專利名稱：燈用鎮(zhèn)流器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于氣體放電燈的電子鎮(zhèn)流器，更具體地，涉及即使在非常低的照明等級(例如最大強度的1或2％)和即使在鎮(zhèn)流器通過具有明顯的雜散電容的外界(remote)導線耦合到燈時的能夠通過外部提供的用于調(diào)節(jié)提供給燈的功率的調(diào)光信號來準確地控制燈的強度的鎮(zhèn)流器。
1998年4月21授予本申請人并轉讓給本受讓人Philips ElectronicsN．A．的美國專利No．5，742，134公開了一種電子鎮(zhèn)流器，它包括具有一對用于在連接燈的諧振輸出電路中產(chǎn)生一個高頻方波的串聯(lián)MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)開關的半橋倒相器。該倒相器由主要包括一個集成電路(IC)的驅(qū)動控制電路驅(qū)動，該集成電路具有與鎮(zhèn)流器的各種工作參數(shù)例如燈電流、電壓和功率相對應的引腳，以及用于接收外部的調(diào)光控制信號的引腳。IC中的一個反饋環(huán)路通過改變倒相器的開關頻率來控制燈強度，倒相器輸出電路的諧振附近的頻率變化使燈電流和電壓明顯改變，并因此改變了提供給燈的功率。獲得用作燈功率的測量值的信號作為測量的平均燈電流與測量的平均燈電壓的乘積，該功率信號用來導出將燈強度調(diào)節(jié)到由外部提供的調(diào)光信號表示的等級的誤差信號。從而在降至低達整個強度的1或2％的范圍內(nèi)提供對燈強度的線性控制。在此引入該專利供參考，如果在此敘述，其全部構成本文的一部分。
當該鎮(zhèn)流器必須與燈相距一定距離設置時遇到一個問題，以致外界導線必然在其間引起明顯的寄生電容。該電容的結果是使在鎮(zhèn)流器處檢測的燈電流和電壓具有明顯的相位差。因此，實際的燈功率不再是平均(即DC)燈電流與電壓簡單的乘積，而是由實際的燈電壓與電流的乘積在其每個周期循環(huán)范圍的積分給出的。在低強度等級，燈電流可能與寄生電容電流在相同的數(shù)量級，因此，在鎮(zhèn)流器測量的電流與功率與實際測量的燈電流和功率變得完全不一樣。這將導致對燈強度的錯誤控制，由于寄生電流被鎮(zhèn)流器理解為燈電流，并因此作為已經(jīng)點燃的表示，并由此從所需的啟動等級減小燈電壓，這也使得難于將燈啟動。
本發(fā)明的目的是對已知的鎮(zhèn)流器提供改進，考慮到它們之間的相位關系，將其作為實際的燈電流和電壓的乘積測量來代替作為平均燈電流和電壓的乘積測量的燈的功率。更具體地，本發(fā)明提供一種用于已知的鎮(zhèn)流器的基本IC(稱為“α”IC)使用的輔助IC，因此，該輔助IC被稱為“α2”IC。它包括對表示燈電流的差動電壓整流并產(chǎn)生與所述已整流電壓對應的已整流交流電流的第一整流器，對表示燈電壓的電流整流的第二整流器，將兩個已整流電壓相乘的電流模式單象限乘法器。將乘法器的輸出電流平均以得到與提供給燈的實際功率成比例的直流電壓。該乘積考慮每個功率周期期間燈電壓和電流是否是相同或不同的符號，然后在燈電壓和電流是相同符號時增加表示燈功率的現(xiàn)有直流電壓，當它們的符號相反時，降低直流電壓。因此，在得到表示燈功率的直流電壓值的過程中考慮每個周期的每個象限期間其間的相位關系。由于寄生電容電流與燈電壓相差90°相位，該電流與燈電壓乘積的平均值是零，因此它不影響如所述的那樣得到的功率信號的精度。
現(xiàn)在參考附圖更詳細地描述本發(fā)明，附圖中

圖1是上面給出的專利中的燈用鎮(zhèn)流器以及本發(fā)明的燈用鎮(zhèn)流器的基本結構的方框圖；圖2是圖1的燈用鎮(zhèn)流器結構的更詳細的示意圖，除了省略所述專利的圖2中的虛線框中所示的向αIC109的DIM引腳提供外部調(diào)光控制信號的接口電路，和省略了與所述專利的圖2的虛線框198相同的可選擇的深度調(diào)光外部偏移外。在此的圖2中使用的識別標號與所述專利的圖2的相同；圖3是根據(jù)本發(fā)明的改進的圖2中的鎮(zhèn)流器的示意圖，以包括如上所述的α2 IC；圖4是圖3中使用的α2 IC的結構方框圖；和圖5是與所述現(xiàn)有技術專利的鎮(zhèn)流器相反，根據(jù)本發(fā)明在燈與鎮(zhèn)流器之間的外界導線的不同寄生電容值測量的燈強度的精度改進的曲線圖。
為了描述本發(fā)明如何對上面給出的專利的現(xiàn)有技術的鎮(zhèn)流器進行改進，首先給出該鎮(zhèn)流器基本特性的描述，該鎮(zhèn)流器的基本特性也可應用于本發(fā)明的鎮(zhèn)流器。參考圖1，示出了上述專利中的鎮(zhèn)流器的簡化方框圖。把可在240至500伏范圍內(nèi)選擇的基本上恒定的直流電壓提供給倒相器60，倒相器60包括由包括αIC的驅(qū)動控制電路65產(chǎn)生的高頻開關信號驅(qū)動的開關模式電源。開關頻率可以是約45kHz，并在倒相器60的輸出端產(chǎn)生該頻率的方波。該輸出施加到包括串聯(lián)諧振電感器75和電容器80的負載70。諧振頻率略低于開關信號頻率，由此可通過降低或升高開關信號頻率來提高或降低燈的強度。
圖2更詳細地示出圖1中的鎮(zhèn)流器電路的結構，除省略了連接到αIC109的DIM引腳的調(diào)光接口電路外，由于該接口僅是向DIM引腳提供調(diào)光控制信號的許多可能的接口之一，圖2與上面給出的專利的圖2相同。因此，僅以方框圖的形式表示調(diào)光信號接口電路110。還省略了在下降到全部光強度的1％的深度調(diào)光等級使用的所述專利的圖2的虛線框198中示出的任選外部偏置電路。然而，也可任選地包括該外部偏置電路。
由于其中詳細描述了所述專利的圖2中的鎮(zhèn)流器，不必對其結構進一步詳細描述。然而，為了全面說明本發(fā)明實現(xiàn)的改進，現(xiàn)在給出圖2中鎮(zhèn)流器的操作特性的特定描述。
在αIC106的引腳LI1和LI2感測的電流之間的差值表示流過燈85的電流。由二極管180和電容器183檢測由電阻器174和177形成的分壓器按比例分配在燈兩端的電壓，導致在匯接點181的直流電壓與峰值燈電壓成比例。由電阻189將該電壓轉換成流入αIC的引腳VL的電流。在αIC109中，把在引腳VL的電流(表示峰值燈電壓)與在引腳LI1和LI2的電流差(表示平均燈電壓)相互相乘以便獲得從引腳CRECT出來饋送到電容192與電阻195的并聯(lián)組合的已整流交流電流。由此將該已整流交流電流轉換成與燈85的平均功率成比例的直流電壓。αIC中包含的反饋電路工作以改變倒相器60的開關頻率，直到由在CRECT引腳的電流產(chǎn)生的電壓變得與從外部調(diào)光接口提供給DIM引腳的電壓相同。應指出，在CRECT引腳產(chǎn)生的、通過電阻195和電容192的并聯(lián)組合流到地電位的電流表示燈85的平均功率(平均燈電流和電壓的乘積)。
連接在引腳RREF和地之間的電阻156用來設定αIC內(nèi)的參考電流，連接在引腳CF和地之間的電容159設定αIC中包括的電流控制振蕩器(CCO)的頻率，以便為倒相器60的開關100和112的門電路G1和G2產(chǎn)生開關信號。連接在引腳CP和地之間的電容165用于對預熱周期定時并且還為非振蕩／備用模式定時。通過電容器138連接到匯接點110的引腳FVDD表示αIC的浮動電源電壓。
初始啟動周期期間，根據(jù)電容器106和電阻103的RC常數(shù)對電容器106充電。在該周期期間，開關100處在非導通狀態(tài)，而開關112處在導通狀態(tài)，輸入到αIC的引腳VDD的電流保持在低電平(低于500毫安)。引腳FVDD和匯接點110之間的電容器138充電到接近VDD的相對恒定的電壓，VDD作為開關100的驅(qū)動電路的電源電壓。當電容器106兩端的電壓達到閾值導通值(例如12伏)時，αIC進入其工作狀態(tài)(振蕩／開關)，開關100和112以高出由電感75和電容器80設定的諧振頻率很多的頻率在導通和非導通狀態(tài)之間來回切換。
倒相器開始振蕩時，αIC初始進入預熱周期。在該周期期間，燈85還未處在點燃狀態(tài)。由連接到引腳RREF的電阻156和連接到引腳CF的電容器159，以及開關100和112的反向二極管導通時間設定αIC的初始工作頻率約為100kHz。然后，αIC由此以確定的速率減小該頻率，并繼續(xù)減小該頻率，直到在RIND引腳感測的電阻162兩端的峰值電壓達到預定的負峰值，例如-0．4伏。由αIC調(diào)整開關100和112的開關頻率，以使在RIND引腳感測的電壓保持等于-0．4伏，該電壓在匯接點110導致大致約80-85kHz的固定頻率。相對固定的均方根(rms)電流流過電感75，電感75可耦合到燈75的燈絲76和77，以便為后面的燈點燃而對它們進行預處理。由電容器165設定預熱周期的持續(xù)時間。如果省略該電容器，將沒有預熱并將導致立即開始工作。
在電容器165確定的預熱周期結束時，αIC開始向下朝無負載諧振頻率(即燈85點燃前電感75和電容器80的諧振頻率，例如60kHz)掃描該開關頻率。隨著開關頻率接近該諧振頻率，燈兩端的電壓迅速升高(例如600-800伏峰值)并且通常足以點燃該燈。一旦出現(xiàn)，燈電流從幾毫安升高到數(shù)百毫安。根據(jù)分別與電阻168和171成比例的電流之間的差值在αIC的引腳LI1和LI2感測通過電阻153的等于燈電流的電流。由在匯接點181產(chǎn)生與峰值燈電壓成比例的直流電壓的二極管180和電容器183檢測由電阻174和177形成的分壓器按比例分配的燈85的電壓。電阻189將匯接點181的電壓轉換成流入引腳VL的電流。
流入引腳VL的電流在αIC109中和與引腳LI1和LI2之間的電流差對應的電流相乘，產(chǎn)生從引腳CRECT饋送到電容器192和電阻195的并聯(lián)組合的已整流交流電流。該組合將交流整流電流轉換成與燈85的平均功率成比例的直流電壓。αIC109內(nèi)包含的反饋環(huán)路強制引腳CRECT處的電壓等于DIM引腳處的電壓。因此，得到對燈85消耗的功率的調(diào)整。
由施加到αIC109的DIM引腳的電壓設定希望的燈85的照明強度等級。為此，αIC包括上述反饋環(huán)路，該反饋環(huán)路包括燈電壓感測電路和燈電流感測電路。由該反饋環(huán)路調(diào)節(jié)倒相器的開關頻率，以使CRECT引腳的電壓等于施加到DIM引腳的電壓。DIM電壓在0．3和30伏，即1∶10的比率之間變化。當其升高到該范圍以上或下降到該范圍以下時，由αIC分別將其內(nèi)部嵌位到3．0或0．3伏。
點燃燈85時，CRECT引腳的電壓為零。隨著燈電流增加，在CRECT引腳處與平均燈電壓和電流的乘積成比例的電流將電容器192充電到與所述乘積成比例的電壓。降低或增加倒相器電路的開關頻率，直到CRECT引腳處的電壓變得與DIM引腳處的電壓相等。當把調(diào)光等級設定為全光(100％)輸出時，允許將電容器192充電到3．0伏，因此，CRECT引腳處的電壓在反饋環(huán)路的基礎上升高到3．0伏。電壓升高期間反饋環(huán)路保持開路。一旦CRECT引腳的電壓達到約3．0伏，反饋環(huán)路閉合。同樣，當將調(diào)光等級設定到最小的光輸出時，允許電容器192充電到0．3伏，因此，CRECT引腳的電壓在反饋環(huán)路的基礎上升高到0．3伏。通常，DIM引腳處的0．3伏對應于全光輸出的10％。當將調(diào)光等級設定到最小光輸出時，CRECT電容器192在反饋環(huán)路閉合前充電到0．3伏。根據(jù)本發(fā)明改進的鎮(zhèn)流器根據(jù)本發(fā)明改進的鎮(zhèn)流器如圖3所示，除加入了表示成α2IC的輔助IC外，該鎮(zhèn)流器與圖2的鎮(zhèn)流器基本相同，α2IC起到原始的αIC109的協(xié)處理器的作用。在圖3中，連接到αIC109的引腳LI1和LI2的電阻168和171都接地，從而設定那些端子的差動輸入電流為零。因此，測得的電流和與CRECT引腳對應的電壓將為零。代之以現(xiàn)在由α2IC301的CPOW引腳電流產(chǎn)生αIC的反饋環(huán)路中以前使用的CRECT電壓，α2IC301的CPOW引腳的電流與燈電流和電壓的瞬時乘積成比例，并因此與實際的燈功率成比例?，F(xiàn)在在α2IC301的LI1’和LI2’引腳差動地感測燈電流，LI1’和LI2’引腳連接在燈85和地之間的電阻153兩端。在α2IC301的IVL引腳感測燈電壓，該引腳由電阻303連接到燈端子170，燈端子170連接到電感75和電容器80之間的匯接點。α2IC的CPOW引腳連接到αIC的CRECT引腳，電容器192和電阻195的并聯(lián)組合將在CPOW引腳產(chǎn)生的交流電流轉換成與實際的燈功率成比例的直流電壓。把感測的電壓作為αIC的CRECT電壓提供，并因此如所述專利中描述的，起到αIC中的誤差放大器的反饋電壓的作用。由提供給DIM引腳的電壓控制反饋環(huán)路中的參考電壓，因此，提供的調(diào)光電壓控制實際的燈功率等級。如同在原始鎮(zhèn)流器的情況，如果鎮(zhèn)流器和燈之間存在外界導線，圖3中的改進鎮(zhèn)流器感測的差動燈電流將包括寄生電容電流。然而，由于該電容電流與燈電壓的相位超出90°，其乘積的平均值將是零，因此，它對α2IC產(chǎn)生的CRECT電壓沒有影響。因此，由于外界導線的寄生電容，檢測包括α2IC的改進鎮(zhèn)流器中的燈功率不再遇到誤差。
圖4表示α2IC301的基本電路結構，其引腳與圖3所示的引腳對應。另外，它可包括電源饋送和與燈強度的控制無關的電壓偏置電路。燈電流整流器303從引腳LI1’和LI2’接收與燈電流對應的差動電壓，并將該電壓轉換成提供給電流型單象限乘法器305的一個輸入端305a的已整流交流電流。該乘法器在本領域中是熟知的。燈電壓整流器307從引腳IVL接收表示燈電壓的電流，并將其轉換成提供給乘法器305的第二輸入端305b的已整流電流。相位檢測器309是邏輯電路，如果燈電壓和燈電流都是相同符號，即正或負，則輸出高邏輯值。如果燈電壓和電流為相反符號，其乘積的符號則為負，并且相位檢測器309輸出低邏輯值。其輸入提供給乘法器305的控制輸入端305c，并控制其在引腳CPOW產(chǎn)生輸出電流，該輸出電流向外引導，并因此在控制輸入端305c的信號為高時加到現(xiàn)存的電壓等級。當控制輸入端305c處的信號為低時，將向內(nèi)引導(吸收)在乘法器305的引腳305產(chǎn)生的輸出電流，并因此在那里從現(xiàn)存的電壓等級減去該輸出電流。因此，根據(jù)實際的燈電流和電壓之間的相位關系產(chǎn)生算術和，把在引腳CPOW得到的，表示實際功率的電壓提供給燈。
可分析改進的鎮(zhèn)流器的操作如下。例如燈85的負載消耗的實際功率(Preal)可表示為Preal=1T∫0Ti(t)V(t)dt-----(1)]]>其中v(t)是負載兩端的電壓，i(t)是負載電流。如果兩者是正弦波，則有Preal=Ipeak∃Vpeak∃cosv]]>其中Ireal和Vreal是其峰值，α是其間的相位差。
在αIC中，計算鎮(zhèn)流器功率為p=Vpeak1T∫0T|i(t)|dt]]>由于測量i(t)而與其符號無關。如果i(t)是正弦波，則有P=Vpeak(2/Π)Ipeak-----(2)]]>等式(1)和(2)表示如果負載電壓和電流之間是零相位差，αIC檢測的功率則表示實際的或“真實的”功率。然而，該假設意味著在負載兩端沒有寄生電容。在燈的低調(diào)光等級中，燈電流較小，如果外界導線較長，得到的寄生電容較明顯，并將導致接近90°的相差。例如，如果v=85°，則有cosν=0．087。結果是，由αIC檢測的P的值比實際功率Preal高11．5倍。與此相反，在αIC中，計算鎮(zhèn)流器功率如下P=1T∫0tsign{i(t)V(t)}|i(t)||v(t)|dt---(3)]]>其中如果乘積i(t)∃]]>v(t)＞0，符號{i(t)∃]]>v(t)}=1，如果所述乘積＜0，所述符號=-1。對于任何類型的波形和任何相差值，由等式(3)給出的P的值的特別含義是實際功率Preal。因此，燈電壓和／或電流中的非線性度對燈強度的控制精度沒有影響。
在α2IC中，由燈電流整流器303提供i(t)的值，由燈電壓整流器307提供v(t)的值。通過開關在CPOW引腳產(chǎn)生的電流的方向來實現(xiàn)符號函數(shù)。相位檢測器309檢測符號函數(shù)是正還是負。如果是正，從引腳向外引導(“源”)CPOW引腳電流，如果是負，向該引腳內(nèi)部引導(“吸收”)CPOW引腳電流。由連接到CPOW引腳的電阻195和電容器192的RC網(wǎng)絡實現(xiàn)在電源的每個周期的平均和。
雖然已參考特定的優(yōu)選實施例和其典型應用描述了本發(fā)明，本領域技術人員在不脫離隨后的權利要求所述的本發(fā)明實質(zhì)精神和范圍的情況下對本發(fā)明做出各種改進和配合是顯而易見的。
權利要求
1．一種用于電子放電燈(85)的電子鎮(zhèn)流器(60，65，70)，所述鎮(zhèn)流器包括一個具有耦合到所述燈(85)以向其提供高頻功率的諧振輸出電路(70)的倒相器(60)，還包括用于向所述倒相器(60)提供開關信號的驅(qū)動控制電路(65)，該倒相器具有可變頻率，以便控制由所述倒相器(60)控制給燈(85)的功率，從而控制燈強度，其特征在于，所述鎮(zhèn)流器還包括耦合到所述燈的電壓感測裝置(307)，用于產(chǎn)生一個表示燈電壓的信號；耦合到所述燈的電流感測裝置(303)，用于產(chǎn)生一個表示燈電流的信號；和耦合到所述電壓感測裝置和所述電流感測裝置的功率計算裝置(305)，用于組合燈電壓信號和燈電流信號，以便從其得到表示提供給燈的功率的一個信號，所述功率信號施加到所述驅(qū)動控制電路(65)，以便根據(jù)所述功率信號調(diào)節(jié)所述開關信號的頻率；以考慮燈電壓和燈電流之間任何相位差以便得到所述功率信號的方式組合所述燈電壓信號和燈電流信號。
2．根據(jù)權利要求1所述的電子鎮(zhèn)流器(60，65，70)，其特征在于，所述功率計算裝置通過對那些燈電壓信號和燈電流信號中的每一個整流，并考慮每個象限期間所述乘積的算術符號，將所得到的整流信號一起相乘以得到所述倒相器(60)的每個操作周期的每個象限的乘積來組合燈電壓信號和燈電流信號。
3．根據(jù)權利要求1所述的電子鎮(zhèn)流器(60，65，70)，其特征在于，所述功率計算裝置包括耦合到所述電壓感測裝置的第一整流裝置，用于對燈電壓信號整流；耦合到所述電流感測裝置的第二整流裝置，用于對燈電流信號整流；和耦合到所述第一和第二整流裝置的乘法裝置，用于考慮所述倒相器的每個工作周期的每個象限期間燈電壓信號和燈電流信號乘積的算術符號，得到與已整流的燈電壓信號和已整流的燈電流信號的乘積對應的功率信號。
4．根據(jù)權利要求3所述的電子鎮(zhèn)流器(60，65，70)，其特征在于，所述功率計算裝置還包括耦合到所述電壓感測裝置和所述電流感測裝置的相位檢測裝置，用于檢測所述燈電壓和燈電流信號乘積的算術符號，并向所述乘法裝置提供一個表示所述算術符號的符號控制信號，以使之考慮所述乘積的算術符號。
5．根據(jù)權利要求1所述的電子鎮(zhèn)流器(60，65，70)，其特征在于，所述驅(qū)動控制電路包括在一個第一集成電路芯片中，并且所述功率計算裝置包括在一個第二集成電路芯片中。
6．根據(jù)權利要求4所述的電子鎮(zhèn)流器，其特征在于，所述功率計算裝置配備有用于產(chǎn)生一個與表示提供給燈的功率的信號成比例的第一電流的第一裝置，并且配備有用于根據(jù)符號控制信號影響所述第一電流的方向的第二裝置，并且配備有用于產(chǎn)生一個與所述第一電流的平均值成比例的信號的第三裝置。
全文摘要
一種用于放電燈的電子鎮(zhèn)流器包括由驅(qū)動電路提供的高頻開關信號驅(qū)動的諧振倒相器,該驅(qū)動電路實質(zhì)上在集成電路中構成,燈連接在倒相器的輸出電路中并由此供電。通過改變開關信號頻率,從而改變提供給燈的功率來控制燈強度。為防止鎮(zhèn)流器和燈之間的外界導線的寄生電容在確定提供給燈的功率的過程中造成不準確,該鎮(zhèn)流器在進行該確定的過程中考慮燈電流和電壓之間的相差。例如,通過得到已整流的燈電壓和已整流的燈電流的乘積,使用每個工作周期該乘積的算術和作為燈功率的測量值。
文檔編號H05B41/392GK1291419SQ99803196
公開日2001年4月11日 申請日期1999年12月15日 優(yōu)先權日1998年12月28日
發(fā)明者D·J·吉安諾普羅斯, I·T·瓦塞克, S·文基塔蘇布拉馬尼安 申請人:皇家菲利浦電子有限公司