具有動態調節燈電流的反饋電路的燈電源電路的制作方法

專利名稱：具有動態調節燈電流的反饋電路的燈電源電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及共同轉讓的申請(代理人登記號LD10606)，題目是“具有開關控制的電子反饋電路的燈電源”，發明人Louis R.Norone，上述申請與本申請是同時提出的待審申請。
本發明涉及一個電源，或一個氣體放電管的鎮流器電路。特別是涉及一個通過一個反饋電路控制的具有多個電源開關的一個電源電路，控制方式是使使用者能夠動態調節燈管輸出的光的強弱。
一個氣體放電管，例如是一個熒光燈管，典型地使用一個電源或鎮流器電路，以便把一個交流線電壓轉化為一個高頻交流電壓，該電壓加在一個包含氣體放電管的諧振負載電路兩端。該諧振負載電路包括一個諧振電感和一個諧振電容，它們用以確定諧振負載電路中的電流的諧振頻率。電源電路包括一個串聯的半橋式d.c-a.c轉換器，轉換器有一對電源開關，開關交替地把諧振負載電路的一端與一個d.c母線電壓相連，然后再與地相連，從而就把上述a.c電壓跨接到諧振負載電路上。
上述形式的一個現有技術的鎮流器電路被公開在同時待審的美國專利5,341,068中，1994年8月23日公開，題目是“一個小型熒光燈的電子鎮流器裝置”，發明人是Louis R.Nerone.并由本代理人代理。所公開的鎮流器電路使用一個反饋電路，用以控制一對上述的d.c到a.c的變換器的電源開關。反饋電路的工作是響應一個反饋信號，該反饋信號表示在諧振負載電路中的a.c電流。使用上述控制電源開關的電路有助于產生再生的或稱自諧振的電源開關控制。因此，上述專利申請的鎮流器電路避免了開關控制的額外電路造成的花費和體積增大。
不過，上述專利申請的反饋電路，使用了一個多線圈的磁芯變壓器，這個變壓器使鎮流器的尺寸大大增加了，它與所謂的小型熒光燈發生了矛盾，這種小型熒光燈有一個標準螺旋式底部，它可插入一個傳統的白熾燈的座。不使用磁芯變壓器的反饋電路公開在上述相互參照的專利申請號中(代理人登記號LD10606)。該反饋電路是自諧振型的，它由固態元件構成，大多數固態元件可以被插入到一個集成電路之中。
不同的燈電流的值可以通過在上述申請(代理人登記號LD10606)中公開的電路加以調節。不過，特別需要選擇反饋電路中的元件(例如電阻)的數值，出于尺寸考慮，最好是選擇分立元件而不是可調元件。作為應用，在燈工作的時候燈電流需要控制，例如一個昏暗的燈光需要進行控制，在一個燈的鎮流器中，需要提供一個反饋電路，以便在燈工作時簡便地對燈電流進行控制。而在使用者選擇調正點上，希望能夠更精確地操作燈。
本發明的目的是提供一個氣體放電管鎮流器電路，它包括用于控制一對電源開關的電路，和一個讓使用者在燈工作時調節燈的輸出的自諧振反饋電路。
本發明的另一個目的是提供一個上述型式的鎮流器電路，供使用者可選擇燈的輸出參數的調節點，在這個調節點上燈會更精確地工作。
本發明還有一個目的，即提供一個上述型式的鎮流器電路，一個由固態元件組成的自諧振反饋電路，這些元件大半可以被插入到集成電路中去。
按照本發明提供的一個氣體放電管的鎮流器電路，包括一個插放于一個氣體放電管中的諧振負載電路，包含第一和第二諧振阻抗，其阻抗值確定了諧振負載電路的工作頻率。一個d.e-a.e變換器電路，它與該諧振負載電路相連，并在該諧振負載電路中感應a.c電流。它包括在d.c電壓的母線與地之間串聯連接的第一和第二開關，兩開關具有一個公共節點，通過這個節點負載電流雙向流動。一個在燈工作時供使用者選擇調節點信號的裝置，它確定燈的光輸出的量。一個反饋裝置再生地控制第一和第二開關；它包括在諧振負載電路中檢測a.c電流的電路，并產生和a.c電流成比例的a.c反饋信號；一個產生表示燈輸出參數平均值的d.c反饋信號的電路；一個用于在調節點信號和d.c反饋信號之間產生誤差信號的電路；一個比較器電路，用于比較a.c反饋信號和周期參考信號并產生比較器輸出信號，當被比較信號之一變得大于另一比較信號的時候，其改變狀態，反過來也是一樣。產生周期參考信號的電路響應于比較器輸出信號和誤差信號兩個信號。接收比較器輸出信號的調節電路控制第一和第二開關。
下面結合附圖詳細說明本發明，在圖中，相同的標號表示相同的或相應的元件，其中


圖1是表示一個氣體放電管的鎮流器電路的原理圖，它專門使用反饋電路中的電子元件，用以實現一對電源開關的自諧振控制，使用者可以動態地選擇光輸出的強度。
圖2是各種電壓波形圖，和圖1的開關39和比較器31的輸出電壓VO的狀態圖。
圖3是圖1的分相器，死區時間和電平移動電路50的實施例的原理圖。
圖4是圖3的死區時間電路60的實施例的原理圖。
圖5是圖1的近似于積分電路37的一個低通濾波器的實施例的原理圖。
如圖1所示，小型熒光燈的電子鎮流的裝置，用標號10表示，它有效地把一個標準電源線電流轉化成一個啟動小型熒光燈12的高頻脈沖信號。鎮流器變換器電路10在端子a-a接收一個直流輸入信號，該輸入信號是從a.c輸入電源線獲得的，該a.c經過整流，通過一個整流器和功率因數校正電路(未示出)對其功率因數校正。
通過鎮流器電路10接收的d.c輸入信號與標示為Q1和Q2的一對串連的電源金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFETs)相連，它們可以通過在產品標志HEXFET MOSFET下的International RectifierofE1Segundo，California提供。(HEXFET是InternationalRectifiex的登記商標)。功率MOSFETs Q1和Q2對在其各自的門，或控制端(g1和g2)接收控制信號用于高頻地在接通和斷開狀態之間交替轉換是有效的。
連接點b-b′是一個串聯諧振燈電路，它由諧振電路14組成，按傳統的設計方法選擇其電感器和電容器元件LR和CR的量值，從而獲得所希望的燈12的諧振工作頻率；電容器C2阻止d.c電流通過燈12；燈12可以組成一個小型熒光燈。節點b′也可以接地15。
圖1中的功率MOSFET開關管Q1和Q2的自諧振反饋控制是用電子元件實現的，它們多半可以被方便地插到一個集成電路中，以便控制鎮流器10的工作。
在圖1中，控制MOSFET開關管Q1和Q2的交流開關的相位控制是由相位控制電路30提供的。在電路30中的一個比較器31在其反向輸入端接收一個反饋電壓VF1該電壓與燈12中的電流成正比。從燈12引出所示的虛線是可替換的導線42和43。這兩根導線的任一根可以被使用，而另一根可不用。導線42最好被用于電路10中的較低的直流輸入電壓/例如160伏/而導線43最好被用于一個較高d.c輸入電壓，例如300伏。在任何情況下，直接通過電阻44的電流和在這個電阻上的壓降和在燈12中的電流，具有相同的相位。反饋電壓VF1通過隔直電容45從電阻44上的電壓得到。電阻46提供了一個從比較器31的反向輸入端到地38的d.c通路。反饋電路VF1具有一個a.c波形，它近似于一個正弦波，如圖1中所示。電壓VF1近似對零電壓軸對稱，或對虛地38對稱，如果必要，在進入比較器31以前可以提供一個d.c偏移。(如果比較器被安排在只具有一個單極電壓供電的集成電路中，這樣的偏移對于比較器31在其共模輸入范圍內正確工作就特別必要)。
在其非反相輸入端，比較器31接收一個電壓V+，它最好是三角波，如圖1所示。電壓V+響應于調節點電壓VS和反饋電壓VF而產生。調節點電壓VS和使用者希望得到的光輸出的量而所選擇的值成正比，例如，它可以由一個可變電阻的控制來提供。反饋電壓VF表示一個燈輸出參數的平均值，例如是燈電流或燈流明。它可以包括和a.c反饋信號VF1相同的電壓，這個電壓被加到比較器31的反向輸入端。
電路32產生一個如反饋電壓VF平均值的d.c.反饋電壓VF2。這里所謂平均值是指d.c平均值，例如一個r.m.s值，或一個時間平均值(例如，在燈電流的半個周期內)。因此，電路32可以包括一個a.c到r.m.s變換器的電路，或一個集成電路，它們都是公知技術。
一個加法放大器33在它的反向輸入端接收調節點電壓VS，而在它的非反向輸入端接收d.c反饋電壓VF2。通過加法放大器33產生的誤差信號然后通過放大器34用放大倍數G成比例增大，并通入一個p-n，Schottky或其它整流二極管35。在這點上，二極管35的陰極36上的電壓將具有一個非負值。這個電壓如圖1中所示是關于時間(T)的電壓(V)的曲線，在某段時間內它是一個恒定值。
在負極36上的電壓是通過一個非反相積分電路37作為一個方波被接收的，如圖1所示，它是以虛地38為參考點的。如果相位控制電路30的供電電壓(未示出)是單極性的，則虛地38通常與晶體管Q下面的地15是不同的；如果電壓是雙極性的，虛地38和地15可能相同。積分電路37可以如近似用電阻-電容型的低通濾波器構成，如下所述(圖5)。
在一種開關狀態下，通過單極轉換作用，雙擲開關39，積分電路37交替地與p-n二極管的負極36直接相連(經過導線40)，而在另一開關狀態中是通過一個標準單位增益逆變器41與二極管負極36相連。開關39可以包括由Harris Semiconductor，of Melbourne，Florida銷售產品號為CD4053的模擬開關；或者，由Motorola of Phoenix，Arizona銷售的產品牌號為MCI 4053B的模擬開關。當比較器輸出狀態改變的時候，開關39響應比較器31的輸出電壓VO使開關36交替地與p-n二極管負極36連接。這個轉換動作如圖2所示。
圖2示出了在同一電壓標度上的比較器輸入電壓VF和V+的電壓波形，并示出了一個直流偏壓，并認為該偏壓對于電壓VF1和V+是相同的。圖2還示出了一個比較器輸出電壓Vo的高/低狀態圖，和一個開關39的上/下狀態圖，這將在下面進行解釋；這些狀態的圖相對于比較器輸入電壓VF1和V+而言具有任意的垂直標度。
在圖2中，比較器輸出電壓Vo開始是在低位狀態。這時，開關39是與導線40連接，它被示于圖1中開關上方，并且，在這個時間，它被標示為“上”，如圖2中所示。然后當非反相電壓V+在t1時刻上升超過反饋電壓VF1的時候，比較器輸出電壓Vo上升到它的高位狀態，如圖所示。開關39然后與單位增益變換器41相連，它被表示在圖1中的開關的下方，并且這時，它被標定為“下”，如圖2所示。當非反相輸入電壓V+然后在t2時刻落在反饋電壓VF1之下的時候，比較器輸出電壓Vo轉回到它的低位狀態，如所示。
非反向比較器輸入電壓V+，當積分電路37是由電阻器和電容器型式構成的時候，它近似等于一個方波，最好是電壓V+的向上和向下的斜率十分接近線性。這保證在圖3的t1時刻，如輸入電壓V+明顯地超過輸入電壓VF的值，從而比較器31可靠地改變它的輸出狀態到低值；相反，如果電壓V+在時刻t1被改變到一個更大的斜率，則比較器的輸出狀態所希望的變化將不一定必然發生。(不過，即使電壓Vt是由一個起主要作用的正向部分和一個起主要作用的負向部分組成，只要下述比較器工作發生，本發明就會工作。)按照圖1比較器31的工作，當圖2的t1時刻輸入非反相輸入電壓V+超過反饋電壓輸入VF1的時候，比較器輸出Vo將從低電平變到高電平，并且當反饋電壓VF1超過輸入電壓V+時，從高電平轉到低電平，如圖2中t2時刻所示。比較器31的輸出可以被稱作是變化的電平，當非反相電壓V+的a.c部分的絕對值變得高于反饋電壓VF1的a.c部分的絕對值時，下述的狀態都會被滿足電壓V+的波形和反饋電壓VF1的波形在強度軸上方偏移，這種偏移正是在它們在參考軸下方偏移的鏡象，雖然這種偏移是相對的。
比較器輸出電壓Vo將有一個相位超前，例如20°，去抵消相位滯后，例如20°，這種情況發生在電源開關管Q1和Q2和電流敏感電阻44之間的鎮流器裝置10中(圖1)。不過，更一般地說，比較器輸出電壓Vo的相位超前可以附加地包括360°，或多個360°的相位超前。比較器輸出Vo包括必要的相位信息以控制功率MOSFET開關管Q1和Q2的工作，如下所述。
有利的是，使用圖1的相位控制電路30，燈12的功率值可以通過改變非反向電壓V+的向上和向下的斜率而被調整。通過使這兩者斜率徒斜，比較器輸出將容易改變，引起開關管Q1和Q2的轉換頻率增加，從圖2可以明顯看出，它減少了燈的功率值。這可通過使用者減小調節點電壓VS而做到。另一方面，為了增加燈的功率，使用者可以增加調節點電壓VS，使開關Q1和Q2的轉換頻率減小，從而增加燈的功率值。
再參看圖1，比較器輸出Vo可以通過分相器、死區時間和電平移動電路50來接收，在下面結合圖3進行描述。電路50在線50A和50B上提供了合適的信號，它們分別通過慣用的緩沖器70和72被接收。這些緩沖器用以驅動具有一個低阻抗的MOSFFT開關管Q1和Q2的控制極。
圖3是圖1分相器、死區時間和電平移動電路50的實施例。如圖3所示，比較器輸出電壓Vo被加到一個死區時間電路60上，它的一個實施例示于圖4中。圖4中，一個包含電阻63和電容65的電路接收比較器輸出電壓Vo，并提供一個延遲輸入，如電壓V65，到一個邏輯非門67，門67是滯后型的，通過門67的符號中的滯后標志來表示，從而它的輸入門限電壓是輸出電壓的狀態的一個函數。門67產生一個輸出電壓V60，它以比較器輸出電壓Vo相反的方式轉換，但是只在相應延遲(或死區)時間間隔61之后轉換。一個工作在50千赫頻率上的燈的一個典型延遲時間間隔61是一微秒。
再參看圖3。死區時間電路輸出電壓V60被輸入到一個邏輯“與”門51。另一個輸入到門51的是邏輯“非”門52的輸出，它使比較器輸出Vo反相。“與”門51的輸出，電壓V51，如圖3所示。輸出V51然后通過慣用電平移動電路54被電平移動，在導線50A上產生一個合適的信號，以在通過緩沖器70(圖2)以后，驅動圖2中上MOSFET Q1的門。為了驅動圖2中下MOSFET Q2的門，門驅動電壓V58通過圖3的電路產生。為此，邏輯“非”門56首先使死區時間電路輸出電壓V60反相并用所得電壓作為邏輯“與”門58的一個輸入。到“與”門58的其它輸入是比較器的輸出電壓Vo。由于有“非”門56，“與”門58的門驅動輸出電壓V58表現為如圖所示，相對于門驅動信號V51的相位有180°的相移。這就完成了電路50的分相功能。
如圖3進一步所示，通過死區時間間隔61，門驅動信號V58的高態在前沿和后沿兩個方位與門驅動信號V51的高態是分開的。由于所謂軟轉換技術(例如，零電壓轉換)的采用，這就保證了MOSFET開關管Q1和Q2的快速工作。
圖1和3的分相器、死區時間和電平移動電路50的各種功能，以及圖1中的緩沖器70和72的功能，可由普通技術人員以各種方式實現。例如，來自International Rectifire of E1Segundo，California的IR2155自振蕩功率MOSFET/IGBT門驅動器可以被使用，它與日期為1994年1月13日暫定一覽表中，6029的“boot strap operation”有關.對于上述的門驅動器，所謂RT輸入端可以被打開，本比較器輸出VO可以加到該門驅動器的所謂CT輸入端。不過，設定圖3和4的本死區時間電路60的死區時間的能力不與使用上述門驅動器并存。
圖5是一個低通濾波器電路，它近似于圖1中的積分電路37。如圖所示，電阻80連接在模擬開關39輸出和比較器31的非反向輸入端之間。電容81連接在比較器的非反向輸入端和虛地38之間。電阻80和電容81的值最好選擇為使非反向輸入電壓V+(圖2)近似線性，理由如上所述。
對50千赫工作電流，300伏直流輸入電壓的20瓦熒光燈12電路的典型電路參數值如下，在圖1中，諧振電感LR，750微亨；諧振電容CR6、8毫微法；隔直電容C20.47微法；電阻44，1.5歐姆，隔直電容45，0.5微法；在圖4中，選擇電阻63和電容65提供一微秒的延遲時間間隔61；在圖5中，電阻80，為6.2KΩ；電容81，3.3毫微法。
上面描述了一個氣體放電管的鎮流器電路，它包括用于控制一對功率開關管，一個自諧振反饋電路，它的元件可以用固態型式，而與使用磁芯變壓器不同。提供了使用者可控制的輸入端用于調節燈產生的光強。再者，有利的是，大多數自諧振反饋電路的元件可插入集成電路。
為了實現上述目的，本發明提供了一個氣體放電燈的鎮流器電路，它包括用于控制一對功率開關管，一個自諧振反饋電路，它使使用者在燈工作期間可以調節燈的輸出。此外，鎮流器電路使使用者可以選擇燈的輸出參數的調節點，在這個調節點上，燈將更精確地工作。再者，鎮流器電路包括一個自諧振反饋，它由固態元件構成，且其大部分元件是可以插入到集成電路中的。
當本發明通過圖解方式對具體實施例進行描述以后，那些技術熟練的人就可以做出許多修改和變化。例如，任何無電極或有電極的氣體放電燈都可以使用本發明。因此，可以理解，所附權利要求企圖覆蓋所有這些修改和變化，而這些修改和變化都在本發明的精神和范圍內。
權利要求
1 一種氣體放電管的鎮流器電路，包括(a)一個和氣體放電管結合在一起的諧振負載電路，且包含第一和第二諧振阻抗，阻抗值決定了上述諧振負載電路的操作頻率；(b)一個d.c-a.c轉換器電路，它與上述諧振負載電路相連以便在上述諧振負載電路中感應一個a.c電流，還包括串聯在d.c電壓母線和地之間的第一和第二開關管，且有一個公共節點，通過這個節點流過上述的雙向負載電流。(c)供使用者在燈管工作期間選擇調節點信號的裝置，它確定了燈輸出的光量；和(d)一個反饋裝置，再生控制上述第一和第二開關管；上述裝置包括一個檢測上述諧振負載電路中a.c電流的電路，并產生一個和上述a.c電流成比例的a.c反饋信號；一個產生d.c反饋信號的電路，該反饋信號代表一個燈輸出參數的平均值，和一個用于在上述調節點和上述d.c反饋信號之間產生誤差信號的電路，上述反饋裝置還包括(i)一個比較器電路，用于比較上述a.c反饋信號和一個周期參考信號，并用于產生一個比較器輸出信號，當第一被比較信號大于第二個被比較信號的時候，就改變比較器的狀態，并且當第二個被比較信號變得大于第一個被比較信號的時候，再次改變比較器的狀態；(ii)一個響應上述比較器輸出信號和上述誤差信號產生上述周期參考信號的電路；和(iii)一個接收上述比較器輸出信號用于控制上述第一和第二開關管的調節電路。
2 一種如權利要求1的鎮流器電路，其中上述產生周期參考信號的電路包括(a)一個響應上述誤差信號的電路產生一個雙電平輸出信號，其當上述比較器電路在第一電平時有一個電平，當上述比較器電路的上述輸出是在第二電平時，有另一個電平；并且(b)一個轉換電路，當上述雙電平輸出信號在一個電平時，產生上述周期參考信號的正向部分，當上述雙電平輸出信號在另一個電平時，產生上述周期參考信號的負向部分。
3一種如權利要求2的鎮流器電路，其中上述轉換電路包括(a)一個電阻，在一端上接收上述雙電平輸出信號并在其另一端上產生上述周期性參考信號；并且(b)一個電容器，連在上述電阻器的上述另一端和一個地電位之間
4一種如權利要求1的鎮流器電路，其中上述產生周期性參考信號的電路對產生三角基準波是有效的，它們在強度參考軸上的偏移正好是在上述參考軸下方的上述信號的偏移的鏡像，雖然在時間上偏移是相對的。
5一種如權利要求4的鎮流器電路，其中(a)上述產生反饋信號的電路，對于產生反饋波形是有效的，其在強度參考軸上方的偏移正好是在上述參考軸下方的上述信號的偏移的鏡像，雖然在時間上偏移是相對的；并且，(b)上述周期參考信號的強度的參考軸和上述反饋信號的參考軸近似相等。
6一種氣體放電管的鎮流器電路，包括(a)一個與氣體放電管結合在一起的諧振負載電路并包括第一和第二諧振阻抗，它的值確定了上述諧振負載電路的工作頻率。(b)一個d.c-a.c轉換電路，它與上述諧振負載電路相連，以便在上述諧振負載電路中感應a.c電流，并且它包括串聯在d.c電壓母線和地之間的第一和第二開關管，還具有公共節點，上述雙向負載電流流過這個節點，(c)一供使用者在燈工作期間選擇調節點信號的裝置，它確定了燈的輸出的光強；和(d)一個反饋裝置，再生地控制上述第一和第二開關管；上述裝置包括，一個檢測上述諧振負載電路中a.c電流的電路，并產生一個和上述a.c電流成正比的反饋信號；一個產生代表燈電流的平均值的d.c反饋信號的電路；和一個用于在上述調節點和上述d.c反饋信號之間產生誤差信號的電路，上述反饋裝置進一步包括(i)一個比較器電路，用于比較上述a.c反饋信號和周期參考信號，并且產生比較器輸出信號，當第一個被比較的信號變得大于第二個被比較的信號時，它就改變狀態，而當第二個被比較的信號再次大于第一個被比較的信號時，它又改變狀態；(ii)一個響應上述比較器輸出信號和上述誤差信號而產生上述周期參考信號的電路；和(iii)一個接收上述比較器輸出信號控制上述第一和第二開關管的調節電路。
7一種如權利要求6的鎮流器電路，其中產生周期性參考信號的上述電路包括(a)一個響應上述誤差信號的電路，產生雙電平輸出信號，當上述比較器電路的輸出端處在第一電平的時候，它具有一個電平，而當上述比較器電路的上述輸出端處在第二電平的時候，它具有另一個電平；并且(b)一個轉換電路，當上述雙電平輸出信號在一個電平的時候，產生一個上述周期性參考信號的正向部分，而當上述雙電平輸出信號在另一個電平的時候，產生一個上述周期參考信號的負向部分。
8一種如權利要求7的鎮流器電路，其中上述轉換電路包括(a)一個電阻，在其一端接收上述雙電平輸出信號，而在其另一端產生一個上述周期參考信號；(b)一個電容器，它連在上述電阻的另一端和地電位之間。
9一種如權利要求6的鎮流器，其中用于產生周期性參考信號的上述電路，對于產生三角基準波是有效的，它在強度的參考軸上方的偏移正好是在上述參考軸下方上述信號的偏移的鏡像，雖然在時間上的偏移是相對的。
10一種如權利要求9的鎮流器電路，其中(a)上述產生反饋信號的電路對于產生反饋波是有效的，它在強度的參考軸上方的偏移正好是在上述參考軸下方的上述信號的偏移的鏡像，雖然在時間上的偏移是相對的；和(b)上述周期參考信號的強度的上述參考軸和上述反饋信號的參考軸彼此近似相等。
全文摘要
一種氣體放電管的鎮流器電路,包括一個諧振負載電路,它與氣體放電管結合成一體,且包括第一和第二諧振阻抗,它們的值確定了諧振負載電路的工作頻率。一個d.c－a.c轉換電路,一個供使用者在燈工作期間選擇調節點信號來確定燈輸出光強的裝置。一個反饋裝置再生地控制第一和第二開關管;它包括一個控制諧振負載電路中的a.c電流的電路;一個電路,用于產生表示燈輸出參數平均值的d.c反饋信號;一個用于在調節點信號和d.c反饋信號之間產生誤差信號的電路;一個比較器電路。
文檔編號H05B41/392GK1180987SQ9711302
公開日1998年5月6日 申請日期1997年5月10日 優先權日1996年5月10日
發明者L·R·尼羅尼 申請人:通用電氣公司