專利名稱：高強(qiáng)度放電燈的鎮(zhèn)流器電路的制作方法
相關(guān)申請(qǐng)本發(fā)明基于在2003年3月18日提交的、題為“高強(qiáng)度放電燈的鎮(zhèn)流電路”的、第60/455,652號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)，以及在2003年7月14日提交的、題目為“高強(qiáng)度放電(HID)的鎮(zhèn)流控制電路”的、第60/487,491號(hào)的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)，并要求它們的優(yōu)先權(quán)。
本發(fā)明的背景1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明通常涉及電子燈的鎮(zhèn)流器，尤其涉及一種用于高強(qiáng)度放電燈的電子式燈鎮(zhèn)流器和控制。
2.相關(guān)技術(shù)描述高強(qiáng)度放電燈HID已經(jīng)在各種照明應(yīng)用中使用了很多年。在實(shí)踐中，典型地使用四種類型的HID燈，包括汞汽燈、低壓鈉燈、高壓鈉燈和金屬鹵化物燈。HID燈具有很多優(yōu)于白熾燈照明和熒光照明的優(yōu)點(diǎn)，但是也具有一些相對(duì)的限制。例如，HID燈典型地不會(huì)迅速啟動(dòng)，而是需要一些預(yù)熱時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)充分的照明。此外，HID燈典型地發(fā)射幾種不同顏色的光，例如，汞汽燈趨于具有淺藍(lán)色的(bluish)顏色，而鈉燈趨于具有黃色的輸出。金屬鹵化物燈典型地具有亮白色的輸出，優(yōu)選用于重點(diǎn)考慮光質(zhì)的大量應(yīng)用中。
熒光燈要比HID燈大許多，并具有幾乎瞬時(shí)的啟動(dòng)和重啟動(dòng)時(shí)間。此外，熒光燈的性能對(duì)溫度非常敏感，而HID燈能夠在各種環(huán)境中運(yùn)行而不會(huì)顯著降低性能。
在過(guò)去，HID燈在照明設(shè)備市場(chǎng)占有統(tǒng)治地位，這是因?yàn)榻饘冫u化物HID燈具有高強(qiáng)度的光輸出、高效率和優(yōu)良的光質(zhì)。典型的金屬鹵化物HID燈以前通過(guò)磁鎮(zhèn)流器驅(qū)動(dòng)，磁鎮(zhèn)流器在所有特殊應(yīng)用中通常不是最優(yōu)的。目前，人們研發(fā)出了在金屬鹵化物HID照明應(yīng)用中使用的、提高HID燈的性能和效率的電子鎮(zhèn)流器，其具有減少維護(hù)費(fèi)用和能耗的有益效果。使用電子鎮(zhèn)流器還可允許HID燈以降低亮度的模式運(yùn)行。還可以使上述電子鎮(zhèn)流器在HID燈的使用期限中適應(yīng)于HID燈的狀況改變，并因此補(bǔ)償了在HID燈的使用期限中HID燈輸出光的減少。通過(guò)補(bǔ)償光輸出的減少，電子鎮(zhèn)流器能夠在HID燈的使用期限持續(xù)時(shí)間內(nèi)保持較高的、一致的照度。因此，電子鎮(zhèn)流器減少了頻繁更換燈的需要，同時(shí)提高了效率，并以此減少了需要來(lái)實(shí)現(xiàn)特殊應(yīng)用的照明器材的總數(shù)。
在典型的HID燈中，使用點(diǎn)火器來(lái)啟動(dòng)HID燈，這提高了HID燈的使用壽命，并簡(jiǎn)化了HID燈的操作。在現(xiàn)有技術(shù)的HID燈中，需要大的開(kāi)路電壓來(lái)點(diǎn)亮HID燈，這導(dǎo)致了高的燈電流波峰因數(shù)，并由此縮減了HID燈的使用壽命。通過(guò)提供點(diǎn)火器，用于HID燈的電子鎮(zhèn)流器能夠以潛在較低的電壓運(yùn)行，這種潛在較低的電壓具有很多益處。例如，典型優(yōu)選的是，使用于HID燈的電子鎮(zhèn)流器以給定的頻率運(yùn)行，從而避免與其它電子設(shè)備的相互干擾，并提高照明應(yīng)用的效率。電子鎮(zhèn)流器還能夠在燈的全部使用期限中，將該燈的功率保持在其特殊的額定點(diǎn)。在燈的全部使用期限中保持燈的功率是重要的，這是因?yàn)闊艋」艿墓逃须妷弘S燈的使用年限而改變，并且電子鎮(zhèn)流器應(yīng)該適合于保持恒定的功率輸出。
通常HID燈具有比熒光燈高的點(diǎn)火電壓，在測(cè)量正負(fù)峰間電壓時(shí)典型的電壓范圍為3Kv。HID燈通常也沒(méi)有燈絲，這就避免了預(yù)熱燈絲的需要，而熒光燈典型地需要對(duì)燈絲進(jìn)行預(yù)熱。雖然用于熒光燈的電子鎮(zhèn)流器典型地以30到50kHz的頻率運(yùn)行，但是HID燈以與上述頻率不同的頻率范圍運(yùn)行，從而避免了能夠?qū)ι鲜鰺粼斐蓳p壞和災(zāi)難性故障的共鳴問(wèn)題。因此，HID燈通常在較低的頻率(典型地為幾百赫茲)范圍中運(yùn)行。在上述較低的頻率范圍中，使用全橋開(kāi)關(guān)電路利用方波來(lái)驅(qū)動(dòng)HID燈，而不用諧振輸出電路。實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的HID電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)還包括需要在試圖對(duì)熱的HID燈進(jìn)行點(diǎn)火時(shí)，處理高的點(diǎn)火電壓這一設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。在這種情況下，點(diǎn)火電壓能夠升高到相當(dāng)于大約25kV數(shù)量級(jí)的電壓，電子鎮(zhèn)流器是難以處理這種電壓的。
電子鎮(zhèn)流器優(yōu)選運(yùn)用的其它設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是功率因數(shù)校正(PFC)。連接于線路輸入的典型功率轉(zhuǎn)換器應(yīng)該理想地引出同相的電流和電壓，從而使得該功率轉(zhuǎn)換器負(fù)載對(duì)于上述功率線路輸入呈現(xiàn)為純電阻負(fù)載。高功率因數(shù)(例如，接近于整數(shù))表示上述功率線路輸入中的負(fù)載逼近電阻性負(fù)載的特征。理想的情況是功率因數(shù)為1，可以避免破壞功率線路輸入(施加到連接于該功率線路的其它設(shè)備)的品質(zhì)的電容性或電感性阻抗。因此，HID鎮(zhèn)流器應(yīng)該提供功率因數(shù)校正，以避免線路輸入中過(guò)量的阻抗。
通常的情況是，被設(shè)計(jì)出來(lái)滿足上述設(shè)計(jì)要求的電子鎮(zhèn)流器使用大量的組件和集成電路，來(lái)控制該電子鎮(zhèn)流器以提供正確的操作。例如，用來(lái)操作HID燈的全橋的每一側(cè)典型地具有其自己的驅(qū)動(dòng)集成電路IC，并使用其它的IC來(lái)控制功率因數(shù)校正。還經(jīng)常需要其它的IC來(lái)實(shí)現(xiàn)用于電子鎮(zhèn)流器的全部操作(包括驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)和獲得反饋)的系統(tǒng)控制。因此期望得到一種具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)和減少的組件數(shù)量，以提高鎮(zhèn)流器效率以及降低成本的用于HID燈的電子鎮(zhèn)流器。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案，提供了單個(gè)集成電路以提供用于HID燈的電子鎮(zhèn)流器中的所有控制信號(hào)。該控制IC提供了門控信號(hào)用于對(duì)輸入級(jí)開(kāi)關(guān)進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，以通過(guò)引出與輸入電壓同相的輸入電流獲得高功率因數(shù)。所述門控信號(hào)還可獲得經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的DC總線，用于對(duì)所述電子鎮(zhèn)流器提供功率。此外，所述控制IC還可提供用于對(duì)驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)HID燈的全橋進(jìn)行操作的門控信號(hào)。所述全橋可由所述控制IC以約為200Hz的頻率驅(qū)動(dòng)，以避免共鳴。所述控制IC包含有系統(tǒng)控制裝置，用于驅(qū)動(dòng)所述全橋以調(diào)節(jié)燈的功率，以及用于檢測(cè)電子鎮(zhèn)流器或燈中的故障。
根據(jù)本發(fā)明的幾個(gè)有益的特征，根據(jù)本發(fā)明的所述控制IC提供了600V的全橋驅(qū)動(dòng)器、800V的升壓降壓驅(qū)動(dòng)器和控制、以及保護(hù)裝置，用于完全運(yùn)行HID燈。根據(jù)由本發(fā)明的控制IC提供的特定的特征，提供了一種定時(shí)電路，允許產(chǎn)生多個(gè)點(diǎn)火脈沖用于以五分鐘的點(diǎn)火間隔對(duì)燈進(jìn)行點(diǎn)火。所述點(diǎn)火脈沖用來(lái)驅(qū)動(dòng)所述點(diǎn)火器，以在例如故障狀態(tài)(例如，低輸入電壓)的情況下，啟動(dòng)或重新啟動(dòng)所述燈。所述五分鐘的等候周期允許所述HID燈冷卻到特定的溫度，以避免出現(xiàn)由于高電壓的熱再觸發(fā)而點(diǎn)火的情況。所述控制IC還提供了可直接用來(lái)驅(qū)動(dòng)外部點(diǎn)火器的點(diǎn)火器信號(hào)。
單級(jí)降壓-升壓變換器將線路輸入功率轉(zhuǎn)換為具有高功率因數(shù)的經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的DC總線功率。用于所述PFC電路的所述降壓-升壓驅(qū)動(dòng)控制使用三個(gè)管腳控制來(lái)操作。一個(gè)管腳檢測(cè)過(guò)零點(diǎn)的電流，第二個(gè)管腳提供用于所述降壓-升壓變換器的補(bǔ)償，第三個(gè)管腳檢測(cè)總線電壓以獲得規(guī)定的DC總線電壓。
所述控制IC還可提供用于檢測(cè)反饋值以調(diào)節(jié)所述燈上的電流和電壓、以及調(diào)節(jié)具體操作范圍之間的總線電壓的特征。還可利用輸入設(shè)置使用戶選擇輸送到所述HID燈的功率。
下面將結(jié)合相應(yīng)的附圖對(duì)上述和其它特征進(jìn)行詳細(xì)描述。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明下面參照相應(yīng)的附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更為詳細(xì)的描述，其中

圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的電路的完整結(jié)構(gòu)的方框圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的電子鎮(zhèn)流器的、AC線路輸入電壓的半周期期間內(nèi)的電感電流的圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的電子鎮(zhèn)流器的電路圖；圖4是用于使用根據(jù)本發(fā)明的控制IC的HID燈的電子鎮(zhèn)流器的電路圖；以及圖5是示出傳統(tǒng)電子鎮(zhèn)流器的完整結(jié)構(gòu)的方框圖。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述現(xiàn)在參照?qǐng)D1，框圖15圖示了本發(fā)明，其中電子鎮(zhèn)流器包括兩級(jí)，即降壓-升壓輸入級(jí)10以及全橋輸出級(jí)12。全橋輸出級(jí)12包括四個(gè)開(kāi)關(guān)M1-M4，它們以大約200Hz的頻率切換以避免上述的共鳴。不同的級(jí)10和12中的參數(shù)由控制IC 14檢測(cè)和控制?？刂艻C 14提供門控信號(hào)，用于控制對(duì)HID燈進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的全橋輸出級(jí)12中的開(kāi)關(guān)M1-M4?？刂艻C14提供單片控制方案，用于驅(qū)動(dòng)全橋輸出級(jí)12中的HID燈，同時(shí)還用于控制降壓-升壓輸入級(jí)10以獲得高功率因數(shù)以及規(guī)定的DC總線。
降壓-升壓輸入級(jí)10包括開(kāi)關(guān)S1，用于將輸出級(jí)12作為降壓-升壓變換器操作?？刂艻C 14提供用于控制開(kāi)關(guān)S1和降壓-升壓輸入級(jí)10的選通信號(hào)，以得到與輸入電壓同相的正弦輸入電流，從而獲得高功率因素。降壓-升壓輸入級(jí)10運(yùn)行在臨界導(dǎo)電模式，以在調(diào)節(jié)DC總線電壓的同時(shí)得到適當(dāng)?shù)妮斎腚娏?，從而可維持燈的功率穩(wěn)定。
控制IC 14從降壓-升壓輸入級(jí)10和全橋輸出級(jí)12接收多個(gè)反饋信號(hào)，以控制這些級(jí)并檢測(cè)電子鎮(zhèn)流器或燈中的故障。例如，控制IC 14檢測(cè)全橋輸出級(jí)12中的電流，以確定是否存在可能由燈的移除或故障而導(dǎo)致的過(guò)電流情況?？刂艻C 14還在例如欠電壓運(yùn)行的情況下、或者可能由于欠電壓情況而使得燈意外熄滅之后必須重新點(diǎn)燃時(shí)，為電子式燈鎮(zhèn)流器和HID燈提供保護(hù)。例如，控制IC 14提供定時(shí)電路，其例如在燈意外熄滅時(shí)將其重新點(diǎn)燃的點(diǎn)火脈沖之間優(yōu)選地產(chǎn)生五分鐘等待時(shí)間。五分鐘的等待時(shí)間使燈能夠冷卻，從而避免了在高溫情況下重新使燈發(fā)光所需的高電壓。
控制IC 14還檢測(cè)降壓-升壓輸入級(jí)10的狀態(tài)，以確定例如電感器中的電流和總線電壓的過(guò)零點(diǎn)，使得總線電壓可以調(diào)節(jié)?？刂艻C 14根據(jù)降壓-升壓輸入級(jí)10中的電感器中的電流的過(guò)零點(diǎn)來(lái)切換開(kāi)關(guān)S1，以提供PFC，使得電子鎮(zhèn)流器接近用于線路輸入的純電阻負(fù)荷的形態(tài)。控制IC 14還包括燈功率輸入，使得可以維持設(shè)計(jì)的燈功率。燈電流和電壓由控制IC 14檢測(cè)，使得總線電壓能以額定總線電壓值來(lái)調(diào)節(jié)，從而獲得期望的燈功率。
控制IC 14與降壓-升壓功率變換器結(jié)合用于實(shí)現(xiàn)電子鎮(zhèn)流器，這種方式具有許多優(yōu)點(diǎn)。例如，控制IC 14中加入600V全橋驅(qū)動(dòng)器的功能，以在大約200赫茲運(yùn)行?？刂艻C 14還提供800V降壓-升壓驅(qū)動(dòng)器，用于降壓-升壓輸入級(jí)10的降壓-升壓變換器中的開(kāi)關(guān)?？刂艻C 14具有反饋控制回路以提供PFC，同時(shí)調(diào)節(jié)總線電壓以控制燈功率?？刂艻C 14中的定時(shí)電路使得在未點(diǎn)火的情況下或燈熄滅時(shí)的點(diǎn)火重試時(shí)序具有間隔，以使燈冷卻。在由控制IC 14確定的設(shè)定的多次點(diǎn)火失敗之后，電子鎮(zhèn)流器與定時(shí)電路一起關(guān)閉?？刂艻C 14還提供可編程特征，用于啟動(dòng)電子鎮(zhèn)流器，使得用戶能夠?yàn)殡娮渔?zhèn)流器設(shè)定啟動(dòng)順序?？刂艻C 14還提供多個(gè)故障檢測(cè)和保護(hù)特征，包括未能將燈點(diǎn)燃、燈遺失保護(hù)、燈壽命終止保護(hù)以及燈故障保護(hù)。IC 14還可利用內(nèi)部發(fā)熱限制電路來(lái)防止過(guò)熱?？刂艻C 14還提供微功率啟動(dòng)，以在大功率切換之前啟動(dòng)電路操作。微功率特征也可用于故障情況，在這種情況下希望使得電路處于工作模式而不切換全橋中的開(kāi)關(guān)。另外，控制IC 14具有防止閉鎖的閉鎖抗擾特征，以及防止被靜電放電損壞的ESD保護(hù)。
現(xiàn)在參照如圖5的框圖50所示的傳統(tǒng)的HID電子鎮(zhèn)流器，其為三級(jí)方案。該傳統(tǒng)的方案提供了升壓輸入級(jí)52、降壓中間級(jí)54和全橋輸出級(jí)56。如框圖50中所示的傳統(tǒng)電路包括升壓輸入級(jí)52中的電感器LPFC和開(kāi)關(guān)SPFC、降壓中間級(jí)54中的電感器LCC和開(kāi)關(guān)SCC以及全橋輸出級(jí)56中的四個(gè)開(kāi)關(guān)M1-M4。另外，框圖50中所示的電路包括另外的多個(gè)支撐組件，它們?cè)诩?jí)52、54和56的每一個(gè)中用于反饋和控制功能。升壓輸入級(jí)52提供線路輸入處的PFC以及規(guī)定的DC總線電壓。降壓中間級(jí)54向全橋輸出級(jí)56提供用于燈功率的電流控制。全橋輸出級(jí)56為HID燈提供燈的預(yù)發(fā)光、發(fā)光和運(yùn)行操作的控制。在框圖50的傳統(tǒng)方案中，獨(dú)立的控制電路53、55和57分別控制各個(gè)級(jí)52、54和56?？刂齐娐?3檢測(cè)升壓輸入級(jí)52中的狀態(tài)，并按照維持高功率因數(shù)和規(guī)定的DC總線電壓的方式來(lái)操作開(kāi)關(guān)SPEC?？刂齐娐?5檢測(cè)降壓中間級(jí)54和全橋輸出級(jí)56中的參數(shù)，并向開(kāi)關(guān)SCC提供控制，用于降壓中間級(jí)54中的電流控制。控制電路57檢測(cè)全橋輸出級(jí)56中的狀態(tài)并操作開(kāi)關(guān)M1-M4，以根據(jù)特定的設(shè)計(jì)目標(biāo)(例如處于恒定的功率模式)來(lái)驅(qū)動(dòng)HID燈。
再次參照?qǐng)D1，框圖15中的電路包括降壓-升壓輸入級(jí)10和全橋輸出級(jí)12，其中降壓-升壓輸入級(jí)10提供傳統(tǒng)的電子鎮(zhèn)流器中分立的升壓和降壓級(jí)的全部功能。另外，降壓-升壓輸入級(jí)10和全橋輸出級(jí)12可由實(shí)現(xiàn)為單個(gè)控制IC 14的單個(gè)控制電路控制?？刂艻C 14提供所有的檢測(cè)和控制操作，用于對(duì)級(jí)10和12中的開(kāi)關(guān)S1和開(kāi)關(guān)M1-M4進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。在本發(fā)明的這種實(shí)現(xiàn)中，降壓-升壓輸入級(jí)10包括單個(gè)電感器L1和單個(gè)開(kāi)關(guān)S1以實(shí)現(xiàn)降壓-升壓輸入級(jí)10的所有期望的功能。通過(guò)將傳統(tǒng)的輸入級(jí)合并到降壓-升壓輸入級(jí)10中，本發(fā)明可更有效地實(shí)現(xiàn)電子鎮(zhèn)流器，其具有較少的組件并相應(yīng)地減少了用于檢測(cè)和控制電子鎮(zhèn)流器的附加組件。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2，曲線圖20表示輸入電流的波形。電流峰值通常形成與輸入電壓波形有關(guān)的包絡(luò)(envelope)，以獲得高功率因數(shù)和低的總諧波失真。這個(gè)波形通過(guò)降壓-升壓輸入級(jí)10的操作得到，下面將更詳細(xì)地描述。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3，實(shí)現(xiàn)按照本發(fā)明的HID電子鎮(zhèn)流器中的降壓-升壓變換器的結(jié)構(gòu)和控制電路被一般性地表示為電路30。為了示例的目的，電路30的粗線表示攜帶大功率，電阻RLOAD代替開(kāi)關(guān)全橋和HID燈。檢測(cè)和控制信號(hào)以細(xì)實(shí)線表示。電子鎮(zhèn)流器電路為燈提供控制，用于燈的預(yù)發(fā)光、發(fā)光、運(yùn)行、故障保護(hù)和壽命終止保護(hù)。按照本發(fā)明的降壓-升壓變換器為線路輸入提供PFC，并向燈輸出級(jí)提供規(guī)定的電壓，在框圖30中為了討論的目的表示為電阻RLOAD。降壓-升壓級(jí)32包括連接在AC整流的線路輸入的正節(jié)點(diǎn)和電感器L1之間的開(kāi)關(guān)S1。電感器L1連接在開(kāi)關(guān)S1和AC整流的線路輸入的負(fù)節(jié)點(diǎn)之間。二極管D1安排在降壓-升壓級(jí)32中，其陰極連接到電感器，而陽(yáng)極連接到DC總線電容器C1的負(fù)節(jié)點(diǎn)。DC總線電容器C1設(shè)置在降壓-升壓變換器級(jí)32中，其負(fù)節(jié)點(diǎn)連接到二極管D1的陽(yáng)極，而正節(jié)點(diǎn)連接到AC整流的線路輸出的負(fù)節(jié)點(diǎn)。
降壓-升壓變換器級(jí)32由開(kāi)關(guān)S1操作，以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間為電感器L1充電，并且允許電感器L1A放電以向電阻RLOAD和電容器C1提供電能。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1閉合或處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電感器L1A跨接于AC整流輸入的正負(fù)節(jié)點(diǎn)之間，使得流過(guò)電感器L1A的電流開(kāi)始線性增加。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1閉合時(shí)，二極管D1阻止電流流到DC總線電容器C1中。當(dāng)來(lái)自電感器L1A的電流到達(dá)給定值(由開(kāi)關(guān)S1的接通時(shí)間確定)時(shí)，開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)或者處于非導(dǎo)通狀態(tài)，并且電感器L1A變?yōu)榭缃佑贒C總線電容器C1兩端。存儲(chǔ)在電感器L1A中的電流呈線性地流出并流入DC總線電容器C1的正節(jié)點(diǎn)中，使得DC總線電容器C1上的電壓增加。二極管D1允許在開(kāi)關(guān)S1的斷開(kāi)期間在DC總線電容器C1和電感器L1A之間流過(guò)電流，使得DC總線電容器C1的正節(jié)點(diǎn)上的電壓相對(duì)于DC總線電容器C1的負(fù)節(jié)點(diǎn)增加。開(kāi)關(guān)S1的斷開(kāi)時(shí)間被通過(guò)電感器L1A放電到零的電流控制，這時(shí)開(kāi)關(guān)S1閉合并且開(kāi)關(guān)S1的新的循環(huán)開(kāi)始。這個(gè)切換和能量轉(zhuǎn)移周期通過(guò)開(kāi)關(guān)S1上的操作而不斷重復(fù)，以實(shí)現(xiàn)降壓-升壓變換器的設(shè)計(jì)目標(biāo)。例如，DC總線電壓水平確定了開(kāi)關(guān)S1的接通時(shí)間，以獲得規(guī)定的DC總線電壓。如果DC總線電壓降低為低于期望的水平，則開(kāi)關(guān)S1的接通時(shí)間增加，以通過(guò)電感器L1A上的充電電流向DC總線電容器C1提供附加電流。提供給DC總線電容器C1的電流越多，則電荷量越大，DC總線電壓水平也就越高。如果DC總線電壓增加到超過(guò)期望的水平，則開(kāi)關(guān)S1的接通時(shí)間縮短，以通過(guò)電感器L1A向DC總線電容器C1提供較少的電流，從而降低DC總線電壓。
降壓-升壓變換器級(jí)32的操作的另一個(gè)重要方面是控制輸出功率。輸出功率控制對(duì)于處理HID燈在其不同操作模式下的操作很重要。例如，在預(yù)發(fā)光和發(fā)光過(guò)程中，DC總線被調(diào)節(jié)為確定的電壓水平，使得點(diǎn)火電路可提供加載到燈上的足量電壓，例如5kV，以使燈發(fā)光和形成燈弧。一旦燈發(fā)光，在燈的最初加熱階段，DC總線電壓下降到大約20V(由燈電壓確定)。另外，在開(kāi)始發(fā)光的階段燈的耗電大約為兩安培。在幾分鐘后，隨著燈被加熱，DC總線電壓到達(dá)大約100V的穩(wěn)定值，并且燈消耗大約400安培電流。因?yàn)镠ID燈具有這些不同的操作模式，所以非常希望穩(wěn)定的輸出功率調(diào)節(jié)。
通過(guò)電阻RSENSE獲得負(fù)載電流檢測(cè)值，并通過(guò)由RB1和RB2組成的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)獲得的DC總線電壓值，從而在降壓-升壓變換器級(jí)32中將輸出功率調(diào)節(jié)到恒定水平?？偩€電壓和負(fù)載電流由乘法器電路芯片34相乘，以獲得功率值。所得到的反饋功率值通過(guò)運(yùn)算放大器增益電路35中的10K和1K的電阻比率而放大(例如)10倍。運(yùn)算放大器增益電路35的輸出提供給包括運(yùn)算放大器、電位計(jì)和電容器C2的標(biāo)準(zhǔn)配置的反饋運(yùn)算放大器電路36。標(biāo)準(zhǔn)反饋運(yùn)算放大器電路36參照固定的4V閾值37調(diào)節(jié)輸出功率，以提供用于調(diào)節(jié)DC總線電壓的補(bǔ)償信號(hào)。因此，標(biāo)準(zhǔn)反饋運(yùn)算放大器電路36的輸出提供給控制IC 38的COMP引腳。當(dāng)輸出功率增加或減小到高于或低于4V閾值37時(shí)，運(yùn)算放大器電路36適當(dāng)修改COMP引腳上的信號(hào)，使得控制IC 38上的PFC輸出引腳的接通時(shí)間增加或減小，以維持恒定的功率。例如，如果功率減小，則由PFC輸出引腳上的信號(hào)提供的接通時(shí)間增加，使得通過(guò)電感器L1A提供給電阻RLOAD的電流增加。如果提供的功率想要減小，則開(kāi)關(guān)S1的接通時(shí)間在供應(yīng)給COMP引腳的值的基礎(chǔ)上減小，使得提供給負(fù)載(以及因此到電容器C1)的電流減小。
對(duì)于降壓-升壓變換器的反饋和控制的簡(jiǎn)單配置使得能夠以少量的組件和信號(hào)實(shí)現(xiàn)健壯地控制。降壓-升壓變換器級(jí)32實(shí)現(xiàn)高PFC，同時(shí)維持良好的DC總線電壓調(diào)節(jié)。用于檢測(cè)總線電壓和調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)接通時(shí)間的反饋回路優(yōu)選地具有縮短的響應(yīng)時(shí)間，使得電感器的充電和放電電流形成具有與AC輸入線路電壓基本相同形狀的包跡。通過(guò)提供適當(dāng)?shù)姆答伝芈匪俣龋梢跃S持高功率因數(shù)，同時(shí)獲得低的總諧波失真(THD)。
通過(guò)次級(jí)繞組電感器L1B檢測(cè)電感器電流以用于反饋。來(lái)自電感器L1B的電流耦合至ZX引腳，用于當(dāng)在每個(gè)充電/放電周期中電感器電流放電到零時(shí)發(fā)出信號(hào)(signaling)。位于控制IC 38內(nèi)部的PFC控制電路提供包括引腳ZX、COMP、VBUS和PFC上的信號(hào)的所有功能，以提供用于降壓-升壓變換器級(jí)32的PFC控制。因?yàn)榻祲?升壓變換器級(jí)的簡(jiǎn)化操作，與用于升壓型變換器基本相似的控制方法可應(yīng)用于降壓-升壓變換器級(jí)32。
用于開(kāi)關(guān)S1的信號(hào)提供到控制IC 38的引腳PFC上，以實(shí)現(xiàn)降壓-升壓變換器級(jí)32中的PFC和總線電壓調(diào)節(jié)。但是開(kāi)關(guān)S1優(yōu)選地不參照控制IC 38的COM，從而利用信號(hào)電平的變化，基于引腳PFC上的信號(hào)而提供用于開(kāi)關(guān)S1的選通信號(hào)。因此，電平變化IC 39用于將柵源控制電壓的源(source)移動(dòng)到開(kāi)關(guān)S1的源。也就是說(shuō)，電平變化IC 39以由控制IC 38的引腳PFC上的信號(hào)提供的開(kāi)關(guān)控制將用于開(kāi)關(guān)S1的門控信號(hào)升壓到適當(dāng)電平。
在框圖30中，以電阻RLOAD模擬HID燈和全橋。電阻RLOAD在仿真中設(shè)置為低值以對(duì)點(diǎn)亮后處于初始加熱階段的HID燈進(jìn)行模擬。RLOAD的值被調(diào)節(jié)為用于穩(wěn)定狀態(tài)情況的較高值，以模擬全橋電路中的HID燈的正常運(yùn)行操作?？驁D30的電路在電阻RLOAD模擬HID燈的不同操作模式而變化時(shí)向其提供恒定功率。
再次參照?qǐng)D2，示出了曲線圖20，其表示AC線路輸入電壓的1/2周期的電感器電流波形。當(dāng)整流的AC線路輸入電壓在主輸入電壓的周期期間增加和減小時(shí)，開(kāi)關(guān)S1被切換以使得電流對(duì)電感器L1A(圖3)充電和放電。開(kāi)關(guān)S1的每個(gè)周期形成電流波形，其基本為三角形并且其峰值根據(jù)AC輸入電壓水平而增加和減小。也就是說(shuō)，AC輸入電壓水平形成了電感器電流波形中三角形的峰值的包跡。開(kāi)關(guān)S1的接通時(shí)間在周期內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定，而開(kāi)關(guān)S1的斷開(kāi)時(shí)間由電感器L1A中的電流從峰值電流值降低到零所用時(shí)間來(lái)確定。因?yàn)榉逯惦娏髦惦S著輸入電壓水平而增加和減小，所以開(kāi)關(guān)S1的斷開(kāi)時(shí)間在輸入電壓周期的過(guò)程中變化。根據(jù)這一配置，電感器電流的頻率是可變的和自激的(free running)，且具有在輸入電壓半周期的峰值處獲得的最低頻率以及在輸入電壓的過(guò)零點(diǎn)附近出現(xiàn)的最高頻率。電感器電流在每個(gè)電感器充電/放電周期被放電至零，使得降壓-升壓變換器級(jí)32在形成介于連續(xù)導(dǎo)電模式和間斷導(dǎo)電模式之間的臨界導(dǎo)電模式中運(yùn)行。
現(xiàn)在參照?qǐng)D4，電路框圖40表示用于控制具有輸入降壓-升壓變換器44和全橋輸出級(jí)46的電子鎮(zhèn)流器的簡(jiǎn)化方案。根據(jù)框圖40中的電路提供的方案，單個(gè)控制IC 42通過(guò)接收電子鎮(zhèn)流器中的所有檢測(cè)信號(hào)和傳送所有控制信號(hào)來(lái)提供用于電子鎮(zhèn)流器的控制。因此，降壓-升壓變換器44由在引腳ZX上提供的零交叉信號(hào)、在引腳COMP上提供的調(diào)節(jié)信號(hào)、在引腳VBUS上提供的總線電壓值以及由引腳HOBB提供的門控信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制。這四個(gè)信號(hào)為降壓-升壓變換器44提供完整的控制配置，以向包括開(kāi)關(guān)M1-M4和HID燈的全橋電路46提供規(guī)定的DC功率，并獲得高功率因數(shù)和用于燈功率調(diào)節(jié)的電流控制。控制IC 42通過(guò)引腳VBBB和VSBB提供電平變化的門控信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)降壓-升壓變換器44中的開(kāi)關(guān)S1，從而利用引腳HOBB上提供的門控信號(hào)操作開(kāi)關(guān)S1而不需要附加電路。
控制IC 42包括引腳PLAMP上的燈功率輸入，用于設(shè)計(jì)期望的燈功率。通過(guò)適當(dāng)設(shè)置連接到引腳PLAMP的電阻，供應(yīng)給HID燈的功率可調(diào)節(jié)至一恒定值。
用于操作HID燈的點(diǎn)火器的點(diǎn)火信號(hào)提供到引腳LOIGN上，以提供具有外部點(diǎn)火器的HID燈的功能。另外，控制IC 42基于電阻RCS上的電壓值而獲得引腳CS上的電流檢測(cè)信號(hào)。例如，如果引腳CS上所接收的電阻RCS上的電壓比預(yù)定的電壓大，那么表示燈發(fā)生過(guò)電流故障(例如燈未能點(diǎn)亮(strike))?？刂艻C42還提供INT引腳，例如以在諸如放大信號(hào)調(diào)節(jié)的情況下允許整體地編程?？刂艻C 42提供所有的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用于分別操作分別由開(kāi)關(guān)M1和M2以及由開(kāi)關(guān)M3和M4組成的兩個(gè)半橋，以形成用于驅(qū)動(dòng)HID燈的全橋。例如，控制IC42分別在引腳HO1和LO1上提供用于開(kāi)關(guān)M1和M2的信號(hào)，以及分別在引腳HO2和LO4上提供用于開(kāi)關(guān)M3和M4的信號(hào)。這些門控信號(hào)用于切換控制HID燈的開(kāi)關(guān)M1-M4。相應(yīng)地，控制IC 42的內(nèi)部電路提供適當(dāng)?shù)碾娖阶兓?、停滯時(shí)間、控制和驅(qū)動(dòng)器電路，以操作開(kāi)關(guān)M1-M4。兩個(gè)單獨(dú)的基準(zhǔn)信號(hào)例如從引腳VS1和VS2連接到兩個(gè)半橋的中點(diǎn)。
供給控制IC 42的功率通過(guò)電感器的次級(jí)繞組L1B、二極管D2和電容器CVCC而在引腳VCC上提供。因此，控制IC 42自身包含了實(shí)現(xiàn)框圖40的電子鎮(zhèn)流器中的PFC、總線電壓調(diào)節(jié)、電流控制和燈功率控制所需的所有功能。降壓-升壓變換器44提供一種簡(jiǎn)化和新穎的方法用以獲得供電電源、電壓和電流控制，同時(shí)以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和較少數(shù)量組件維持高功率因數(shù)。另外，電子鎮(zhèn)流器包括故障保護(hù)，以處理各種故障，包括總線欠電壓、燈的過(guò)電流、燈的壽命終止、燈未點(diǎn)亮以及短路保護(hù)。
雖然本發(fā)明已經(jīng)參照具體的實(shí)施方案進(jìn)行描述，但是許多其它變化和修改以及其它使用對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。因此本發(fā)明不應(yīng)受本文的具體公開(kāi)限制，而應(yīng)僅由所附的權(quán)利要求來(lái)限定。
權(quán)利要求
1.一種用于對(duì)負(fù)載輸送功率的功率變換器，包括單級(jí)降壓-升壓變換器，用于轉(zhuǎn)換經(jīng)過(guò)整流的輸入信號(hào)；開(kāi)關(guān)輸出級(jí)，用于將所述DC信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸送到所述負(fù)載的開(kāi)關(guān)信號(hào)；以及控制器，與所述降壓-升壓變換器和所述輸出級(jí)耦合，用于控制所述降壓-升壓變換器和所述輸出級(jí)。
2.如權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中，所述降壓-升壓變換器包括由所述控制器驅(qū)動(dòng)的開(kāi)關(guān)。
3.如權(quán)利要求2所述的功率變換器，還包括從所述控制器提供到所述開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)可操作以對(duì)所述開(kāi)關(guān)進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，以引出基本與輸入電壓同相的輸入電流。
4.如權(quán)利要求2所述的功率變換器，還包括電感，與所述開(kāi)關(guān)耦合，用于存儲(chǔ)由所述開(kāi)關(guān)供應(yīng)的電流；以及驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從所述控制器提供到所述開(kāi)關(guān)，以在通過(guò)所述電感的電流基本為零時(shí)，將所述開(kāi)關(guān)切換到導(dǎo)電狀態(tài)。
5.如權(quán)利要求2所述的功率變換器，還包括電感，與所述開(kāi)關(guān)耦合，用于存儲(chǔ)由所述開(kāi)關(guān)供應(yīng)的電流；以及驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從所述控制器提供到所述開(kāi)關(guān)，以在選擇的時(shí)間周期內(nèi)將所述開(kāi)關(guān)切換到導(dǎo)通狀態(tài)，從而使得存儲(chǔ)在所述電感中的電流根據(jù)所述開(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)下的所述選擇的時(shí)間周期改變。
6.如權(quán)利要求4所述的功率變換器，還包括二極管，與所述開(kāi)關(guān)和所述電感耦合，用于將電流從所述開(kāi)關(guān)導(dǎo)向所述電感。
7.如權(quán)利要求5所述的功率變換器，還包括二極管，與所述開(kāi)關(guān)和所述電感耦合，用于將電流從所述開(kāi)關(guān)導(dǎo)向所述電感。
8.如權(quán)利要求1所述的功率變換器，還包括在所述輸出級(jí)中的開(kāi)關(guān)全橋，用于對(duì)所述負(fù)載提供功率，所述開(kāi)關(guān)全橋中的所述開(kāi)關(guān)可由所述控制器控制。
9.如權(quán)利要求6所述的功率變換器，還包括電容，與所述二極管和所述電感耦合，用于存儲(chǔ)在所述二極管導(dǎo)通時(shí)由所述電感提供的能量。
10.如權(quán)利要求7所述的功率變換器，還包括電容，與所述二極管和所述電感耦合，用于存儲(chǔ)在所述二極管導(dǎo)通時(shí)由所述電感提供的能量。
11.如權(quán)利要求3所述的功率變換器，還包括從所述降壓-升壓變換器反饋到所述控制器的信號(hào)，用于確定所述開(kāi)關(guān)在何時(shí)切換。
12.如權(quán)利要求4所述的功率變換器，還包括從所述電感反饋到所述控制器的信號(hào)，用于確定所述電感電流在何時(shí)基本為零。
13.如權(quán)利要求1所述的功率變換器，還包括從所述輸出級(jí)到所述控制器的反饋信號(hào)，用于為所述控制器提供對(duì)電流通過(guò)所述輸出級(jí)的指示。
14.一種用于驅(qū)動(dòng)HID燈的電子鎮(zhèn)流器，包括如權(quán)利要求1所述的功率變換器。
15.一種降壓-升壓變換器，用于從經(jīng)過(guò)整流的AC輸入提供規(guī)定的功率，包括開(kāi)關(guān)，與所述經(jīng)過(guò)整流的AC輸入耦合，用于對(duì)其進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作；電感，與所述開(kāi)關(guān)耦合，用于存儲(chǔ)在所述開(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)通過(guò)所述開(kāi)關(guān)供應(yīng)的電流；二極管，與所述開(kāi)關(guān)和所述電感耦合，在所述二極管不導(dǎo)通時(shí)，使電流從所述開(kāi)關(guān)流向所述電感；以及電容，與所述二極管和所述電感耦合，用于存儲(chǔ)在所述二極管導(dǎo)通時(shí)由所述電感提供的能量，所述電容提供所述降壓-升壓變換器的輸出。
16.如權(quán)利要求15所述的降壓-升壓變換器，還包括控制器，用于控制所述降壓-升壓變換器；以及所述控制器的輸出信號(hào)，與所述開(kāi)關(guān)耦合，用于對(duì)所述開(kāi)關(guān)進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。
17.如權(quán)利要求16所述的降壓-升壓變換器，其中，所述控制器可操作以對(duì)所述開(kāi)關(guān)提供開(kāi)關(guān)信號(hào)，以引出基本與輸入電壓同相的輸入電流。
18.如權(quán)利要求16所述的降壓-升壓變換器，還包括從所述電感反饋到所述控制器的信號(hào)，用以提供關(guān)于所述電感的電壓或電流的指示。
19.如權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中，所述控制器包括集成電路。
20.一種用于控制功率變換器的集成電路，包括功率因數(shù)校正電路，基于提供給所述集成電路的降壓-升壓變換器參數(shù)信號(hào)驅(qū)動(dòng)降壓-升壓變換器中的開(kāi)關(guān)；以及驅(qū)動(dòng)電路，用于驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)全橋電路，以控制輸送至與所述開(kāi)關(guān)全橋電路連接的負(fù)載的功率。
21.如權(quán)利要求20所述的集成電路，還包括電流檢測(cè)電路，所述電流檢測(cè)電路具有與開(kāi)關(guān)全橋電路耦合的輸入端，以獲得關(guān)于電流流過(guò)所述開(kāi)關(guān)全橋電路的指示。
22.如權(quán)利要求20所述的集成電路，還包括用于驅(qū)動(dòng)HID燈的電子鎮(zhèn)流器。
23.一種用于控制如權(quán)利要求1所述的功率變換器的方法，包括操作所述降壓-升壓變換器以引出與輸入電壓同相的輸入電流；操作所述降壓-升壓變換器以獲得從所述降壓-升壓變換器提供到所述輸出級(jí)的經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的DC總線電壓；以及操作所述輸出級(jí)以對(duì)所述負(fù)載提供恒定的功率。
24.一種用于操作功率變換器的方法，所述功率變換器包括單級(jí)輸入降壓-升壓變換器和開(kāi)關(guān)輸出級(jí)，所述方法包括操作所述單級(jí)輸入降壓-升壓變換器，以引出與輸入電壓同相的正弦電流，并提供經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的DC總線輸出；操作所述開(kāi)關(guān)輸出級(jí)，以對(duì)負(fù)載提供恒定的功率。
全文摘要
一種控制功率變換器的集成電路，包括單級(jí)降壓－升壓變換器和可用于驅(qū)動(dòng)HID燈的開(kāi)關(guān)全橋。單級(jí)降壓－升壓變換器降低功率變換器或者電子鎮(zhèn)流器的復(fù)雜度和部件數(shù)量，同時(shí)使得能夠在集成電路的控制下進(jìn)行PFC和DC總線電壓調(diào)節(jié)。該集成電路還提供所有操作開(kāi)關(guān)全橋電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以維持HID燈上的恒定電壓。等待定時(shí)器為HID燈提供重啟動(dòng)作之間的間隔時(shí)間，以允許HID燈冷卻，以避免出現(xiàn)高熱重啟電壓。該集成電路結(jié)合單極降壓－升壓變換器，尤其簡(jiǎn)化了功率變換器和電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)，同時(shí)能夠降低部件數(shù)量、復(fù)雜度和成本。
文檔編號(hào)H05B37/02GK1802783SQ200480007382
公開(kāi)日2006年7月12日 申請(qǐng)日期2004年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月18日
發(fā)明者托馬斯·J·里巴里希, 塞西莉亞·孔滕蒂, 關(guān)根理志 申請(qǐng)人:國(guó)際整流器公司