用于启动放电灯的方法和镇流器 本发明涉及一种用于启动放电灯的方法和镇流器，特别地涉及用于启动像金属卤化物放电灯这样的高亮度放电灯(HID)的方法和镇流器。
当启动一个在冷状态下的高亮度放电灯(HID)时，已知该放电灯达到它发出一种预定光输出的稳定状态是比较慢的。特别是当该放电灯被用于一种车头灯或用于一种液晶显示投影仪的光源时，非常希望利用迅速地增加光输出来进行冷状态下的放电灯启动。为了这个目的，日本特许公开公报平4-141988和平9-82480中建议了一种镇流器，在放电灯启动时，该镇流器提供比用于维持该放电灯工作的正常功率值更大的建立功率。然后，在沿着一个特殊曲线的过渡周期上随着时间迫使建立功率从最大功率值减小到正常功率值。该建立功率的曲线能够从一个电容器的单一充电曲线上获得，如在图15A中所示的，并且由该充电曲线的翻转曲线来表示，如在图15B中所示的。由于该镇流器具有一个用于放电灯的固定的最大功率值，所以超过该最大功率值地建立功率曲线部分被限制到该最大功率值，由此产生一个组合曲线，在该组合曲线中，最大功率值被维持一个最初的启动时间周期，然后随着时间减小到正常功率值。由于为了达到放电灯更迅速的启动需要更长的最初启动时间，如在上述附图中由实线表示的时间相对于由虚线表示的时间，所以使这两个曲线，也就是使充电曲线和建立曲线更缓和。因此，建立功率沿着一个更缓和的斜率减小，在从启动放电灯到放电灯稳定的工作状态的一个过渡周期期间给放电灯提供更大量的功率，这导致了过量的光输出，如在图16中所示的。为了避免这个问题，希望在这个过渡周期中分别地控制最初的启动时间和曲线形状(这在上述现有技术中是不能实现的)，从而沿着一个缓和的斜率来减小建立功率以便排除光输出过量的可能性。
考虑到上述问题，本发明提供了用于启动放电灯的方法和镇流器，该镇流器能够迅速地启动放电灯同时能够抑制过量的光输出。具体地说，本发明能够分别地提供给放电灯施加一个最大功率值的最初的启动时间周期和随后的曲线，沿着该曲线以一种最佳的方式使功率减小到放电灯的一个正常功率值。根据本发明的方法利用具有一个功率变换器的镇流器，该功率变换器能够在给放电灯提供的最大功率值与正常功率值之间的一个范围之内改变提供给放电灯的功率。该方法包括沿着一个特殊的建立曲线来改变功率以致施加最大功率值并且随后施加减小到正常功率值的功率。建立曲线能够从一个参考曲线获得，该参考曲线具有从触发镇流器开始随着时间而减小的功率值，该参考曲线具有一个超过该最大功率值的最大值和一个接近该最大功率值的折转点，以致分别地在折转点的上面限定了一个第一参考曲线和在折转点的下面限定了一个第二参考曲线。对于从最大值的一个点到折转点之间的第一参考时间周期，第一参考曲线具有一个第一平均斜率。对于从折转点开始并且持续与第一参考时间周期相同的时间间隔的一个第二参考时间周期，第二参考曲线具有一个第二平均斜率。第二平均斜率大于第一平均斜率。该建立曲线是一个连续的组合曲线，该组合曲线是由低于该参考曲线的一个部分限定的一个最大功率值的直线和在最大功率值与正常功率值之间限定的剩余部分的参考曲线构成的。因此，由该建立曲线的直线限定的最初启动时间周期能够由第一参考曲线来确定，而随后的曲线实质上能够由低于折转点的第二参考曲线来确定，沿着该随后的曲线使功率减小到正常功率值。根据这个结果，为了提供一个足够的最初启动时间周期来迅速启动放电灯并且同时为了给随后的曲线提供一种最适宜的曲线形状以便保证从放电灯的启动到正常工作的一个稳定过渡，而不产生过量的光输出或者不够的光输出，最初的启动时间和随后的曲线能够彼此分别地被设计。
因此，本发明的一个主要目的是提供一种启动放电灯的方法，该方法利用最佳的功率特性能够迅速启动放电灯同时具有足够的光输出。
折转点最好被设置到位于最大功率值上，以致于第二参考曲线本身能够限定在最初的启动时间周期之后给放电灯提供减小功率的减小曲线。
本发明也提供特殊地设计以便实现上述方法的镇流器。该镇流器包括一个能够给放电灯提供变化功率的功率变换器和一个功率指令器，该功率指令器根据时间来产生功率的建立曲线并且与功率变换器连接以便沿着建立曲线改变功率。
功率指令器最好包括一个具有一个电容器的函数发生器、一个电源和一个调节器，该调节器利用该电源以不同的充电率对电容器进行充电以便产生一个充电曲线。作为该充电曲线的一个翻转曲线来获得参考曲线，以致于在该参考曲线上产生折转点，在此充电率临界地变化。
如在本发明的实施例的详细描述中将看到的，为了在参考曲线上获得折转点，对函数发生器提供了各种有利的结构。
本发明的这些和其它的目的和优点通过下面结合附图对实施例的描述将变得更明显。
图1是根据本发明的第一实施例的一个镇流器的方框图；
图2A是在上述镇流器中获得的一个电容器充电曲线的曲线图；
图2B是举例说明在上述镇流器中获得的一个参考曲线和由此产生的建立曲线的一个曲线图；
图3A到3C是说明该镇流器工作的曲线图；
图4是根据本发明的第二实施例的一个镇流器的方框图；
图5是根据本发明的第三实施例的一个镇流器的方框图；
图6是在根据本发明的第四实施例的镇流器中使用的一个功率指令器的方框图；
图7A是一个在图6的镇流器中获得的一个电容器充电曲线的曲线图；
图7B是一个说明在镇流器中获得的一个参考曲线和由此产生的建立曲线的曲线图；
图8是在根据本发明的第五实施例的镇流器中使用的一个功率指令器的方框图；
图9A是一个在图8的镇流器中获得的一个电容器充电曲线的曲线图；
图9B是一个说明在镇流器中获得的一个参考曲线和由此产生的建立曲线的一个曲线图；
图10是在根据本发明的第六实施例的镇流器中使用的一个功率指令器的方框图；
图11A是一个在图10的镇流器中获得的一个电容器充电曲线的曲线图；
图11B是一个说明在该镇流器中获得的一个参考曲线和由此产生的启动曲线的曲线图；
图12是在根据本发明的第七实施例的镇流器中使用的一个功率指令器的方框图；
图13是在根据本发明的第八实施例的镇流器中使用的一个功率指令器的方框图；
图14是在根据本发明的第九实施例的镇流器中使用的一个功率指令器的方框图；
图15A和15B是用于说明本发明的技术背景的一个电容器充电曲线和提供给放电灯的一个功率曲线的曲线图；
图16是一个用于说明本发明技术背景的相对光通量的曲线图，其中相对光通量是由光通量相对于在启动放电灯3分钟之后获得的光通量的百分比来表示。
第一实施例<图1到3>
现在参照图1，在图1中示出了根据本发明的第一实施例的一种用于放电灯的镇流器。该放电灯L是高亮度放电灯，例如在汽车的头灯和用于LCD投影仪的光源中使用的金属卤化物灯。根据该放电灯的特性，需要该镇流器提供一个用于启动该灯的最大功率值和提供一个用于连续地使该灯工作的正常功率值。
该镇流器包括一个功率变换器10、一个输出控制器20和一个功率指令器30。这个功率变换器10包括一个DC-DC变换器12，用于由像电池这样的一个直流电源11来提供一个升高的直流电压、和一个逆变器14，用于通过一个触发器16给放电灯L提供一个低频交流电压。该触发器16由逆变器的输出来产生一个足以点燃这盏灯的高电压脉冲。输出控制器20被连接用于监视在功率变换器10中的电压和电流，以便以反馈方式来控制放电灯的照明工作。输出控制器20包括一个电流值处理器22，该电流值处理器检测DC-DC变换器12的输出电压并且接收一个来自功率指令器30的功率指令，该指令指定操作该放电灯的功率。然后，该电流值处理器22根据检测的电压来分配功率，以便通过一个电流限制器24给一个误差放大器26提供电流请求，在电流限制器24中额外的电流请求被忽略。误差放大器26把电流请求与由一个电流传感器28检测的流到逆变器14中电流相比较，并且提供一个指示比较结果的输出控制信号。该输出控制信号被反馈以便以保证该放电灯稳定工作的方式来调整DC-DC变换器12。
功率指令器30给电流值处理器22提供功率指令，该指令指定功率由最大功率值向正常功率值变化。如在图2B中由实线表示的，功率指令是以建立曲线CIGN和表示正常功率值的直线LNOR的组合形式被提供。功率指令器30包括一个函数发生器40，该函数发生器40给功率处理器32提供一个功率曲线，在功率处理器32中正常功率值的偏移值被添加或叠加到该功率曲线上，以便提供一个参考曲线CREF，如将在稍后参照图2B详细的讨论。这样叠加的曲线或参考曲线CREF随后被供给一个功率限制器34，在功率限制器34中参考曲线CREF的最大值被限制为最大功率值WMAX，以便给电流值处理器22提供功率指令。函数发生器40具有一个电容器41和一个由第一电压源42-1与第二电压源42-2构成可变电压源，其中第一电压源42-1和第二电压源42-2以不同的充电率为电容器41充电以便给出一个如在图2A中所示的充电曲线C。然后该充电曲线C在一个翻转部件70上被反向或翻转，以便给功率处理器32提供功率曲线，该功率处理器32把该功率曲线外加正常功率值WNOR的偏移值加工成参考曲线CREF。
当通过闭合一个电源开关13触发镇流器之后，一个线电压监视器15响应该触发，以便当监视的输入电压电平是在预定的工作电压范围之内时给DC-DC变换器12以及函数发生器40发出一个点灯使能信号，由此激活这两个部件12和40。该点灯使能信号使开关43闭合，由此开始通过一个电阻器44对电容器41进行充电。利用该使能信号也激活一个计时器71以便开始计时，该计时器71与一个开关46连接，该开关46用于有选择地把第一和第二电压源42-1和42-2与电容器41连接。首先，计时器71使开关46导通，通过第一电压源42-1对电容器41进行充电，在预定的周期过去之后，使开关46导通以便通过第二电压源42-2对电容器41进行充电。第二电压源42-2提供比第一电压源42-1更高的电压，以致于在一个对应第一电压源转换到第二电压源的时刻上可以看到充电曲线C具有一个折转点PINF，如在图2A中所示的。因此，如所示图2B中所示的，一个对应的折转点PINF被提供给由此产生的参考曲线CREF，以便在该折转点PINF的上方和下方限定一个第一参考曲线C1ST和一个第二参考曲线C2ND。折转点PINF被选择到位于或接近最大功率值WMAX，这样建立曲线CIGN是由在最大功率值上方在一部分第一参考曲线C1ST之上延伸的最大功率值的直线和第二参考曲线C2ND构成的。该建立曲线的特性可以用在特殊时间周期上的一个曲线的平均斜率来表示。也就是，第一参考曲线C1ST或在折转点PINF上面的部分参考曲线在从镇流器被触发(时间为0)到折转点的一个周期TA上具有一个第一平均斜率，并且第二参考曲线C2ND或在折转点PINF下面的部分参考曲线在从折转点开始的相同时间周期TB上具有大于第一平均斜率的第二平均斜率。
利用在参考曲线上设置的折转点，使功率减小到正常功率值的第二参考曲线可以被选择，而与确定施加最大功率值的周期的第一参考曲线的形状无关。因此，所得到的触发曲线能够被优化，通过在一个足够的时间周期上施加最大功率值能够保证顺利地启动放电灯，并且经过一个从放电灯的启动到这盏灯的稳定工作的过渡周期能够顺利地使功率减小到正常功率值。
当电源开关13被关断时，线电压监视器15发出一个失效信号以便使DC-DC变换器12不工作同时打开开关43，允许电容器41通过一个由电阻器44和电阻器45构成的放电通路放电。电容器41上减小的电压由从放电灯熄灭开始经过的一段时间表示，也就是该放电灯的一个冷却程度，以致于当该开关13被闭合时，电容器41上的电压提供一个最初的功率设置值，该功率设置值随着经过的时间从零开始增加，如在图3C中所示的。该最初的功率设置值被提供给翻转部件70以便作为所经过时间的一个函数改变在参考曲线CREF上使功率减小的起点。在灯熄灭之后，也就是说在具有上次操作剩余的一些热之后在时间T1上短时启动该灯时，如在图3A中由实线示出的，该参考曲线CREF被修正以便在与图3C中所示时间T1上的最初功率设置值W1对应的功率值上启动该灯。在从灯熄灭开始经过一段相对长的时间T2之后，也就是说在具有较少余热之后启动该灯时，如在图3B中由实线示出的，该参考曲线CREF被修正以便在与图3C中所示时间T2上的最初功率设置值W2对应的功率值上启动该灯。利用这种方式，由于考虑到灯的剩余热，所以能够产生放电灯极好的重新触发。
第二实施例<图4>
图4举例说明了一种根据本发明的第二实施例的镇流器，该第二实施例除了一个函数发生器40A的结构之外其它部分与第一实施例是相同的。利用具有一个后缀字母“A”的相同标号来表示类似的部件。函数发生器40A包括一个比较器48，该比较器48把电容器41A上的电压与一个参考电压49相比较。比较器48与开关46A连接，该开关46A用于当电容器41A上的电压低于参考电压49时由第一电压源42-1A为电容器41A进行充电，否则由第二电压源42-2A为电容器41A充电，从而在参考曲线上产生折转点，如在第一实施例中所述的。
第三实施例<图5>
图5举例说明了一种根据本发明的第三实施例的镇流器，该第三实施例除了一个功率指令器30B的结构之外其它部分与第一实施例是相同的。利用具有一个后缀字母“B”的相同标号来表示类似的部件。功率指令器30B具有一个类似的函数发生器40B，该函数发生器40B包括一个比较器48B，该比较器48B与功率处理器32B连接以便接收功率处理器32B的输出，也就是接收参考曲线，并且接收在一个参考电压源49B上设置的最大功率值WMAX，该最大功率值WMAX也被提供给功率限制器34B。比较器48B具有与一个开关46B连接的输出端，以致于当来自功率处理器32B的功率值指令超过最大功率值时，由低电压的第一电压源42-1B为电容器41B进行充电。当电容器41B上的电压增加到这样的一个值以致于在由功率处理器32B所得到的参考曲线上的功率指令低于最大功率值WMAX时，比较器48B响应该结果使开关46B导通以便利用第二电压源42-2B以更大的充电率对电容器41B进行充电，从而在最大功率值上或邻近低于最大功率值上产生折转点如图2B所示。在这种方式中，利用一种反馈方式可以容易地给出折转点。
第四实施例<图6和7>
图6举例说明了一种根据本发明的第四实施例的镇流器，该第四实施例除了一个函数发生器40C的结构之外其它部分与第一实施例是相同的。利用具有一个后缀字母“C”的相同标号来表示类似的部件。函数发生器40C包括一种可变电源42C，该可变电源42C以不同的充电率为电容器41C进行充电。电源42C具有由一个时间变化函数电路50调节的输出电压。电路50包括一个固定电压源51和一个开关52，该开关52利用来自一个与在第一实施例中的线电压监视器类似的线电压监视器(没有示出)的点灯使能信号LENB来触发，以便利用电压源51经过一个电阻器54对电容器53进行充电。如在图7A中所示的，电容器53上的充电电压以这样的一种方式来改变可变电源42C的输出电压，也就是可变电源42C的输出电压随着电容器53的充电电压的增加而增加。因此，电路50起到一种计时器的作用，电路50使电源42C的输出电压从一个第一电平值逐渐地增加到一个第二电平值，并且在镇流器被触发之后的一个预定周期上，也就是当电容器53上的电压达到一个预定电平时电源42C的输出电压固定在第二电平值上。根据这个结果，如在图7B中所示的，由于电容器41C的输出电压被固定在第二电平值，所以参考曲线在最大功率值上或在邻近最大功率值上产生折转点。当点灯使能信号被取消时，开关52被打开以便允许电容器53经过电阻器54和55放电，同时开关46C被打开使电容器41C放电。
第五实施例<图8和9>
图8举例说明了一种根据本发明的第五实施例的镇流器，该第五实施例除了一个函数发生器40D的结构之外其它部分与第一实施例是相同的。利用具有一个后缀字母“D”的相同标号来表示类似的部件。函数发生器40D包括一个可变电压源42D和一个时间变化函数电路50D，电路50D根据检测电容器41D上的电压来调节可变电压源42D的输出电压。当接收到点灯使能信号LENB时，一个开关43D被闭合以便开始利用电压源42D对电容器41D进行充电，同时函数电路50D提供一个线性增加的值，该线性增加值作为电容器41D的检测电压的一个函数。函数电路50D提供一个值(y＝f(x)，其中x是检测的电容器电压)，随着电容器41D的检测电压的增加，该值从一个第一电平值(y1)增加到一个第二电平值(y2)，并且在检测的电压达到一个预定电压之后被固定在第二电平值上。当电压源42D的输出增加到高电压电平后并且被固定在该高电压电平时，电压源42D的输出作为该值的一个函数被调节，以致于电容器41D沿着图9A中的一个充电曲线被充电并且在该参考曲线上产生折转点，如在图9B中所示的。
第六实施例<图10和11>
图10举例说明了一种根据本发明的第六实施例的镇流器，该第六实施例除了一个函数发生器40E的结构之外其它部分与第一实施例是相同的。利用具有一个后缀字母“E”的相同标号来表示类似的部件。函数发生器40E包括一种可变电压源42-1E和一个固定电压源42-2E，该固定电压源42-2E提供比可变电源更高的输出电压。这些电压源通过一个开关45E有选择地被连接以便对一个电容器41E进行充电。开关45E通常地被设置到把可变电压源42-1E与电容器41E连接的位置上，并且利用一个比较器47E通过使在参考曲线上的充电电压翻转把该开关45E控制到使固定电压源42-2E与电容器41E连接的另一个位置上，该比较器47E把电容器41E上检测的电压与对应最大功率值WMAX的一个参考电压相比较。当接收到点灯使能信号LENB时，一个开关43E被闭合以便利用可变电压源42-1E开始对电容器41E进行充电。当电容器41E被充电到与最大功率值对应的一个电平值时，比较器47E响应这个值把开关45E转换到固定电压源42-2E以便使固定电压源42-2E对电容器41E进行充电。利用这种方式，电容器41E被连续地充电到具有如在图11A中所示的充电曲线，以便提供在图11B中所示的参考曲线，在该参考曲线中在最大功率值上或在接近最大功率值上产生折转点。可变电源42-1E被调整以便提供由函数y＝f(I44.R44+x)表示的输出电压，其中I44是流过电阻器44E的电流、R44是电阻器44E的电阻和x是电容器41E的充电电压。因此，电容器41E的电压随着可变电源42-1E的输出电压的增加而线性地增加，如在图11A中所示的。根据这个结果，简单地通过选择该线性函数的一个斜率能够容易地设置提供最大功率值的时间周期。
第七实施例<图12>
图12举例说明了一种根据本发明的第七实施例的镇流器，该第七实施例除了一个函数发生器40F的结构之外其它部分与第一实施例是相同的。利用具有一个后缀字母“F”的相同标号来表示类似的部件。函数发生器40F包括一个固定电源42F，和一个由第一电阻器44-1与第二电阻器44-2组成的并联结构与在电源42F和电容器41F之间的开关43F和60串联连接的电路结构。第一电阻器44-1被选择具有一个比第二电阻器44-2更高的阻抗或电阻值。开关60通常被设置到把高电阻的第一电阻器44-1与电容器41F连接的位置上，并且通过一个计时器62经过一个与门61来控制该开关60使得在从触发镇流器开始的一个预定周期之后，低电阻值的第二电阻器44-2与电容器41F连接。当接收到点灯使能信号LENB后，开关43F被闭合以便利用电源42F经过第一电阻器44-1对电容器41F进行充电。在这种情况时，计时器62开始计算时间并且在该预定时间周期过去之后给与门61的一个输入端提供一个置位信号。与门61具有接收点灯使能信号的另外一个输入端，该与门61响应置位信号以便提供一个转换开关60的输出信号，该开关60把第一电阻器44-1转换到第二电阻器44-2，从而改变充电电流经过的阻抗，由此改变了充电电容器41F的充电率。因此，能够获得与在图2A和2B中所示充电曲线和参考曲线类似的充电曲线和参考曲线，在充电曲线和参考曲线中，在第一电阻器转换到第二电阻器的时刻上产生折转点。在这方面应该注意的是：根据检测的充电电压可以使开关60转换，如在第二实施例中所看到的，或者根据最大功率值可以使开关60转换，如在第六实施例中所看到的。
第八实施例<图13>
图13举例说明了一种根据本发明的第八实施例的镇流器，该第八实施例除了一个函数发生器40G的结构之外其它部分与第一实施例是相同的。利用具有一个后缀字母“G”的相同标号来表示类似的部件。函数发生器40G包括一个可变电阻器44G，该可变电阻器44G在一个固定电源42G与一个电容器41G之间与一个开关43G串联连接。利用一个时间变化函数电路50G来控制该可变电阻器44G，以便通过改变它的电阻值来改变由电源42G对电容器41G进行充电的充电率。时间变化函数电路50G以这样的方式来改变电阻器44G的电阻值，以致于在触发镇流器之后的某个时刻在充电率中产生一个突然的变化，因此，在由此产生的参考曲线上产生折转点，如在图2B中所示的。当接收到点灯使能信号LENB后，开关43G被闭合并且函数电路50G同时地被触发。
第九实施例<图14>
图14举例说明了一种根据本发明的第九实施例的镇流器，该第九实施例除了一个函数发生器40H的结构之外其它部分与第一实施例是相同的。利用具有一个后缀字母“H”的相同标号来表示类似的部件。函数发生器40H包括一个PWM电路64，该PWM电路64提供一个脉冲宽度调制信号，重复地使一个开关43H导通和关断，以便通过一个电源42H对一个电容器41H进行充电。一个时间变化函数电路50H被设置用于根据时间来增加信号的占空比，从而根据时间增加电容器41H的充电率。设置一个与门66用于接收点灯使能信号LENB以及接收来自PWM电路64的调制信号，以致在点灯使能信号存在时使开关43H导通和关断。利用函数电路50H来控制该信号的占空比，以致于充电曲线经历一个突然的变化，从而在从触发镇流器开始的一个预定时间周期之后在所得到的参考曲线上产生折转点，如在图2A和2B中所示的。