)至施加穩態燈絲電流至燈具的燈絲電流控制電路28的輸出。為確保欲施用至燈絲之穩態電流之滿意操作范圍，燈絲控制電路28經由信號68及70設定欲被施用至燈具之燈絲的最小與最大電流。電路28可操作地接收整流器2(14)所設定特定減光電壓并確保減光電壓值操作于信號68及70所設定最小與最大值間。
在預先加熱時間與穩態時間期間，電路26與28之輸出信號被施用至高頻脈寬調制器電路30以在此二期間內遞送一定比例之燈絲電流至燈具之燈絲。高頻脈寬調制器電路基本上包含比較器114，其可以比較電路26或28之輸出與舉例而言，如第1圖所示之高頻振器44所提供之高頻鋸齒波信號(Ct)。電路26與28之輸出信號為DC信號，開關34被提供以設定由釋例馳回驅動電路18所產生之PWM信號之工作周期來遞送所欲燈絲加熱電流。DC信號與鋸齒波信號之交集控制由比較器114所決定的PWM信號的工作周期。燈絲驅動電路32被提供以緩沖比較器114之輸出和燈具之相關高阻抗。
在此釋例實施例中，減光電壓信號Vdim42與所欲減光值成比例。如本領域技術人員所了解，當燈具操作于正常操作條件下時，施用至燈具電極之電力(由A、B、C、及D之反相器布局、開關驅動器54、及全橋式開關56所遞送)亦具有加熱燈具燈絲之效果。在電力是可控制地遞送至燈具的可變減光條件下，由電源54與56所提供之加熱電流數量是與所欲減光值成比例。如下所詳述，Vdim42是決定反相器開關電路54及56所遞送之電力數量的電壓。當所欲亮度增加時，Vdim之值增加，且反之亦然。據此，為節省電力與防止燈絲之過加熱，第2圖之電路可確保當所欲減光值增加時，電路30之輸出減少，如下所述。開關S1之預設狀態為將電路26耦接至比較器114。開關S2之預設狀態為如圖所示旁路通過反相器122。
由于電路28之輸出與所欲減光值成比例，高頻PWM電路30包括接合或旁分反相器122的開關S2所選擇的反相器。當預先加熱時間結束時，預先加熱時序控制電路36產生指示預選加熱期間結束之信號ENDHT。ENDHT控制開關S1及S2之傳導狀態。當開關S1切換為具有電路28的耦接電路30時，開關S2接合以將反相器122耦接至比較器114之輸出。反相器之輸出遞送PWM驅動信號至與所欲減光值成反比例之燈絲驅動器32。如上所述，PWM電路30之反相與非反相輸出產生供開關34用之控制信號以經由反相器18產生燈絲電流信號。
燈具之點亮與穩態操作再次參考第1圖，并假設預先加熱期間已結束，致動掃頻電路52與高頻振蕩器44的ENDHT信號被致動以經由A、B、C、D驅動器54驅動H橋式MOSFETS開關56以遞送電力至燈具20。如下所述，在輸出側，LC諧振空腔電路形成變壓器之初級，且與燈具并聯之電容器被設置以提供燈具所需之必要點亮與穩態電壓。
本發明之控制器12之減光功能將由下文敘述而更為清楚，初始地，電流檢測器電路60之電流比較器之輸出即為高，因為無燈具電流且因此無檢測電流于Is末端96。同時，亦由于電流檢測器60禁止低頻PWM以突發模式進入錯誤放大器。類似地，由于VFB插腳92低于電路62所設定之臨界值(假設存有可用燈具)，電壓反饋檢測器62產生低輸出。因此，掃頻器52開始產生驅動信號至A、B、C、D驅動器54且開始于較高頻率而下降至一預定較低頻率。在掃頻期間之某些點，遞送至驅動器54(如本領域技術人員所了解，其驅動反相器開關56，以于驅動器54之頻率產生AC信號)之頻率符合LC空腔電路之共振頻率。此時，最大電壓被施用至燈具20且燈具20被點亮。一旦電流檢測器60觀察到空腔電路內之電流(意即此時燈具被導通且點亮成功)，電流檢測電路60之輸出、尤其是電流反饋控制器58減少，藉此控制用于增加或減少電力的驅動電路54之四個信號之間的相位。此種供全橋式/H橋式布局用之相位偏移技術是本領域技術人員所習知的。一旦點亮，掃頻電路52在諧振空腔電路22的頻率之下持續降至由外部電阻器及電容器RT(74)與CT(76)各自設定之操作頻率。電力以此方式遞送至燈具20。
減光控制仍然參考第1圖，本發明之釋例控制器12提供兩種減光方法操作以直接控制遞送至燈具之電流數量之傳統類比減光，及經由可控制脈寬調制信號之工作周期來調整遞送至燈具之電流數量的突發模式技術。就傳統類比減光而言，減光電壓信號42被輸入至電流反饋控制電路58(與例言之，經由調整插腳ADJ90)并與反饋電流Is96比較以增加或減少A、B、C、D驅動器電路54內之驅動信號間之相位，藉此提高或降低遞送至燈具20之電流數量。Is96是得自耦接至橋56的一個MOSFET的插腳LC98(舉例言之，橋56的一較低開關可被選擇做此用途)。把Is耦接至LC的電路是整流器及感應電阻器以產生供Is用之DC值。
可替換地，本發明之控制器12可包括允許比傳統類比減光具有較大減光范圍之突發同步模式減光電路。在第1圖之釋例控制器中，突發同步模式減光電路包括低頻振蕩器46與PWM信號產生器50。若控制器12致動突發同步模式減光，ADJ插腳90被設定為固定電壓，該電壓較佳地為與最大可允許燈具電流成比例，其原因如下所述。
低頻振蕩器46產生具有遠小于由高頻振蕩器44所設定之反相器開關56的操作頻率的頻率的鋸齒波信號。舉例言之，低頻振蕩器可被選擇以操作于500HZ，如Cburst插腳80之外部電容器所設定，同時，由高頻振蕩器44所決定之電路操作頻率可為10至1000KHZ。現在參考第3圖，產生電路50之突發同步模式PWM信號包含比較減光電壓信號42Vdim與低頻振蕩器46所產生的鋸齒波信號之比較器。其輸出為第1圖之PWM插腳88所示之PWM信號。
在此釋例實施例中，當突發同步模式減光由控制器12致動時，PWM插腳88被耦接至使電路操作如下的電流反饋插腳Is96。應注意到減光電壓信號Vdim與鋸齒波信號經由比較器116之交互作用產生一個PWM信號，該信號的工作周期由這兩個值的交互作用所定義。此外，如上所述，對突發同步模式減光操作而言，ADJ插腳是固定于與燈具之最大可允許操作電流成比例之值。由比較器116而來的輸出PWM信號具有兩種狀態當斷開PWM插腳為對燈具操作無影響之高阻抗，及當導通時具有PWM信號值。當比較器被斷開(或較低)時，燈具操作于由ADJ插腳所設定之最大比率電流，因為PWM信號(及反饋電流信號Is)與ADJ信號90被輸入至電流反饋控制電路58。電流反饋控制電路58包含加總PWM信號與Is之值的加法器電路并將此值與ADJ之值加以比較。通常，ADJ之值是設定為低于PWM信號。當PWM信號為高時，Is與PWM之加總值導致電流反饋控制電路58之輸出變低，從而順序斷開驅動電路54，藉此關閉橋式開關56并暫時從負載移除電力。
如此一來，可知比較器116產生的PWM信號之工作周期越大，燈具之減光越多，因為PMW導通時間值小于ADJ接腳設定值，即，與最大比率燈具電流成比例之值。相同地，較低的PWM信號50的工作周期意味產生較大的控制每一周期燈具電流之操作ADJ值的比例，此是由于當PWM信號被斷開時ADJ值在控制。在此釋例實施例中，突發同步PWM電路50使用比較器116產生之PWM信號以耦接或不耦接連接到PWM插腳88的電壓源。當導通時電壓源具有PWM值，且于斷開時具有高阻抗(開路電路)。此概念所示于第3B與3C圖之時序圖，此處Vdim與低頻鋸齒波信號間之交互作用產生低工作周期(第3B圖)與高工作周期(第3C圖)。應注意較大之Vdim值將產生較低之工作周期值。
重置與失敗燈具電路此外，電壓反饋電路62接收來自跨空腔電路(更詳而言之，其是跨一分壓器，該分壓器用以產生與施用至燈具之高電壓相比約為數伏特之信號)的插腳92的電壓反饋信號以產生指示開路或錯誤燈具條件之信號。類似地，電流反饋控制器與電流檢測電路58與60各自監視經由插腳96跨燈具之電流以決定除上述功能外，可指示燈具之短路情形之燈具電流情形。
若負載有一開路燈具或受損燈具之情形，釋例實施例之控制器12將操作如下。如上所述，由于一旦預先加熱期間結束，掃頻器52與開關56被致動，因此并無反饋電流(在燈具點亮前)。如此一來，電流反饋控制器58輸出為高，其導致開關56操作于最大重疊，但開關56并未(初始地)操作于空腔電路之共振頻率附近、且因此變壓器出現相對小之電壓。當頻率往下掃描且接近空腔電路22之共振頻率時，在VFB插腳92的電壓反饋增加。電壓反饋檢測電路62基本上包含比較反饋電壓92與預定臨界電壓(未所示)之比較器。當反饋電壓超出臨界電壓時，比較器之結果輸出被送至隨后產生重置信號38的重置電路120。尤其是重置信號38被施用至產生使振蕩器44、掃頻器52、驅動電路54、及開關56失能的失能信號(例如致動信號40之效果)的Vbus檢測電路24。同時，重置信號38使能開關112(第2圖)以泄放儲存于預先加熱電容器72之能量。為避免無意間使控制器失能，電壓檢測比較器62所使用之臨界電壓應被設定使得開路燈具電壓高于正常點亮電壓以確保充分點亮。在重置后，本發明之控制器12可被用以關閉所有元件一預定時間期間且于該期間時間后試點亮燈具。
重置電路120是由電壓比較器之輸出所觸發，且該電壓比較器產生在完整系統重置期間被本發明所用的重置信號38，且在燈具點亮失敗之情況中(例如開路或損傷燈具)重置那些要求初始狀態以正確操作的功能元件。同時，如上所述，整流器12經由第1圖所示之分壓器產生減光電壓信號42。Vbus檢測電路24所產生之致動信號40為接收致動信號之元件用之觸發信號，該致動信號是根據通常致動本發明之控制器12的傳導角度而定(即與Vdim42之DC值成比例)。基本上，Vdim與(參考電壓產生器48所產生的)參考電壓比較，這樣IC經由致動信號40而被致動。在本發明之釋例實施例中整流器1(16)產生兩個信號。第一個信號，Vbus82為指示VTriac之平均功率之DC電壓。Vbus82基本上被用以作為供反相器開關56用之軌電壓，該Vbus82為供應三端雙向可控硅開關元件的AC電源的整流DC電壓，其是根據所設定之減光值而改變。整流器1所產生之另一信號為VCC84，其為控制器電路之供給電壓且通常在減光范圍內保持為一常數，因為此電壓是跨如圖所示的齊納(Zener)二極體與電容器之組合而得。應注意VCC之值被用以作為根據VCC之值設定參考值的參考信號產生器48的輸入。
如上所詳述，除上述有關提供預先加熱電流、減光功能、及點亮與穩態操作電流的產生于燈具之元件外，本發明之控制器12亦包括產生參考電壓或供需要與參考電壓比較的電路用的電壓的參考電壓產生器48。
對本領域技術人員而言，此發明有許多修改，此等修改亦為本發明這范圍所包括。舉例言之，此處所述之利用A、B、C、D驅動器54及H橋式MOSFETs的反相器布局為全橋式反相器布局。A、B、C、D驅動器各自操作控制4個H橋式MOSFETs之間的極，且可包括跨傳導保護電路以防止短路。教科書中有關全橋式/H橋式開關反相器之此種驅動電路之操作是為本領域技術人員所熟知，因而在此加以省略。然而。本領域技術人員將確知半橋式、馳回(fly back)、推拉(push pull)及其它相關布局與全橋式反相器電路所提供之功能具有相等效力，且因此是本發明之控制器12之等效物。同樣地，此處所敘述之供第1圖的控制器12的功能性元件用的特定電路亦可以其他具有相同等效功能這電路替代。
詳言之，雖然本發明使用供HCFLs用之特定參考控制器，本發明之控制器亦可應用至其他型式的需要加熱與減光功能的燈具。此等細微改變亦可認為是等效于本發明的由后附申請專利權利要求書所界定之等效范圍內。
權利要求
1.一種電子鎮流器，其包含一可變電壓源，其產生一指示供一熱陰極熒光燈具使用的所欲減光值的第一信號，及一指示所述可變電壓源的平均功率的第二信號；一鎮流器控制器，其包含開環燈具燈絲電流控制電路，其包含產生一預先加熱燈絲電流至所述燈具的燈絲一預定時間的預先加熱燈絲電流控制電路，及一于所述預定時間后產生一穩態燈絲加熱電流的穩態燈絲電流控制電路；減光電路，其改變遞送至所述燈具的作為所述第一信號值的一個函數的電力；及一全橋式反相器電路，其根據所述減光電路由所述第二信號產生一個交流信號；及耦接至所述全橋式反相器之輸出的諧振空腔電路，其接收所述交流信號并產生一正弦信號以遞送點亮與穩態電力至所述燈具。
2.如權利要求1中所述的一個電子鎮流器，其中所述預先加熱燈絲電流控制電路包含一選擇器開關所述選擇器開關由一使能信號控制，并且可操作所述選擇器開關通過一預定燈絲預先加熱信號以產生一預先加熱所述燈具燈絲的預定燈絲電流。
3.如權利要求2中所述的一個電子鎮流器，其中所述預定時間是由一預先加熱定時控制電路控制，所述預先加熱定時控制電路包含一比較器，其比較由一個充電電容產生的電壓與一個預定參考電壓，其中當所述充電電容上的電壓低于所述參考電壓時可操作所述預先加熱燈絲電流控制電路一段時間。
4.如權利要求1中所述的一個電子鎮流器，其中可操作所述穩態燈絲電流控制電路以在預定最小值和預定最大值之間產生所述穩態燈絲加熱電流。
5.如權利要求1中所述的一個電子鎮流器，其中所述燈具燈絲電流控制電路進一步包含一高頻脈波調變電路，所述調變電路包含一比較由所述預先加熱燈絲電流控制電路或所述穩態燈絲電流控制電路產生的輸出信號與高頻鋸齒波信號的比較器，以及基于所述輸出信號和所述高頻鋸齒波信號產生一具有占空比的信號。
全文摘要
本發明提供一種供燈具或燈泡用之電子鎮流器。在一實施例中，本發明包括一鎮流控制器，其包括有燈絲加熱電路與減光電路。燈絲加熱電路可包括預先加熱燈絲一預定期間以點亮燈絲預先加熱減光電路，及在燈具的穩態操作期間持續加熱燈絲的穩態加熱電路。穩態加熱電路可被用以與燈具之所欲減光值成反比例地加熱燈絲。減光電路可包括傳統類比減光及/或突發同步模式減光以定義供燈具用之范圍較廣之減光特性。
文檔編號H05B41/392GK1809239SQ20061000602
公開日2006年7月26日 申請日期2001年4月3日 優先權日2000年5月12日
發明者約翰·周, 林永霖 申請人:英屬開曼群島凹凸微系國際有限公司