TWI508625B - 開關功率變換器控制裝置及方法、及功率控制/照明系統 - Google Patents

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Description

開關功率變換器控制裝置及方法、及功率控制/照明系統
一般來說，本發明涉及電子領域，更具體地講，本發明涉及提供相位控制調光器與照明系統兼容性的一種系統和方法。
對相關專利申請的交叉引用
2007年12月31日遞交、發明人為John L. Melanson、代理人檔案編號為1745-CA、標題為「使用帶非線性功率轉換過程模型的非線性ΔΣ調節器的功率控制系統」的美國專利申請案號11/967,269描述了示範性方法和系統，在此透過引用將其整體納入。以下簡稱Melanson I。
美國專利申請案號11/967,271，標題為「帶反饋消減的功率因數校正控制器」，發明人John L. Melanson，代理人檔案編號1756-CA，於2007年12月31日遞交，該申請描述了示範性方法和系統，在此透過引用將其整體納入。以下簡稱Melanson II。
美國專利申請案號11/967,273，標題為「透過檢測開關日期充電特點來檢測電感器歸零的系統和方法」，發明人John L. Melanson，代理人檔案編號1758-CA，於2007年12月31日遞交，該申請描述了示範性方法和系統，在此透過引用將其整體納入。以下簡稱Melanson III。
2007年12月31日遞交、發明人為John L. Melanson、代理人檔案編號為1759-CA的、標題為「可編程功率控制系統」的美國專利申請案號11/967,275描述了示範性方法和系統，在此透過引用將其整體納入。以下簡稱Melanson IV。
美國專利申請案號11/967,272，標題為「帶開關節點反饋的功率因數校正控制器」，發明人John L. Melanson，代理人檔案編號1757-CA，於2007年12月31日遞交，該申請描述了示範性方法和系統，在此透過引用將其整體納入。以下簡稱Melanson V。
美國專利申請案號12/347,138，標題為「具有以矽開關為基礎之前沿調光器兼容性的開關功率變換器」，發明人Michael A. Cost、Mauro L. Gaetano和John L. Melanson，代理人檔案編號1798-IPD，於2008年12月31日遞交，該申請描述了示範性方法和系統，在此透過引用將其整體納入。以下簡稱Melanson VI。
調暗光源不僅可以節能，還能讓用戶將光源亮度調至理想的程度。許多設施，如住房和建築物，都安裝有光源調節電路(以下簡稱「調光器」)。帶有開關功率變換器的功率控制系統用於控制光源，例如放電型電燈。放電燈包括：氣體放電燈，如熒光燈以及高強度放電燈，如水銀蒸汽燈、金屬鹵化物(MH)燈、陶瓷金屬鹵化物燈、鈉蒸汽燈和短弧氙燈。然而，當為無功負載(如開關功率變換器)提供原始相位調製信號時，用於抗性負載(如白熾燈泡)的常規相位控制調光器(如以矽開關為基礎的調光器)通常都表現不佳。許多放電燈的鎮流器無法與相位控制調光器兼容。許多放電照明系統從提供專用調光信號的調光器獲取調光資訊。專用調光信號可提供獨立於功率信號的調光資訊。
圖1描述的是功率/照明系統100，該系統透過專用調光信號獲取調光資訊，從而避免透過相位控制調光器獲取調光資訊所帶來的問題。調光器102以調光電壓信號DV 形式為電燈鎮流器104提供專用調光信號。調光器102提供可靠的調光信號DV 。調光器102將來自交流電壓源106的交流輸入電壓VIN 傳遞給電燈鎮流器104。譬如，輸入電壓VIN 在美國是60 Hz/110 V的線電壓，而在歐洲則是50 Hz/220 V的線電壓。電燈鎮流器104用燈電壓VLAMP 來驅動放電燈108。燈電壓VLAMP 的值取決於調光電壓信號DV 的值。
圖2描述的是一個照明輸出圖400，表示調光電壓DV 值與放電燈108的光強度等級百分比之間的圖形調光強度函數202。調光電壓DV 在0-10 V之間，而放電燈108的光強度等級百分比在10-100%之間。光強調節函數202顯示，當調光電壓DV 為1 V和9 V時，電燈鎮流器104飽和。當調光電壓DV 值為0-1 V時，電燈鎮流器104使放電燈106釋放出10%的亮度。當調光電壓DV 值為9-10 V時，電燈鎮流器104使放電燈106釋放出100%的亮度，即全「開」。光強調節函數202在調光電壓DV 值1-9 V之間呈線性運動，電燈106的強度在10-100%之間變化。
相位控制調光器非常普遍，但卻不能與無功負載設備(如電燈鎮流器104)搭配使用。因此，電燈鎮流器104不能與現有相位控制調光器裝置進行交互。故而對於已配有相位控制調光器的照明系統，其相位控制調光器被更換或被繞過，以便使用調光器102。更換或繞過相位控制調光器導致調光器102的安裝成本增加。此外，電燈鎮流器104不能為電燈106提供全面的調光。
在本發明的一個實例中，一個設備包含一個帶有接收相位控制調光信號輸入接口的控制器。控制器的配置使之能夠：(i)將相位控制調光信號轉化為調光資訊，和(ii)為開關功率變換器生成功率因數校正(PFC)控制信號。控制器還包括提供調光資訊的第一輸出接口和提供功率因數校正控制信號的第二輸出接口。
在本發明的另一實例中，方法包括接收相位控制調光信號和將相位控制調節信號轉換為照明系統的調光資訊。該方法還包括為開關功率變換器生成功率因數校正(PFC)控制信號。
在本發明的進一步實例中，功率控制/照明系統包括一個開關功率變換器，帶有至少一個可以接收相位控制調光信號的輸入接口。功率控制/照明系統還包括一個控制器，帶有一個可以接收相位控制調光信號的輸入接口。控制器的配置使之能夠：(i)將相位控制調光信號轉化為調光資訊，和(ii)為開關功率變換器生成功率因數校正(PFC)控制信號。控制器還包括提供調光資訊的第一輸出接口和耦合到開關功率變換器，提供功率因數校正控制信號的第二輸出接口。功率控制/照明系統還包括一個耦合到開關功率變換器和控制器第二輸出接口的電燈鎮流器，並進一步包括耦合到電燈鎮流器的放電型電燈。
透過參考圖式，本領域內的技術人員可更容易理解本發明，更好地了解其多種客體，特徵和優勢。多幅圖中使用的相同參考數字指的是相同或相似的元素。
功率控制/照明系統包括控制器，提供接收專用調光器信號的電燈鎮流器與相位控制調光器之間的兼容。在至少一個實例中，控制器將相位控制調光信號轉換成可被基於照明系統的氣體放電燈的電燈鎮流器使用的調光資訊。此外，在至少一個實例中，控制器也控制功率控制/照明系統的功率因數校正。在至少一個實例中，控制器提供基於相位控制調光信號的調光資訊，允許電燈鎮流器結合相位控制調光器一起使用。在至少一個實例中，控制器還能讓開關功率變換器在相位控制調光器的相位延遲期間，提供充分的高電抗性負載，以抑制相位調光器輸出信號波動和遺漏斬切。在至少一個實例中，控制器可配置為將相位控制調光信號轉換成任何形式、協議或信號類型，以使調光資訊與電燈鎮流器的輸入規格兼容。
光強度等級指燈光的亮度。在至少一個實例中，光強度等級表示為燈光全亮度的百分比，其中100%代表全亮度。在至少一個實例中，控制器不限於由相位控制調光信號的導通角代表的光強度等級與由因此形成的調光資訊代表的光強度等級之間的線性光強度等級轉換。在至少一個實例中，為促進非線性映射，控制器利用映射函數將由相位控制調光信號代表的光強度等級映射為調光資訊。映射函數不限於由相位控制調光信號代表的光強度等級與調光資訊代表的光強度等級之間的線性光強度等級轉換，利用此函數有助於靈活地自定義控制燈光強度等級。
圖3描述的是示範性功率控制/照明系統300，內含一個將相位控制調光信號VΦ_DIM 轉換為調光資訊DI 的控制器302。電燈鎮流器310配置為接收調光器信號和調光器資訊DI ，控制器302提供相位控制調光器305與電燈鎮流器310之間的兼容。因此，在至少一個實例中，控制器302(包括其他功能)提供相位控制調光器305與照明系統308之間的接口，以使照明系統308可利用從相位控制調光器305獲取的調光資訊進行調光。相位控制調光器305的具體類型是設計選擇上的問題。在至少一個實例中，相位控制調光器305是雙向三極晶閘管(可控矽)電路。Melanson VI描述了一個示範性矽開關相位控制調光器。在至少一個實例中，相位控制調光器305是晶體管調光器，如絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)相位控制調光器，比方美國加利福尼亞州賽普拉斯Strand Lighting,Inc.生產的絕緣柵雙極性晶體管相位控制調光器。
正如參考圖4所作的詳細說明，相位控制調光器305從交流電壓源301中引入相應輸入電壓VIN 導通角的相位延遲。例如，輸入電壓VIN 在美國是60 Hz/110 V線電壓，在歐洲是50 Hz/220 V線電壓。電壓預調節器304從相位控制調光器305接收因此產生的相位控制電壓VΦ_DIM ，並生成調節的相位控制電壓VΦ_COND ，以供輸入開關功率變換器306。在至少一個實例中，電壓預調節器304包括一個整流器(如二極管整流器503，圖5)和一個電磁干擾濾波器(如電容器515)。因此，在至少一個實例中，相位控制電壓VΦ_COND 是一個具有減弱高頻分量的整流正弦波。開關功率變換器306將相位控制電壓VΦ_COND 轉換為近似恒定的鏈電壓VLINK 。
圖4描述的是一系列電壓波形圖400，代表輸入電壓VIN 、相位控制電壓VΦ_DIM 和整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 各自波形圖的兩種示範性週期。參考圖3和圖4，在調光時，相位控制調光器305透過在相位控制電壓VΦ_DIM 的每半週期開始處引入相位延遲α，相位調製供電電壓VIN 。「α」代表相位控制電壓VΦ_DIM 每半週期開始與前緣之間的時間。(「引入相位延遲」也稱為「斬切」)。相位控制電壓VΦ_DIM 中具有相位延遲α的部分稱為「調光部分」。例如，電壓VΦ_DIM 和VΦ_RECT 中用α1和α2表示的相位延遲部分稱為電壓VΦ_DIM 和VΦ_RECT 的「調光部分」。相位控制電壓VΦ_DIM 的「導通角」為相位延遲α的角度。相位控制電壓VΦ_DIM 的具體導通角可透過手動或自動操作相位控制調光器305設定。
相位延遲α和導通角是一種反向關係，也就是說，相位延遲α增長時，導通角減小，反之亦然。在相位控制電壓VΦ_DIM 的半週期中，當相位延遲α為零時，導通角為180度，相位控制調光器305簡單通過供電電壓VIN 至全橋式二極管整流器503。相位控制電壓VΦ_DIM 半週期180度導通角相等於相位控制電壓VΦ_DIM 全週期360度導通角。如下文詳述，相位延遲α的程度和相應導通角取決於所選調光量。
在至少一個實例中，供電電壓VIN 是正弦波(如圖所示)，具有兩個示範性週期402和404。相位控制調光器305透過斬切每半週期供電電壓VIN ，為半週期406和408(VΦ_DIM )以及410和412(VΦ_RECT )生成一個前緣相位延遲α1，來生成相位調製電壓VΦ_DIM 。相位延遲α愈長，愈少功率傳送至燈312。因此，相位角α變化與導通角和燈312的強度均呈反向關係。例如，當相位延遲α增長時，燈312的光強度等級增大，導通角減小。相位延遲α1短於相位延遲α2(因而導通角414大於導通角416)，因此週期408表示光強度等級相對週期406減弱。
參考圖3，控制器302包括一個接收相位控制信號DΦ 的輸入裝置。相位控制信號DΦ 代表相位控制電壓VΦ_COND 。在至少一個實例中，相位控制信號DΦ 即是相位控制電壓VΦ_COND 。在至少一個實例中，相位控制信號DΦ 是相位控制電壓VΦ_COND 的比例值。相位控制信號DΦ 的導通角代表光強度等級。控制器302將相位控制信號DΦ 轉換為調光資訊DI 。在至少一個實例中，調光資訊DI 是指明燈312光強度等級的專用信號。
照明系統308包括一個電燈鎮流器310，而且電燈鎮流器310用於接收鏈電壓VLINK 和調光資訊DI 。鏈電壓VLINK 是由開關功率變換器306提供的功率因數校正和調節電壓。在至少一個實例中，燈312是一個放電燈，比如熒光燈或高強度放電燈。電燈鎮流器310可以是根據調光資訊DI 顯示的光強度等級控制燈312光強度的任意類型電燈鎮流器。在至少一個實例中，電燈鎮流器310的零件號是PN:B254PUNV-D，供應商為Universal Lighting Technologies，該公司在美國田納西州納什維爾設有辦事處。在至少一個實例中，電燈鎮流器310包括一個集中電路(IC)處理器，用於譯解發送至燈312的調光資訊DI 和控制功率，以使燈312按照調光資訊DI 顯示的光強度等級發光。
控制器302將相位控制調光信號DΦ 轉換成任何形式、協議或信號類型，以使調光資訊DI 與電燈鎮流器310的輸入規格兼容。因此，調光資訊可以是模擬或數字信號，並符合任何信號類型、形式或協議，例如脈衝寬度調製信號、線性電壓信號、非線性電壓信號、數位尋址照明介面(DALI)協議信號和內部整合電路(I2 C)協議信號。例如，在一個實例中，控制器302將相位控制調光信號DΦ 轉換為由0-10 V電壓信號代表的調光資訊DI 。在一個實例中，控制器302生成調光資訊DI ，脈衝寬度調製信號代表值0-126，提供的光強度等級為127。
如下文詳述，在至少一個實例中，控制器302不限於由相位控制調光信號DΦ 的導通角代表的光強度等級與由生成的調光資訊DI 代表的光強度等級之間的線性轉換。因此，在至少一個實例中，控制器302不限於相位控制調光信號DΦ 與調光資訊DI 之間的一對一強度等級關係。例如，在非線性轉換的一個實例中，180°度導通角表示100%強度，90°度導通角表示大約70%的光強度等級。在至少一個實例中，控制器302利用非線性映射函數將由相位控制調光信號DΦ 代表的光強度等級映射為調光資訊DI 。示範性非線性映射函數已參考圖8和圖9詳述。由相位控制調光信號DΦ 代表的光強度等級與調光資訊DI 之間的非線性轉換，有助於靈活地自定義控制燈512的光強度等級。例如，在至少一個實例中，如下文詳述，控制器302基於人可感知的光強度等級而非功率等級表現出的光強度等級，利用映射函數將相位控制調光信號DΦ 非線性轉換為調光資訊DI 。此外，不同映射函數可用於預選，這取決於燈312的具體操作環境/或位置等因素。
在至少一個實例中，控制器302還生成開關控制信號CS0 ，以控制開關功率變換器306的功率因數校正和調節鏈電壓VLINK 。開關功率變換器306可以是任何類型的開關功率變換器，如升壓型、降壓型、升壓-降壓型變換器或Ck型變換器。在至少一個實例中，開關功率變換器306與開關功率變換器102相似。比如開關功率變換器306的功率因數校正和鏈電壓VLINK 的控制見於Melanson I、II、III、IV和V的示範性實例中。
圖5描繪了功率控制/照明系統500，該系統為功率控制/照明系統300的一個實例。如下文詳述，控制器504代表控制器302的一個實例。控制器504包括將整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 轉換為調光資訊DI 的變換器505，可提供相位控制調光器305與電燈鎮流器310之間的兼容。控制器504也控制開關功率變換器502的功率因數校正。開關功率變換器502是升壓型開關功率變換器，代表開關功率變換器306的一個實例。電壓供電501提供輸入電壓VIN ，以作為功率控制/照明系統500的輸入電壓。例如，輸入電壓VIN 在美國是60 Hz/110 V線電壓，在歐洲是50 Hz/220 V線電壓。相位控制調光器305接收供電電壓VIN ，並生成相位控制電壓VΦ_DIM ，如圖4相位控制電壓VΦ_DIM 。全橋式二極管整流器503整流相位控制電壓VΦ_DIM ，以為開關功率變換器502生成整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 。例如，濾波電容器515提供整流輸入電壓VΦ_RECT 的高頻濾波。開關功率變換器502將輸入電壓VΦ_RECT 轉換為經調節的輸出電壓VLINK ，從而為照明系統504提供近似恒定的供電電壓。照明系統504代表照明系統308的一個實例。
開關功率變換器502根據整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 的導通角，改變平均電流iL ，以使開關功率變換器502供電的平均功率能追蹤整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 的導通角。控制器504透過提供功率因數校正和調節輸出電壓VLINK 控制開關功率變換器502。控制器504透過更改脈衝寬度調製控制信號CS0 的狀態，控制開關507的閉合(導通)或斷開(不導通)狀態。在至少一個實例中，控制信號CSo 的脈衝寬度值和佔空比取決於對整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 和電容電壓/輸出電壓VLINK 這兩個信號的感應。
開關507狀態的切換調節整流直流輸入電壓VΦ_RECT 通過電感器509到電容器511的能量傳遞。當開關507接通時，電感器電流iL 驟然『上升』。當開關507斷開時電感器電流iL 驟然下降，並向電容器511提供電流iL 。一般將電感器電流iL 驟然下降的時間週期稱為「電感器回掃時間」。在電感器回掃時間內，二極管513正向偏置。二極管513防止開關507斷開時反向電流流進電感器509。在至少一個實例中，開關功率變換器502以間斷電流的模式工作，即電感器電流iL 的驟然上升時間加電感器回掃時間少於控制信號CS0 的時間。當在連續導電模式下工作時，電感器電流iL 驟然上升時間加電感器回掃時間等於控制信號CS0 的時間。
開關507是場效應晶體管(FET)，如n-通道場效應晶體管。控制信號CS0 是開關507的柵壓，開關507在CS0 脈衝寬度較高時導通。因此，開關507的『接通時間』是由控制信號CS0 的脈衝寬度決定的。
電容器511向照明系統508提供儲能。電容器511足夠大，可使控制器504所建立起的輸出電壓VLINK 大致保持恒定。當負載條件改變時，輸出電壓VLINK 將變化。控制器504對輸出電壓VLINK 的變化作出反應，並調整控制信號CS0 ，以盡可能迅速地恢復大致恒定的輸出電壓VLINK 。功率控制/照明系統100包括一個小濾波電容515，與開關功率變換器502並行。電容器515能透過過濾輸入電壓VΦ_RECT 的高頻率信號，減少電磁干擾(EMI)。
功率因數校正技術的目的是使開關功率變換器502對電壓源501體現電抗性。因此，控制器504試圖控制電感器電流iL ，使得平均電感器電流iL 與直流輸入電壓VΦ_RECT 存在直接線性關係。開關功率變換器502功率因數校正和鏈電壓VLINK 的控制見於Melanson I、II、III、IV和V等示範性實例中。
變換器505將整流輸入電壓VΦ_RECT 轉換為調光資訊DI 。將整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 轉換為調光資訊DI 的方式是選擇設計上的問題。圖6描述的是一個變換器600的一個實例，該變換器將整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 轉換為調光資訊DI 。圖6描述的是變換器600，該變換器將整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 轉換為調光器資訊DI 。變換器600代表變換器505的一個實例。變換器600透過計算截至調光器輸出信號VDIM 斬切點被佔空比時間變換器600檢測到之前的時鐘信號fclk 週期數，確定調光器輸出信號VDIM 的佔空比。「斬切點」指整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 相位延遲α的截止點(圖5)。數位資料DCYCLE代表整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 的佔空比。
變換器600包含相位檢測器601，用於檢測整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 的相位延遲。比較器602比較整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 和已知參考電壓VREF 。該參考電壓VREF 通常為調光器輸出電壓VDIM 的週期交叉點電壓，如家用交流電壓的中性電位。佔空比檢測器604計算比較器602檢測到整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 到達斬切點前時鐘信號CLK的週期數。由於已知整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 以及時鐘信號fclk 的頻率，在至少一個實例中，佔空比檢測器604將利用比較器602檢測到調光器輸出信號VDIM 斬切點前出現的時鐘信號fclk 週期數，根據示範式[1]確定整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 的佔空比：
其中，1/fVΦ_RECT 代表整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 的週期，CNT代表比較器602檢測到整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 到達斬切點前出現的時鐘信號fclk 的週期數，1/fclk 代表時鐘信號CLK的週期。
編碼器606將數字佔空比信號DCYCLE編碼至調光資訊DI 。編碼器606的實際配置是設計選擇上的問題，並取決於電燈鎮流器310接收的信號類型和協議等因素。在至少一個實例中，編碼器606是一個數字模擬變換器，其將數字佔空比信號DCYCLE編碼為0-10 V模擬電壓。在至少一個實例中，編碼器606是一個脈衝寬度調製器，其將數字佔空比信號DCYCLE編碼為脈衝寬度調製信號DI ，脈衝值範圍介於0-127。在其他實例中，編碼器606被配置為將數字佔空比信號DCYCLE編碼為數位尋址照明介面(DALI)信號DI 或者內部整合電路(I2 C)信號DI 。變換器600可在軟件中作為控制器604的處理器(未顯示)執行的指令實施，或作為硬件或軟硬件組合實施。
參閱圖5，照明系統508代表照明系統308(圖3)的一個實例，包括鎮流器510，而鎮流器510代表鎮流器310(圖3)的一個實例。控制器504為鎮流器510的鎮流控制器506提供調光資訊DI 。在至少一個實例中，鎮流控制器506是接收調光資訊DI 並產生燈控制信號L0 和L1 的傳統集成電路。燈控制信號L0 控制n-通道場效應晶體管(FET)512的通導性，燈控制信號L1 控制n-通道場效應晶體管514的通導性。鎮流控制器506控制燈控制信號L0 和L1 的頻率，以便調節電容器516和電感器518的電流iLAMP 至近乎恒定的值。電容器516和電感器518通導燈的電流iLAMP 。
調光資訊DI 代表燈312的光強度等級。如上述討論，在至少一個實例中，調光資訊DI 代表根據控制器504決定的整流輸入電壓VΦ_RECT 導通角獲取的光強度等級。在至少一個實例中，為增加燈312的強度，鎮流控制器增加燈控制信號L0 的佔空比，減少燈控制信號L1 的佔空比。相反，為減少燈312的強度，鎮流控制器506減少燈控制信號L0 的佔空比，增加燈控制信號L1 的佔空比。(「佔空比」指在一次信號期間的脈衝時間比。)電容器520提供高頻率過濾。功率控制/照明系統500的組件值是設計選擇上的問題，並取決於預期鏈電壓VLINK 以及照明系統508的功率要求等因素。
控制器504也使用整流輸入電壓VΦ_RECT 和鏈電壓VLINK 的抽樣版本，以產生開關控制信號CS1 。在至少一個實例中，控制器504產生開關控制信號CS1 ，方式與控制器302產生控制信號CS0 的方式相同。控制器504監控整流輸入電壓VΦ_RECT 和鏈電壓VLINK 。控制器504產生控制信號CS1 以控制開關506的導電性，從而提供功率因數校正並調節鏈電壓VLINK 。在功率因數校正模式下，控制器504在輸入電壓VΦ_RECT 出現任何相位延遲α後，為開關功率變換器502提供功率因數校正。(0相位延遲α表示無調光)。開關功率變換器102功率因數校正和輸出電壓VOUT 的控制見於Melanson I、II、III、IV、V和VI等示範性實例中。
在至少一個實例中，控制器504有兩種模式控制開關功率變換器502，即功率因數校正模式和維護模式。控制器502在整流輸入電壓VΦ_RECT 每個週期工作，以功率因數校正模式工作以提供前述功率因數校正。在輸入電壓VΦ_RECT 的任何相位延遲α期間，控制器504以維護模式工作。
提供無功負載時(比如開關功率變換器502)，相位控制調光器305可能不會在相位調製信號VΦ_DIM 的某些週期內產生相位延遲α，但可能在相位延遲α中產生波動。遺漏產生相位延遲α和相位延遲α內的波動可能引致在決定佔空比信號DCYCLE數值時發生錯誤。在維護模式下，控制器504促致開關功率變換器502形成輸入電阻，允許相位控制調光器305在調光期間輸入電壓VΦ_RECT 的每半個週期內，產生具有大量連續相位延遲α的整流輸入電壓VΦ_RECT 。在至少一個實例中，控制器504在維護模式下形成開關功率變換器502的輸入電阻，以允許相位控制調光器305相位調製供電電壓VIN ，從而使得整流輸入電壓VΦ_RECT 在輸入電壓VΦ_RECT 的每半個週期內具有單一連續的相位延遲。功率因數校正模式和維護模式下，控制器504示範性操作的完整討論詳見於Melanson VI。
圖7描述的是變換器700，代表變換器505的另一個實例。變換器700包含相位檢測器601，用於產生調光器輸出佔空比信號DCYCLE。映射模組704包含照明輸出函數702，可將整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 映射至調光器資訊DI 。
照明輸出函數702的特定映射是設計選擇上的問題，可為變換器700提供靈活性，從而可將整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 的導通角所指示的光強度等級映射至任一光強度等級。例如，在至少一個實例中，照明輸出函數704(例如以近似線性的關係)將佔空比信號DCYCLE數值映射至人可感知的照明輸出等級。照明輸出函數702也可將佔空比信號DCYCLE數值映射至其他照明函數。例如，若佔空比信號DCYCLE在預定時長內並未發生變化，則照明輸出函數702可將某一特定佔空比信號DCYCLE映射至會在該預定時長後燈312(圖3)「關閉」的時間信號。
照明輸出函數702可將由調光器輸出信號值代表的調光等級映射至幾乎無限的函數中。例如，照明輸出函數702可將低百分比的調光等級(如90%調光)，映射至光源閃爍函數，該函數會促使燈312在預定的調光範圍輸入內隨意變換強度。在至少一個實例中，燈312的強度導致不超過2500 K的色溫。控制器504能透過產生調光資訊DI 促致燈312閃爍，以向電燈鎮流器310提供任意調光資訊。
在一個實例中，整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 的導通角代表燈312大約在95%到10%強度範圍時對應的整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 的佔空比。照明輸出函數映射整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 的導通角，以向燈312提供大於95%和小於5%的強度範圍。
映射模組704的實施和照明輸出函數702屬於設計選擇上的問題。例如，照明輸出函數702可被預定，並內置在存儲器內。存儲器可將照明輸出函數702保存在查詢表格中。對於每個佔空比信號DCYCLE的調光器輸出信號值而言，查詢表格可包含一個或多個由調光資訊DI 所代表的相應調光值。在至少一個實例中，照明輸出函數702作為模擬函數發生器實施，可將整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 的導通角與由調光資訊DI 所表示的調光值進行關聯。
圖8所示為示範性照明輸出函數702的圖表說明800。按照慣例，當實測光的百分比由10%變為0%時，人可感知的光由32%變為0%。示範性照明輸出函數702將佔空比信號DCYCLE所指示的光強度百分比，映射至調光資訊DI ，提供可感知光百分比與調光等級百分比之間的線性關係。因此，當整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 的導通角指示調光等級為50%時，感知光百分比也是50%，以此類推。透過提供線性關係，示範性照明輸出函數702使相位控制調光器305對於較高調光等級百分比具有更高的敏感性。
圖9描述了示範性照明輸出函數浪湧電流保護模組702的圖形代表900，表明相位控制調光器305的估計正常工作狀態，以防止燈312(圖3)在低導通角時發生整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 振動和在高導通角時出現可能的錯誤。相位控制調光器305將整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 的導通角映射至範圍約介於8%到100%的光強度等級。就介於0到最小導通角閾值CA-THMIN (如0°)的導通角而言，映射函數702將調光資訊DI 映射為等於0 V。映射0-15°的導通角可以防止燈312因相位控制調光器305的不準確而出現隨意振動。就介於15°到30°的整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 導通角而言，照明輸出函數702將整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 映射成調光資訊DI 等於1V。就介於30°至最大導通角閾值CA-THMAX 170°之間的整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 導通角而言，照明輸出函數702將導通角線性映射成調光資訊DI 的數值，範圍介於1 V至10 V。
參見圖7，信號處理函數可應用於變換器700，以改變第一光強度等級至第二光強度等級的轉換時間。該函數可在與照明輸出函數702進行映射之前或之後應用。在至少一個實例中，該信號處理函數被嵌裝在濾波器706內。當使用濾波器706時，濾波器706會在過濾佔空比信號DCYCLE傳送至映射模組704前處理佔空比信號DCYCLE。整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 的導通角可能會突然變化，比如當相位控制調光器305迅速從90%的調光等級過渡至0%的調光等級時。此外，整流相位控制輸入電壓VΦ_RECT 可能包含由線電壓VIN 波動等引起的意外擾動。
濾波器706可代表改變佔空比信號DCYCLE所指定調光等級的任一函數。比如，在至少一個實例中，濾波器706過濾低通平均函數的佔空比信號DCYCLE，以實現平穩的調光過渡。在至少一個實例中，需要突然將高調光等級變成低調光等級。濾波器706還可被配置為由低調光等級平穩過渡至高調光等級，並同時允許由高調光等級突然或較快速地過渡至低調光等級。濾波器706可與模擬或數字元件一起實施。在另一實例中，濾波器會過濾調光資訊DI 以獲取相同的結果。
因此，在至少一個實例中，功率控制/照明系統包括控制器，提供接收專用調光器信號的電燈鎮流器與相位控制調光器之間的兼容。
儘管已經對本發明作了詳細描述，但應明白，在不偏離所附申請專利範圍中定義的本發明之申請專利範圍和精神情況下仍可以進行多種變化、替代和更改。
100．．．功率/照明系統
102．．．調光器
104．．．電燈鎮流器
106．．．AC電壓源
108．．．放電燈
200．．．照明輸出圖
202．．．圖形調光強度函數
300．．．功率控制/照明系統
301．．．交流電壓源
302．．．控制器
304．．．電壓預調節器
305．．．相位控制調光器
306．．．開關功率變換器
308．．．照明系統
310．．．電燈鎮流器
312．．．燈
400．．．照明輸出圖
402．．．示範性週期
404．．．示範性週期
406．．．週期
408．．．週期
410．．．週期
412．．．週期
414．．．導通角
416．．．導通角
500．．．功率控制/照明系統
501．．．電壓源
502．．．開關功率變換器
503．．．全橋式二極管整流器
504．．．控制器
505．．．變換器
506．．．鎮流控制器
507．．．開關
508．．．照明系統
509．．．電感器
510．．．鎮流器
511．．．電容器
512．．．n-通道場效應晶體管
513．．．二極管
514．．．n-通道場效應晶體管
515．．．電容器
516．．．電容器
518．．．電感器
520．．．電容器
600．．．變換器
601．．．相位檢測器
602．．．比較器
604．．．佔空比檢測器
606．．．編碼器
700．．．變換器
702．．．照明輸出函數
704．．．映射模組
706．．．濾波器
800．．．示範性照明輸出函數702的圖表說明
900．．．示範性照明輸出函數浪湧電流保護模組702的圖形代表
圖1(標為先前技術)所示為一個透過專用調光信號接收調光資訊的功率/照明系統。
圖2描述的是一個光輸出圖，表示調光電壓值與圖1功率控制/照明系統光強度等級百分比之間的線性函數關係。
圖3描述的是功率控制/照明系統，內含一個將相位控制調光信號轉換為調光資訊的控制器。
圖4(標為先前技術)描述的是圖3中功率控制/照明系統的示範性電壓信號。
圖5描述的是圖3功率控制/照明系統的一個實例。
圖6描述的是一個變換器的實例，該變換器將相位調製、整流相位控制輸入電壓轉換為調光資訊。
圖7描述的是另一個變換器的實例，該變換器使用照明輸出函數，將相位調製、整流相位控制輸入電壓轉換為調光資訊。
圖8所示為圖7示範性照明輸出函數的圖形描繪。
圖9所示為圖7示範性照明輸出函數的另一圖形描繪。
305‧‧‧相位控制調光器
312‧‧‧燈
500‧‧‧功率控制/照明系統
501‧‧‧電壓源
502‧‧‧開關功率變換器
503‧‧‧全橋式二極管整流器
504‧‧‧控制器
505‧‧‧變換器
506‧‧‧鎮流控制器
507‧‧‧開關
508‧‧‧照明系統
509‧‧‧電感器
510‧‧‧鎮流器
511‧‧‧電容器
512‧‧‧n-通道場效應晶體管
513‧‧‧二極管
514‧‧‧n-通道場效應晶體管
515‧‧‧電容器
516‧‧‧電容器
518‧‧‧電感器
520‧‧‧電容器

Claims (30)

  1. 一種開關功率變換器控制裝置，其包括：一個具有一輸入以接收相位控制調光信號的第一控制器，其中該相位控制調光信號係一表示由一調光器產生之導通角之信號且該導通角對應於供應至一開關功率變換器之一輸入電壓之一相位延遲，且該第一控制器經組態以：(i)將相位控制調光信號轉換成調光資訊，和(ii)為開關功率變換器生成功率因數校正(PFC)控制信號，其中該第一控制器進一步包括提供該調光資訊至一第二控制器以允許該第二控制器根據該調光資訊而控制多個功率控制信號產生的一第一輸出和提供PFC控制信號的一第二輸出，該等功率控制信號控制一或多個開關之導通。
  2. 如請求項1之裝置，其中該第一控制器包括一個集成電路，該輸入、第一輸出以及第二輸出包括集成電路的管腳。
  3. 如請求項1之裝置，其中所述調光資訊是以下信號群的其中一種，包括：脈衝寬度調製信號、線性電壓信號、非線性電壓信號、數位尋址照明介面協議信號以及內部整合電路(I2 C)協議信號。
  4. 如請求項1之裝置，其中所述相位控制調光信號存在導通角，其由以下一種電路組群產生，包括：雙向三極晶閘管(可控矽)電路和基於晶體管的電路。
  5. 如請求項1之裝置，其中將相位控制調光信號轉換成調 光資訊，該第一控制器進一步經組態以：檢測相位控制調光信號的佔空比；產生調光信號值來顯示佔空比；和將調光信號值轉換成調光資訊。
  6. 如請求項1之裝置，其中將相位控制調光信號轉換成調光資訊，該第一控制器進一步經組態以：檢測相位控制調光信號的佔空比；將相位控制調光信號的佔空比轉換為表示所檢測的佔空比的數位資料，其中該數位資料與光強度等級相對應；和採用預定照明輸出函數將數位資料映射至控制信號數值。
  7. 如請求項1之裝置，其中所述相位控制調光信號是矽開關調光器產生的時變電壓，該開關功率變換器包括一個帶有控制端子的開關，可接收功率因數校正控制信號來控制相位控制調光信號的電壓變換，且該第一控制器進一步經組態以：在相位控制調光信號的調光部分建立開關功率變換器的輸入電阻，調光部分調光時，輸入電阻可使矽開關調光器於每半個相位控制調光信號週期以大量連續的相位延遲產生相位控制調光信號。
  8. 如請求項1之裝置，其中將相位控制調光信號轉換成調光資訊，該第一控制器進一步經組態以：採用預定照明輸出函數將相位控制調光信號映射至調 光資訊。
  9. 如請求項8之裝置，其中所述預定照明輸出函數可將相位控制調光信號映射至光強度等級，該等級與相位控制調光信號的導通角指示的光強度等級不同。
  10. 如請求項1之裝置，其中該第一控制器經組態以為放電型照明系統提供功率因數校正電源控制和調光資訊。
  11. 一種開關功率變換器控制方法，其包括：接收相位控制調光信號，其中該相位控制調光信號係一表示由一調光器產生之導通角之信號且該導通角對應於供應至一開關功率變換器之一輸入電壓之一相位延遲；於一第一控制器中將相位控制調光信號轉換成用於一照明系統之一第二控制器的調光資訊，該調光資訊允許該第二控制器根據該調光資訊而控制多個功率控制信號產生，該等功率控制信號控制一或多個開關之導通；和於該第一控制器中為開關功率變換器生成功率因數校正(PFC)控制信號。
  12. 如請求項11之方法，其中所述調光信號是以下信號群的其中一種，包括：脈衝寬度調製信號、線性電壓信號、非線性電壓信號、數位尋址照明介面協議信號以及內部整合電路(I2 C)協議信號。
  13. 如請求項11之方法，其中所述相位控制調光信號存在導通角，其由以下一種電路組群產生，包括：雙向三極晶閘管(可控矽)電路和基於晶體管的電路。
  14. 如請求項11之方法，其中所述，將相位控制調光信號轉換為照明系統的調光資訊的方法包括：檢測相位控制調光信號的佔空比；產生調光信號值來顯示佔空比；和將調光信號值轉換成調光資訊。
  15. 如請求項11之方法，其中所述，將相位控制調光信號轉換為照明系統的調光資訊的方法包括：檢測相位控制調光信號的佔空比；將相位控制調光信號的佔空比轉換為表示所檢測的佔空比的數位資料，其中該數位資料與光強度等級相對應；和採用預定照明輸出函數將該數位資料映射至控制信號數值。
  16. 如請求項11之方法，其中所述相位控制調光信號是由矽開關調光器產生的時變電壓，該方法還包括：在相位控制調光信號的調光部分建立開關功率變換器的輸入電阻，調光部分調光時，輸入電阻可使矽開關調光器於每半個相位控制調光信號週期以大量連續的相位延遲產生相位控制調光信號。
  17. 如請求項11之方法，其中所述，將相位控制調光信號轉換為照明系統的調光資訊的方法包括：採用預定照明輸出函數將相位控制調光信號映射至調光資訊。
  18. 如請求項17之方法，其中所述採用預定照明輸出函數將 相位控制調光信號映射至調光資訊的方法，包括將相位控制調光信號映射至光強度等級，該等級與相位控制調光信號導通角指示的光強度等級不同。
  19. 如請求項11之方法，所述的方法還包括：提供功率因數校正控制信號給開關功率變換器，以控制開關功率變換器的功率因數校正和輸出電壓調節。
  20. 如請求項11之方法，所述的方法還包括：提供調光資訊給照明系統。
  21. 如請求項20之方法，其中所述提供調光資訊給照明系統的方法包括：提供調光資訊給放電型照明系統。
  22. 一種功率控制/照明系統，其包括：一開關功率變換器，其至少擁有一個輸入以接收相位控制調光信號，其中該相位控制調光信號係一表示由一調光器產生之導通角之信號且該導通角對應於供應至一開關功率變換器之一輸入電壓之一相位延遲；一第一控制器，其具有一個輸入以接收相位控制調光信號，其中控制器可用於：(i)將相位控制調光信號轉換為調光資訊，和(ii)為一開關功率變換器生成功率因數校正(PFC)控制信號，其中該第一控制器還包括提供調光資訊至一第二控制器以允許該第二控制器根據該調光資訊而控制多個功率控制信號產生的一第一輸出，與一連接至該開關功率變換器以提供該PFC控制信號的一第二輸出，該等功率控制信號控制一或多個開關之導通； 電燈鎮流器連接至開關功率變換器和控制器第二輸出；和放電型電燈連接至電燈鎮流器。
  23. 如請求項22之功率控制/照明系統，其中該第一控制器包括一個集成電路，該輸入、第一輸出以及第二輸出包括集成電路的管腳。
  24. 如請求項22之功率控制/照明系統，其中所述調光信息是以下信號群的其中一種，包括：脈衝寬度調製信號、線性電壓信號、非線性電壓信號、數位尋址照明介面協議信號以及內部整合電路(I2 C)協議信號。
  25. 如請求項22之功率控制/照明系統，其中所述相位控制調光信號存在導通角，其由以下一種電路組群產生，包括：雙向三極晶閘管(可控矽)電路和基於晶體管的電路。
  26. 如請求項22之功率控制/照明系統，其中將相位控制調光信號轉換為調光資訊，該第一控制器進一步經組態以：檢測相位控制調光信號的佔空比；產生調光信號值來顯示佔空比；和將調光信號值轉換成調光資訊。
  27. 如請求項22之功率控制/照明系統，其中將相位控制調光信號轉換為調光資訊，該第一控制器進一步經組態以：檢測相位控制調光信號的佔空比；將相位控制調光信號的佔空比轉換為表示所檢測的佔空比的數位資料，其中該數位資料與光強度等級相對 應；和採用預定照明輸出函數將數位資料映射至控制信號數值。
  28. 如請求項22之功率控制/照明系統，其中所述相位控制調光信號是矽開關調光器產生的時變電壓，該開關功率變換器包括一個帶有控制端子的開關，可接收功率因數校正控制信號來控制相位控制調光信號的電壓變換，該第一控制器進一步經組態以：在相位控制調光信號的調光部分建立開關功率變換器的輸入電阻，調光部分調光時，輸入電阻可使矽開關調光器於每半個相位控制調光信號週期以大量連續的相位延遲產生相位控制調光信號。
  29. 如請求項22之功率控制/照明系統，其中將相位控制調光信號轉換為調光資訊，該第一控制器進一步經組態以：採用預定照明輸出函數將相位控制調光信號映射至調光資訊。
  30. 如請求項29之功率控制/照明系統，其中所述預定照明輸出函數可用於將相位控制調光信號映射至光強度等級，該等級與相位控制調光信號導通角指示的光強度等級不同。
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