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使用脈沖密度調(diào)制來控制可調(diào)光電子照明鎮(zhèn)流器的制作方法

文檔序號:8112211閱讀:456來源:國知局
專利名稱:使用脈沖密度調(diào)制來控制可調(diào)光電子照明鎮(zhèn)流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及可調(diào)光熒光照明,且更明確地說,涉及使用脈沖密度調(diào)制來控制可調(diào)光 熒光照明的電子照明鎮(zhèn)流器。
背景技水
圖1中展示典型的諧振電路熒光照明鎮(zhèn)流器和熒光燈??赏ㄟ^將此電路表示為兩個 等效的電阻器-電感器-電容器(RLC)電路來理解操作。圖2中所示的第一等效電路在 特定頻率(通常為約70kHz,其為電感器710和燈絲電容器716 (Cf)的串聯(lián)諧振)下 串聯(lián)諧振。圖3中展示第二等效電路。請注意,在上述兩個等效電路中,電容器714(C) 已由短路(零電阻)代替。電容器714的功能是執(zhí)行DC阻斷(僅允許AC信號通過電 路),且為此目的而被選擇為具有較高的電容值。在這些等效電路中,電容器714模型 化為短路(AC信號頻率下的低阻抗連接)。
當(dāng)熒光燈斷開時,鎮(zhèn)流器首先在頻率Fg下被驅(qū)動。此頻率被選擇為高于RLC電路 的諧振頻率點,且通常為約100kHz。在此頻率下,圖2最好地表示燈的等效電路,因 為燈氣體尚未電離。圖4中展示電路對于電流的頻率響應(yīng)。此處的目的是使電流流經(jīng)燈 的燈絲,這通常被稱為"預(yù)熱"間隔。當(dāng)燈絲暖熱得足以電離周圍的燈氣體時,降低驅(qū) 動頻率。這導(dǎo)致RLC電路掃過其諧振頻率,從而導(dǎo)致跨所述燈的電壓增加。在燈的"放 電"電壓下,燈中將出現(xiàn)電弧,且所述電弧將點燃(電離)氣體。
燈"點燃"意味著氣體現(xiàn)在被電離得足以傳導(dǎo)電流。所述燈現(xiàn)在被稱為接通(產(chǎn)生 可見光)。此時,圖3最好地描述燈鎮(zhèn)流器電路的行為。請注意,燈現(xiàn)在相當(dāng)于與并聯(lián) 的R與Cf串聯(lián)的L。在此情況下,R是燈中經(jīng)電離氣體的電阻,且Cf是燈絲電容716。 圖5中展示所述電路對于燈電流的頻率響應(yīng)。請注意,雖然燈中的氣體被電離,但電流 隨著驅(qū)動頻率減小而增加。頻率響應(yīng)曲線上存在電流被夾斷的點。請注意,此點可由鎮(zhèn) 流器設(shè)計者通過操縱L和Cf的值來選擇。
雖然燈是接通的,但其將在頻率F ^下被驅(qū)動。鎮(zhèn)流器設(shè)計者可選擇此驅(qū)動頻率作 為用于熒光燈的指定瓦數(shù)的最佳值。如果驅(qū)動頻率增加,即RLC電路失諧,那么燈將開始變暗淡。如圖5展示,穿過燈中的氣體的電流將減小,且因此光輸出將隨著電流減 小而減小。隨著驅(qū)動頻率增加,在F^與F胃之間的某一點處,燈將熄滅,因為燈電流變 為被"夾"斷。
文獻中和市場上存在許多利用上文所提及的效應(yīng)的當(dāng)前工藝水平的模擬技術(shù)。調(diào)光 是通過調(diào)制到達RLC電路的驅(qū)動頻率來實現(xiàn)的。
調(diào)制驅(qū)動頻率的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法是使用模擬壓控振蕩器(VCO)。將DC電壓饋入VCO 的調(diào)制器輸入中,且產(chǎn)生方波信號。圖1到圖3中被識別為"邏輯區(qū)塊"的裝置將所述 方波轉(zhuǎn)換成功率MOSFET晶體管的柵極上的兩個驅(qū)動信號。圖6中展示此電路的典型 實施方案。
VCO的頻率分辨率是重要的。圖5展示驅(qū)動頻率與燈電流之間的關(guān)系并非線性的, 而更多地呈"S"曲線的形狀。這使得在不使用更復(fù)雜電路的情況下難以控制燈的光輸 出響應(yīng)。此類控制系統(tǒng)的許多實施方案如今正在出售。
請注意,所述曲線上最陡的斜坡接近于其"夾斷"點(在圖5中約為60 kHz)。在 此頻帶中,較小的頻率變化會產(chǎn)生較大的亮度變化。在此傳統(tǒng)熒光燈諧振電路中對燈進 行調(diào)光的方法涉及調(diào)制驅(qū)動頻率。即,隨著頻率線性升高,燈亮度按指數(shù)規(guī)律降低。此 效應(yīng)為粗略頻率調(diào)制信號所不容,尤其是在這些低亮度等級下。如果頻率控制的粒度過 大,那么從一個頻率到另一頻率的步進將導(dǎo)致非常顯著的亮度變化,即燈亮度被量化。
傳統(tǒng)模擬驅(qū)動方法的另一難題在低亮度等級下出現(xiàn)在所有調(diào)光鎮(zhèn)流器電路上。燈的 燈絲需要保持暖熱以便電離其周圍的氣體。當(dāng)很少有電流流經(jīng)所述燈時,燈絲冷卻且燈 熄滅。需要更復(fù)雜的驅(qū)動電路來向燈絲提供DC (或AC)偏壓,以使燈絲保持暖熱,且 因此補償此效應(yīng)。文獻中存在這種類型的補償?shù)脑S多實例。所述實例全都趨向于向鎮(zhèn)流 器設(shè)計添加更多組件和復(fù)雜性。
此電路解決方案需要反饋控制。每當(dāng)燈的溫度改變時,燈的發(fā)光就改變。因此,在 特定的恒定驅(qū)動頻率下,燈亮度將變化,直到其達到熱平衡為止。通常使用反饋控制回 路,以便監(jiān)視燈電流。當(dāng)燈溫度改變時,穿過燈的電流也將改變。不斷地調(diào)節(jié)驅(qū)動頻率 以便維持恒定的亮度,例如恒定的燈電流。
還可能在冷卻的燈絲上發(fā)生更糟糕的效應(yīng),從而導(dǎo)致其過早損壞。當(dāng)穿過燈的電流 較低時,可能在燈絲上形成"熱點"。燈電流會將其流動集中到燈絲上氣體被充分電離 的此較小區(qū)域中。燈絲的此較小區(qū)域上持續(xù)的、差動的熱應(yīng)力可在此處導(dǎo)致開路。使電 流流經(jīng)所述燈絲將均勻地加熱整個燈絲,且從而使燈電流分布在燈絲的整個長度上。由 于整個燈絲都將是熱的且其周圍具有經(jīng)電離的氣體,所以燈電流將不會集中在任何較小的點處。

發(fā)明內(nèi)容
因此,當(dāng)利用可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器時,需要以下特征(1)改變燈的亮度的方法,其 補償燈上的熱效應(yīng)。(2)調(diào)光電路中足夠的分辨率,因此亮度改變對人眼來說是平滑的, 且不會被顯著量化。(3)"預(yù)熱"能力,其中燈中的氣體被部分電離且能夠點燃,而不
會導(dǎo)致在燈絲上形成熱點。以及(4)燈絲偏壓能力,其中在低亮度等級下使燈絲保持 暖熱,以阻止燈熄滅,且防止燈絲形成"熱點"。
目前技術(shù)的模擬和混合信號技術(shù)已成為商業(yè)上唯一成功的在熒光照明產(chǎn)業(yè)中用于 可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計拓?fù)?。目前技術(shù)的可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器需要許多無源組件來實 施,且具有與模擬電子組件相關(guān)聯(lián)的組件容差、溫度漂移和壽命耐久度的所有缺點。
相反,數(shù)字電子解決方案向照明產(chǎn)業(yè)提供對其熒光燈電路的精確且可靠的控制。數(shù) 字組件的操作性能不會隨著溫度而漂移。數(shù)字邏輯的準(zhǔn)確性取決于其時鐘源的質(zhì)量,例 如現(xiàn)代晶體和諧振器裝置是非常可靠、準(zhǔn)確且便宜的。由于數(shù)字電路的性能不會隨使用 時間改變或最壞的情況是隨使用時間而輕微改變,所以數(shù)字電路的壽命耐久度可較高。
根據(jù)本發(fā)明的教示,本文將揭示表示用于驅(qū)動可調(diào)光熒光燈的數(shù)字解決方案的具體 實例實施例。根據(jù)本發(fā)明的教示,不需要壓控振蕩器(VCO),且因此可避免現(xiàn)有技術(shù) VCO模擬電路的困難,同時提供所有前面所提及的合乎需要的特征。以下情況是預(yù)期的 且在本發(fā)明的范圍內(nèi)數(shù)字裝置(例如,微處理器、微控制器、專用集成電路(ASIC)、 可編程邏輯陣列(PLA)等)可用于驅(qū)動功率MOSFET,且可用控制數(shù)字裝置和/或在數(shù) 字裝置內(nèi)部和/或外部的硬件的操作的軟件程序、固件等來實施前面所提及的特征。
在熒光照明調(diào)光控制中使用便宜的數(shù)字裝置(例如,微控制器)有許多優(yōu)點。由于 微控制器的功能性可取決于在微控制器中運行的軟件,所以可容易且便宜地實施照明特 征。特定熒光調(diào)光應(yīng)用所需要的特征集可由燈制造商通過數(shù)字裝置(例如,微控制器) 的定制軟件編程來快速且容易地定制。
根據(jù)本發(fā)明的具體實例實施例, 一種用于使用脈沖密度調(diào)制來控制可調(diào)光電子照明 鎮(zhèn)流器的方法可包括以下步驟在第一時間周期內(nèi)產(chǎn)生低頻,其中所述低頻近似為可調(diào) 光電子照明鎮(zhèn)流器和熒光燈的電路諧振頻率;以及在第二時間周期內(nèi)不產(chǎn)生任何頻率; 其中所述第一和第二時間周期在調(diào)制幀時間周期內(nèi),且所述調(diào)制幀時間周期不斷地重 復(fù)。
根據(jù)本發(fā)明的另一具體實例實施例, 一種用于使用脈沖密度調(diào)制來控制可調(diào)光電子照明鎮(zhèn)流器的方法可包括以下步驟在第一時間周期內(nèi)產(chǎn)生低頻,其中所述低頻近似為 可調(diào)光電子照明鎮(zhèn)流器和熒光燈的電路諧振頻率;在第二時間周期內(nèi)不產(chǎn)生任何頻率; 在第三時間周期內(nèi)產(chǎn)生高頻,其中所述高頻高于所述可調(diào)光電子照明鎮(zhèn)流器和所述熒光 燈的所述電路諧振頻率;其中所述第一、第二和第三時間周期在調(diào)制幀時間周期內(nèi),且 所述調(diào)制幀時間周期不斷地重復(fù)。
根據(jù)本發(fā)明的又一具體實例實施例, 一種具有使用脈沖密度調(diào)制來控制熒光燈所產(chǎn) 生的光的量的電子照明鎮(zhèn)流器的可調(diào)光熒光燈系統(tǒng)可包括數(shù)字裝置,其具有第一輸出 和第二輸出;第一功率開關(guān),其具有耦合到所述數(shù)字裝置的第一輸出的控制輸入;第二 功率開關(guān),其具有耦合到所述數(shù)字裝置的第二輸出的控制輸入;電感器,其耦合到所述 第一和第二功率開關(guān),其中第一功率開關(guān)將所述電感器耦合到電源電壓,第二功率開關(guān) 將所述電感器耦合到共用電源電壓,且第一和第二功率開關(guān)分別使所述電感器從所述電 源電壓和共用電源電壓去耦;直流(DC)阻斷電容器,其耦合到所述共用電源電壓;熒 光燈,其具有第一和第二燈絲,其中第一燈絲耦合到所述電感器,且第二燈絲耦合到 DC阻斷電容器;以及燈絲電容器,其將熒光燈的第一和第二燈絲耦合在一起;其中所 述數(shù)字裝置在第一時間周期內(nèi)產(chǎn)生低頻信號,所述低頻近似為所述電感器和所述燈絲 電容器的串聯(lián)諧振頻率;且在第二時間周期不產(chǎn)生任何信號,其中所述第一和第二時間
周期在調(diào)制幀時間周期內(nèi),且所述調(diào)制幀時間周期不斷地重復(fù)。


通過參考結(jié)合附圖而進行的以下描述,可獲得對本發(fā)明的更完整的理解,其中
圖1說明典型的諧振電路熒光可調(diào)光照明鎮(zhèn)流器和熒光燈電路的示意圖2說明圖1的等效電路的示意圖,其中熒光燈氣體尚未被電離;
圖3說明圖1的等效電路的示意圖,其中熒光燈氣體已被電離且電流正流經(jīng)其中;
圖4說明氣體電離之前熒光燈電路的頻率對電流響應(yīng);
圖5說明驅(qū)動頻率與熒光燈電流之間的關(guān)系;
圖6說明用于將方波轉(zhuǎn)換成兩個驅(qū)動信號以接通和斷開功率MOSFET的典型電路 的示意圖7說明根據(jù)本發(fā)明具體實例實施例的脈沖密度調(diào)制熒光燈調(diào)光電路的示意圖; 圖8和圖9分別說明根據(jù)本發(fā)明具體實例實施例的較低操作頻率F M和較高操作頻 率F^的示意性波形時序圖10說明根據(jù)本發(fā)明具體實例實施例的用于對燈進行調(diào)光并維持燈絲溫度的"調(diào)制幀"的時序圖11說明根據(jù)本發(fā)明另一具體實例實施例的具有電流感測電阻器的圖7的熒光燈 電路的示意圖12說明根據(jù)本發(fā)明又一具體實例實施例的用于燈調(diào)光器系統(tǒng)的PDM產(chǎn)生外圍設(shè) 備的主要為硬件的實施方案的示意性框圖。
圖13說明PDM燈驅(qū)動幀的一個幀的時序圖;以及
圖14說明根據(jù)本發(fā)明又一具體實例實施例的用于燈調(diào)光器系統(tǒng)的軟件輔助的PDM 產(chǎn)生外圍設(shè)備的示意性框圖。
雖然本發(fā)明能容許各種修改和替代形式,但已在圖式中展示且在本文中詳細(xì)描述本 發(fā)明的具體實例實施例。然而,應(yīng)理解,本文對具體實例實施例的描述無意使本發(fā)明限 于本文所揭示的特定形式,相反,本發(fā)明將涵蓋所附權(quán)利要求書界定的所有修改和等效 物。
具體實施例方式
現(xiàn)在參看圖式,示意性地說明具體實例實施例的細(xì)節(jié)。圖式中的相同元件將由相同 數(shù)字表示,且類似元件將由具有不同小寫字母后綴的相同數(shù)字表示。
根據(jù)本發(fā)明的教示,可通過使用集成電路數(shù)字裝置(例如,微控制器集成電路)來 實施用于對熒光燈進行調(diào)光的脈沖密度調(diào)制技術(shù)?,F(xiàn)在參看圖7,其描繪根據(jù)本發(fā)明具 體實例實施例的脈沖密度調(diào)制熒光燈調(diào)光電路的示意圖。大體上由標(biāo)號700表示的脈沖 密度調(diào)制熒光燈調(diào)光電路可包括微控制器702、高和低側(cè)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體 管(MOSFET)驅(qū)動器704、高側(cè)功率MOSFET 706、低側(cè)功率MOSFET 708、電感器 710、熒光燈712、燈絲電容器716和DC阻斷電容器714。 MOSFET驅(qū)動器704可用于 將微控制器702的較低輸出電壓轉(zhuǎn)變?yōu)椴僮鞲邆?cè)功率MOSFET 706和低側(cè)功率MOSFET 708所需的較高電壓電平。微控制器702可用于分別接通或斷開MOSFET驅(qū)動器704的 高側(cè)驅(qū)動器和接通或斷開MOSFET驅(qū)動器704的低側(cè)驅(qū)動器。當(dāng)高側(cè)驅(qū)動器接通時, 高側(cè)功率MOSFET 706允許電流在一個方向上流經(jīng)諧振RLC熒光燈電路(電感器710 和DC阻斷電容器714),且當(dāng)?shù)蛡?cè)驅(qū)動器接通時,低側(cè)功率MOSFET 708允許電流在另 一方向上流經(jīng)諧振RLC熒光燈電路(電感器710、熒光燈712和DC阻斷電容器714)。 高側(cè)功率MOSFET 706和低側(cè)功率MOSFET 708不可同時都接通。還需要死區(qū)(dead band),例如高側(cè)功率MOSFET 706和低側(cè)功率MOSFET 708都斷開。這可用在微控制 器702中運行的軟件指令來輕易地實現(xiàn)。微控制器702可通過交替地接通MOSFET驅(qū)動器704的高側(cè)和低側(cè)輸出來合成交流(AC)信號。通過謹(jǐn)慎地控制MOSFET驅(qū)動器 704的高側(cè)和低側(cè)輸出的持續(xù)時間,可合成具有特定頻率的AC驅(qū)動信號。
現(xiàn)在參看圖8和圖9,其分別描繪根據(jù)本發(fā)明具體實例實施例的低操作頻率Ffs和高 操作頻率Fs的示意性波形時序圖。圖8展示低操作頻率波形F^且圖9展示高操作頻 率波形。當(dāng)高側(cè)驅(qū)動信號為高時,低側(cè)驅(qū)動信號為低,且反之亦然。在高側(cè)和低側(cè)驅(qū)動 信號兩者都為低的情況下,存在死區(qū)時間。這些波形可用于合成以下頻率F低、F高和 高側(cè)功率MOSFET 706和低側(cè)功率MOSFET 708兩者都斷開時的DC信號(無電流流 動)。
由微控制器702產(chǎn)生的信號事實上是具有(例如但不限于)50%的工作循環(huán)的方波。 這些AC信號的替代描述是脈沖串的描述。在一時間間隔內(nèi),可測量這些"脈沖"的實 際數(shù)目。"高"頻信號在給定時間間隔中將具有比"低"頻信號多的脈沖。測量這些信 號的替代方法是通過其脈沖密度。以固定的工作循環(huán),高頻信號具有高脈沖密度;低頻 信號具有低脈沖密度。
改變信號的脈沖密度被稱為"脈沖密度調(diào)制"(PDM)。在上文所提到的三個經(jīng)合成 的頻率可被界定為如下PDM狀態(tài)(1)狀態(tài),,(2)狀態(tài)《,和(3)狀態(tài)^。對于圖8 和圖9中所示的活動波形狀態(tài)兩者(即,分別為狀態(tài)低和狀態(tài)高),來自微控制器702的 MOSFET驅(qū)動信號的電平轉(zhuǎn)變之間存在死區(qū)間隔。此死區(qū)間隔確保當(dāng)前活動的功率 MOSFET在問候功率MOSFET被驅(qū)動為接通之前被給予足夠量的時間來斷開。死區(qū)形 成是可經(jīng)由在微控制器702上運行的軟件執(zhí)行的常見技術(shù)。舉例來說,狀態(tài)te和狀態(tài)高中 的每一循環(huán)由"高側(cè)"驅(qū)動器的斷言起始,隨后是"高側(cè)"驅(qū)動器的解除斷言;接著是 死區(qū)時間間隔,接下來是"低側(cè)"驅(qū)動器被斷言,且隨后是"低側(cè)"驅(qū)動器的解除斷言。 此循環(huán)序列在這些PDM狀態(tài)的持續(xù)時間期間重復(fù)。
根據(jù)本發(fā)明的教示,脈沖密度調(diào)制(PDM)可用于實現(xiàn)可調(diào)光熒光燈電路的前面所 提及的要求(所需特征)。這些要求先前己陳述且在本文中重復(fù)(1)改變熒光燈的亮 度,使得熒光燈上的熱效應(yīng)得到補償。(2)在調(diào)光電路中獲得足夠的分辨率,因此亮度 變化對人眼來說是平滑的且不會被顯著量化。(3)"預(yù)熱"燈絲,直到熒光燈中的氣體 被部分電離且能夠點燃為止。以及(4)將燈絲溫度維持在低亮度等級,以阻止熒光燈 熄滅,且防止燈絲形成"熱點"。
預(yù)熱
在燈加電時,功率MOSFET 706和708兩者都斷開是重要的,因此調(diào)光器控制系統(tǒng) 最初處于狀態(tài),。隨后使調(diào)光器控制系統(tǒng)處于狀態(tài)ffi。在此狀態(tài)下,調(diào)光器控制系統(tǒng)最好地表示為圖2中所示的等效電路,且燈絲將具有從中穿過的電流,例如熒光燈正經(jīng)歷 "預(yù)熱"??墒拐{(diào)光器控制系統(tǒng)在被認(rèn)為足以將燈絲升溫到其"放電"溫度的時間期間保 持在狀態(tài)ffi。特定調(diào)光器控制系統(tǒng)保持在狀態(tài)ffi所需的時間量將隨所述特定熒光燈的物理 性質(zhì)而變,且是熒光燈技術(shù)的技術(shù)人員己知的。
現(xiàn)在可通過使調(diào)光器控制系統(tǒng)進入狀態(tài),來點燃燈氣體。在"預(yù)熱"間隔之后,燈 絲現(xiàn)在是熱的。狀態(tài)^的最后"高側(cè)"循環(huán)迫使電流進入RLC電路的電感器710中。"低 側(cè)"循環(huán)的斷言僅允許供電流流動的路徑。電感器無法允許電流瞬間停止流動,因此跨 所述燈的電壓將積累,直到氣體"放電"為止。 一旦發(fā)生點燃(圖3最好地表示等效 RLC電路),此時熒光燈便被稱為"被點亮"。請注意,發(fā)生此"放電"所需的時間非常 短,例如其短得足以在"低側(cè)"斷言間隔內(nèi)發(fā)生。
受控的燈亮度和熱補償
當(dāng)燈712被命令處于全亮度時,調(diào)光器控制系統(tǒng)將恒定地處于狀態(tài)fs。在此PDM狀 態(tài)下,調(diào)光器控制系統(tǒng)處于恒定的脈沖密度,且其等效電路最好地如圖3中所示那樣模 型化。即,當(dāng)被點亮且運行時,且當(dāng)被命令處于全亮度時,功率MOSFET 706和708僅 在狀態(tài)te頻率下被驅(qū)動。
相反,當(dāng)被命令斷開時,調(diào)光器控制系統(tǒng)保持在狀態(tài)斷開,其中燈RLC電路不在任 何頻率下被驅(qū)動。實際上,燈RLC電路根本沒被驅(qū)動。請注意,實際上存在兩種狀態(tài), 其中大體上不存在燈氣體電流,例如燈氣體是不傳導(dǎo)的。此無燈氣體電流情況是當(dāng)燈正
在狀態(tài)S和狀態(tài),期間被驅(qū)動時。僅狀態(tài)fS導(dǎo)致電流經(jīng)過燈氣體。
當(dāng)被命令處于某一中間亮度時,系統(tǒng)可在狀態(tài)低與狀態(tài)斷開狀態(tài)之間被調(diào)制。即,當(dāng) 被點亮且運行時,調(diào)光器控制系統(tǒng)被從全亮度狀態(tài)帶到完全斷開狀態(tài)并返回。狀態(tài),持 續(xù)時間與狀態(tài)J寺續(xù)時間之間的比率決定燈對眼睛的視在亮度。
脈沖密度的調(diào)制需以快于人眼可注意到的速率進行。通常,人眼將注意到慢于約30 Hz的速率的閃爍。如果調(diào)制速率比這個速率高得多,那么閃爍將不是問題。舉例來說, 以約300 Hz的調(diào)制速率進行的試驗在螺旋緊湊型或線性熒光燈管中未導(dǎo)致任何可注意 到的閃爍。因此,調(diào)制燈驅(qū)動信號的脈沖密度可通過在狀態(tài)低與狀態(tài),狀態(tài)之間來回切 換并控制這些狀態(tài)每一者中所花費的時間量來控制燈的視在亮度。
維持燈絲溫度使得將不會形成熱點可通過劃分燈氣體未被電離(例如,當(dāng)處于狀態(tài) ,和狀態(tài)w狀態(tài)下時)的時間來實現(xiàn)?,F(xiàn)在參看圖10,其描繪根據(jù)本發(fā)明具體實例實施 例的可用于對燈進行調(diào)光并維持燈絲溫度的"調(diào)制幀"的時序圖。圖10出于清楚性的 目的而一起展示兩個MOSFET驅(qū)動信號。展示一個完整的調(diào)制幀以及時間上在其兩側(cè)幀時間優(yōu)選小于一秒的三十分之一以避免閃爍,即1/30大于或等于tl+t2+t3 (等式l)。其中時間間隔tl是狀態(tài)^的持續(xù)時間,時間間隔t2是狀態(tài),的持續(xù)時間,且時間間隔t3是狀態(tài)^的持續(xù)時間。在tl期間,燈以全亮度驅(qū)動,因為其當(dāng)前處于狀態(tài),s。在t2和t3間隔兩者中,燈被驅(qū)動為斷開。間隔t2使燈根本沒被驅(qū)動。間隔t3使燈電路處于狀態(tài)^。當(dāng)處于狀態(tài)^狀態(tài)時,圖2展示調(diào)光器控制系統(tǒng)的適當(dāng)?shù)牡刃щ娐罚译娏鞅凰徒?jīng)燈絲,但燈氣體未被電離。
在本文中,可將視在亮度工作循環(huán)(ABDC)界定為-
ABDC = tl/(tl +t2 +t3) (等式2)
ABDC值與其它工作循環(huán)計算一樣可表達為百分比。因此,100%ABDC意味著燈完全接通(最大亮度)。0%ABDC意味著燈完全斷開(無光)。ABDC的中間百分比值(例如50%)意味著燈在一半時間被驅(qū)動為完全接通,且在另一半時間被斷開。
本文可將最大燈功率(MLP)界定為燈在100XABDC下運行時的瓦數(shù)。MLP隨燈的物理性質(zhì)而變,且是熒光燈領(lǐng)域的技術(shù)人員眾所周知的。重要的是要知道當(dāng)在燈的低頻值(F1S)下驅(qū)動燈時,對于燈而言存在指定的最大功率值。
本文可將最大燈絲功率(MFP)界定為燈在狀態(tài)g下持續(xù)運行的瓦數(shù)。MFP隨燈絲的電阻以及對L和Cf的選擇而變,其對本發(fā)明來說是不重要的??梢赃@么說,當(dāng)在燈絲的高頻值(F胃)下驅(qū)動燈絲時,對于燈絲而言存在理論上的最大功率值。
在本文中,可將所得燈功率(RLP)和所得燈絲功率(RFP)界定為
RLP = ABDC* MLP (等式3)RFP = t3/(tl + t2 + t3) * MFP (等式4)
其中RLP是燈的發(fā)光功率的測量值,且以瓦來表達。RFP是燈絲的熱功率的測量值,且也以瓦來表達。
當(dāng)系統(tǒng)在較低所得燈功率(RLP)下運行時,必須維持某一所得燈絲功率(RFP)電平。上文中更全面地描述了這樣做的原因(例如,燈絲熱點和氣體電離的損失)。在較低的燈功率電平下,存在燈冷卻并熄滅的趨勢。而且,在較低的燈溫度下,破壞性的燈絲熱點形成的可能性上升。
在某一 RLP下驅(qū)動的給定燈設(shè)計所需的RFP的確切量將取決于燈的物理性質(zhì),且不是本發(fā)明的部分。然而,根據(jù)本發(fā)明的具體實例實施例,燈絲將能夠通過使用在數(shù)字裝置上運行的軟件程序步驟來維持其最低操作溫度。因此,無需并入有任何附加電路來偏置燈絲以便維持其上的某一所需溫度。
亮度穩(wěn)定性和反饋控制現(xiàn)在參看圖11,其描繪根據(jù)本發(fā)明另一具體實例實施例的具有電流感測電阻器的圖7的熒光燈電路的示意圖。當(dāng)將感測電阻器1116添加到圖7的電路時,可通過測量流經(jīng)感測電阻器1116的電流來實施對視在亮度的反饋控制。流經(jīng)感測電阻器1116的電流大體上與流經(jīng)燈712的電流相同。流經(jīng)感測電阻器1116的電流將產(chǎn)生跨感測電阻器1116的電壓,其與燈電流成比例??蓪⒋穗妷吼伻氲轿⒖刂破?02a的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)中。在微控制器702a上運行的軟件現(xiàn)在可用于確定熒光燈712的操作的許多狀況。舉例來說(1)燈絲中的一者已"燒壞"? (2)預(yù)熱期間流經(jīng)燈絲的電流是多少且其是否過量? (3)燈當(dāng)前是接通的?以及(4)跨點亮的燈的電流是多少且其是否處于所需的電流電平?
在微控制器702a中運行的軟件程序可基于對這些問題的回答而作出決策。如果燈調(diào)光器系統(tǒng)處于狀態(tài)《,那么可確定狀況1和2。如果沒有檢測到電流,那么其為開路,且因此燈絲必然被"燒壞"。微控制器702a的ADC 1118產(chǎn)生的值將告訴軟件程序燈絲電流的目前值。如果燈調(diào)光器系統(tǒng)處于狀態(tài)te,那么可確定狀況3和4。如果沒有檢測到電流,那么其為開路,且因此燈必然已斷開。當(dāng)被點亮?xí)r,如果燈電流在所預(yù)期的值之外,那么可調(diào)節(jié)ABDC以進行補償。存在許多可被實施以穩(wěn)定燈亮度的操作的反饋控制技術(shù)??稍谲浖袑嵤┪墨I中稱為PID控制(按比例、整體、差動)的一種常見技術(shù)以使燈亮度的穩(wěn)定性增至最大。PID控制回路可使用此表示燈亮度的模擬輸入來調(diào)節(jié)視在亮度工作循環(huán)(ABDC),以便輸送一致的感覺到的燈亮度等級。
艮P,如果燈的用戶調(diào)節(jié)燈控制以要求70%的亮度等級,那么在微控制器702a上運行的軟件程序可將此視為所要求的亮度等級。對流經(jīng)燈的電流的檢查將指示燈的目前視在亮度。如果值不相符,那么可上下調(diào)節(jié)ABDC以分別增加或減小所得燈功率(RLP)。當(dāng)燈的溫度由于燈的新亮度設(shè)置而增加或減小時,視在亮度將漂移。經(jīng)由微控制器的軟件程序的反饋控制不管燈712中的溫度轉(zhuǎn)變(例如,漂移或瞬變)如何均將維持所要求的亮度。
本文所揭示的脈沖密度調(diào)制(PDM)技術(shù)允許根據(jù)本發(fā)明的教示容易地在微控制器702a中實施軟件反饋控制程序。在維持熒光燈712的用戶所要亮度的同時,此PDM技術(shù)可維持燈絲上的溫度,因而延長燈絲的壽命,且還防止熒光燈712由于低燈絲溫度而熄滅。
預(yù)期且在本發(fā)明的范圍內(nèi),可直接從微控制器702的通用I/O引腳驅(qū)動MOSFET驅(qū)動器704。這消除了對微控制器上或與微控制器一起的昂貴的VCO電路的需要。另外,可用在微控制器702中運行的軟件程序來實施死區(qū)形成,從而消除了對用以執(zhí)行此任務(wù)的外部邏輯電路的需要。此外,可經(jīng)由在微控制器702中運行的軟件程序的控制下預(yù)熱燈絲并觸發(fā)氣體電離來啟動所述燈。軟件程序可經(jīng)由PDM來對熒光燈712進行調(diào)光,且亮度等級的數(shù)目可很大(非常精細(xì)的粒度)以至于"掃"過它們將看起來與白熾燈調(diào)光時看到的一樣平滑。還預(yù)期且在本發(fā)明的范圍內(nèi),可使用低引腳數(shù)微控制器來實施燈調(diào)光器系統(tǒng),從而對制造商導(dǎo)致相當(dāng)大的成本節(jié)約,且對他們的產(chǎn)品導(dǎo)致大量的可靠性和功能性改進。
預(yù)期且在本發(fā)明的范圍內(nèi),可使用數(shù)字裝置,其經(jīng)過適當(dāng)?shù)能浖幊桃赃M行(1)
用以增加燈效率的有效功率因數(shù)校正(PFC), (2)遠程控制協(xié)議,例如數(shù)字可尋址照明接口 (DALI)、 IEEE 802.15.04或Zigbee (Zigbee),和/或(3)用于緊急照明鎮(zhèn)流器的電池充電。軟件程序可存儲在非易失性存儲器中,且可在數(shù)字裝置中作為"固件"實施。相對較便宜的數(shù)字裝置(例如,微控制器)可從內(nèi)部時鐘振蕩器運行。
現(xiàn)在參看圖12,其描繪根據(jù)本發(fā)明又一具體實例實施例的用于燈調(diào)光器系統(tǒng)的PDM產(chǎn)生外圍設(shè)備的主要為硬件的實施方案的示意性框圖。所述主要為硬件的實施方案可用數(shù)字裝置(例如,微控制器,大體上由標(biāo)號1200表示)來實現(xiàn)。所述微控制器可用作硬件外圍設(shè)備,其將自動創(chuàng)建對控制熒光燈的操作和為熒光燈調(diào)光來說必要的所需控制信號,且僅需要最少的軟件程序額外開銷。脈沖密度調(diào)制(PDM)方案在概念上相對較簡單,且可在微控制器1200中的固件中容易地實施。另外,從成本和可靠性角度來看,PDM方案可有益于通過利用微控制器1200的可編程能力而導(dǎo)出其它特征,例如用以提高燈效率的有效功率因數(shù)校正(PFC)、遠程控制協(xié)議(例如DALI或Zigbee)和/或用于緊急照明鎮(zhèn)流器的電池充電。
微控制器1200可經(jīng)配置以用于以下功能區(qū)塊且包括以下功能區(qū)塊。幀定序器區(qū)塊1202、幀定序器時基1204、頻率產(chǎn)生器區(qū)塊1206、頻率產(chǎn)生器時基1208和空載時間產(chǎn)生器1210??蛰d時間產(chǎn)生器1210可具有FGH 1212和FGL 1214輸出和/FAULT 1216輸入。
幀定序器時基1204和頻率產(chǎn)生器時基1208可為具有系統(tǒng)時鐘輸入、預(yù)定標(biāo)器和時基的基本同步計時器。幀定序器區(qū)塊1202可用于指定燈驅(qū)動幀內(nèi)每一相位的持續(xù)時間,如圖13中所示。幀的持續(xù)時間可由幀定序器時基1208的翻轉(zhuǎn)周期指定。存在兩個比較寄存器,其指定預(yù)熱(狀態(tài)高一高頻一Fs)和燈接通(狀態(tài)低一諧振頻率一F低)周期的結(jié)尾。在幀定序器周期的其余部分期間,燈可斷開(狀態(tài)斷開)。
頻率產(chǎn)生器區(qū)塊1206可具有兩個周期寄存器,以便可產(chǎn)生兩個不同頻率。幀定序器區(qū)塊1202將控制信號發(fā)送到頻率產(chǎn)生器區(qū)塊1206,所述控制信號指定將使用哪一周期(頻率)。如果預(yù)熱比較時間為0,那么可跳過第一預(yù)熱頻率。在所述幀的第三相位期間,輸出將始終為0 (斷開)。頻率產(chǎn)生器區(qū)塊1206將等到一周期結(jié)束后才切換到下一頻率狀態(tài)。
空載時間產(chǎn)生器1210可產(chǎn)生互補輸出信號,F(xiàn)GH 1212和FGL 1214,其在每一轉(zhuǎn)變之間具有切換延遲??蛰d時間產(chǎn)生器1210可用于驅(qū)動半橋反相器電路,例如功率MOSFET 706和708。也可針對外部硬件故障提供異步停機輸入/FAULT 1216。
現(xiàn)在參看圖14,其描繪根據(jù)本發(fā)明又一具體實例實施例的用于燈調(diào)光器系統(tǒng)的軟件輔助的PDM產(chǎn)生外圍設(shè)備的示意性框圖。實施PDM產(chǎn)生外圍設(shè)備所需的硬件的量可能因成本過高而令人無法接受。如果是這樣的話,那么可如圖14中所示實施PDM產(chǎn)生外圍設(shè)備的"軟件輔助"版本。
可使用當(dāng)前可用的微控制器硬件來容易且便宜地實施PDM產(chǎn)生外圍設(shè)備??墒褂镁哂袝r基1402和輸出邏輯1404的增強型捕獲/比較/PWM (ECCP)模塊來產(chǎn)生到達燈鎮(zhèn)流器反相器(例如,功率MOSFET706禾卩708)的頻率輸出。ECCP時基中斷信號1406可被內(nèi)部路由到第二時基1408,且用于使所述時基1408遞增。第二時基1408跟蹤每一頻率狀態(tài)中所花費的時間(見圖13)。因此,微處理器的中央處理單元(CPU)僅在第二時基1408溢出時才被中斷(中斷1410)。此過程類似于其中CPU僅需要在換向事件時被中斷的微控制器馬達控制,而換向事件以比PWM頻率低得多的速率發(fā)生。新周期寄存器1412和工作循環(huán)寄存器1414可在第二時基1408的每一中斷事件時加載。輸出邏輯1404可具有被置于"斷開"狀態(tài)下且仍使ECCP時基1402保持運行的能力。這允許來自微控制器的軟件控制對"斷開"狀態(tài)(狀態(tài)冊)進行計時。
雖然已參考本發(fā)明的實例實施例描繪、描述并界定了本發(fā)明的實施例,但此些參考不隱含對本發(fā)明的限制,且不應(yīng)推斷任何此限制。所揭示的主題能夠在形式和功能方面具有相當(dāng)多的修改、更改和等效物,有關(guān)領(lǐng)域中受益于本發(fā)明的技術(shù)人員將想到所述修改、更改和等效物。本發(fā)明所描繪并描述的實施例僅僅是實例,且并非對本發(fā)明范圍的詳盡描述。
權(quán)利要求
1.一種用于使用脈沖密度調(diào)制來控制可調(diào)光電子照明鎮(zhèn)流器的方法,所述方法包括以下步驟在第一時間周期內(nèi)產(chǎn)生低頻,其中所述低頻近似為可調(diào)光電子照明鎮(zhèn)流器和熒光燈的電路諧振頻率;以及在第二時間周期內(nèi)不產(chǎn)生任何頻率;其中所述第一和第二時間周期在調(diào)制幀時間周期內(nèi),且所述調(diào)制幀時間周期不斷地重復(fù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法,其進一步包括以下步驟在第三時間周期內(nèi)產(chǎn)生高頻,其中所述高頻高于所述可調(diào)光電子照明鎮(zhèn)流器和所 述熒光燈的所述電路諧振頻率;其中所述第一、第二和第三時間周期在所述不斷重復(fù)的調(diào)制幀時間周期內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中當(dāng)所述熒光燈處于最大亮度時,所述第一時間周 期大體上為所述調(diào)制幀時間周期的100%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中當(dāng)所述熒光燈斷開時,所述第二時間周期大體上 為所述調(diào)制幀時間周期的100%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中當(dāng)所述熒光燈處于小于最大亮度時,所述第一時 間周期小于所述調(diào)制幀時間周期的100%。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中所述調(diào)制幀時間周期小于或等于一秒的1/30。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法,其中當(dāng)所述熒光燈處于小于最大亮度時,所述第一時 間周期小于所述調(diào)制幀時間周期的100%。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法,其中所述第三時間周期占所述調(diào)制幀時間周期的足夠 百分比,以便使熒光燈燈絲保持暖熱。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法,其進一步包括測量熒光燈電流的步驟。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法,其進一步包括根據(jù)所述測量到的熒光燈電流確定所述 熒光燈的狀況的步驟。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的方法,其中從由燈絲燒壞、預(yù)熱期間燈絲電流過量、熒光 燈接通和電流流經(jīng)點亮的熒光燈組成的群組中選擇所述熒光燈的所述狀況。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法,其進一步包括調(diào)節(jié)所述調(diào)制幀時間周期的所述第一時 間周期百分比以便使所述測量到的熒光燈電流保持在所需值的步驟。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法,其進一步包括調(diào)節(jié)所述調(diào)制幀時間周期的所述第二時 間周期和第三時間周期百分比以便使所述熒光燈燈絲保持在所需溫度的步驟。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其進一步包括校正功率因數(shù)的步驟。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其進一步包括遠程控制所述第一和第二時間周期以便 遠程控制熒光燈光輸出的步驟。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法,所述遠程控制步驟包括用數(shù)字可尋址照明接口 (DALI)協(xié)議來遠程控制的步驟。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法,所述遠程控制步驟包括用Zigbee協(xié)議來遠程控制的 步驟。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法,所述遠程控制步驟包括用IEEE 802.15.4協(xié)議來遠程 控制的步驟。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其進一步包括控制用于緊急照明的電池充電器的步 驟。
20. —種可調(diào)光熒光燈系統(tǒng),其具有使用脈沖密度調(diào)制來控制由熒光燈產(chǎn)生的光量的電子照明鎮(zhèn)流器,所述系統(tǒng)包括數(shù)字裝置,其具有第一輸出和第二輸出;第一功率開關(guān),其具有耦合到所述數(shù)字裝置的所述第一輸出的控制輸入; 第二功率開關(guān),其具有耦合到所述數(shù)字裝置的所述第二輸出的控制輸入; 電感器,其耦合到所述第一和第二功率開關(guān),其中所述第一功率開關(guān)將所述電感 器耦合到電源電壓,所述第二功率開關(guān)將所述電感器耦合到共用電源電壓,且所述 第一和第二功率開關(guān)分別使所述電感器從所述電源電壓和共用電源電壓去耦; 直流(DC)阻斷電容器,其耦合到所述共用電源電壓;熒光燈,其具有第一和第二燈絲,其中所述第一燈絲耦合到所述電感器,且所述 第二燈絲耦合到所述DC阻斷電容器;以及燈絲電容器,其將所述熒光燈的所述第一和第二燈絲耦合在一起; 其中所述數(shù)字裝置在第一時間周期內(nèi)產(chǎn)生低頻信號,所述低頻近似為所述電感器和所述燈絲電容 器的串聯(lián)諧振頻率,且在第二時間周期內(nèi)不產(chǎn)生任何信號,其中所述第一和第二時間周期在調(diào)制幀時間周期內(nèi),且所述調(diào)制幀時間周期不 斷地重復(fù)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng),其中所述數(shù)字裝置在第三時間周期內(nèi)產(chǎn)生高頻信號,所述高頻信號高于所述電感器和所述燈絲電容 器的所述串聯(lián)諧振頻率;且所述第一、第二和第三時間周期在所述不斷重復(fù)的調(diào)制幀時間周期內(nèi)。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng),其中當(dāng)所述熒光燈處于最大亮度時,所述第一時間 周期大體上為所述調(diào)制幀時間周期的100%。
23. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng),其中當(dāng)所述熒光燈斷開時,所述第二時間周期大體 上為所述調(diào)制幀時間周期的100%。
24. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng),其中當(dāng)所述熒光燈處于小于最大亮度時,所述第一 時間周期小于所述調(diào)制幀時間周期的100%。
25. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng),其中所述調(diào)制幀時間周期小于或等于一秒的1/30。
26. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng),其中當(dāng)所述熒光燈處于小于最大亮度時,所述第一 時間周期小于所述調(diào)制幀時間周期的100%。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的系統(tǒng),其中所述第三時間周期占所述調(diào)制幀時間周期的足 夠百分比,以便使所述熒光燈燈絲保持暖熱。
28. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的系統(tǒng),其進一步包括耦合在所述DC阻斷電容器與所述共 用電源電壓之間的熒光燈電流測量電阻器,其中所述熒光燈電流測量電阻器用于測 量所述熒光燈電流。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的系統(tǒng),其中跨所述熒光燈電流測量電阻器的電壓耦合到所 述數(shù)字裝置的模擬輸入。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的系統(tǒng),其中所述數(shù)字裝置調(diào)節(jié)所述第一時間周期百分比, 以便使所述測量到的熒光燈電流保持在所需值。
31. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的系統(tǒng),其中所述數(shù)字裝置調(diào)節(jié)所述調(diào)制幀時間周期的所述 第二時間周期和第三時間周期百分比,以便使所述第一和第二燈絲保持在所需溫 度。
32. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng),其中所述數(shù)字裝置是從由微處理器、微控制器、專 用集成電路(ASIC)和可編程邏輯陣列(PLA)組成的群組中選擇的。
33. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng),其中所述數(shù)字裝置包括-幀定序器區(qū)塊;幀定序器時基;頻率產(chǎn)生器區(qū)塊;頻率產(chǎn)生器時基;以及空載時間產(chǎn)生器;g巾所述幀定序器區(qū)塊確定所述第一、第二和第三時間周期, 所述頻率產(chǎn)生器區(qū)塊確定所述高頻和低頻信號,且 所述空載時間產(chǎn)生器防止所述第一和第二功率開關(guān)兩者同時接通。
34.根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng),其中所述數(shù)字裝置是用軟件程序控制的。
全文摘要
脈沖密度調(diào)制(PDM)用于通過將近似為燈鎮(zhèn)流器電感器和燈絲電容器的串聯(lián)諧振頻率的低頻的電壓、無電壓和高頻的電壓施加到燈絲來控制來自熒光燈的光量。燈氣體僅在施加低頻電壓時電離以產(chǎn)生光。熒光燈氣體在施加高頻的電壓時不電離,但高頻電壓使燈絲在較低光輸出狀況期間保持暖熱。所述低頻電壓、無電壓和高頻電壓具有出現(xiàn)在不斷重復(fù)的調(diào)制幀時間周期內(nèi)的時間周期。低頻電壓時間周期與無電壓和/或高頻電壓時間周期的比率決定熒光燈的光輸出。
文檔編號H05B41/392GK101518160SQ200780034325
公開日2009年8月26日 申請日期2007年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月5日
發(fā)明者斯蒂芬·鮑林, 約翰·K·居爾森 申請人:密克羅奇普技術(shù)公司
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