CN1084135C - 镇流器的反馈控制装置 - Google Patents

Abstract

一种镇流器的反馈控制装置，它具有检测灯数的功能，并装于集成电路上，以控制荧光灯的镇流器。本发明提供的一种带反馈控制装置的镇流器，其借助于灯数检测器和软起动控制器，可检测灯数并因此控制镇流器，软起动控制器由反馈电流和直联电压产生补偿电流。由此，反馈控制装置可根据负载的变化，例如输入电压、灯数的变化精确地控制镇流器。

Description

镇流器的反馈控制装置

本发明涉及用于照明***中的镇流器的反馈控制装置，更具体地涉及用于诸如荧光灯之类的照明器具的照明***镇流器的反馈控制装置，该装置检测连接至镇流器的灯的数量，并且采用了集成电路来控制镇流器。

下面将首先参照图1中所示的电路描述常规的照明***中的镇流器。如图1所示，一种常规的镇流器包括两个连接至一起的开关晶体管M₁和M₂，在这两个晶体管的源极和漏极之间设有二极管D₁和D₂。电容器C₁、C₂和C₄、C₅跨接在晶体管M₁和M₂上，一个电感器L_r和一个灯串联在电容器C₁和C₂的接点与电容器C₄和C₅的接点之间。电容器C₃连接至灯的两端。

具有这些元件的镇流器是一种开关型LC谐振变换器。驱动信号Out₁和Out₂施加至开关晶体管M₁和M₂的栅极，由此从直联(direct link)电压E通过灯控制电流路径。

开关晶体管M₁和M₂的通-断(on-off)频率被称作开关频率。通过控制开关频率，镇流器可工作在初始预热模式、瞬时放电模式和连续放电模式。

对于一个给定的镇流器，LC谐振频率可通过公知的方程式确定，其中假设L为电感器L_r的电感，C为电容器C₁-C₅的等效电容。

在这种镇流器中，如果开关频率控制为高于LC谐振频率，此装置的功率输出则与开关频率成反比例变化。因此，在需要较低功率的初始预热模式中，开关频率应较高，而在需要全额功率的连续放电模式中，开关频率应较低。

有两种公知的软起动镇流器控制***：用于检测输入电压的前馈(feedforward)控制和用于设定固定驱动频率的程序控制。但是，软起动控制***存在一个问题，即，当外部条件发生大的变化时，例如输入电压产生大的变化时，其不能精确地控制镇流器。另外，在负载变化过程中，例如当灯的数量变化时，软起动控制***不能准确地控制镇流器，并且若前馈设定不适当的话，它们可能不工作。

有鉴于此，本发明的目的是为了解决现有技术中的上述问题而提供一种镇流器的反馈控制装置。

本发明的镇流器控制装置，其根据灯的数量，在初始预热模式、瞬时放电模式和连续放电模式中提供频率控制。这种镇流器反馈控制装置具有许多优点：它可以稳定地控制镇流器免受灯的不正常负载特性的影响，它具有高能效，并延长灯的有效寿命。

本发明的目的是要提供一种连续反馈镇流器控制装置，此装置能检测装置中灯的数量。更具体地讲，本发明的目的是要通过采用反馈控制装置，根据软起动模式和全额功率模式中灯的数量，提供软起动信号和全输出信号，以克服上述现有技术中存在的问题。

为实现上述目的，根据本发明的一种开关型镇流器反馈控制装置包括：镇流器，它产生反馈电流；检测器，它检测连至镇流器的灯的数量；基准电压发生器，它产生与由检测器检测的灯的数量相应的基准电压；软起动控制器单元，它产生第一输出电流，此第一输出电流与在初始预热周期、瞬时放电周期和连续放电周期中由检测器检测的灯的数量相应；第一反馈单元，它将所述镇流器的反馈电流与施加至镇流器的直联电流相乘而得到乘积电流，此乘积电流加至软起动控制器单元的第一输出电流上，形成第二输出电流；第二反馈单元，它将第二输出电流转换成电压，产生误差电压，此误差电压成为所转换的电压与由基准电压发生器产生的基准电压之差，第二反馈单元将误差电压转换成第三输出电流；主控制单元，它将第二反馈单元的第三输出电流加至前馈电流并由此相加的电流确定镇流器的驱动信号的控制频率。

下面参照附图更详细地描述本发明的优选实施例。

附图简要说明：

图1是常规的照明***镇流器电路的详细电路图；

图2是根据本发明的一个优选实施例的照明***镇流器控制装置的方框图；

图3是图2中的控制单元的详细电路图；

图4和5示出由图2的软起动控制器控制的电流和功率特性；

图6是图2的软起动控制器的详细电路图；

图7示出流经图2的软起动控制器的电流特性；

图8是图2的灯数检测器单元的详细电路图，此单元检测镇流电路中灯的数量；

图9A-9D是图3的驱动电路的输出信号波形。

如图2所示，本发明的一种优选的镇流器反馈控制***包括镇流器1，其上装有一个灯。还设有灯数(n-lamp)检测器，用于检测电路中灯的数量。基准电压发生器6从灯数检测器接收指示电路中灯的数量的信号n，并产生基准电压。软起动(soft start)控制器4也接收指示电路中灯的数量的信号n，并从时间控制器41接收信号。

直联电压E加至镇流器1。直联电压和来自于镇流器的反馈电流ni_fb输入至乘法器21，此乘法器通过将这两个输入值相乘而产生输出电流i_mo。输出电流i_mo可由等式i_mo＝km×ni_fb×E表示，其中km为乘法常数。来自于乘法器21的输出信号i_mo输入至加法器22。

灯数检测器检测连接至镇流器1的灯的数量，并输出一个输出信号，该输出信号的电压根据检测到的灯的数量变化。这个输出电压输入至基准电压发生器6和软起动控制器4。

基准电压发生器产生与来自于灯数检测器的输出信号n相对应的基准电压nV_ref。基准电压nV_ref用于确定镇流器1的输入功率，并输入至加法器24。

软起动控制器4由灯数检测器的输出信号n和时间控制器41的输出信号产生电流信号ni_p，时间控制器41输出与时间成比例的电压。这个输出信号ni_p输入至加法器22。软起动控制器4控制在初始预热周期、瞬时放电周期和连续放电周期中所需的输出电流ni_p的幅度。下面将对这个功能进行详细解释。

加法器22将软起动控制器4的电流ni_p加至乘法器21的输出信号i_mo上。这个相加后的输出信号i_mol输入至电流-电压转换器23，此转换器23将输入电流i_mol转换成电压v_mo并输出此电压v_mo至加法器24。

加法器24通过从基准电压发生器6的基准电压nV_ref中减去电流-电压转换器23的输出电压V_mo产生误差电压V_err。误差电压V_err输入至电压-电流转换器25。

电压-电流转换器25由一个误差放大器形成，它具有跨导Gm，并将输入电压V_err转换成电流i_in。电流i_in输入控制单元3。

控制单元3由电感器电路31中的直联(direct link)电压E的前馈(feedforward)电流i_e和来自于电压-电流转换器25的输出电流i_in产生用于镇流器1的驱动信号f₁。驱动信号f₁输入镇流器1。

控制单元3具有镇流器开关元件，通过确定驱动信号f₁的控制频率，这些元件根据驱动信号f₁进行开关转换。现在参照图3对控制单元3作详细解释，图3是控制单元3的详细电路图。

如图3所示，控制单元3包括积分器311和电压控制的电流源312，积分器311对输入电流i_in进行积分，电流源312由积分的电压v_in产生电流i₁。加法器313通过将内基准电流i_ref和来自于电感器电路31的前馈电流i_e相加并减去来自于电压控制的电流源312的输出电流i₁而产生总输出电流i_t。振荡器和驱动电路314由加法器313的总输出电流i_t产生镇流器1的驱动信号f₁。

下面阐述控制单元3的工作原理。来自于电压-电流转换器25的输出电流i_in在积分器311中积分，积分器311向电压控制的电流源312输出电压V_in。电压控制的电流源312输出对应于由积分器产生的电压V_in的电流i₁。

电压控制的电流源312的输出电流i₁与来自于电感器电路31的输出电流i_e和内基准电流i_ref一起输入至加法器313。加法器313将电感器电路31的输出电流i_e加至基准电流i_ref上并减去电压控制的电流源312的输出电流i₁，从而产生总电流i_t。这个总电流i_t被输入到振荡器和驱动电路314。

振荡器和驱动电路314通过用总电流i_t对电容器C_t充电输出驱动信号f₁，并确定驱动信号f₁的控制频率。

驱动信号f₁的控制频率决定镇流器1的输入功率。这个输入功率与镇流器1的反馈电流ni_fb成比例，从而容许镇流器的控制***通过反馈控制而得以控制。

如上所述，基准电压发生器的基准电压nV_ref用于确定输入功率。

用于确定电压V_mo的反馈电流ni_fb和直联电压E的变化是这样控制的，即，电流-电压转换器23的输出电压V_mo等于基准电压nV_ref。

因此，在加法器22中，如果软起动控制器4的电流ni_p增大，乘法器21的输出电流i_mo就减小。

如果直联电压E为恒定值，反馈电流ni_fb会减小。反馈电流ni_fb的这种减小意味着：控制单元中驱动信号f₁的控制频率被控制以便降低镇流器装置的电压消耗。

正如上面所阐述的，镇流器的反馈控制装置适用于初始预热模式。当通过增大软起动控制器4的输出电流ni_p而减小反馈电流ni_fb时，反馈控制***具有对处于非放电状态的灯进行预热的功能。

在完成所需要的预热之后，通过减小电流ni_p，反馈电流ni_fb被控制以便产生放电所需的功率。在连续放电周期中，电流ni_p设定为零。

按这种方式，镇流器装置得以最优化控制，从而在初始预热周期、瞬时放电周期和连续放电周期中提供连续的反馈控制。

图4和5分别示出在电流受控制时电路中的电流和电压特性。如图中所示，电流ni_p和功率nw_p是随电路中灯的数量成比例增大的。

当软起动控制器4的电流ni_p被控制以便提供初始预热周期所需的电流时，镇流器的***功率nw_p被控制以便与这个电流相对应。对于初始预热周期之后的瞬时放电周期，电流ni_p减小，***功率nw_p增大。

反馈控制装置控制瞬时放电周期内的电流，以保证具有足够的供应功率。

当电流ni_p降至零时，连续放电周期开始。在连续放电周期内的功率水平是最优化控制镇流器***的功率。

图6是软起动控制器4的详细电路图，图7示出软起动控制器4中的电流特性。

如图6中所示，软起动控制器4包括n个组成单元411-41n、晶体管Q₇和用于向每一组成单元提供电流的电流源42。

电流源42和晶体管Q₇通过采用电流反射镜或电流镜向每一组成单元提供电流。由于各组成单元是相同的，下面将仅对一个组成单元411的内部结构进行详细说明。

在组成单元411中，晶体管Q₆的基极连接至晶体管Q₇的基极。晶体管Q₆的发射极连接至晶体管Q₇的发射极。发射极-集电极电流与电流源42的电流成比例。

晶体管Q₆的集电极连接至晶体管Q₅的集电极，晶体管Q₅的基极和集电极相连。晶体管Q₅的发射极连接至电流源42。

晶体管Q₅的基极连接至晶体管Q₃的基极。晶体管Q₃的基极连接至晶体管Q₄的集电极。灯数检测器5的输出电压施加至晶体管Q₄的基极。晶体管Q₃的发射极连接至晶体管Q₄的发射极。当晶体管Q₄由灯数检测器的输出电压导通时，晶体管Q₃可以导通。

由于晶体管Q₃和Q₅互为反射镜，因此与经过晶体管Q₆的集电极的电流成比例的电流会流经晶体管Q₃的集电极。

加至晶体管Q₂的基极的恒定电压V_r2施加于晶体管Q₃的集电极。晶体管Q₃的集电极还连接至晶体管Q₂的发射极，晶体管Q₂的集电极连接至加法器22。晶体管Q₃的集电极是由时间控制器41的输出电极V_cs供电的，并且连接至晶体管Q₁的发射极，晶体管Q₁的集电极连接至晶体管Q₆的发射极。电阻器R₁连接在晶体管Q₁的发射极与晶体管Q₃的集电极之间。

在这种结构中，晶体管Q₂的集电极电流输入加法器22。与时间控制器41的时间成比例的电压V_cs输入至晶体管Q₁的基极。灯数检测器5的输出电压决定合适的组成单元411的工作，此输出电压被输入到晶体管Q₄的基极。

晶体管Q₁的集电极电流i_p3和晶体管Q₂的集电极电流i_p2之和相当于晶体管Q₃的集电极电流i_p1。晶体管Q₃的集电极电流由电流源42决定。

由电流源42和晶体管Q₆与及Q₇及晶体管Q₃和Q₅之间的反射镜或透镜关系决定的集电极电流i_p1流经晶体管Q₃的集电极。此时，晶体管Q₄由灯数检测器5的输出电压导通，它则使晶体管Q₃和Q₅导通。

当时间控制器41的电压V_cs随时间成比例增大至等于加至晶体管Q₂的基极上的电压V_r2时，晶体管Q₁开始导通。这一时刻相应于图7中的时间t₁。

在t₁之前，晶体管Q₃的集电极电流i_p1大致相当于晶体管Q₂的集电极电流i_p2。在t₁之后，晶体管Q₁的集电极电流i_p3成比例增大，集电极电流i_p2则成比例减小。此时，电流i_p3的增长斜率(slope)与电阻R₁成反比。

当晶体管Q₁的集电极电流i_p3大致等于晶体管Q₃的集电极电流i_p1时，晶体管Q₂的集电极电流i_p2变为零。这一时刻对应于图7中的时间t₂。

正如上面所述的，在初始预热周期、瞬时放电周期和连续放电周期中，通过控制晶体管Q₂的集电极电流i_p2，镇流器得以连续被控制。

图8是灯数检测器5的详细电路图。如图8中所示，灯数检测器5包括为每一灯设置的比较器和一个附加单元。当由比较器检测的电压小于基准电压V时，比较器输出电压V_lamp。

在附加单元中，每一比较器的输出电压V_lamp相加而形成与灯数相对应的和值电压nV_lamp，并输入至基准电压发生器6和软起动控制器4。

将软起动控制器4作为一个例子，如果有三个灯，3V_lamp输入软起控制器4中，V_lamp输入软起动控制器4中的三个独立的组成单元中。因此软起动控制器中的三个组成单元可以是有源的。

图9示出图3中所示电路各部分的信号波形。图9A是在电容器C_t中的充电电压的波形，电容器C_t连接至振荡器和驱动电路314。图9B是振荡器和驱动电路314中的比较器的输出电压波形。图9C和9D是由振荡器和驱动电路314产生的驱动信号Out₁、Out₂。

驱动信号Out₁、Out₂施加至镇流器1中的开关元件的栅极。如图9A中所示的ΔV是锯齿波信号的幅度。总电流i_t、锯齿波信号的幅度ΔV、由控制单元3产生的驱动信号的控制频率f₁和电容器C_t的电容之间的关系由下列等式表示：

     2×f₁＝i_t/(C_t×ΔV)此等式表明控制频率f₁与总电流i_t成比例。

图9A中所示的虚线为振荡器和驱动电路314中的比较器的基准电压。图9B中所示的比较器输出电压波形是通过将虚线与图9A中所示的锯齿形波形相比较得到的。

如图9B所示的比较器输出电压波形由振荡器和驱动电路314中的触发器分频。用于驱动镇流器1的这些分频信号示于图9C和9D中。图9C和9D中所示的波形具有依据波形一侧的频率f₁。

如上所述，本发明提供了一种镇流器反馈控制装置，该装置可检测灯数、连续地控制镇流器，这是通过采用灯数检测器和软起动控制器实现的，软起动控制器由反馈电流和直联电压产生补偿电流。

因此，根据本发明的反馈控制装置可以精确地控制镇流器，使之免受外部负载变化，例如输入电压变化或灯数变化的影响。

可以理解，在不脱离本发明的范围和构思的情况下，多种其它修改方案将是明显的，本领域的技术人员可以容易地实现这些方案。因此，本发明权利要求的范围并不限于前面的说明，其应包含本发明中具有的所有可专利性的新颖特征，包括所有的由本发明所属领域的技术人员视作等同物的特征。

Claims (12)

1.一种开关型镇流器反馈控制装置，包括：

镇流器，它产生反馈电流；

检测器，它检测连至镇流器的灯的数量；

基准电压发生器，它产生与由检测器检测的灯的数量相应的基准电压；

软起动控制器单元，它产生第一输出电流，此第一输出电流与在初始预热周期、瞬时放电周期和连续放电周期中由检测器检测的灯的数量相应；

第一反馈单元，它将所述镇流器的反馈电流与施加至镇流器的直联电流相乘而得到乘积电流，此乘积电流加至软起动控制器单元的第一输出电流上，形成第二输出电流；

第二反馈单元，它将第二输出电流转换成电压，产生误差电压，此误差电压成为所转换的电压与由基准电压发生器产生的基准电压之差，第二反馈单元将误差电压转换成第三输出电流；

主控制单元，它将第二反馈单元的第三输出电流加至前馈电流并由此相加的电流确定镇流器的驱动信号的控制频率。

2.根据权利要求1的控制装置，其中，该软起动控制器单元包括：

时间控制器，它产生与时间成比例的电压；

软起动控制器，它根据初始预热周期、瞬时放电周期和连续放电周期中灯的数量产生电流，所述各周期是由时间控制器的输出电压区分的。

3.根据权利要求1的控制装置，其中，该主控制单元包括：

电感器电路，用于前馈供给镇流器的直联电压；

控制单元，它将第二反馈单元的第三输出电流加至电感器电路的前馈电流上，并由此相加的电流确定驱动信号的控制频率。

4.根据权利要求1的控制装置，其中，该第一反馈单元包括：

乘法器，它通过将镇流器的反馈电流与直联电压相乘而产生乘积电流；和

加法器，它将乘法器的输出电流加至软起动控制器单元的第二输出电流上。

5.根据权利要求1的控制装置，其中，该第二反馈单元包括：

电流-电压转换器，它将第一反馈单元的第二输出电流转换成电压；

加法器，它通过从基准电压发生器产生的基准电压中减去电流-电压转换器的电压而产生误差电压；

电压-电流转换器，它将加法器的误差电压转换成电流。

6.根据权利要求1的控制装置，其中，该检测器包括：

n个比较器，它们通过比较所检测的电压和内部电压来检测灯的存在，并输出n个输出电压；

相加单元，它将n个比较器的n个输出电压相加，并将相加的电压输出至基准电压发生器和软起动控制器。

7.根据权利要求2的控制装置，其中，该软起动控制器包括：

电流源，用于向电路中的n个组成单元提供分流；

n个组成单元，它们根据灯数检测器的输出电压工作，所述的n个组成单元产生与灯数检测器的输出电压相应的电流，灯数检测器的输出电压与时间控制器的输入时间成比例，因此，所述的n个组成单元在初始预热周期中产生恒定的电流，在瞬时放电周期中产生按比例减小的电流，而在连续放电周期中产生零电流。

8.根据权利要求7的控制装置，其中，该电流源包括具有一个晶体管的电流供给单元，而所述的n个组成单元的每一个具有一个与所述电流供给单元的所述晶体管呈反射镜关系的晶体管，以将所述电流分至所述的n个组成单元。

9.根据权利要求7的控制装置，其中，所述的n个组成单元的每一个包括：

具有基极、发射极和集电极的第一晶体管(Q₆)，所述第一晶体管的基极连至该电流供给单元的分流部分；

具有基极、发射极和集电极的第二晶体管(Q₅)，所述第二晶体管的基极和集电极相连，并且所述第二晶体管的集电极连至所述第一晶体管的集电极；

具有基极、发射极和集电极的第三晶体管(Q₃)，所述第三晶体管的基极连至所述第二晶体管的基极，所述第三晶体管的集电极连至该电流供给单元的分流部分；

具有基极、发射极和集电极的第四晶体管(Q₂)，所述第四晶体管的基极连至基准电压，以确定放电周期，所述第四晶体管的集电极连至该加法器(22)部分，所述第四晶体管的发射极连至所述第三晶体管的集电极；

具有基极、发射极和集电极的第五晶体管(Q₁)，所述第五晶体管的发射极通过电阻连至所述第三晶体管的集电极，所述第五晶体管的集电极连至所述第一晶体管的发射极，所述第五晶体管的基极连至与该时间控制器的时间成比例的电压；

具有基极、发射极和集电极的第六晶体管(Q₄)，所述第六晶体管的基极连至该灯数检测器的输出电压，所述第六晶体管的集电极和发射极分别连至所述第三晶体管的基极和发射极，并根据灯数检测器的输出电压控制所述第三晶体管的通断。

10.根据权利要求3的控制装置，其中，该控制单元包括：

积分器，它对第二反馈单元的第三输出电流进行积分，并产生输出电压；

电压控制的电流源，它根据积分器的输出电压产生输出电流；

加法器，它通过控制单元将电感器电路的前馈电流加至基准电流上而形成相加的电流，并通过从相加的电流中减去电压控制的电流源的输出电流而产生总电流；

振荡器和驱动电路，它接收来自加法器的总电流，并将总电流与内基准电流相比较，并通过对总电流和内基准电流进行分频而产生用于驱动镇流器的开关元件的驱动信号。

11.根据权利要求8的控制装置，其中，所述的n个组成单元的每一个包括：

具有基极、发射极和集电极的第一晶体管(Q₆)，所述第一晶体管的基极连至该电流供给单元的分流；

具有基极、发射极和集电极的第二晶体管(Q₅)，所述第二晶体管的基极和集电极相连，并且所述第二晶体管的集电极连至所述第一晶体管的集电极；

具有基极、发射极和集电极的第三晶体管(Q₃)，所述第三晶体管的基极连至所述第二晶体管的基极，所述第三晶体管的集电极连至该电流供给单元的分流；

具有基极、发射极和集电极的第四晶体管(Q₂)，所述第四晶体管的基极连至基准电压，以确定放电周期，所述第四晶体管的集电极连至该加法器(22)，所述第四晶体管的发射极连至所述第三晶体管的集电极；

具有基极、发射极和集电极的第五晶体管(Q₁)，所述第五晶体管的发射极通过电阻连至所述第三晶体管的集电极，所述第五晶体管的集电极连至所述第一晶体管的发射极，所述第五晶体管的基极连至与该时间控制器成比例的电压；

具有基极、发射极和集电极的第六晶体管(Q₄)，所述第六晶体管的基极连至该灯数检测器的输出电压，所述第六晶体管的集电极和发射极分别连至所述第三晶体管的基极和发射极，并根据灯数检测器的输出电压控制所述第三晶体管的通断。

12.根据权利要求1的镇流器反馈控制装置，其中，由所述反馈单元产生的所述控制信号具有根据所述第一输出信号、所述第二输出信号和所述反馈信号中的至少一个信号变化的频率。

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