带干线电压切换的电子镇流器.pdf

本发明提供了一种带干线电压切换的高频电子镇流器，它调整DC干线电压输出(208)以适应电网功率(210)的不同电压，从而提高了效率。该干线电压切换包括：电网电源(200)，提供电网功率(210)和电网电压信号(212)；镇流器微控制器(206)，响应电网电压信号(212)，并且产生功率因数校正(PFC)电压信号(214)；以及转换器(204)，可操作地连接到电网电源(200)，并且响应PFC电压信号(214)以产生DC干线电压输出(208)。对于一个采用功率因数控制的实施例，转换器(204)包括线圈(218)、功率因数校正(224)、开关(220)以及整流器(222)。

1.  一种用于电子镇流器的干线电压切换电路，包括：
电网电源(200)，所述电网电源(200)提供电网功率(210)和电网电压信号(212)；
镇流器微控制器(206)，所述镇流器微控制器(206)响应所述电网电压信号(212)，并且产生功率因数校正电压信号(214)；以及
转换器(204)，所述转换器(204)可操作地连接到所述电网电源(200)，并且响应所述功率因数校正电压信号(214)以产生直流干线电压输出(208)。

2.  如权利要求1所述的干线电压切换电路，其中，从包括降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器、回扫转换器、单端初级电感器转换器以及Cuk转换器的组中选择所述转换器(204)。

3.  如权利要求1所述的干线电压切换电路，其中，如果所述电网功率(210)低于电网功率设置点，则所述直流干线电压输出(208)为第一直流干线电压输出，而如果所述电网功率(210)高于所述电网功率设置点，则所述直流干线电压输出(208)为第二直流干线电压输出。

4.  如权利要求1所述的干线电压切换电路，其中：
当所述电网功率(210)升至电网功率设置点以上时，所述直流干线电压输出(208)从第一直流干线电压输出变至第二直流干线电压输出；以及
当所述电网功率(210)降至小于所述电网功率设置点一个偏移量的值以下时，所述直流干线电压输出(208)从所述第二直流干线电压输出变至所述第一直流干线电压输出。

5.  如权利要求4所述的干线电压切换电路，其中，所述偏移量为约20-30伏。

6.  如权利要求1所述的干线电压切换电路，其中，如果所述电网功率(210)低于第一电网功率设置点，则所述直流干线电压输出(208)为第一直流干线电压输出，如果所述电网功率(210)处于所述第一电网功率设置点和第二电网功率设置点之间，则所述直流干线电压输出(208)为第二直流干线电压输出，而如果所述电网功率(210)高于所述第二电网功率设置点，则所述直流干线电压输出(208)为第三直流干线电压输出。

7.  如权利要求6所述的干线电压切换电路，其中，所述第一电网功率设置点为约210-215伏，所述第二电网功率设置点为约255伏，所述第一直流干线电压输出为约400伏，所述第二直流干线电压输出为约450伏，而所述第三直流干线电压输出为约465-480伏。

8.  如权利要求1所述的干线电压切换电路，其中，
当所述电网功率(210)升至第一电网功率设置点以上时，所述直流干线电压输出(208)从第一直流干线电压输出变至第二直流干线电压输出；
当所述电网功率(210)升至第二电网功率设置点以上时，所述直流干线电压输出(208)从第二直流干线电压输出变至第三直流干线电压输出；
当所述电网功率(210)降至小于所述第二电网功率设置点第二偏移量的值以下时，所述直流干线电压输出(208)从所述第三直流干线电压输出变至所述第二直流干线电压输出；以及
当所述电网功率(210)降至小于所述第一电网功率设置点第一偏移量的值以下时，所述直流干线电压输出(208)从所述第二直流干线电压输出变至所述第一直流干线电压输出。

9.  如权利要求1所述的干线电压切换电路，其中，如果所述电网电压信号(212)处于第一电压范围，则所述镇流器微控制器(214)产生第一功率因数校正电压信号，并且如果所述电网电压信号(212)处于第二电压范围，则所述镇流器微控制器(214)产生第二功率因数校正电压信号。

10.  如权利要求1所述的干线电压切换电路，其中，所述转换器(204)包括：
线圈(218)，所述线圈(218)具有一个输入和一个输出，所述线圈(218)的所述输入接收所述电网功率(210)；
功率因数校正(224)，所述功率因数校正(224)响应功率因数校正电压信号(214)并且产生功率因数校正门信号(230)；
开关(220)，所述开关(220)可操作地连接到线圈(218)的输出，并且响应功率因数校正门信号(230)以产生调制功率(232)；以及
整流器(222)，所述整流器(222)响应所述调制功率(232)以产生所述直流干线电压输出(208)。

11.  如权利要求10所述的干线电压切换电路，其中，所述开关(220)提供功率因数校正电流信号(234)，并且功率因数校正(224)响应所述功率因数校正电流信号(234)。

12.  如权利要求10所述的干线电压切换电路，其中，所述线圈(218)提供零电流输入信号(236)，并且所述功率因数校正(224)响应所述零电流输入信号(236)。

13.  一种用于电子镇流器的干线电压切换方法，包括：
提供电网功率(210)；
确定所述电网功率(210)的电压；
根据所述电网功率(210)的所述电压确定功率因数校正电压信号(214)；以及
响应所述功率因数校正电压信号(214)，将所述电网功率(210)转换成直流干线电压输出(208)。

14.  如权利要求13所述的方法，还包括：
当所述电网功率(210)的电压升至电网功率设置点以上时，将所述直流干线电压输出(208)从第一直流干线电压输出变至第二直流干线电压输出；以及
当所述电网功率(210)的电压降至小于所述电网功率设置点一个偏移量的值以下时，将所述直流干线电压输出(208)从所述第二直流干线电压输出变至所述第一直流干线电压输出。

15.  如权利要求13所述的方法，还包括：
当所述电网功率(210)的电压升至第一电网功率设置点以上时，将所述直流干线电压输出(208)从第一直流干线电压输出变至第二直流干线电压输出；
当所述电网功率(210)的电压升至第二电网功率设置点以上时，将所述直流干线电压输出(208)从第二直流干线电压输出变至第三直流干线电压输出；
当所述电网功率(210)的电压降至小于所述第二电网功率设置点第二偏移量的值以下时，将所述直流干线电压输出(208)从所述第三直流干线电压输出变至所述第二直流干线电压输出；以及
当所述电网功率(210)的电压降至小于所述第一电网功率设置点第一偏移量的值以下时，将所述直流干线电压输出(208)从所述第二直流干线电压输出变至所述第一直流干线电压输出。

16.  如权利要求13所述的方法，其中，根据所述电网功率(210)的所述电压确定功率因数校正电压信号(214)包括：
如果所述电网功率(210)的电压处于第一电压范围，则产生第一功率因数校正电压信号；以及
如果所述电网功率(210)的电压处于第二电压范围，则产生第二功率因数校正电压信号。

17.  如权利要求13所述的方法，其中，响应所述功率因数校正电压信号(214)将所述电网功率(210)转换成直流干线电压输出(208)还包括：
提供线圈(218)，所述线圈(218)具有一个输入和一个输出，所述线圈(218)的所述输入接收所述电网功率(210)；
响应所述功率因数校正电压信号(214)产生功率因数校正门信号(230)；
响应所述功率因数校正门信号(230)开关所述线圈(218)的所述输出以产生调制功率(232)；以及
对所述调制功率(232)整流以产生所述直流干线电压输出(208)。

18.  如权利要求17所述的方法，还包括：
根据开关所述线圈(218)的所述输出来确定功率因数校正电流信号(234)；以及
响应所述功率因数校正电流信号(234)来调整功率因数校正门信号(230)。

19.  如权利要求17所述的方法，还包括：
确定所述线圈(218)的电流；以及
当所述线圈(218)的所述电流约为零时，切换所述功率因数校正门信号(230)。

20.  一种用于为电子镇流器产生干线电压切换的系统，包括：
用于提供电网功率(210)的装置；
用于确定所述电网功率(210)的电压的装置；
用于根据所述电网功率(210)的所述电压确定功率因数校正电压信号(214)的装置；以及
用于响应所述功率因数校正电压信号(214)，将所述电网功率(210)转换成直流干线电压输出(208)的装置。

21.  如权利要求20所述的系统，还包括：
用于当所述电网功率(210)的电压升至电网功率设置点以上时，将所述直流干线电压输出(208)从第一直流干线电压输出变至第二直流干线电压输出的装置；以及
用于当所述电网功率(210)的电压降至小于所述电网功率设置点一个偏移量的值以下时，将所述直流干线电压输出(208)从所述第二直流干线电压输出变至所述第一直流干线电压输出的装置。

22.  如权利要求20所述的系统，还包括：
用于当所述电网功率(210)的电压升至第一电网功率设置点以上时，将所述直流干线电压输出(208)从第一直流干线电压输出变至第二直流干线电压输出的装置；
用于当所述电网功率(210)的电压升至第二电网功率设置点以上时，将所述直流干线电压输出(208)从第二直流干线电压输出变至第三直流干线电压输出的装置；
用于当所述电网功率(210)的电压降至小于所述第二电网功率设置点第二偏移量的值以下时，将所述直流干线电压输出(208)从所述第三直流干线电压输出变至所述第二直流干线电压输出的装置；以及
用于当所述电网功率(210)的电压降至小于所述第一电网功率设置点第一偏移量的值以下时，将所述直流干线电压输出(208)从所述第二直流干线电压输出变至所述第一直流干线电压输出的装置。

23.  如权利要求20所述的系统，其中，所述用于根据所述电网功率(210)的所述电压确定功率因数校正电压信号(214)的装置包括：
用于如果所述电网功率(210)的电压处于第一电压范围，则产生第一功率因数校正电压信号的装置；以及
用于如果所述电网功率(210)的电压处于第二电压范围，则产生第二功率因数校正电压信号的装置。

24.  如权利要求20所述的系统，其中，所述用于响应所述功率因数校正电压信号(214)将所述电网功率(210)转换成直流干线电压输出(208)的装置还包括：
线圈(218)，所述线圈(218)具有一个输入和一个输出，所述线圈(218)的所述输入接收所述电网功率(210)；
用于响应所述功率因数校正电压信号(214)产生功率因数校正门信号(230)的装置；
用于响应所述功率因数校正门信号(230)开关所述线圈(218)的所述输出以产生调制功率(232)的装置；以及
用于对所述调制功率(232)整流以产生所述直流干线电压输出(208)的装置。

25.  如权利要求24所述的系统，还包括：
用于根据开关所述线圈(218)的所述输出来确定功率因数校正电流信号(234)的装置；以及
用于响应所述功率因数校正电流信号(234)来调整功率因数校正门信号(230)的装置。

26.  如权利要求24所述的系统，还包括：
用于确定所述线圈(218)的电流的装置；以及
用于当所述线圈(218)的所述电流约为零时，切换所述功率因数校正门信号(230)的装置。

带干线电压切换的电子镇流器
本申请要求2001年12月21日提交、名称为“High FrequencyBallast”的参考美国临时专利申请No.60/342,951的优先权，在此将其引作参考。
本发明的技术领域是高频镇流器系统，具体而言是带干线电压切换的高频电子镇流器。
高强度放电(HID)灯如汞蒸气灯、金属卤化物灯、高压钠灯和低压钠灯用于各种照明任务。随着HID灯变得更加普及，开发了HID灯的电子镇流器。
HID灯电子镇流器的一个挑战是提高效率。典型地，电子镇流器以一个电网电压(mains voltage)从电网电源接收功率，其中该电网电压转换成另一个DC干线电压，并且该DC干线电压经过调制以供电给HID灯。虽然单独电子镇流器通常设计成在一定范围的电网电压上工作，但是DC干线电压保持为设定值而与电网电压无关。电网电压与DC干线电压之间的差值越大，功率损耗就越大且效率就越低。
从而，需要有一种将克服上述缺点的带干线电压切换的电子镇流器。
本发明的一方面提供了一种带干线电压切换的电子镇流器。
本发明的另一方面提供了一种提供较低功率损耗的带干线电压切换的电子镇流器。
本发明的另一方面提供了一种提供改良效率的带干线电压切换的电子镇流器。
通过下面结合附图阅读的对本发明优选实施例的详细描述，本发明的前述和其他特性和优点将会变得更加清楚。该详细描述和附图仅是为了示例说明本发明，而不是限制由所附权利要求及其等价物限定的本发明范围。
图1示出根据本发明制作的带干线电压切换的电子镇流器的方框图。
图2A-2C示出根据本发明制作的带干线电压切换的电子镇流器的电源的示意图。
图3示出根据本发明制作的带干线电压切换的电子镇流器的灯功率电路的示意图。
图4A-4F示出根据本发明制作的带干线电压切换的电子镇流器的镇流器控制电路的电路。
图5A-5B示出根据本发明制作的带干线电压切换的电子镇流器的干线电压切换电路的方框图。
本发明提供了一种带干线电压切换的高频电子镇流器，它调整DC干线电压输出208以适应电网功率210的不同电压，从而提高了效率。该干线电压切换包括：电网电源200，提供电网功率210和电网电压信号212；镇流器微控制器206，响应电网电压信号212，并且产生功率因数校正PFC电压信号214；以及转换器204，可操作地连接到电网电源200，并且响应PFC电压信号214以产生DC干线电压输出208。对于一个采用功率因数控制的实施例，转换器204包括线圈218、功率因数校正224、开关220以及整流器222。
图1示出根据本发明制作的带干线电压切换的电子镇流器的方框图。为了说明简洁起见，省略了块间的一些连接。电子镇流器100包括：电源110，由电网电压120馈电；灯功率电路130，供电给高强度放电(HID)灯140；以及镇流器控制电路150。电源110调节和修正用于电子镇流器100的功率，灯功率电路130输送功率给HID灯140，并且镇流器控制电路150控制电子镇流器100的操作。
电源110包括：电磁干扰(EMI)滤波器112，位于电源110的输入侧；120V电源114，用于为备用白炽灯116供电；功率因数校正(PFC)电路117；以及辅助低压电源118，用于为镇流器控制电路150供电。灯功率电路130包括电容器组134、谐振半桥136以及点火电路138。镇流器控制电路150包括调光电路152、功率因数校正(PFC)控制电路154、微控制器电路156、功率调节电路158、电流调节电路160以及驱动器电路162。
图2A-2C示出根据本发明制作的带干线电压切换的电子镇流器的电源的示意图。参照图2A，在引接端X1、X2、X3上提供电网电压。电网电压的变化范围可以为约180V到305V，并且典型地为约200V到277V。连接到电网电压的EMI滤波器112包括变压器L3；电容器C1、C2、C4、C6；以及桥式整流器BD1。电路保护可以由浪涌电流限制器RT1和电压抑制变阻器RV1提供。EMI滤波器112的输出作为Aux_Line功率延伸至低压电源。辅线电压在变压器L3之后分支，以作为电网电压信号Vmains供给120V电源。
参照图2B，120V电源114将200-277伏Aux_Line功率降压至120伏以供电给备用白炽灯。HID灯在预热阶段具有低光输出，其中，预热阶段发生于供电之后的大约前一分钟。另外，HID灯在可以被重新点火之前需要冷却，典型地约为5到15分钟。当HID灯未点燃或者以低亮度级点燃时，备用白炽灯提供照明。备用白炽灯根据需要可以是卤素灯或者任何其他120V灯。只要电子镇流器通电，120V电源114就通电。来自镇流器控制电路的ELON信号确定何时120V电源114供电给备用白炽灯。每当HID灯功率小于预定设置点如一半额定HID灯功率从而表示HID灯不提供充足光时，ELON信号导通该灯。
120V电源114包括：比较器电路，响应Aux_Line电压信号，并且提供辅线过零信号；120V微控制器，响应辅线过零信号和辅线电压幅度信号，并且提供120V驱动信号；以及120V驱动器电路，响应120V驱动信号，并且提供120V功率给备用白炽灯。来自镇流器控制电路的ELON控制信号开关比较器电路和120V微控制器以根据需要导通和关断供给备用白炽灯的120V功率。
包括二极管D1、D2、D3和D4的全桥对240-277伏Aux_Line功率整流。整流信号在由电压调节器U2调节之后提供Aux_Line基准信号给比较器U1。整流信号还在由包括电阻器R1和R2的分压器按比例调整之后提供可变Aux_Line电压信号给比较器U1。比较器U1比较Aux_Line基准信号与Aux_Line电压信号，并且提供辅线过零信号给120V微控制器U3。辅线过零信号用来确定辅线频率。
Aux_Line功率由包括电阻器R3和R4的分压器按比例调整，并且在采用二极管D5、电容器C10和电阻器R3、R4进一步调节之后作为辅线电压幅度信号提供给120V微控制器U3。
120V微控制器U3使用辅线过零信号和辅线电压幅度信号以确定用于三端双向可控硅开关元件Q1的120V驱动信号。120V微控制器U3采用预编程查询表来根据辅线电压幅度信号查询三端双向可控硅开关元件Q1的期望定时/相位角，并且针对由辅线过零信号表示的辅线频率来校正。120V驱动信号通过变压器T1开关三端双向可控硅开关元件Q1以提供调节完善地120V功率给备用白炽灯。120V电源114提供调节完善的120V功率，这将延长备用白炽灯的寿命，并且向备用白炽灯提供过电压保护。
来自镇流器控制电路的ELON控制信号开关光隔离器ISO1以根据需要导通和关断供给备用白炽灯的120V功率。为了关断120V功率，光隔离器ISO1将比较器U1以及120V微控制器U3上的主清除引脚的基准电压接地。
图2C示出根据本发明制作的电子镇流器的功率因数校正和低压电源的示意图。功率因数校正电路117接收EMI滤波器的输出电压，并且对提供给辅助低压电源118和灯功率电路的功率升压。
功率因数校正电路117提供高功率因数和低总谐波畸变。功率因数校正电路117相对于电网电压调整供给灯功率电路的干线电压，以减小由于与电网电压无关地保持固定基准电压而将发生的功率损耗。功率因数校正电路117包括变压器T2、开关Q3和二极管D10。电网电压信号Vmains通过电阻器R10以将电网电压信号Vmains提供给镇流器控制电路中的PFC控制电路。PFC控制电路处理电网电压信号Vmains、PFC电流信号Ipfc以及PFC电压信号Vpfc，并且将PFC门信号Gpfc返回给功率因数校正电路117。PFC门信号Gpfc循环开关Q3，从而满足输出电压要求和输入电流要求。在一个实施例中，干线电压Vrail可以针对特定电网电压设为离散值。例如，如果电网电压低于约210-215伏，则干线电压可以设为约400伏。同样地，对于约210到255伏以及约250伏以上的电网电压，干线电压可以分别设为约450伏和约465-480伏。可以使用滞后来防止干线电压在电网功率电压设置点附近的无意切换。本领域的技术人员应该理解，可以使用不同电网电压范围和干线电压以适于具体应用。变压器T2还将零电流输入信号ZCin提供给PFC控制电路，以表示变压器T2中的电流何时达到零。变压器T2还通过Vdimm+和Vdimm-提供功率给镇流器控制电路中的调光电路。功率因数校正电路117通过PFC电压信号Vpfc和比例化PFC输出电压信号Vpf提供电压信号给镇流器控制电路。
辅助低压电源118提供功率给镇流器控制电路部件。辅助低压电源118从功率因数校正电路117的输出获得功率，并且使用开关模式电源IC U5产生15伏的低压功率。电压调节器Q5调节来自开关模式电源IC U5的输出。电压调节器Q5的输出通过Vccpfc线提供功率给PFC控制器，并且通过+15线提供功率给其他镇流器控制电路部件。
图3示出根据本发明制作的带干线电压切换的电子镇流器的灯功率电路的示意图。灯功率电路130包括电容器组134、谐振半桥136和点火器138。电容器组134充当能量缓冲器。谐振半桥136从EMI滤波器接收功率，并且转换功率以驱动HID灯。点火器138在灯启动期间提供高压给HID灯。
位于功率因数校正电路输出侧的电容器组134包括电解电容器C15和C16。谐振半桥136包括开关Q7、Q9，电感器L4和电容器C17。供给HID灯的功率由电感器L4和电容器C17的阻抗以及开关Q7和Q9分别响应高门信号Hgate和低门信号Lgate而交替开关的频率来控制。高门信号Hgate和低门信号Lgate以及它们各自的地HSource和Lsource由镇流器控制电路提供。
来自谐振半桥136的信号也提供信息给镇流器控制电路。灯功率信号Psense+通过测量电阻器R12两端的电压来提供以表示向谐振半桥136的功率输入。检测灯电流信号Isense+到Isense-通过测量流经与电感器L4和电容器C17串联的变压器T3的电流来提供。HID灯的电压可以通过将灯功率除以灯电流来确定。
点火器138包括：DC偏置电路139，可操作地连接到电感器L4和电容器C17的接点；箝位电路137，可操作地连接到电感器L4上的次级绕组、以及电容器C19。结合由DC偏置电路139施加于电容器C17的DC偏置电压，通过电感器L4和电容器C19之间的谐振来生成HID灯的点火电压。谐振是第一谐波共振。
DC偏置电路139包括二极管D12、D14、D16，电容器C21、C23、C25，电阻器R1 4和二极管D18。在生成点火电压的期间，DC偏置电路139将DC偏置电压提供给电容器C17，以减小开关Q7和Q9中的电流。DC偏置电压的幅度是电感器电压的固定比率。DC偏置电压由电感器L4上的谐振电压控制，该谐振电压由流经电感器L4的电流确定。当变压器T3测量流经电感器L4的电流，并且将检测灯电流信号Isense+到Isense-提供给镇流器控制电路中的镇流器微控制器时，提供反馈回路。镇流器控制电路以供给开关Q7和Q9的Hgate、Lgate、Hsource和Lsource信号控制频率扫描。DC偏置电压根据具体应用可以设在约1kV与2.5kV之间。
还提供了硬件控制/限制电路以控制电感器L4上的电压。硬件控制/限制电路包括线圈L6、二极管D21、电容器C27、电阻器R16以及齐纳二极管D20。流经线圈L6的电流产生由二极管D21整流且由电容器C27滤波的电压，以产生压控振荡器(VCO)反馈信号VCOfb。VCO反馈信号作为反馈控制和限制提供给镇流器控制电路中的压控振荡器(VCO)，从而允许镇流器控制电路控制电感器L4上的电压。在一个实施例中，线圈L6是饱和线圈，以减小二极管D24、D25、D26、D27的开关效应。
箝位电路137包括电感器L4的次级绕组，二极管D24、D25、D26、D27的整流器电桥，电容器C29和二极管D21。如果次级绕组电压变得太高，则箝位电路137导通，从而将电感器L4上的电压限制于电路地之上的干线电压。电感器L4的次级绕组的绕组比率可以用来设置箝位电路137导通的电压。
在另一个实施例中，可以与电容器C19串联来提供响应来自镇流器控制电路的点火信号的点火开关(未示出)。点火开关可以允许镇流器控制电路根据提供给镇流器控制电路的控制信息对HID灯的点火进行正控制。
图4A-4F示出根据本发明制作的带干线电压切换的电子镇流器的镇流器控制电路的电路图。图4A示出根据本发明制作的电子镇流器的调光电路的示意图。模拟调光信号是在插口J2由调光电路152接收的手工或自动可调整输入信号。模拟调光信号根据具体应用的要求可以是0-10伏或者其他电压范围。镇流器控制电路150中的调光电路152由正温度系数(PTC)过电流保护器RT2和齐纳二极管D30保护以防止插口J2处的高输入电压。模拟调光信号供给压控振荡器U9，压控振荡器U9将模拟调光信号转换成其频率与模拟调光信号电压成正比的频率调光信号Dimm。频率调光信号Dimm提供给光耦合器ISO1，这将调光电路152输出与微控制器电路相隔离。功率因数校正电路通过Vdimm+和Vdimm-提供功率给调光电路152，其中电压调节器U7提供电压稳定化。
图4B示出根据本发明制作的电子镇流器的镇流器控制电路150中的功率因数校正(PFC)控制电路154的示意图。使用功率因数校正U10，PFC控制电路154处理电网电压信号Vmains、PFC电流信号Ipfc以及来自功率因数校正电路的PFC电压信号Vpfc，并且将PFC门信号Gpfc返回给功率因数校正电路。PFC控制电路154接收零电流输入信号ZCin以表示PFC电路中的变压器的电流何时达到零。
特定电网电压范围的目标干线电压由电阻器R20、R21、R22和R23的电阻器组设置。镇流器微控制器响应电网电压信号Vmains，并且提供电源功率因数电压信号Vpf_3、Vpf_2、Vpf_1和Vpf_0，它们将电阻器组中的各个电阻器通过开关接地。电阻器组提供对应于可能干线电压的不同电压，它们偏置供给功率因数校正U10的PFC电压信号Vpfc。
图4C和4D分别示出根据本发明制作的电子镇流器的微控制器电路和镇流器微控制器细节的示意图。镇流器微控制器U12是电子镇流器和镇流器控制电路的主控制部件。微控制器电路156接收有关整个电子镇流器内的各参数的信息，并且将控制信号提供给各部件。振荡器Y1将典型地约为4MHz的振荡信号提供给镇流器微控制器U12。镇流器微控制器U12从功率调节电路接收5V功率，而功率调节电路从辅助低压电源接收15V功率。EEPROM U14存储提供给镇流器微控制器U12的信息，以将电子镇流器调至适当的功率电平、起动电流和点火电压。
来自调光电路的调光信号Dimm是向微控制器电路156的输入，它引导镇流器微控制器U12以通过调整供给功率调节电路的功率基准信号Pref设置供给HID灯的功率。
Sweep信号是从微控制器电路156到驱动器电路的输出，以在点火期间扫描频率并且产生所需电压。Sweep信号是点火电压信号Vign的函数。Sweep信号还调制稳定状态操作期间的灯电流频率，以提高弧光稳定性。稳定状态操作在转让给与本发明相同的受让人的美国专利申请No.10/043,586中有描述，在此将其引作参考。
功率基准信号Pref是来自镇流器微控制器U12的输出，并且向功率调节电路提供功率基准信号，以将其与经过处理的检测功率信号进行比较以调整HID灯的输出。功率基准信号Pref控制HID灯功率，并且是测量干线电压Vpf和检测功率信号Pwr的函数。功率基准信号Pref也可以是频率调光信号Dimm和来自EEPROM U14的校准常数的函数。SCL和SDA信号将来自EEPROM U14的存储信息如功率电平、起动电流和点火电压传送到镇流器微控制器U12。
电源功率因数电压信号Vpf_3、Vpf_2、Vpf_1和Vpf_0是来自镇流器微控制器U12的输出，从而向PFC控制电路中的电阻器组提供接地以设置目标干线电压。Vpf_3、Vpf_2、Vpf_1和Vpf_0的接地是电网电压Vmains的函数。
Tx和Rx信号使用RS232接口协议通过端口J1提供镇流器微控制器U12与外部于电子镇流器的装置之间的通信。
输入电压信号Vmains是从PFC控制电路154到镇流器微控制器U12的输入，并且表示电网电压电平。输入电压信号Vmains确定镇流器微控制器U12设置电源功率因数电压信号Vpf_3、Vpf_2、Vpf_1和Vpf_0的输出。
比例化PFC输出电压信号Vpf是从功率因数校正电路117到镇流器微控制器U12的输入，并且表示干线电压。
处理功率信号Pwr是从功率调节电路到镇流器微控制器U12的输入，并且表示供给HID灯的功率。除以灯电流信号Isense+之后的处理功率信号Pwr提供HID灯电压。处理功率信号Pwr、比例化PFC输出电压信号Vpf、来自EEPROM U14的校准常数以及调光信号Dimm用来确定控制HID灯功率的功率基准信号Pref。
温度信号Ts是从微控制器电路156的过电流保护器RT3到镇流器微控制器U12的输入，并且表示电子镇流器的温度。温度信号Ts可以由镇流器微控制器U12使用以判定是否应切断电子镇流器以避免破坏：镇流器微控制器通过切换切断信号SD来切断电子镇流器。
点火电压信号Vign是从点火器到镇流器微控制器U12的输入，并且表示提供给HID灯以点火的电压。点火电压信号Vign可以由镇流器微控制器U12用来确定扫描信号Sweep的幅度以启动HID灯。
灯电流信号Isense+是从电流调节电路到镇流器微控制器U12的输入，其中电流调节电路从谐振半桥接收信号。灯电流信号Isense+表示供给HID灯的电流，并且用来控制起动电流限制信号Iworm。灯电流信号Isense+还用来计算灯电压，该电压可以用于诸如确定故障情形的功能。
镇流器微控制器U12可以通过将处理功率信号Pwr除以灯电流信号Isense+来确定HID灯的电压。镇流器微控制器U12可以使用处理功率信号aPwr、电流信号Isense+以及算出的HID灯电压来确定功率基准信号Pref的幅度以控制HID灯。功率基准信号Pref也可以是频率调光信号Dimm和来自EEPROM U14的校准常数的函数。
ELON信号是从镇流器微控制器U12到120V电源的输出，并且确定120V电源何时供电给备用白炽灯。每当由供给镇流器微控制器U12的Pwr信号表示的HID灯功率达到预定设置点时，ELON信号关断备用白炽灯。可以使用诸如约50％额定HID灯功率的预定设置点来表示HID灯提供充足光的点。
起动电流限制信号Iworm是从镇流器微控制器U12到驱动器电路的压控振荡器的输出。起动电流限制信号Iworm设置灯电流限制电平，并且在低HID灯电压下需要它来限制起动电流。起动电流限制信号Iworm是表示供给HID灯的电流的灯电流信号Isense+的函数。
反相通电信号-Pwr_On是用于初始化镇流器微控制器U12的加电/复位信号。
切断信号SD是从镇流器微控制器U12到驱动器电路的高端和低端驱动器的输出。切断信号SD在诸如无灯点火、灯电压超出范围、镇流器温度高和电网电压低的故障状态下关断HID灯。
图4E示出根据本发明制作的电子镇流器的功率调节电路158和电流调节电路160的示意图。功率调节电路158将检测灯功率信号与功率基准信号进行比较，以确定传给电流调节电路160的功率误差信号。电流调节电路160使用功率误差信号和检测灯电流以确定传给驱动器电路162的总误差信号。
功率调节电路158包括运算放大器U16和U17。运算放大器U16接收表示通过谐振半桥的开关Q9的功率的灯功率信号Psense+(参见图3)。运算放大器U16调节和限制灯功率信号以产生处理功率信号Pwr，该信号提供给运算放大器U17以及微控制器电路。运算放大器U17将处理功率信号Pwr与来自微控制器电路的功率基准信号Pref进行比较以产生提供给电流调节电路160的功率误差信号Perr。功率调节电路158还包括电压调节器U21以供电给微控制器电路。
电流调节电路160包括运算放大器U18和U19。运算放大器U18将功率误差信号Perr与来自谐振半桥的检测灯电流信号Isense+进行比较以产生提供给运算放大器U19的功率/电流误差信号PIerr。运算放大器U19调节和限制功率/电流误差信号PIerr，并且产生提供给驱动器电路的总误差信号Err。
从微控制器电路到运算放大器U19的扫描信号Sweep在点火期间扫描频率并且产生所需电压，并且在稳定状态操作期间调制灯电流频率以提高弧光稳定性。稳定状态操作在转让给与本发明相同的受让人的美国专利申请No.10/043,586中有描述，在此将其引作参考。
图4 F示出根据本发明制作的电子镇流器的驱动器电路162的示意图。驱动器电路162从电流调节电路接收总误差信号Err来表示要提供给HID灯的期望功率，并且将高门信号Hgate和低门信号Lgate提供给谐振半桥以控制供给HID灯的功率。
驱动器电路162包括压控振荡器(VCO)U24，驱动器门U26、U27、U28、U29、U30以及高端和低端驱动器U32。VCO U24从电流调节电路接收总误差信号Err，并且提供与总误差信号Err的电压成正比的时钟控制VCO输出信号VCOUT。如果需要，来自微控制器电路的起动电流限制信号1worm或运行切断信号SD可以切断VCO U24以关断HID灯。
这些驱动器门接收VCO输出信号VCOUT，该信号经三个驱动器门U26、U27、U28产生高输入信号Hin，并且经两个驱动器门U29和U30产生低输入信号Lin。采用奇数个数的驱动器门以产生高输入信号Hin和采用偶数个数的驱动器门以产生低输入信号Lin导致高输入信号Hin和低输入信号Lin具有相反的极性，其中这两个信号之间存在死区时间。
高端和低端驱动器U32调节来自驱动器门的高输入信号Hin和低输入信号Lin，并且将高门信号Hgate和低门信号Lgate提供给谐振半桥。如果需要，来自微控制器电路的运行切断信号SD可以切断VCOU24以关断HID灯。
图5A-5B示出根据本发明制作的带干线电压切换的电子镇流器的干线电压切换电路的方框图。参照图5A，电网电源200是提供电网功率210给转换器204的AC或DC电源。镇流器微控制器206响应来自电网电源200的电网电压信号212，并且提供功率因数校正(PFC)电压信号214给转换器204。转换器204提供可以经过调制以驱动HID灯的DC干线电压输出208。
电网电源200提供电网功率210给转换器204。电网电源200可以是为单个电子镇流器或一组电子镇流器供电的任何AC或DC电源。来自电网电源200的额定电压可以根据由本地电业和本地配电网提供的功率而不同。实际电压可以根据本地电业和本地配电网的功率需求而随着时间发生变化。在大多数地方，电网电压的变化范围可以为约180VAC到305VAC，并且典型地为约200VAC到277VAC。电网电压信号212将电网电源200的电压提供给镇流器微控制器206。
镇流器微控制器206是响应电网电压信号212并且提供PFC电压信号214的任何控制装置，例如由Microchip Technology Inc.制造的PIC16C73B8比特CMOS微控制器。在一个实施例中，镇流器微控制器206存储多个常数并且执行计算来为给定电网电压信号212确定期望PFC电压信号214。在另一个实施例中，镇流器微控制器206可以存储为给定电网电压信号212关联并提供期望PFC电压信号214的查询表。PFC电压信号214提供给PFC电压信号214。
转换器204响应PFC电压信号214，并且使用电网功率210提供DC干线电压输出208。转换器204可以是能够将电网功率210转换成具有期望电压和质量的DC输出的任何开关型转换器。典型转换器装置和布局(topology)是降压(buck)转换器、升压转换器、降压-升压转换器、回扫转换器、单端初级电感器转换器(SEPIC)以及Cuk转换器。本领域的技术人员应该理解，对于具体应用，多个转换器装置和布局是适合的。
镇流器微控制器206通过为特定电网电压选择适当的PFC电压信号214来确定应该如何为给定电网电压设置DC干线电压输出208。DC干线电压输出208可以针对特定电网电压设为分立值。镇流器微控制器206可以为每一个特定范围的电网电压信号212提供一个PFC电压信号214。本领域的技术人员应该理解，可能的电网电压范围可以根据具体应用的需要分成多个电网电压范围。典型地，DC干线电压输出可以针对较低的电网电压设得较低，并且针对较高电网电压设得较高。如果采用很多电网电压范围，则DC干线电压输出可以近似电网电压的连续函数。可以采用滞后来防止当电网电压信号接近于电网功率设置点时DC干线电压输出无意地来回切换。
在一个采用两个电网电压范围的例子中，可能电网电压的范围可以分成低于电网功率设置点V₁的第一电网电压范围和高于电网功率设置点V₁的第二电网电压范围。如果电网电压落在第一电网电压范围内，则DC干线电压输出208设为第一DC干线电压输出，而如果电网电压落在第二电压范围内，则DC干线电压输出208设为第二DC干线电压输出。
在另一个采用三个电网电压范围的例子中，可能电网电压的范围可以分成低于第一电网功率设置点V₁的第一电网电压范围、从第一电网功率设置点V₁到第二电网功率设置点V₂的的第二电网电压范围、以及高于第二电网功率设置点V₂的第三电网电压。如果电网电压落在第一电网电压范围内，则DC干线电压输出208设为第一DC干线电压输出。如果电网电压落在第二或第三电压范围内，则DC干线电压输出208分别设为第二或第三DC干线电压输出。
针对一个示出典型电压值的采用三个电网电压范围的例子，对于低于约210-215伏的第一电网功率设置点V₁的电网电压，DC干线电压输出可以设为约400伏。对于约210-215伏的第一电网功率设置点V₁与约250伏的第二电网功率设置点V₂之间的电网电压，DC干线电压输出可以设为约450伏。对于高于约250伏的第二电网功率设置点V₂的电网电压，DC干线电压输出可以设为约465到480伏。本领域的技术人员应该理解，针对具体应用可以采用不同电网电压范围和DC干线电压输出。
不管电网电压范围的数目，都可以使用滞后来防止当电网电压信号212接近于电网功率设置点时DC干线电压输出无意地来回切换。例如，当电网电压升高时，DC干线电压输出208可以在电网功率设置点V₁从第一DC干线电压输出变至第二DC干线电压输出，而当电网电压降低时，不从第二DC干线电压输出切换到第一DC干线电压输出，直到电网电压达到小于V₁一个偏移量的值。对于以约200-277伏工作的电网电压和采用三个电网电压范围的带干线电压切换的电子镇流器，可以采用20-30伏的滞后。
其中相同的元件与图5A共用相同标号的图5B示出根据本发明制作的带干线电压切换且采用功率因数校正的电子镇流器的干线电压切换电路的方框图。在本例中，转换器204是增压型转换器，并且包括线圈218、开关220、整流器222以及功率因数校正224。线圈218的输入从电网电源200接收电网功率210，并且线圈218的输出可操作地连接到开关220和整流器222。功率因数校正224响应PFC电压信号214，并且提供PFC门信号230给开关220。开关220响应PFC电压信号214在公共和断开之间切换线圈218的输出，以提供调制功率232给整流器222，整流器222提供DC干线电压输出208。开关220可以是MOSFET、开关晶体管、绝缘门双极晶体管(IGBT)或者任何开关装置。一个示例性MOSFET是由STMicroelectronics制造的STP11NM60。整流器222根据具体应用的需要可以是二极管、全桥整流器、半桥整流器或者其他整流装置。一个示例性桥式整流器是由Fairchild Semiconductor制造的KBU4J。
零电流输入信号236表示来自线圈218的线圈电流，并且提供给功率因数校正224。在本实施例中，功率因数校正224以临界导通模式工作，从而响应来自线圈218的零线圈电流切换开关220。当电流波形遵循电网电源200的电压波形时，这提供改良功率因数。
监测流经开关220的电流并提供给功率因数校正224的可选PFC电流信号234可以用作转换器204的电流反馈控制。在本实施例中，功率因数校正224响应PFC电流信号234以及PFC电压信号214，并且使用这两个信号来确定PFC门信号230。
图2C、4B和4C提供了带干线电压切换并且采用功率因数校正的电子镇流器的一个特定实施例。参照图2C，通过作为线圈的功率因数校正电路117的变压器T2提供电网功率。零电流输入信号Zcin从变压器T2的次级绕组引出并且提供给PFC控制电路。开关Q3响应PFC门信号Gpfc以对二极管D10开关变压器T2的输出，从而产生DC干线电压输出。监测流经开关Q3的电流的PFC电流信号Ipfc提供给功率因数校正。参照图4C，微控制器电路156的镇流器微控制器U12响应电网电压信号Vmains，并且提供电源功率因数电压信号Vpf_0、Vpf_1、Vpf_2和Vpf_3。镇流器微控制器U12根据电网电源电压切换各个电源功率因数电压信号。参照图4B，电源功率因数电压信号Vpf_0、Vpf_1、Vpf_2和Vpf_3提供PFC电压信号Vpfc给PFC控制电路154的功率因数校正U10，功率因数校正U10提供PFC门信号Gpfc给开关Q3。功率因数校正U10还响应零电流输入信号Zcin和PFC电流信号Ipfc。
值得注意的是，图1-5示出了本发明的特定应用和实施例，并且不旨在限制本公开内容或者在其中提供的权利要求的范围。当阅读说明书和查阅其附图时，本领域的技术人员应该立即清楚本发明的各种其他实施例是可能的，并且这些实施例也落在本发明的范围内。
尽管在此公开的本发明实施例目前被认为是优选的，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改和变更。本发明的范围在所附权利要求中限定，并且在等价物的含义和范围内的所有变更旨在包括在其中。