專利名稱：具有波峰因素校正的電子式安定器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于電子安定器，特別是有關(guān)于具有波峰因素校正的電子式安定器。
背景技術(shù)：
日光燈(Fluorescent Lamp)的燈管電流波峰因素(Crest Factor，C.F.)的定義是指使用電子安定器對(duì)日光燈管點(diǎn)燈時(shí)，燈管電流包封所產(chǎn)生的峰值電流除以電流有效值(電流的root means quare值-RMS值)而求得的比值。但一般的交流電流的波形內(nèi)隱藏了許多的高頻振動(dòng)，造成實(shí)際狀況的波峰因素會(huì)高于1.414的理想值。而此波峰因素的數(shù)值大小對(duì)燈管的壽命有直接并且攸關(guān)的沖擊，絕大多數(shù)的燈管廠商建議此一數(shù)值最好小于1.7，過(guò)高的數(shù)值容易造成燈管黑化，降低燈管的使用壽命。
世界各國(guó)普遍性地要求電子式安定器有較高的功率因素(Power FactorCorrection，PFC)，以提高電子式安定器的功率產(chǎn)生的效率。但額外增加的功率設(shè)備會(huì)增加電子式安定器的制造困難度及提高電子式安定器的成本，而這些成本上的負(fù)擔(dān)大部分都會(huì)轉(zhuǎn)嫁到使用者身上。
因此對(duì)許多電子式安定器的工程師而言，主要的任務(wù)就是開(kāi)發(fā)出具有成本效益的功率因素校正的方法。
功率因素校正電路有兩種基本的類型一種是主動(dòng)式功率因素校正電路；另一種是被動(dòng)式功率因素校正電路。
圖1顯示了一種傳統(tǒng)的主動(dòng)式功率因素校正電路，其中10代表橋式整流器(Bridge Rectifier)。此電路使用了升壓型拓樸電路(Boost Topology)與高頻切換場(chǎng)效電晶體，可以操作于連續(xù)電感電流或臨界傳導(dǎo)模式(CricalConduction Mode)的變頻模式，其中在開(kāi)始一新的充電周期之前，電感L1允許釋放能量至零。此電路可以完全滿足諧波的要求，因此可達(dá)到高的功率因素。此類型的功率因素校正電路能達(dá)到高達(dá)99％的功率因素。然而，由于需要控制器PFC、電感L1、高速功率場(chǎng)致電晶體Q1以及快速恢復(fù)二極管D1，導(dǎo)致其材料成本(Material Cost)相當(dāng)高。
被動(dòng)式功率因素校正電路僅使用被動(dòng)零組件，因此其成本低于主動(dòng)式功率因素校正電路。圖2顯示了簡(jiǎn)單的LC被動(dòng)式功率因素校正電路。此類型電路操作在低頻率(50赫茲或60赫茲)，并使用了并使用了硅鋼片疊制電感(PFC Choke)L1以及電容C1作為低頻率操作的低通或帶通濾波器架構(gòu)(Low Pass or Band Pass Filter Configuration)。不幸的，由于電路操作于低頻率，其LC電路需要大的電感值及電容值，尤其是電感L1的物理性尺寸及重量都相當(dāng)?shù)拇?，并且在使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生擾人的蜂鳴聲。因此，雖然被動(dòng)式功率因素校正電路可達(dá)到不錯(cuò)的性能表現(xiàn)，但目前此類型電路較少被采用。
目前有需多低成本的功率因素校正電路，例如具平坦電路的功率因素校正電路(Valley Fill PFC Circuit)。圖3(A)顯示了可達(dá)到高功率因素(93％-95％)的具平坦電路的功率因素校正電路。在此電路中，經(jīng)整流的交流輸入的每半周期，濾波電容C1、C2以串連形式通過(guò)二極管D2進(jìn)行充電，而充電至一半的交流尖峰電壓(假設(shè)二極管是理想二極管，二極管上無(wú)跨壓)。當(dāng)電容C1、C2均已經(jīng)充電至一半的交流尖峰電壓后，僅有在直流線路的電壓隨著正弦波形下降到一半的交流尖峰電壓以下才會(huì)由電容C1、C2提供輸出電流。在輸出電流的過(guò)程，電容C1和C2以并聯(lián)的狀態(tài)來(lái)提供負(fù)載電流，一直到整流的交流電壓值于下一個(gè)周期時(shí)再度高于電容的電壓，理想下(假設(shè)電容的電容量很大，電容放電后電壓無(wú)下降)，此值為一半的交流尖峰電壓值，而直流輸出的電壓波形為如圖3(B)所示。經(jīng)由簡(jiǎn)單的計(jì)算可得知，在隨著時(shí)間軸變化的正弦波形的數(shù)值低于最大值的一半的時(shí)間為全部時(shí)間的37％左右，此值也就是電容的工作周率(Duty Cycle)值。在剩下的63％的電容閑置(Idle)時(shí)間，則由經(jīng)整流的交流輸入來(lái)直接提供。這樣的架構(gòu)可以大幅增加功率品質(zhì)及功率因素。但，具平坦電路的功率因素校正電路最大的缺點(diǎn)即是有很大的漣波電壓(Ripple Voltage)，約為交流輸入電壓的一半。任何使用這樣的電子式安定器，若不修正燈管電流將導(dǎo)致相當(dāng)大的波峰因素值。大部分使用于日光燈的電子式安定器的半橋式場(chǎng)效電晶體(MOSFET)驅(qū)動(dòng)器或控制器雖然成本低，但不具有調(diào)整燈管電流的功能。在大部分的情況下，決定了時(shí)序電容(timing capacitor)和電阻后，驅(qū)動(dòng)器的操作頻率就被定下來(lái)了。場(chǎng)效電晶體驅(qū)動(dòng)或使用低成本的控制器的電子式安定器，其燈管的電流都未經(jīng)調(diào)整。因此當(dāng)直流鏈(DC bus)電壓有變化時(shí)，燈管電流也會(huì)隨著直流電壓漣波(DC ripple)變化。這有可能使燈管電流的波峰因素值超過(guò)1.7而造成減少燈管的使用壽命。因此，對(duì)不具電流調(diào)整能力的低成本安定控制器而言，并不適合使用具平坦電路的功率因素校正電路。圖4(A)顯示了一個(gè)使用具平坦電路的功率因素校正電路的典型電子式安定器，其中20代表半橋式場(chǎng)效電晶體驅(qū)動(dòng)器(Half-BridgeMOSFET Driver)，30代表燈管，圖4(B)顯示了燈管30的電流波形。由于并未修正燈管電流，其燈管電流的波峰因素將很容易就高過(guò)1.7。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述的發(fā)明背景中，公知技術(shù)低成本的高功率因素的電子式安定器，由于不具有波峰因素電流修正的功能，導(dǎo)致產(chǎn)生高波峰因素而影響燈管的使用壽命?；蛘呔哂胁ǚ逡蛩仉娏餍拚墓δ艿母吖β室蛩氐碾娮邮桨捕ㄆ鞯某杀鞠喈?dāng)?shù)母摺?br> 本發(fā)明的主要目的是提供了簡(jiǎn)單且低成本的具有波峰因素校正的電子式安定器，使具有在高直流電壓漣波下有波峰因素校正的功能，以有效地延長(zhǎng)燈管的使用壽命。
本發(fā)明的另一目的是利用電子式安定控制器校正電流波峰因素，以降低燈管電流的波峰因素。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種具有波峰因素校正的電子式安定器，包含一全波整流電路，用以整流一交流輸入電壓成一整流電壓；一轉(zhuǎn)換器，將該整流電壓轉(zhuǎn)換成一輸出交流電壓；一功率因素校正電路，連接于該全波整流電路與該轉(zhuǎn)換器之間，用以提高該全波整流電路的功率因素；一電壓訊號(hào)產(chǎn)生器，連接于該功率因素校正電路與該轉(zhuǎn)換器之間，以提供一電壓訊號(hào)；一控制器，連接于該電壓訊號(hào)產(chǎn)生器與該轉(zhuǎn)換器之間，根據(jù)該電壓訊號(hào)以輸出一切換訊號(hào)至該轉(zhuǎn)換器；一LC震蕩電路，包含一震蕩電感及一震蕩電容，該震蕩電路連接于該轉(zhuǎn)換器及一螢光燈管之間；其中當(dāng)該整流電壓升高時(shí)，該轉(zhuǎn)換器根據(jù)該切換訊號(hào)提高該輸出交流電壓的一震蕩頻率，使流過(guò)該震蕩電感的電流受到抑制，而當(dāng)整流電壓降低時(shí)，該轉(zhuǎn)換器根據(jù)該切換訊號(hào)降低該震蕩頻率，使流過(guò)該震蕩電感的電流的下降幅度減少。
所述的具有波峰因素校正的電子式安定器，其中上述的全波整流電路是為橋式整流電路。
所述的具有波峰因素校正的電子式安定器，其中上述的轉(zhuǎn)換器是為半橋式直流/交流轉(zhuǎn)換器。
所述的具有波峰因素校正的電子式安定器，其中上述的半橋式直流/交流轉(zhuǎn)換器包含兩個(gè)場(chǎng)效電晶體。
所述的具有波峰因素校正的電子式安定器，其中上述的功率因素校正電路是為一平坦電路。此時(shí)特別指適用于用于熒光燈管的一種具有波峰因素校正的電子式安定器。
所述的具有波峰因素校正的電子式安定器，其中上述的平坦電路包含至少兩個(gè)電容及三個(gè)二極管，使該兩個(gè)電容之一電容跨壓低于該整流電壓時(shí)，使該兩個(gè)電容以串聯(lián)形式進(jìn)行一充電過(guò)程，于該兩個(gè)電容之一電容跨壓高于該整流電壓時(shí)，該兩個(gè)電容以并聯(lián)形式進(jìn)行一放電過(guò)程。
所述的具有波峰因素校正的電子式安定器，其中上述的電壓訊號(hào)產(chǎn)生器是為一串聯(lián)電阻電路。
所述的具有波峰因素校正的電子式安定器，其中上述的控制器通過(guò)以高于該LC震蕩電路的一共振頻率來(lái)進(jìn)行預(yù)熱過(guò)程。
所述的具有波峰因素校正的電子式安定器，其中上述的控制器通過(guò)以接近該LC震蕩電路的該共振頻率來(lái)啟動(dòng)該螢光燈管。
所述的具有波峰因素校正的電子式安定器，其中上述的切換訊號(hào)的范圍為50k赫茲到80K赫茲。
綜上所述，本發(fā)明是利用電壓回饋訊號(hào)來(lái)調(diào)整電子式安定器的操作頻率通過(guò)由變化操作頻率即可簡(jiǎn)單地控制燈管電流。因此可以通過(guò)由簡(jiǎn)單且低成本的電子式安定控制器，使電子式安定器具有在高直流電壓漣波下有波峰因素校正的功能，以有效地降低燈管電流的波峰因素并延長(zhǎng)燈管的使用壽命。


圖1是公知技術(shù)中主動(dòng)式功率因素校正的電路示意圖；圖2是公知技術(shù)中被動(dòng)式功率因素校正的電路示意圖；圖3(A)及圖3(B)是公知技術(shù)中具平坦電路的功率因素校正的電路示意圖及其輸出電壓波形；圖4(A)及圖4(B)是公知技術(shù)中具平坦電路的功率因素校正電路的電子式安定器示意圖及其燈管電流波形；圖5是本發(fā)明的一較佳實(shí)施例的電子式安定器的電路示意圖；圖6是本發(fā)明的具有波峰因素校正的電子式安定控制器的方塊圖；圖7是本發(fā)明的電子式安定器的燈管電流波形。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的一些實(shí)施例會(huì)詳細(xì)描述如下。然而，除了詳細(xì)描述外，本發(fā)明還可以廣泛地在其他的實(shí)施例施行，且本發(fā)明的范圍不受限定，其以之后的專利范圍為準(zhǔn)。
再者，為提供更清楚的描述及更易理解本發(fā)明，圖式內(nèi)各部分并沒(méi)有依照其相對(duì)尺寸繪圖，某些尺寸與其他相關(guān)尺度相比已經(jīng)被夸張；不相關(guān)的細(xì)節(jié)部分也未完全繪出，以求圖式的簡(jiǎn)潔。
對(duì)電子式安定器而言，最有成本效益的拓樸電路圖為半橋式LC共振電路(Half-Bridge L-C Resonant Circuit)。圖5顯示了本發(fā)明使用具平坦電路的功率因素校正電路的半橋式LC共振電子式安定器的一較佳實(shí)施例，其中40代表一個(gè)低成本的具有波峰因素校正的電子式安定控制器。電阻R1提供電壓Vdd作為控制器40的正電源電壓。電阻R2、R3串聯(lián)，以分壓的方式在點(diǎn)A提供一分壓作為控制器40的電壓反饋訊號(hào)VFB，也可以用任何電壓訊號(hào)產(chǎn)生器來(lái)提供此電壓回饋訊號(hào)VFB，但以串聯(lián)電阻電路所形成的電壓訊號(hào)產(chǎn)生器的成本為最低。此電路的后半段則是由兩個(gè)高壓場(chǎng)效電晶體Q1、Q2所組成的半橋式DC/AC轉(zhuǎn)換器，通過(guò)由控制器40的控制端點(diǎn)Hi、Lo使兩個(gè)高壓場(chǎng)效電晶體Q1、Q2在不同時(shí)間點(diǎn)切換，便可將DC轉(zhuǎn)換為AC電源來(lái)驅(qū)動(dòng)燈管30。具有波峰因素校正的電子式安定控制器40使用最少的零件來(lái)達(dá)到燈管啟動(dòng)(Lamp Ignition)及燈管電流限制。在這拓樸電路，通過(guò)將切換頻率操作到接近共振槽L、C4的共振頻率，以使LC共振電路可以啟動(dòng)燈管30。在啟動(dòng)之后，L可以作為燈管的電流限制元件。電感的阻抗正比于操作頻率。所以，當(dāng)直流鏈的電壓升高時(shí)，電壓反饋訊號(hào)VFB的電壓也跟著提高，控制器40收到直流鏈電壓升高的訊號(hào)時(shí)，會(huì)提高高壓場(chǎng)效電晶體Q1、Q2的切換速率，通過(guò)由提高操作頻率即可提高電感的阻抗而達(dá)到抑制電流的效果。相反地，當(dāng)直流鏈的電壓降低時(shí)，電壓反饋訊號(hào)VFB的電壓也跟著降低，控制器40收到直流鏈電壓降低的訊號(hào)時(shí)，會(huì)降低高壓場(chǎng)效電晶體Q1、Q2的切換速率，通過(guò)降低操作頻率即可降低電感的阻抗而使燈管電流下降幅度減緩。因此，通過(guò)變化操作頻率即可簡(jiǎn)單地控制燈管電流。
圖6顯示了具有波峰因素校正的電子式安定控制器的簡(jiǎn)單方塊圖。電壓Vdd為控制器的正電源電壓，由能帶參考電路50來(lái)調(diào)整輸入電壓的高低，電壓Vdd過(guò)高時(shí)，齊納二極管D4導(dǎo)通以限制電壓，電壓Vdd過(guò)低時(shí)，由低電壓鎖定電路60防止電壓過(guò)低時(shí)的誤動(dòng)作。為由高電位驅(qū)動(dòng)器80及低電位驅(qū)動(dòng)器100來(lái)提供切換訊號(hào)Hi、Lo。由訊號(hào)Vs、Hi及Lo作為半橋場(chǎng)效電晶體(如圖5的Q1、Q2)的驅(qū)動(dòng)訊號(hào)。預(yù)熱啟動(dòng)控制120以高于LC震蕩電路的共振頻率來(lái)進(jìn)行預(yù)熱后于以接近共振頻率的操作頻率來(lái)啟動(dòng)燈管。保護(hù)邏輯控制器130為公知技術(shù)的保護(hù)邏輯控制器，以保護(hù)安定器有誤動(dòng)作時(shí)關(guān)閉安定器。電壓控制震蕩器110接受電壓反饋訊號(hào)VFB，以產(chǎn)生震蕩頻率輸入控制邏輯電路90。準(zhǔn)位轉(zhuǎn)換電路70用以轉(zhuǎn)換控制邏輯電路90的控制訊號(hào)的電位成驅(qū)動(dòng)電壓的電位。上述的各功能電路50、60、70、80、90、100、110、120以及130都可以使用公知技術(shù)中的功能電路。
本發(fā)明基于直流電壓漣波的電壓反饋VFB來(lái)調(diào)整燈管電流，以達(dá)到較低的波峰因素值。直流鏈的電壓升高時(shí)，R2及R3的串連電阻上的跨電壓升高，所以經(jīng)由A點(diǎn)輸入的反饋電壓VFB也會(huì)升高，此時(shí)電壓控制器震蕩器110提高操作頻率。因此電感L的阻抗也隨之增加而抑制燈管電流。相反地，當(dāng)直流鏈的電壓降低時(shí)，R2及R3的串連電阻上的跨電壓降低，所以經(jīng)由A點(diǎn)輸入的回饋電壓VFB也會(huì)降低，此時(shí)電壓控制器震蕩器110降低操作頻率以舒緩燈管電流下降幅度。經(jīng)調(diào)整頻率后的輸出電流波形為如圖7所示，在電流較高及較低的部分都已被消去，因此可以有效降低波峰因素值。本發(fā)明的較佳變頻率范圍為50k赫茲到80k赫茲。利用此方法，系統(tǒng)可以輕易降低波峰因素值使其小于1.7。
與公知技術(shù)相比，本發(fā)明有許多特征是公知技術(shù)所沒(méi)有的。如圖6所示的安定器系統(tǒng)是相當(dāng)?shù)统杀镜慕鉀Q方法。在此電路中并不是以后級(jí)的燈管電流反饋的方式來(lái)控制燈管電流，相反地，是利用前級(jí)的直流鏈的電壓反饋VFB作為一控制訊號(hào)來(lái)調(diào)整燈管電流。公知的電流反饋一般需要再將燈管電流(交流電)的回鎖訊號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電壓回饋訊號(hào)，需要額外的元件來(lái)取得電流的回饋訊號(hào)并轉(zhuǎn)成電壓訊號(hào)。因此電壓回饋訊號(hào)相較于電流反饋，除成本低外，也更容易取得與使用。控制器40取得直流鏈的回饋電壓VFB并且調(diào)節(jié)操作頻率來(lái)調(diào)整燈管電流以降低波峰因素。另外，與公知的具有調(diào)整燈管電流功能的電子式安定器不同的是本發(fā)明不需要一個(gè)昂貴的封閉回路式(Close-Loop)控制系統(tǒng)。本發(fā)明的主要目的是減少燈管電流的波峰因素值，而不是要嚴(yán)謹(jǐn)控制燈管電流的電流大小，所以并不需要昂貴的閉回路控制系統(tǒng)。由于這是一個(gè)開(kāi)放回路式(Open-Loop)系統(tǒng)，并不需要如封閉回路般需去注意不穩(wěn)定的問(wèn)題。
許多傳統(tǒng)半橋式場(chǎng)效電晶體驅(qū)動(dòng)器或低成本安定器控制器的供應(yīng)廠商建議以非連續(xù)的方式來(lái)解決此問(wèn)題。而這種解決方法需要額外的部分來(lái)提供對(duì)波峰因素校正的階梯式操作頻率的改變。但，這種非連續(xù)式的系統(tǒng)，其成本更高，且性能表現(xiàn)也不甚令人滿意。另一方面，本發(fā)明的系統(tǒng)為集成電路，并基于電壓回饋來(lái)提供燈管電流的線性連續(xù)調(diào)整的可靠解決方法。因此，本發(fā)明提供了一個(gè)低成本且更高性能的可靠解決方法。
權(quán)利要求
1.一種具有波峰因素校正的電子式安定器，其特征在于，包含一全波整流電路，用以整流一交流輸入電壓成一整流電壓；一轉(zhuǎn)換器，將該整流電壓轉(zhuǎn)換成一輸出交流電壓；一功率因素校正電路，連接于該全波整流電路與該轉(zhuǎn)換器之間，用以提高該全波整流電路的功率因素；一電壓訊號(hào)產(chǎn)生器，連接于該功率因素校正電路與該轉(zhuǎn)換器之間，以提供一電壓訊號(hào)；一控制器，連接于該電壓訊號(hào)產(chǎn)生器與該轉(zhuǎn)換器之間，根據(jù)該電壓訊號(hào)以輸出一切換訊號(hào)至該轉(zhuǎn)換器；一LC震蕩電路，包含一震蕩電感及一震蕩電容，該震蕩電路連接于該轉(zhuǎn)換器及一螢光燈管之間；其中當(dāng)該整流電壓升高時(shí)，該轉(zhuǎn)換器根據(jù)該切換訊號(hào)提高該輸出交流電壓的一震蕩頻率，使流過(guò)該震蕩電感的電流受到抑制，而當(dāng)整流電壓降低時(shí)，該轉(zhuǎn)換器根據(jù)該切換訊號(hào)降低該震蕩頻率，使流過(guò)該震蕩電感的電流的下降幅度減少。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有波峰因素校正的電子式安定器，其特征在于，其中上述的全波整流電路是為橋式整流電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有波峰因素校正的電子式安定器，其特征在于，其中上述的轉(zhuǎn)換器是為半橋式直流/交流轉(zhuǎn)換器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有波峰因素校正的電子式安定器，其特征在于，其中上述的半橋式直流/交流轉(zhuǎn)換器包含兩個(gè)場(chǎng)效電晶體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有波峰因素校正的電子式安定器，其特征在于，其中上述的功率因素校正電路是為一平坦電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有波峰因素校正的電子式安定器，其特征在于，其中上述的平坦電路包含至少兩個(gè)電容及三個(gè)二極管，使該兩個(gè)電容之一電容跨壓低于該整流電壓時(shí)，使該兩個(gè)電容以串聯(lián)形式進(jìn)行一充電過(guò)程，于該兩個(gè)電容之一電容跨壓高于該整流電壓時(shí)，該兩個(gè)電容以并聯(lián)形式進(jìn)行一放電過(guò)程。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有波峰因素校正的電子式安定器，其特征在于，其中上述的電壓訊號(hào)產(chǎn)生器是為一串聯(lián)電阻電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有波峰因素校正的電子式安定器，其特征在于，其中上述的控制器通過(guò)以高于該LC震蕩電路的一共振頻率來(lái)進(jìn)行預(yù)熱過(guò)程。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有波峰因素校正的電子式安定器，其特征在于，其中上述的控制器通過(guò)以接近該LC震蕩電路的該共振頻率來(lái)啟動(dòng)該螢光燈管。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有波峰因素校正的電子式安定器，其特征在于，其中上述的切換訊號(hào)的范圍為50k赫茲到80K赫茲。
全文摘要
由于公知技術(shù)中，低成本的具有波峰因素電流修正的高功率因素的電子式安定器，不具有波峰因素電流修正的功能，導(dǎo)致產(chǎn)生高波峰因素而影響燈管的使用壽命。本發(fā)明提供一低成本的具有波峰因素校正的電子式安定器，根據(jù)電壓回饋訊號(hào)，通過(guò)由變化操作頻率即可簡(jiǎn)單地控制燈管電流以達(dá)到波峰因素電流修正的功能。
文檔編號(hào)H05B41/28GK1568124SQ0314911
公開(kāi)日2005年1月19日 申請(qǐng)日期2003年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月17日
發(fā)明者周清和, 翁仁基, 周維凡 申請(qǐng)人:臺(tái)達(dá)電子工業(yè)股份有限公司, 匹勒密斯公司