JP2972691B2 - 電子安定器のための位相制御回路 - Google Patents
電子安定器のための位相制御回路Info
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Description
ronic ballast)の制御回路に関し、より具体的には、電
子安定器を制御するための位相検出回路に関する。
蛍光ランプが発する明るさ(Φ)を制御するためには、
「開ループ」または「閉ループ」の型に分類される回路
を必要とする。「開ループ」設計においては、制御回路
は、出力端で起こっていることについて何も認識しな
い。動作点は、ランプの状態または周囲温度の変化にか
かわらず、あらかじめ決定され、固定されている。開ル
ープ制御を取り入れた大量の安定器を生産する際には、
構成要素の公差(component tolerances)を補正するため
に、トリミングが必要になる。構成要素の公差だけでも
大きいことがあるので、制御回路自体を高精度にする必
要があり、よい設計に対するコストが増大する。さら
に、回路は、ランプの寿命による影響および周囲温度の
変化に左右される。
出力端からの情報は制御回路にフィードバックされ、回
路は自分自身を、構成要素の公差、ランプの寿命による
影響、および温度に自動的に適合させることができる。
また、閉ループ制御は、ランプをきわめて高い精度で調
光することをも可能とし、この正確さはランプで天井を
埋める場合に特に重要である。この場合、すべてのラン
プは同じ明るさにすべきであり、特に、ランプとランプ
の違いを人間の目で容易に検出できる低い明るさレベル
ではそうである。また、閉ループ回路では、より低い精
度での設計ですむため、コストも削減される。
蛍光ランプの明るさを制御する最も一般的な解決法の1
つは、変圧器(T1)を用いてランプ電流を検出するこ
とである。これによりランプの下側カソード(CATH
2)を上側カソード(CATH1)と同じ電流で加熱す
ることが可能となり、かつ、ランプ電流を加熱電流から
分離することが可能となり、ランプ電流を独立して計測
することができる。
圧器(T2)により検出することができる。その後、変
圧器(T2)の2次側の出力を整流し、ローバス・フィ
ルタを通した後、補償して基準電圧(REF)と合算す
る。そして、得られる誤差(ERROR)は、フィード
バック信号(VFB)が所望の基準(REF)より高い
か低いかによって、(通常は、L1、C1およびランプ
からなる直列/並列RCLランプ共振回路を駆動する方
形波(VIN)の周波数を変化させることにより)ラン
プ電流を増大させるか減少させるかを制御回路に伝え
る。
典型的な制御ループは、整流の非線形操作による本質的
な誤差を有し、また、構成要素数が多い(2つの変圧
器、整流ダイオード、補償ネットワーク、誤差増幅器な
ど)。
実際のランプ電流を検出するために、ある種の変圧器の
使用を必要とする。
プ手法を使用しており、フィードバック情報を検出し処
理するために必要とする構成要素は非常に少なく、変圧
器は必要としない。
位相を調整することにより、蛍光ランプの動作電力の制
御、すなわち、ランプの明るさの制御を行う。本発明の
望ましい実施態様においては、ランプ共振回路電流の位
相検出は、半ブリッジ駆動回路(half-bridge driver)の
下側パワー・トランジスタとアースとの間、または、下
側電圧ランプ・フィラメントとアースとの間に配置した
検出抵抗を用いて行う。
ero-crossings)の検出は、検出抵抗の両端にかかる電圧
をゼロ電圧と比較することにより行う。これらのゼロ交
差を使用して、時間の関数としてのランプ共振回路電流
を表す位相パルスを生成する。この位相パルスを基準パ
ルスと比較して、位相パルスと基準パルスとの間の位相
差を示す誤差信号を生成する。発振半ブリッジ駆動回路
の周波数を誤差信号に従って制御し、ランプの明るさを
必要に応じて増大または減少して、ランプ共振回路の位
相を基準パルスの位相にロックさせ続ける。
について言及した下記の発明の説明により明らかにな
る。
では、ランプ電流の代わりに、ランプ共振回路電流の位
相(φ)からの情報を用いてランプの明るさ(Φ)を制
御する。図2を参照すると、位相を検出する作業には、
ランプ共振回路を駆動する半ブリッジ構成の下側MOS
FET(M2)のソースに、単純だが新規な検出抵抗
(R1)を挿入することが含まれる。ランプを挿入し動
作させると、半ブリッジおよび出力共振回路で得られる
波形は、電流が半ブリッジの出力(VS)に対応して流
れることを示す(図3)。
チング周波数の一期間における検出電圧(VR1)の詳
細なプロットを示す。
Sの伝達関数のボード線図を示す。予熱(preheat) およ
び点灯前(pre-ignition)の間において、回路は、共振周
波数において+90度から−90度へ強く位相反転する
Qの高い直列LCである。それゆえ、予熱および点灯前
の間は、位相は−90度に固定される。動作中におい
て、回路は、RおよびCの並列とLとの直列であり、高
ランプ電力では弱い反転を伴い、低ランプ電力では強い
位相反転を伴う。
フィラメント)電流は、予熱および点灯前の間、入力半
ブリッジ電圧から−90度ずれており、点灯後の動作中
は、0度から−90度までの間のどこかだけずれてい
る。位相のずれがゼロであることは、最大出力電力に対
応する。入力電圧に対するインダクタ電流の位相角につ
いて伝達関数を解くと以下の式を得る。
すように、かなり線形な調光曲線が得られる。それゆ
え、インダクタ電流(IL1)の位相角と動作ランプ電力
との間には、閉ループ調光制御のための関係が存在し、
ランプが点灯した際の位相の変化により、点灯を検出
し、かつ、ループを閉じることが可能となる。
使用し、入力基準位相に対するインダクタ電流の位相を
追跡する。
は、検出抵抗(R1)の両端にかかる電圧(VR1、図
2)を比較器(COMP1)でゼロに対して比較し、ラ
ンプ共振電流(IL1)の位相、すなわち、ゼロ交差を検
出する。そして、比較器の出力と下側の半ブリッジ駆動
回路制御信号(LIN)とのアンドをとり(AND
1)、MOSFET M2が「オン」である時間以外に
起こるかもしれない他のゼロ交差を排除する。ここで、
得られるデジタル信号(FB)は、他の既存の解決法
(図1)による場合における直流電圧の代わりとして、
ランプ共振回路電流を「時間」または「位相」として表
す。
(INV1)を使用して、直流入力制御電圧(VIN)
を三角波発振電圧(VOSC )と比較することにより基準
「パルス」(REF)を生成する。その後、基準パルス
(REF)と位相パルス(FB)とのアンドをとり(A
ND2)、誤差信号(ERROR)を生成する。既存の
アナログ解決法においてループを閉じるために必要とさ
れる合算部(図1参照)は、この位相検出による解決法
においては単純な1つの「アンド」ゲートにより実現さ
れている。
イッチ(51)を駆動し、スイッチは、閉じていると
(すなわち、ERRORが「高」であると)、誤差パル
スの継続期間中、キャパシタ(C3)に固定電流を注入
する。得られる電圧(VVCO )は、線形制御回路(OP
AMP1、MOSFET M3および抵抗R2)により
電流に変換され、さらに、電流ミラー回路(MOSFE
T M4およびM5)により「転写」される。
パシタ(C4)を充電する。得られるランプ(ramp)は、
低しきい値(th2)から高しきい値(th1)へと線
形的に増加し(図3参照)、制御信号LINおよびHI
Nのオン時間(on-time) を定め、それにより、発振半ブ
リッジ駆動回路の周波数および得られるランプ共振回路
を駆動する半ブリッジの出力(VS)を定める。
になると、周波数は増大される。ランプ電力(すなわ
ち、明るさ)は、ランプ共振回路電流の位相(FB)が
基準位相(REF)に一致するまで減少する。この時点
で誤差パルス(ERROR)は「低」になり、スイッチ
(S1)が開く。すると、キャパシタC3は定電流源
(I2)を通じてわずかに放電され、それにより、キャ
パシタ電圧(VVCO )がわずかに減少する。そして、周
波数が減少し、ランプの電力は増大し始める。位相は、
誤差パルス(ERROR)が再び「高」になり周波数が
増大するまで、減少する。このプロセスは、ランプが動
作している間中連続し、ランプ共振回路電流の位相を基
準位相(REF)に「ロック」させ続ける。
ェーズ・ロック・ループは、VCOの入力における積分
器を「突つく」("nudge") 短パルスを連続して出力し、
出力段の共振電流の位相を基準位相に正確にロックさせ
続ける。共振回路電流の位相はランプ電力に直接関係す
るので、位相を調整することにより、ランプの明るさ
(Φ)を直流制御入力電圧(VIN)に対して調整し続
けることができる。
ランプをスムーズに調光して低い明るさレベルにするこ
とができる。
る重要な検討事項として、安定性についての小信号交流
解析および性能についての大信号過渡応答がある。フェ
ーズ・ロック・ループを使用することにより、制御機構
が非常に単純化され、結果として単純な小信号ブロック
線図が得られる(図7)。ループは、何らかの基準位相
PREF と負荷電流からフィードバックされた位相PFBと
の間の位相差を示す誤差パルスDE を生成する責任を有
する合算部、すなわち、ミキサで構成される。そして、
誤差パルスDE は、K1 により与えられる利得をもって
電圧VVCO に変換される。さらに、この電圧VVCO は、
KHZ/Vを単位とするK2 により与えられる利得をも
って周波数に変換される。そして、周波数は、共振出力
段を通じて位相に変換される。
応する位相と調光中の各動作点における小信号位相とを
混同しやすい。小信号解析では、周波数を位相に変換す
る出力ブロックは、単にランプの動作点に従って変化す
る利得ブロックである。さらに、フィードバック・ブロ
ックには、暗黙の積分器(implicit integrator) 1/S
も存在し、これは、位相が周波数の積分であるという事
実のため当然に与えられる。
は2つの極(poles) が存在することが分かる。1つはV
COの入力におけるキャパシタC1および抵抗R1によ
り定められる周波数における極であり、もう1つは位相
が周波数の積分であるという事実により与えられる極で
ある。そして、システムのボード線図を描くことができ
る(図8)。最高の安定性および位相余裕のため、C1
およびR1により形成される極を、周波数が可能な限り
高くなるように移動し、位相が−180°に達する前に
利得が0dB以下に落ちるようにすべきである。また、
抵抗R1を電流源に置換することもでき、同様に電流源
I1(図2)を抵抗に置換することもできることにも留
意すべきであろう。
本発明に関する位相制御およびその応用を説明するキー
・ポイントである。
ノイズに対処しながら、信号を自動的に追跡することが
できる。
合は、位相とランプ電力との間に数学的関係が存在する
ので、位相を制御することによりランプ電力を制御する
ことができる。より具体的には、半ブリッジ電圧に関
し、インダクタ電流の位相角を制御することにより、ラ
ンプ電力、それゆえ、ランプの明るさを、閉ループ制御
または調光のために制御することができる。
する回路は、既存の解決法よりもはるかに単純化された
ものである。具体的には、ループは、単純な1つの論理
ゲートにより閉じられており、ゲートは、基準位相パル
スがフィードバック位相と時間的に重なる場合には誤差
パルスを与える(すなわち、1つのアンド・ゲート)。
ムとしてモデル化されており、極の1つは本質によるも
のである。位相は周波数の積分である。得られるシステ
ムは、異なるランプの型および種々の調光レベルに対し
容易に安定するものである。
ランプ電流を検出するのに変圧器を必要としない。位相
は、インダクタ電流のゼロ交差を検出することにより検
出される。下側の半ブリッジMOSFET(または他の
スイッチング装置)のソースとアースとの間の電流検出
抵抗を用いて検出する場合には、ゼロ交差は、過電流、
非ゼロ電圧スイッチング、さらにはランプの存在検出の
ような他の特徴についての共通の検出点である。結果と
して、非常に単純化された、低コストの閉ループ/調光
解決法が得られる。
したが、当該技術に熟達した者には、他の多くの変更お
よび修正ならびに他の用途が明らかになるであろう。そ
れゆえ、本発明は、ここでの特定の開示により限定され
ず、付属の特許請求の範囲によってのみ限定されること
が望ましい。
による閉ループ回路を示す図である。
る。
同期をとった最大および最小ランプ電力制御波形を示す
図である。
を示すボード線図である。
ットを示す図である。
る。
きさおよび位相のプロット)である。
Claims (9)
- 【請求項1】 蛍光ランプの動作電力を制御する方法で
あって、前記ランプはランプ共振回路からの電流により
駆動される方法において、 前記ランプ共振回路電流のゼロ交差を検出することによ
り、前記ランプ共振回路電流の位相を検出するステップ
と、 前記ランプ共振回路電流の前記位相を調整することによ
り前記ランプ電力を調整するステップであって、 時間関数としての前記ランプ共振回路電流を表す位相パ
ルスを生成するために前記ランプ共振回路電流の前記ゼ
ロ交差を使用するステップと、 基準パルスを生成するステップと、 前記位相パルスと前記基準パルスとの位相差を示す誤差
信号を生成するために、前記基準パルスを前記位相パル
スと比較するステップと、 発振半ブリッジ駆動回路の周波数を制御し、ランプの明
るさを必要に応じて増大または減少させて、前記ランプ
共振回路の前記位相を前記基準パルスの位相にロックさ
せ続けるようにするために、前記誤差信号を使用するス
テップとを備えるステップとを備えることを特徴とする
方法。 - 【請求項2】 請求項1に記載の方法において、前記ラ
ンプ共振回路電流の前記ゼロ交差は、前記電流の経路中
に配置された抵抗の両端にかかる電圧を測定し、前記抵
抗の両端にかかる前記電圧をゼロ電圧と比較することに
より検出されることを特徴とする方法。 - 【請求項3】 請求項1に記載の方法において、前記位
相パルスは、前記ゼロ交差信号と前記半ブリッジ駆動回
路の駆動信号とのアンドをとることにより生成されるこ
とを特徴とする方法。 - 【請求項4】 請求項1に記載の方法において、前記基
準パルス信号は、直流入力制御電圧を三角波発振電圧と
比較し、出力を反転させることにより生成されることを
特徴とする方法。 - 【請求項5】 請求項1に記載の方法において、前記発
振半ブリッジ駆動回路の前記周波数は、前記誤差信号に
従って前記半ブリッジ駆動回路を制御する信号のオン時
間を変化させることにより制御されることを特徴とする
方法。 - 【請求項6】 蛍光ランプの動作電力を制御する回路で
あって、前記ランプは共振回路からの電流により駆動さ
れる回路において、 前記ランプ共振回路電流の位相を検出する手段であっ
て、 前記電流の経路中に配置された抵抗と、 前記抵抗の両端にかかる電圧をゼロ電圧と比較して前記
ランプ共振回路電流のゼロ交差を調べるための比較器と
を備える手段と、 前記共振回路電流の前記位相を調整することにより前記
ランプ電力を調整する手段であって、 時間関数としての前記ランプ共振回路電流を表す位相パ
ルスを生成するために前記ゼロ交差を使用する手段と、 基準パルスを生成する手段と、 前記位相パルスと前記基準パルスとの位相差を示す誤差
信号を生成するために、前記基準パルスを前記位相パル
スと比較する手段と、 ランプの明るさを必要に応じて増大または減少させて、
前記ランプ共振回路の前記位相を前記基準パルスの位相
にロックさせ続けるように、前記誤差信号に従って発振
半ブリッジ駆動回路の周波数を制御する手段とを備える
手段とを備えることを特徴とする回路。 - 【請求項7】 請求項6に記載の回路において、前記位
相パルスを生成する手段は、前記ゼロ交差信号と前記半
ブリッジ駆動回路の駆動信号とのアンドをとるための1
つのアンド・ゲートを備えることを特徴とする回路。 - 【請求項8】 請求項6に記載の回路において、前記基
準パルス信号を生成する手段は、直流入力制御電圧を三
角波発振電圧と比較するための比較器と、出力を反転さ
せるための反転器とを備えることを特徴とする回路。 - 【請求項9】 請求項6に記載の回路において、前記発
振半ブリッジ駆動回路の前記周波数を制御する前記手段
は、前記誤差信号に従って斜めに増大し、前記発振半ブ
リッジ駆動回路の前記周波数を決定する電圧を格納する
キャパシタを含む発振回路を備えることを特徴とする回
路。
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