CN101207963B

CN101207963B - 具调整气体放电灯管电压的预热控制装置

Info

Publication number: CN101207963B
Application number: CN2006101707782A
Authority: CN
Inventors: 古忠平; 李清然
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2026-12-22
Also published as: CN101207963A

Abstract

本发明是一种具调整气体放电灯管电压的预热控制装置，是应用在气体放电灯管的控制，其包含有：一脉波宽度调整电路，用以控制灯管在预热期间的灯管电压；一脉波频率调整电路，用以控制灯管在稳态时灯管频率，以稳定灯管电流；一个计时装置，用以决定灯管预热时间。

Description

具调整气体放电灯管电压的预热控制装置

技术领域

本发明涉及的是一种具调整气体放电灯管电压的预热控制装置，特别涉及的是一种利用脉冲宽度调整(PWM)技术控制气体放电灯在预热期间的灯管电压，可以有效地降低灯管电压，避免预热期间产生的炽光电流，并且仍维持所需要的灯丝预热电流。在稳态时恢复为脉波频率调整(PFM)控制，稳定灯管电流。本专利所提的控制方法不需要更改现有产品的半桥驱动器架构和谐振槽网络，即可实现需求的结果。本专利所提的控制方法可以轻易地利用模拟集成电路或数字控制器实现，将可以加速导入产品应用。

背景技术

目前现有电子安定器产品中的半桥驱动器大多采用半桥架构，而且为了方便控制集成电路(IC)的设计，半桥架构都以Class-D型式实现，其中Class-D型式具有维持标准半桥的特性和系统共地的优点，其最大的优势在于输入端的直流链电容也只需要一颗即可，即可有效降低电子安定器的成本，然而采用Class-D型式的安定器在预热期间，如图1所示，为传统电子安定器的预热、点火至稳态的灯管电压与电流波形图，所述的传统电子安定器的预热、点火与稳态的所有过程，都采取脉波频率调整(PFM)，自传统Class-D型式的预热、点火到稳态的波形，从图中可以看出在预热期间灯管电压载有一半的直流链电压，由于负载(Load)暂时呈现空载状态，会造成预热期间灯管电压(VLAMP)会跨压一半的直流链电压，而灯丝电流(IF)进一步在点火期间产生炽光电流，若是经常作点、灭动作，将使灯头提早黑化，也降低灯管寿命。要解决预热期间的灯管电压问题。

目前有二种解决的道，一为改回标准半桥架构，另一为增加一外部开关来强迫灯管电压为零电压(0V)，但是二者都存在其缺失，前者会影响电路原本的设计参数，并且增加直流链电容，以及系统共地问题；后者所置入额外的电路和外部开关会增加组件成本。二者所存在的缺失都使得现有电子安定器不利于商场上的竞争，因此若能以现有的架构来改善，不仅可以减少重新设计的时程，也可加速导入市场。

发明内容

为解决上述缺陷，本发明提供一种具调整气体放电灯管电压的预热控制装置，主要目的为利用脉冲宽度调整(PWM)技术控制气体放电灯管在预热期间的灯管电压(VLAMP)，可以有效地降低灯管电压，避免预热期间产生的炽光电流，并且仍维持所需要的灯丝预热电流，在稳态时恢复为脉波频率调整(PFM)控制，稳定灯管电流，本专利所提的控制方法不需要更改现有产品的半桥换流器架构和谐振槽网络，即可实现需求的结果，本专利所提的控制方法可以轻易地利用模拟集成电路或数字控制器实现，将可以加速导入产品应用。

为达上述的目的，本发明电子安定器的电路，是应用在气体放电灯管的控制，其包含有：

一脉波宽度调整电路，用以控制灯管在预热期间的灯管电压；

一脉波频率调整电路，用以控制灯管在稳态时灯管频率，以稳定灯管电流；以及

一个计时装置，用以决定灯管预热时间，其包括两个主动开关以及一充电电路，所述的充电电路是由电流源、电阻和电容所组成，所述的主动开关在预热期间结束时将电路系统由脉冲宽度调整切换到50％责任周期的频率调整。

附图说明

图1为传统电子安定器的预热、点火至稳态的灯管电压与电流波形图；

图2为本发明气体放电灯管模块及其电子安定器的电路架构图；

图3为本发明电子安定器的电路架构图；

图4为图3各电路方块公开较为详细组件电路图；

图5为本发明在启动与预热阶段所应用的电子安定器架构图；

图6为本发明应用脉波宽度调整的波形图；

图7为本发明在稳态阶段所应用的电子安定器架构图；

图8为本发明应用脉波频率调整的波形图；

图9为本发明电子安定器的预热、点火至稳态的灯管电压与电流波形图；

图10为本发明应用脉波频率调整控制后频率自预热、瞬时与稳态的频率关系图；

图11为本发明电子安定器在预热期间，脉波调频控制工作处在固定频率的状态表示图。

幅图标记说明：GND～接地端；ILAMP～灯管电流；IPH～电流源；RT、RIG～电阻；TPH～电容；VCC～电压源；VLAMP～灯管电压；VLAMP1～第一灯管电压；VLAMP2～第二灯管电压；Vref～参考电压；Z1、Z2～补偿器；1～电子安定器；11～参考电压产生器；12～灯管电压调整电路；121～运算放大器；13～50％责任周期参考值；14～脉波频率调整电路；141～三角波产生器；142～第二主动开关；15～脉波电压调整电路；151～比较器；16～半桥驱动器；17～半桥功率晶体驱动器；171～高压侧驱动器；172～低压侧驱动器；18～充电电路；19～第一主动开关；2～灯管模块；21～直流链电容；22～第一晶体管；23～第二晶体管；24～变压器；25～灯管。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

本发明主要为提出一项新的控制模式，可以有效地降低在预热期间的灯管电压(VLAMP)，并且维持灯管所需要的预热电流。

如图2、图3所示，为本发明气体放电灯管模块及其电子安定器的电路架构图，以及电子安定器的电路架构图，其中所述的灯管模块2为现有的架构(包括有：直流链电容21、第一晶体管22、第二晶体管23、变压器24与灯管25)，故不在此做一赘述，本发明电子安定器1包含以下几个部份：参考电压(Vref)产生器11、灯管电压调整电路12、50％责任周期参考值13、脉波频率调整电路(Pulse Frequency Modulation，P.F.M.)14、脉波宽度调整电路(Pulse Width Modulation，PWM)15、半桥驱动器16、半桥功率晶体驱动器(Half-bridge driver)17(包含有一高压侧驱动器(High side Driving、HD)171与一低压侧驱动器(Low side Driving、LD)172)、充电电路18(包括有：电流源IPH、电阻RT和电容TPH)、第一主动开关19与由外部电路产生的定时器。

请参阅图4所示，为图3各电路方块公开较为详细组件电路图，其中各功能方块内部公开实际组件的设计，例如：灯管电压调整电路12是由一运算放大器121所构成，且所述的放大器的一端输入为10％责任周期参考值，另一端输入为第二灯管电压取样值VLAMP2；而脉波频率调整电路14是由一三角波产生器141与第二主动开关142所构成；而脉波宽度调整电路15为一比较器151所构成。再者，外部电路产生的定时器可以由充电电路18形成的计时电路组成。

请参阅图5所示，为本发明在启动与预热阶段所应用的电子安定器架构图，控制模式处在脉波宽度调整(PWM)阶段，并应用Z1、Z2(R、C组成电路)来做为补偿器，其中整个点灯流程包含：启动、预热和扫频点火三个部份，本发明强调的部份是在启动和预热期间，电路系统的表现为一降压型转换器(BUCK mode)模式，所谓降压型转换器模式即为输出电压值大于输入电压值的模式。透过式(1)的公式可以计算出一责任周期D，本实施例责任周期为10％，恰可使原本为三角波的参考电压(Vref)，被切成方波，而得到所需要输出电压，也就是等效空载时的灯管电压(VLAMP)：

V_LAMP＝V_DC·D........................................(1)

请参阅图6所示，为本发明应用脉波宽度调整时，晶体管驱动讯号、灯管电压和灯丝电流的波形图，其中图5电路的二颗晶体管开关(22、23)的工作周期相同，但责任周期为非对称的互补波形如图6，称为脉波宽度调整(PWM)，由脉波宽度调整电路15执行所述的动作，输出电压会包含电感电容(L-C)谐振网络所形成的交流成份以及经过脉波宽度调整的直流成份。其中，直流成份可以透过式(1)的计算得到开回路电压值，若是将输出电压经过取样，加上由运算放大器121组成的灯管电压调整电路12，可以进行闭回路控制，维持输出电压的电压调整率，运算放大器的输出结果可以从公式(2)得出。

v_c＝1/2·V_ref·G_V·v_err........................................(2)

其中

v_err＝(1/2·V_ref-v_LAMP)........................................(3)

G_{V} = 1 + \frac{Z_{2}}{Z_{1}} . . . (4)

请同时参阅图11所示，为本发明电子安定器在预热期间，脉波调频控制工作处在固定频率的状态表示图，在预热期间，脉波调频控制的部份是工作在固定频率的状态，而不会改变频率，此固定频率fPH必须大于点火频率fos。fPH的设计可以由透过RT电阻决定。

请参阅图7所示，为本发明在稳态阶段所应用的电子安定器架构图，当预热结束时，电路系统由半桥驱动器(Inverter)所作动，控制模式会变成脉波频率调整(PFM)。此时会由原本的灯管电压调整转为50％duty参考值13，而脉波频率调整则由一放电电阻(RIG)来决定，所述的放电电阻(RIG)会让三角波产生器141内部的电容作放电动作，因此三角波的频率会由一高频fL3往谐振频率fos逼近，直到灯管电流产生后，改由取样的ILAMP决定工作频率，其应用脉波频率调整的波形图如图8所示。Fos可以由式(5)决定，其中Cs和Cf分别是谐振电容值和谐振电感值。

f_{os} = \frac{1}{2 π \sqrt{L_{s} \frac{C_{s} C_{f}}{C_{s} + C_{f}}}} . . . (5)

请参阅图9所示，为本发明电子安定器的预热、点火至稳态的灯管电压与电流波形图，其中采用本发明的PWM-PFM控制方式，即可有效地在预热期间降低灯管电压(VLAMP)，与图2相较，举例而言，原先灯管电压为1/2VDC，电压平均值(Vrms)约为200V；但图9所公开灯管电压平均值(Vrms)约为35V，由上述数据即可看出本案所提出电路架构可有效降低预热期间降低灯管电压，并且维持所需求的预热电流，此外，此控制方法不需要改变既有的Class-D型式的电路架构即可实现。

请参阅图10所示，为本发明应用脉波频率调整控制方式后，其频率自预热(I)、瞬时(II)与稳态(III)的频率关系图。

上述图2至图11可整理出，本发明的电子安定器的电路，是应用在气体放电灯管的控制，其包含有：

一脉波宽度调整电路，用以控制灯管在预热期间的灯管电压，所述的脉波宽度调整电路更包含有：一个运算放大器作为取样电压用途，所述的运算放大器可以由外部电路设计补偿器；一个比较器作为产生脉波宽度调整(PWM)波形；一个1/10参考电压(0.1Vref)作为参考值；

一脉波频率调整电路，用以控制灯管在稳态时灯管频率，以稳定灯管电流，所述的脉波频率调整电路更包含有：一个三角波产生器，所述的三角波产生器的频率可变，且峰值等于参考电压(Vref)；由电阻电容产生的振荡源与一个参考电压作为电压参考，所述的电容为外部组件与与内建在三角波产生器的其中一者；

一个计时装置，用以决定灯管预热时间，其中所述的计时装置更是包含：二个主动开关，所述的主动开关会将电路系统由脉冲宽度调整，切换到50％责任周期的频率调整，且所述的二主动开关系为金属氧化半导体场效晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)所构成；一充电电路，是由电流源IPH、电阻RT和电容TPH所组成，所述的主动开关系由充电电路所驱动。

一降压型转换器，所述的降压型转换器是操作在安定器预热期间，且决定预热期间的灯管电压直流成份，并可由外部电路决定是否为开回路控制与闭回路控制的其中一状态来执行；

一半桥驱动器，所述的半桥驱动器是操作在点火和稳态期间。

再者，凭借上述图2至图11的公开，即可了解本发明具调整气体放电灯管电压的预热控制装置，主要为利用脉冲宽度调整(PWM)技术控制气体放电灯管在预热期间的灯管电压(VLAMP)，可以有效地降低灯管电压，避免预热期间产生的炽光电流，并且仍维持所需要的灯丝预热电流，在稳态时恢复为脉波频率调整(PFM)控制，稳定灯管电流，本专利所提的控制方法不需要更改现有产品的半桥驱动器架构和谐振槽网络，即可实现需求的结果，本专利所提的控制方法可以轻易地利用模拟集成电路或数字控制器实现，将可以加速导入产品应用，在市场上具有极高的价值，故提出专利申请以寻求专利权的保护。

综上所述，本发明的结构特征与各实施例都已详细揭示，而可充分显示出本发明案在目的与功效上均深富实施的进步性，极具产业的利用价值，且为目前市面上前所未见的运用，依专利法的精神所述，本发明案完全符合发明专利的要件。

唯以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以的限定本发明所实施的范围，即大凡依本发明权利要求所作的均等变化与修饰，都应仍属于本发明专利涵盖的范围内，谨请贵审查委员明鉴，并祈惠准，是所至祷。

Claims

1.一种具调整气体放电灯管电压的预热控制装置，是应用在气体放电灯管的控制，其特征在于：其包含有：

2.如权利要求1所述的具调整气体放电灯管电压的预热控制装置，其特征在于：所述的脉波宽度调整电路还包含有：一个运算放大器作为取样电压用途、一个以1/10为参考电压的比较器来产生脉波宽度调整波形。

3.如权利要求2所述的具调整气体放电灯管电压的预热控制装置，其特征在于：所述的运算放大器由外部电路设计补偿器。

4.如权利要求1所述的具调整气体放电灯管电压的预热控制装置，其特征在于：所述的脉波频率调整电路还包含有：一个以参考电压为电压参考的三角波产生器、由电阻电容产生的振荡源。

5.如权利要求4所述的具调整气体放电灯管电压的预热控制装置，其特征在于：所述的三角波产生器的频率可变，且峰值等于参考电压。

6.如权利要求4所述的具调整气体放电灯管电压的预热控制装置，其特征在于：所述的电容为外部组件与内建在三角波产生器的其中之一。

7.如权利要求1所述的具调整气体放电灯管电压的预热控制装置，其特征在于：所述的主动开关是由充电电路所驱动。

8.如权利要求1所述的具调整气体放电灯管电压的预热控制装置，其特征在于：所述的两个主动开关为金属氧化半导体场效晶体管所构成。

9.如权利要求1所述的具调整气体放电灯管电压的预热控制装置，其特征在于：所述的具调整气体放电灯管电压的预热控制装置还包含有：

一降压型转换器；以及

一半桥驱动器，用以做电流的转换。

10.如权利要求9所述的具调整气体放电灯管电压的预热控制装置，其特征在于：所述的降压型转换器是决定预热期间的灯管电压直流成份。

11.如权利要求9所述的具调整气体放电灯管电压的预热控制装置，其特征在于：所述的降压型转换器由外部电路决定是否为开回路控制与闭回路控制的其中之一状态来执行。

12.如权利要求9所述的具调整气体放电灯管电压的预热控制装置，其特征在于：所述的半桥驱动器是操作在点火和稳态期间。