CN101106859B

CN101106859B - 谐振镇流器及其切换电路

Info

Publication number: CN101106859B
Application number: CN2007101095831A
Authority: CN
Inventors: 杨大勇
Original assignee: System General Corp Taiwan
Current assignee: Fairchild Taiwan Corp
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2007-06-27
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2027-06-27
Also published as: US20080136345A1; TW200826742A; TWI347802B; CN101106859A; US7436126B2

Abstract

本发明提供一种用于荧光灯的低成本镇流器及其切换电路。荧光灯与具有变压器的谐振电路串联连接。第一开关和第二开关用以切换谐振电路。变压器的第一绕组与电容器串联连接以形成谐振电路。变压器的第二绕组和第三绕组用于响应于谐振电路的切换电流来产生控制信号。响应于控制信号来控制第一开关和第二开关。此外，本发明实现了第一开关和第二开关的软切换操作。

Description

谐振镇流器及其切换电路

技术领域

本发明大体上涉及一种切换电路，且更明确地说涉及一种镇流器(ballast)的切换电路。

背景技术

荧光灯是我们日常生活中最普及的光源之一。改进荧光灯的效率会显着节省能量。因此，在最近的发展中，荧光灯的镇流器的效率改进和功率节省是主要课题。图1示出了与谐振电路串联连接的常规电子镇流器电路。半桥式逆变器(half-bridge inverter)由第一开关10和第二开关20组成。两个开关10和20在所需的切换频率下以50％的工作周期互补地接通和断开。谐振电路(resonant circuit)包括电感器70、电容器75以操作荧光灯50。与荧光灯50并联连接的电容器55作为起动电路而操作。一旦荧光灯50接通，则控制切换频率以产生需要的灯电压。这种镇流器电路的缺点是对于开关10和20的较高的切换损失。荧光灯50的寄生装置(例如，等效电容等)响应于荧光灯50的温度变化和使用年限而变化。此外，电感器70的电感和电容器75的电容也在镇流器电路的大

规模生产期间而有所变化。

发明内容

本发明提供一种用于荧光灯的镇流器电路。由串联连接的电容器和变压器形成谐振电路。谐振电路用于操作荧光灯。第一控制电路和第二控制电路用以切换谐振电路。变压器的第一绕组(winding)与荧光灯串联连接。变压器的第二绕组和第三绕组用于分别响应于谐振电路的切换电流来产生第一控制信号和第二控制信号。以第一控制电路为例，一旦第一控制信号高于第一阈值，则第一开关接通。谐振电路的四分之一谐振周期之后，一旦第一控制信号低于第二阈值，则第一开关断开。因此，实现了第一开关的软切换操作(soft switching operation)。第二控制电路以与第一控制电路相同的方式操作以实现第二开关的软切换操作。

本发明的一个目的是提供一种镇流器电路，其可自动实现软切换以减少切换损失并改进镇流器电路的效率。

本发明的另一目的是开发一种在效率上具有较高性能的低成本电路。

附图说明

本文包含附图以提供对本发明的进一步理解，且附图并入本说明书中并组成其一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述内容一起用于解释本发明的原理。

图1示出了常规电子镇流器电路。

图2是根据本发明实施例的镇流器电路的示意性电路。

图3示出了变压器的绕组。

图4到图7分别示出了根据本发明实施例的镇流器电路的第一操作阶段到第四操作阶段。

图8示出了根据本发明的镇流器电路的多个波形。

图9示出了根据本发明实施例的控制电路。

图10示出了根据本发明实施例的反跳电路。

具体实施方式

图2示出了根据本发明实施例的镇流器电路的示意电路。电容器75与变压器80串联连接以形成谐振电路。谐振电路产生正弦波电流以操作灯50，灯50在本发明实施例中为荧光灯。第一开关10耦合到谐振电路以将第一电压V₃₀供应到谐振电路。第一电压V₃₀譬如是由外部所供应的电压源。第一开关10由第一切换信号S₁控制。第二开关20耦合到谐振电路以将第二电压V₄₀供应到谐振电路。第二开关20由第二切换信号S₂控制。第一二极管11与第一开关10并联连接，且第二二极管21与第二开关20并联连接。变压器80的第一绕组与电容器75串联连接以形成谐振电路。

图3示出了变压器80的多个绕组。请同时参照图2与图3，变压器80的第一绕组81与灯50串联连接，以检测谐振电路的切换电流。因此，变压器80的第二绕组82和第三绕组83用于分别响应于谐振电路的切换电流来产生第一控制信V₁和第二控制信号V₂。如图2所示，第一控制电路100用于响应于第一控制信号V₁而产生第一切换信号S₁以接通/断开第一开关10。第二控制电路200用于响应于第二控制信号V₂而产生第二切换信号S₂以控制第二开关20。

图4到图7分别示出了根据本发明实施例的镇流器电路的四个操作阶段。图4示出了第一操作阶段T₁。当第二开关20接通时，灯电流I_M流经变压器80以产生第二控制电压V₂。一旦灯电流I_M减小使得第二控制电压V₂减小为低于第二阈值V_T2，则第二控制电路200藉由禁止(disable)第二切换信号S₂使第二开关20断开。之后，如图5所示，谐振电路的环电流(circularcurrent)接通第一二极管11。环电流由存储在变压器80中的能量所提供。谐振电路的能量被反向馈充到电容器30(第二操作阶段T₂)。流经变压器80的灯电流I_M将产生第一控制信号V₁。如果第一控制信号V₁高于第一阈值V_T1，那么第一控制电路100将激活(enable)第一切换信号S₁以接通第一开关10。如图6所示，由于第一二极管11此刻正导通，所以第一开关10接通，这实现了第一开关10的软切换操作(第三操作阶段T₃)。谐振电路的环电流反向之后，灯电流I_M从电容器30流入谐振电路中。如图7所示，当灯电流I_M减小导致第一控制电压V₁减小为低于第二阈值V_T2时，则第一控制电路100藉由禁能第一开关信号S₁使第一开关10断开。同时，谐振电路的环电流接通第二二极管21，且谐振电路的能量被反向馈充到电容器40(第四操作阶段T₄)。流经变压器80的灯电流I_M将产生第二控制电压V₂。如果第二控制电压V₂高于第一阈值V_T1那么第二控制电路200将使能第二开关信号S₂以接通第二开关20。因此再一次进入第一操作阶段T₁。如图4所示，由于第一二极管21此刻正导通，所以第二开关20接通，这也实现了第二开关20的软切换操作。

图8示出了镇流器电路的操作阶段的多个波形。信号V_X表示第一控制信号V₁和第二控制信号V₂。一旦第一控制信号V₁高于第一阈值V_T1(即第三操作阶段T₃)，则激活(enable)第一切换信号S₁。谐振电路的四分之一谐振周期之后，一旦第一控制信号V₁低于第二阈值V_T2(即第四操作阶段T₄)，则禁止(disable)第一切换信号S₁。谐振电路的谐振频率f_R由下式给定：

f_{R} = \frac{1}{2 π \sqrt{LC}}

-----------------(1)

其中，L是变压器80的第一绕组81的电感，且C是灯50和电容器75的等效电容。

一旦第二控制信号V₂高于第一阈值V_T1(即第一操作阶段T₁)，则激活第二切换信号S₂。谐振电路的四分之一谐振周期之后，一旦第二控制信号V₂低于第二阈值V_T2(即第二操作阶段T₂)，则禁止第二切换信号S₂。

图9示出了根据本发明实施例的第一控制电路100或第二控制电路200。第一输入电阻器130和第二输入电阻器140耦合到变压器80以接收控制信号V_X(第一控制信号V₁或第二控制信号V₂)。第一电流源110和第二电流源120分别耦合到第一输入电阻器130和第二输入电阻器140。输入电阻器130、140和电流源110、120为控制电路提供电平位移(level shifting)以检测控制信号V_X。在此例中，输入电阻器130与140的电阻相等，而第二电流源120的电流高于第一电流源110的电流。因此，在第二输入电阻器140处产生的电压高于在第一输入电阻器130处产生的电压，其中，第一输入电阻器130与第二输入电阻器140之间的差分电压(differential voltage)决定第一阈值V_T1。第三电流源115经由控制开关116耦合到第二输入电阻器140。第一比较器170具有耦合到第一输入电阻器130的一输入。第一比较器170的另一输入通过延迟电路耦合到第一输入电阻器130。延迟电路由电阻器150和电容器155形成。第一比较器170的输出接通/断开控制开关116。当控制信号V_X的量值(magnitude)减小时，第一比较器170将输出逻辑高信号(logic-highsignal)以接通控制开关116并将第三电流源115连接到第二输入电阻器140。与第三电流源115关联的第二电流源120在第二输入电阻器140处产生较高电压，其决定图8中的第二阈值V_T2。因此，第二阈值V_T2高于第一阈值V_T1。第二比较器180具有耦合到第一输入电阻器130的一输入。第二比较器180的另一输入连接到第二输入电阻器140。响应于第二比较器180的输出而激活切换信号S_X(第一切换信号S₁或第二切换信号S₂)。为了改进抗噪声性(noise immunity)，可以将反跳电路(debounce circuit)190耦合到第二比较器180的输出以产生切换信号S_X。

图10示出了根据本发明实施例的反跳电路，其中，电流源310和电容器330决定第一反跳期间(指当逻辑高输入传输至逻辑高输出的期间)(logic-high output)。电流源315和电容器330决定第二反跳期间(指当逻辑低输入传输至逻辑低(logic-low out put)输出的期间)。在第一反跳期间，输入信号IN自逻辑低转态至逻辑高，因此输入信号IN经由非门320会使N型晶体管325截止。此时，电流源310会以一预定速度对电容器330充电(此充电期间即为第一反跳期间)。第一反跳期间结束后，电容器330的逻辑高电压便会触发非门350与360，而由非门360提供逻辑高的输出信号OUT。在第二反跳期间，输入信号IN自逻辑高转态至逻辑低，因此输入信号IN经由非门320会使N型晶体管325导通。此时，电流源315会以一预定速度对电容器330放电(此放电期间即为第二反跳期间)。第二反跳期间结束后，电容器330的逻辑低电压便会触发非门350与360，而由非门360提供逻辑低的输出信号OUT。

综上所述，由于第一开关10和第二开关20在谐振电路的能量完全释放之前断开，所以所述能量能够产生环电流以接通第一二极管11和第二二极管21。此外，可通过控制信号V₁和V₂的极性变化来检测开关10和20的切换。在第一二极管11导电之后第一开关10立即接通，且在第二二极管21导电之后第二开关20立即接通。因此，实现了软切换操作且改进了镇流器的效率。

虽然已参照本发明的优选实施例特定展示并描述了本发明，但所属领域的技术人员将了解，可在不脱离权利要求书所界定的本发明的精神和范围的情况下对所述实施例做出形式和细节上的各种变化。

Claims

1.一种镇流器的切换电路，其包括：

谐振电路，其由串联连接的电容器和变压器形成以操作灯，其中，所述变压器具有与所述灯串联连接的第一绕组，且所述变压器的第二绕组和第三绕组分别响应于所述谐振电路的切换电流而产生第一控制信号和第二控制信号；

第一开关，其耦合到所述谐振电路以将第一电压供应到所述谐振电路，其中，所述第一开关由第一切换信号控制；

第一二极管，其与所述第一开关并联连接，并由所述谐振电路的环电流接通；

第二开关，其耦合到所述谐振电路以将第二电压供应到所述谐振电路，其中所述第二开关由第二切换信号控制；

第二二极管，其与所述第二开关并联连接，并由所述谐振电路的环电流接通；

第一控制电路，其用以响应于所述第一控制信号产生所述第一切换信号；以及

第二控制电路，其用以响应于所述第二控制信号产生所述第二切换信号。

2.根据权利要求1所述的切换电路，其中，一旦所述第一控制信号高于第一阈值，则激活所述第一切换信号，且所述谐振电路的四分之一谐振周期之后，一旦所述第一控制信号低于第二阈值，则禁止所述第一切换信号。

3.根据权利要求1所述的切换电路，其中，一旦所述第二控制信号高于第一阈值，则激活所述第二切换信号，且所述谐振电路的四分之一谐振周期之后，一旦所述第二控制信号低于第二阈值，则禁止所述第二切换信号。

4.根据权利要求1所述的切换电路，其中，所述第一控制电路包括：

第一输入电阻器和第二输入电阻器，其耦合到所述变压器；

第一电流源和第二电流源，其分别耦合到所述第一输入电阻器和所述第二输入电阻器；

第三电流源，其经由控制开关耦合到所述第二输入电阻器；

第一比较器，其具有耦合到所述第一输入电阻器的输入，所述第一比较器的另一输入经由延迟电路连接到所述第一输入电阻器，且所述第一比较器的输出用以接通/断开所述控制开关；以及

第二比较器，其具有耦合到所述第一输入电阻器的输入，所述第二比较器的另一输入连接到所述第二输入电阻器，响应于所述第二比较器的输出而激活所述第一切换信号。

5.根据权利要求4所述的切换电路，其中，所述第一控制电路进一步包括用以改进所述第一切换信号的抗噪性的反跳电路。

6.根据权利要求1所述的切换电路，其中，所述第二控制电路包括：

第一输入电阻器和第二输入电阻器，其耦合到所述变压器；

第三电流源，其经由控制开关耦合到所述第二输入电阻器；

第二比较器，其具有耦合到所述第一输入电阻器的输入，所述第二比较器的另一输入连接到所述第二输入电阻器，响应于所述第二比较器的输出而激活所述第二切换信号。

7.根据权利要求6所述的切换电路，其中，所述第二控制电路进一步包括用以改进所述第二切换信号的抗噪性的反跳电路。

8.一种镇流器电路，其包括：

谐振电路，用以操作一灯，其包括：

变压器，其具有与所述灯串联连接的第一绕组，且所述变压器的第二绕组和第三绕组分别响应于所述谐振电路的切换电流而产生第一控制信号和第二控制信号；

第一开关，其耦合到所述谐振电路以将第一电压供应到所述谐振电路，其中所述第一开关由第一切换信号控制；

9.根据权利要求8所述的镇流器电路，其中，一旦所述第一控制信号高于第一阈值，则激活所述第一切换信号，且所述谐振电路的四分之一谐振周期之后，一旦所述第一控制信号低于第二阈值，则禁止所述第一切换信号；以及一旦所述第二控制信号高于所述第一阈值，则激活所述第二切换信号，且所述谐振电路的所述四分之一谐振周期之后，一旦所述第二控制信号低于第二阈值，则禁止所述第二切换信号。

10.根据权利要求8所述的镇流器电路，其中，所述第一控制电路包括：

第一输入电阻器和第二输入电阻器，其耦合到所述变压器；

第三电流源，其经由控制开关耦合到所述第二输入电阻器；

第一比较器，其具有耦合到所述第一输入电阻器的输入，所述第一比较器的另一输入经由延迟电路连接到所述第一输入电阻器，其中所述第一比较器的输出用以接通/断开所述控制开关；以及

第二比较器，其具有耦合到所述第一输入电阻器的输入，且所述第二比较器的另一输入连接到所述第二输入电阻器，响应于所述第二比较器的输出而激活所述第一切换信号。

11.根据权利要求10所述的镇流器电路，其中，所述第一控制电路进一步包括用以改进所述第一切换信号的抗噪性的反跳电路。

12.根据权利要求8所述的镇流器电路，其中，所述第二控制电路包括：

第一输入电阻器和第二输入电阻器，其耦合到所述变压器；

第三电流源，其经由控制开关耦合到所述第二输入电阻器；

第一比较器，其具有耦合到所述第一输入电阻器的输入，所述第一比较器的另一输入经由延迟电路连接到所述第一输入电阻器，其中，所述第一比较器的输出用以接通/断开所述控制开关；以及

第二比较器，其具有耦合到所述第一输入电阻器的输入，且所述第二比较器的另一输入连接到所述第二输入电阻器，响应于所述第二比较器的输出而激活所述第二切换信号。

13.根据权利要求12所述的镇流器电路，其中，所述第二控制电路进一步包括用以改进所述第二切换信号的抗噪性的反跳电路。