CN100381020C - 全波检测放大器及其相配的放电灯逆变器 - Google Patents
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Abstract
一种全波检测放大器及其相配的放电灯逆变器，其特别公开一种检测通过放电灯的周期性电流的全波检测放大器。该全波检测放大器包含一检测周期电流正半波部分的装置；一检测周期电流负半波部分的装置；一把电流的正半波部分和负半波部分结合变成一电流信号的组合装置。本发明由于使用全波检测放大器来监控传递给放电灯的能量，对周期性电流的每一半波都能有效地监控，这样使对逆变器回路的采样率增加了一倍，特别是由于具有较快的回路时间常数，因而能最有效地向放电灯传递电能。
Description
技术领域
本发明涉及一种电压或电流检测放大器，具体地说，是一种可检测放电灯中交流电流的全波检测放大器。
背景技术
放电灯，如冷阴极荧光灯(cold cathode fluorescent lamp，CCFL)，具有一根据瞬时时间间隔和作用于该荧光灯的激磁交流信号频率变化的终端电压特性。CCFL被启动或点亮之前，荧光灯在一小于启动电压的终端电压作用下，不会产生电流。一旦在该CCFL内部产生一电弧，终端电压可降至工作电压，在启动电压超出输入电流一相对宽的范围内，该工作电压大约为启动电压的1/3。当CCFL被一频率相对高的交流信号启动时，该CCFL(一旦被触发)在任一周期均不会熄灭并展示一正阻抗终端特性。
用一频率相对较高的方波交流信号驱动一CCFL，对荧光灯将产生一最大的可用发光时间。但是，因为方波交流信号在CCFL的启动电路附近可能会对其他电路产生较大的干扰，荧光灯通常由非理想波形的交流信号如正弦波形交流信号驱动。
通常，荧光灯由一逆变器启动，该逆变器将一直流信号转变为一交流信号，过滤该交流信号，并将电压转换至CCFL所需的一较高电压。这种逆变器可参见沙弄公司(Shannon et al.)转让给本申请申请人的美国专利US6，114，614。在此将结合本申请作为参考。另外，美能利思克(Monolithic)能源***公司的MP1011，MP1015，MP1018产品也是用以启动CCFL的此类逆变器的例子。
为最有效地向灯传递电能，有必要监控传递给灯的电流。因此，就使用一检测放大器来监控该电流。
发明内容
如上所述，如何最有效地向放电灯传递电能，以及如何监控传递给放电灯电能源乃是本发明所要解决的技术问题，为此，
本发明的的目的在于提供一种启动灯的装置；
本发明的另一目的在于提供一种启动放电灯的方法；
本发明的再另一目的在于提供一种用于监控传递给放电灯电能的全波检测放大器。
本发明的技术方案如下：
根据本发明的一种启动灯的装置，其包含：
一将直流信号转变为交流信号的转换器；
一位于该转换器和灯之间的自激振荡电路，该自激振荡电路过滤传递给该灯的交流信号；
一调整该转换器的控制器，使交流信号的频率基于自激振荡电路的谐振频率；以及
一检测通过灯的电流的全波检测放大器。
所述的自激振荡电路包含一升压变压器，该升压变压器具有一接收交流信号的第一绕组，和一与所述的灯连接的第二绕组；所述的自激振荡电路包含一过滤交流信号的滤波器；进一步，该启动灯装置还包含一测定该自激振荡电路的谐振频率和向该控制器提供谐振频率指示的零交叉检测器；更具体地，所述的灯为一放电灯，其包含冷阴极荧光灯，金属卤素灯和钠气灯。
根据本发明的一种启动放电灯的方法，包含下列步骤：
(A)将直流信号转换为交流信号；
(B)对传递给放电灯的交流信号滤波；
(C)振荡直流信号的转换信号，使交流信号的频率基于一负载的谐振频率，以及；
(D)检测通过所述放电灯的全波电流。
根据本发明的一种全波检测放大器，检测通过灯的周期性电流，该全波检测放大器包含：
一检测所述周期性电流正半波的装置；
一检测所述周期性电流负半波的装置；以及
一把所述电流正半波部分和负半波部分结合变成一电流信号的组合装置。
所述的检测正半波的装置包含：
一具有第一输入端的第一运算放大器，该第一输入端和所述灯的一端子相接；
一第一输出晶体管，其栅极连接所述第一运算放大器的输出端，其源极连接一电流源，其漏极连接所述第一运算放大器的第二输入端。
所述的检测负半波的装置包含：
一第二运算放大器，其具有一和所述灯的一端连接的第二输入端；
一第二输出晶体管，其栅极和所述第二运算放大器的输出端相连，其源极连接一电流源，其漏极连接所述第二运算放大器的第二输入端。
所述的组合装置是一电流源，其供给流过所述第一输出晶体管和第二输出晶体管的电流。
所述的第二运算放大器的第一输入端接地。
所述的第二运算放大器的第二输入端通过一电阻和所述灯的所述端子相接。
本发明的优点是：由于使用全波检测放大器，对传输给放电灯的周期性电流的每个半波进行检测，使对逆变器回路采样率增加一倍，特别是由于具有较快的回路时间常数，因此，能更好地监控传递给放电灯的电能，从而，能最有效地向放电灯传递电能。
附图说明
图1为电流控制集成电路在启动放电灯的升压变压器第一绕组侧连接另一储能电路的示意图；
图2A和图2B为背景技术中半波检测放大器的电路示意图；
图3为根据本发明形成的一全波检测放大器的电路示意图。
具体实施方式
如上所述，启动CCFL的逆变器通常包含一将直流信号(DC)转换为交流信号(AC)的转换器，一滤波电路和一变压器。此类电路的例子可参见沙弄公司(Shannon et al.)转让给本发明申请人的美国专利US6，114，614。在此将结合本申请作为参考。另外，其他在先技术中的逆变器电路也可以用来启动CCFL，如馈电流推-拉(ROYER)振荡器，恒定频率半桥(constant frequency half-bridge，CFHB)电路，或是一检测模式半桥(inductive-mode half-bridge，IMHB)电路。本发明可以连同上述任何逆变器电路，也可以与其他逆变器电路一起来使用。
本发明在此公开了一种用于监控荧光灯引起的(或供给荧光灯的)电流的方法及装置。根据本发明，一检测放大器被用来监控全波电流，而不仅限于监控电流的正半波部分或负半波部分。在对该检测放大器进行说明以前，对逆变器和灯的结合电路的工作原理作一简要说明。其仅仅可以被理解为一个逆变器的实施例，因此，本发明的检测放大器几乎可与任何一种使用电流监控的逆变器一起使用。
在一实施例中，本发明为一集成电路，其包含安置于一半桥电路中的4只金属氧化物半导体场效应功率管(MOSFET)。该集成电路结合一独立的输出网络，将一直流信号转换成交流信号。该集成电路工作在输出滤波网络的谐振频率附近，该输出滤波网络包含电感和电容器件。
滤波网络的损耗可以通过设计一低Q值负载(使返复流过储能元件和交换器件的电流最小量)和一高Q值卸载(这意味着电感和电容具有低损耗)来达到最小化。然而，输出波形的谐波成分应维持在一低电平上，以保证逆变器不会干扰附近电路的运行。
在一典型的电路中，半桥电路通过周期性地变换直流信号(DC)，产生交流信号(AC)。控制电路通过调整交流信号的每半个周期的脉冲宽度(pulse width，PWM)来调整传递给负载电能的大小。因为正常工作时，脉冲宽度(PWM)提供对称的交流信号，交流信号中的偶次谐波被抵偿。通过消除偶次谐波并通常工作在一滤波器(负载)的谐振频率上，所设计的滤波器负载Q值很低，所以滤波器的损耗可以减至最小。另外，因为CCFL直接连接在升压变压器的第二绕组的两端，除了需要在荧光灯内产生电弧的第二部分，升压变压器的第二绕组通常在CCFL的运行电压上工作。并且，以下还会进一步显示控制电路在启动负载时，相对于正常运行，将选择性地增加对负载提供的脉冲宽度。
如图1所示，为集成电路104连接一负载，显示电能控制的一实施例的电路示意图100’。其包含一储能电路108，一如为CCFL的灯106。一连接该集成电路104的直流电源102，例如为一电池组。一自举电容120a连接在集成电路104的BSTE端和一输出端110a之间，该输出端110a和一被标识为OUTR的端子相接。同样，另一自举电容120b连接在该集成电路104的BSTL端和另一输出端110b之间，该输出端110b和一被标识为OUTL的端子相接。自举电容120a和120b储藏能量，为启动集成电路104内的启动电路提供电源，该电源浮置于其他电路的工作电压之上。
电感116的一端和输出端110a相接，其另一端和电容118的一端及升压变压器114第一绕组的一端相接。电容118的另一端和升压变压器114第一绕组的另一端及输出端110b相接。变压器114第二绕组的一端和灯的端子112a相接，第二绕组的另一端和灯的端子112b相接。
一电抗性的输出网络或储能电路108由连接在输出端110a，110b，及升压变压器114的第一绕组之间的器件构成。该储能电路108是一第二级谐振滤波电路，其储存一特定频率上的电能，并在必要时释放电能，以平滑传递给灯106的交流信号的正弦波形。储能电路也可以被认为是一自激振荡电路。
此外，还包含一电流检测电路。请注意，第二绕组的第二端子直接接地。灯的另一端112b和二极管107的阳极与另一二极管105的阴极相接。二极管107的阴极和检测电阻109的一端及集成电路104的Vsense端口相接。二极管105的阳极和检测电阻109的另一端及地极相接。在该电路中，集成电路104监控检测电阻109两端的电压，这样，流入灯106的电流便近似于流过检测电阻109的电流，因此，可用来控制启动灯的电源。
Vsense端口的信号提供给半波检测放大器201。在背景技术的一个实施例中，该检测放大器如图2A所示。半波检测放大器201包含一运算放大器203，一输出晶体管205，一电流源207和一电阻209。由于电路中设置二极管105和107，因此，电流IL，以及检测电阻109两端的电压V，只是通过灯的电流的正半波部分。应该注意到检测到的电流和电压是相同的。换句话说，检测109两端的电压应理解为和检测灯产生的电流是一样的。
工作中，从二极管107流出的电流将通过检测电阻109，并同时在运算放大器203的同相输入端产生一电压。运算放大器的输出端连接输出晶体管205的栅极。该晶体管205的漏极和运算放大器203的反相输入端及电阻209的一端相接。电阻209的另一端接地。
输出晶体管的源极和电流源207相接。因此，电流源207产生的电流表示灯产生的电流的大小。请注意，由于运算放大器203的倒相作用，所以电流源207产生的电流与灯产生的电流反相。
图2B显示了背景技术中检测放大器201的另一实施例。在该实施例中，加法端位于运算放大器203的反相输入端。一反馈电容Cf和一反馈电阻Rf连接于该运算放大器203的输出端和反相输入端之间。但该实施例仍然只能检测提供给灯的电流的半波。
图3，显示了一根据本发明提供的全波检测放大器301。首先请注意，图3所示是试图在没有图1和图2A、2B所示的二极管105，107的情况下使用该全波检测放大器301。这样，可取消这些元器件，信号Vsense直接从图1所示的112b端引出。
全波检测放大器301包含运算放大器203，输出晶体管205、电阻209、以及背景技术中所涉及的半波放大器201的电流源207。此外，该全波检测放大器301还包括一第二运算放大器307、一第二输出晶体管305、和一输入电阻303。
信号Vsense通过输入电阻303输给第二运算放大器的反相输入端，第二运算放大器307的同相输入端接地，其输出端和第二输出晶体管305的栅极相接。该第二输出晶体管305的漏极和第二运算放大器307的反相输入端相接。其源极和电流源207相接。
如上已述的，二极管105和107被省略。使信号Vsense和灯产生的电流一致。可以理解为灯产生的电流通过电阻109就是电压信号Vsense。运算放大器203和第一输出晶体管205获得信号Vsense的正半波部分。第二运算放大器307和第二输出晶体管305获得信号Vsense的负半波部分。这样，信号Vsense的整波都可以由电流源207产生的电流获得，如图3所示。
检测灯电流的整个正弦波具有很多优点。对每个半波的有效检测使回路采样率增加一倍，并具有一较快回路时间常数，因此，对回路的控制较好。
本发明虽以上述实施例公开如上，在不脱离本发明的精神和范围内，应当可做一些更动与润饰。
Claims (19)
1.一种启动灯的装置，其包含：
一将直流信号转变为交流信号的转换器；
一位于该转换器和灯之间的自激振荡电路，该自激振荡电路过滤传递给该灯的交流信号；
一调整该转换器的控制器，使交流信号的频率基于自激振荡电路的谐振频率；以及
一检测通过灯的周期性电流的全波检测放大器；
其中，所述全波检测放大器包括：
一检测所述周期性电流正半波的装置；
一检测所述周期性电流负半波的装置；以及
一把所述电流正半波部分和负半波部分结合变成一电流信号的组合装置。
2.如权利要求1所述的启动灯的装置，其特征在于，所述的检测正半波的装置包含：
一具有第一输入端的第一运算放大器，该第一输入端和所述灯的一端子相接；
一第一输出晶体管，其栅极连接所述第一运算放大器的输出端，其源极连接一电流源，其漏极连接所述第一运算放大器的第二输入端。
3.如权利要求2所述的启动灯的装置，其特征在于，所述的组合装置是一电流源，其供给流过所述第一输出晶体管的电流。
4.如权利要求1至3中任一项所述的启动灯的装置，其特征在于，所述的检测负半波的装置包含：
一第二运算放大器，其具有一和所述灯的一端连接的第二输入端；
一第二输出晶体管，其栅极和所述第二运算放大器的输出端相连，其源极连接一电流源，其漏极连接所述第二运算放大器的第二输入端。
5.如权利要求4所述的启动灯的装置，其特征在于，所述的组合装置是一电流源，其供给流过所述第二输出晶体管的电流。
6.如权利要求4或5所述的启动灯的装置，其特征在于，所述的第二运算放大器的第一输入端接地。
7.如权利要求6所述的全波检测放大器，其特征在于，所述的第二运算放大器的第二输入端通过一电阻和所述灯的所述端子相接。
8.如权利要求1至7中任一项所述的启动灯的装置，其特征在于，所述的自激振荡电路包含一升压变压器，该升压变压器具有一接收交流信号的第一绕组，和一与所述的灯连接的第二绕组。
9.如权利要求8所述的启动灯的装置，其特征在于，所述的自激振荡电路包含一过滤交流信号的滤波器。
10.如权利要求1至7中任一项所述的启动灯的装置，其特征在于，还包含一测定该自激振荡电路的谐振频率和向该控制器提供谐振频率指示的零交叉检测器。
11.如权利要求1至7中任一项所述的启动灯的装置，其特征在于，所述的灯为一放电灯，其包含冷阴极荧光灯，金属卤素灯和钠气灯。
12.一种启动放电灯的方法，包含以下步骤：
(A)将直流信号转换为交流信号；
(B)对传递给放电灯的交流信号滤波；
(C)振荡直流信号的转换信号，使交流信号的频率基于一负载的谐振频率，以及；
(D)检测通过所述放电灯的周期性全波电流；
其中，所述步骤(D)包括：
-检测通过所述放电灯的周期性电流的正半波；
还包括：
-检测通过所述放电灯的周期性电流的负半波；以及
-把所述电流正半波部分和负半波部分结合变成一电流信号。
13.一种全波检测放大器，检测通过灯的周期性电流，该全波检测放大器包含：
一检测所述周期性电流正半波的装置；
一检测所述周期性电流负半波的装置；以及
一把所述电流正半波部分和负半波部分结合变成一电流信号的组合装置。
14.如权利要求13所述的全波检测放大器，其特征在于，所述的检测正半波的装置包含：
一具有第一输入端的第一运算放大器，该第一输入端和所述灯的一端子相接；
一第一输出晶体管，其栅极连接所述第一运算放大器的输出端，其源极连接一电流源，其漏极连接所述第一运算放大器的第二输出端。
15.如权利要求14所述的全波检测放大器，其特征在于，所述的组合装置是一电流源，其供给流过所述第一输出晶体管的电流。
16.如权利要求13所述的全波检测放大器，其特征在于，所述的检测负半波的装置包含：
一第二运算放大器，其具有一和所述灯的一端连接的第二输入端；
一第二输出晶体管，其栅极和所述第二运算放大器的输出端相连，其源极连接一电流源，其漏极连接所述第二运算放大器的第二输入端。
17.如权利要求16所述的全波检测放大器，其特征在于，所述的组合装置是一电流源，其供给流过所述第二输出晶体管的电流。
18.如权利要求16所述的全波检测放大器，其特征在于，所述的第二运算放大器的第一输入端接地。
19.如权利要求16所述的全波检测放大器，其特征在于，所述的第二运算放大器的第二输入端通过一电阻和所述灯的所述端子相接。
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