用于驱动放电灯的灯驱动器电路和方法.pdf

一种灯驱动器电路(400)，包括一个反馈电路，反馈电路用于控制放电灯(La)的稳定操作，放电灯例如是诸如分子辐射灯之类的电感耦合的放电灯，反馈电路还用于控制放电灯(La)的光输出水平。具体来说，如果放电灯(La)在暗光输出水平操作，光输出对灯电压(VLa)的变化是敏感的，可能导致闪烁。为了控制灯的稳定操作并防止闪烁，提供高速反馈电路来控制操作频率。为了提供用于控制光输出水平的相对较大的变暗水平的范围，提供低速反馈电路来控制直流电源电压(VDC)。

1、  用于以设定的灯功率操作放电灯(La)的灯驱动器电路(400)，所述的灯驱动器电路包括：
直流电源电压电路(408)，用于产生直流电源电压(V_DC)；
输出电路，用于向所述放电灯(La)提供交流电流，输出电路包括逆变器电路，用于以操作频率从直流电源电压产生交流电流；
反馈电路，反馈电路包括：
实际灯功率检测电路，用于确定实际灯功率；
耦合到逆变器电路的高速反馈电路，用于响应已确定的实际灯功率和设定的灯功率之间的功率差控制交流电流的操作频率，以便维持稳定的灯操作；和
耦合到直流电源电压电路的低速反馈电路，用于响应已确定的实际灯功率和设定的灯功率之间的功率差控制直流电源电压，以便控制实际灯功率。

2、  根据权利要求1所述的灯驱动器电路，其中：实际灯功率检测电路包括一个与逆变器电路串联耦合的电阻器(R1)，用于确定流经逆变器电路的逆变器电流，该逆变器电流基本上等于实际灯功率除以直流电源电压。

3、  根据权利要求1所述的灯驱动器电路，其中：所述高速反馈电路包括压控振荡器，VCO(104)，将该压控振荡器配置成接收代表所述功率差的电压信号，从而以合适的操作频率转换所述的功率差。

4、  根据权利要求3所述的灯驱动器电路，其中：逆变器电路包括至少两个桥式拓扑的开关元件(S1、S2)，所述灯驱动器电路进一步还包括逆变器驱动器电路(106、108)，用于控制开关元件的切换，所述逆变器驱动器电路耦合到压控振荡器的输出端。

5、  根据权利要求4所述的灯驱动器电路，其中：
将所述低速反馈电路配置成接收一个设定频率；
所述低速反馈电路耦合到压控振荡器的一个输出端以便接收所述操作频率；以及
将所述低速反馈电路配置成响应操作频率和设定频率之间的频率差来控制直流电源电压，将高速反馈电路配置成作为响应朝设定频率调节操作频率。

6、  根据权利要求1所述的灯驱动器电路，其中：低速反馈电路配置成接收设定频率，以便确定操作频率并且响应操作频率和设定频率之间的差控制直流电源电压，高速反馈电路配置成作为响应朝设定频率调节操作频率。

7、  用于以设定的灯功率操作放电灯的方法，所述的方法包括：
产生直流电压；
以操作频率从直流电压产生交流电流；
向放电灯提供交流电流；
确定实际灯功率；
响应所确定的实际灯功率和设定的灯功率之间的差控制交流电流的频率，以便维持稳定的操作；和
响应所确定的实际灯功率和设定的灯功率来控制直流电压，以便控制实际灯功率。

8、  权利要求7的方法，其中：响应操作频率和预定频率之间的差来控制直流电压。

用于驱动放电灯的灯驱动器电路和方法
技术领域
本发明涉及驱动放电灯的灯驱动器电路和方法。具体来说本发明适合用于驱动一种放电灯，这种放电灯显示出随灯电压的变化而陡峭变化的阻抗。
背景技术
使用开环灯驱动器电路来操作放电灯在本领域中是众所周知的。灯驱动器电路包括一个逆变器(inverter)电路，用于产生合适的交流电流来驱动灯。在制造期间针对输出功率来校准这样一个开环驱动器电路。
公知的放电灯，例如分子辐射灯之类的电感耦合的放电灯，可能显示出输出功率和在灯接线柱(lamp terminals)上的电压之间的陡峭的关系。灯电压尤其取决于所提供的交流电流的频率，因此输出功率也取决于所提供的交流电流的频率。另外，在启动期间，灯的阻抗可能显示出陡峭的变化。于是，开环的灯驱动器电路可能不适合驱动这样的放电灯，因为开环的灯驱动器电路不能保证灯的稳定操作。
而且，可能期望控制在启动和稳态操作期间的灯功率。由于上述的陡峭关系，开环的灯驱动器电路可能不适合调节输出功率。
使用反馈电路并因此使用闭环的灯驱动器电路来驱动放电灯是公知的。例如可以响应实际的灯功率来控制交流电流的频率。然而，由于电磁干扰的规定，用于控制的频率范围可能要受到限制，不允许控制稳定性和调控功率这两者，尤其在启动和用于调暗期间不允许。
另一种可能性是控制直流电压，逆变器电路从该直流电压产生交流电流。然而，由于在直流电压总线上存在相对较大的用于能量缓冲的电容，这样的控制系统相对较慢，而对于稳定性控制则要求相对较快的控制。
发明内容
期望提供用于操作呈现陡峭阻抗变化的放电灯的方法和电路，所述的方法和电路适合控制稳定性和在相对较大范围上控制功率这两者。
这个目的在根据权利要求1所述的灯驱动器电路中和在根据权利要求7所述的用于操作放电灯的方法中实现。
按照本发明，提供包括高速反馈电路部分和低速反馈电路部分的反馈电路。响应确定的实际灯功率和设定的灯功率(即预先确定的或选定的灯功率)之差，来控制频率和直流电压这两者。控制频率以维持操作期间的稳定性，因为频率可以在相对较短的时间内得以调节。调节直流电压以允许放电灯在相对较大的功率范围内进行操作。
在一个实施例中，实际灯功率检测电路包括与灯驱动器电路的逆变器电路相连的一个电阻器。流经逆变器电路的逆变器电流可以用作实际灯功率的度量，因为逆变器电流与实际灯功率成比例，具体来说，逆变器电流基本上等于实际灯功率除以直流电源电压。
在一个实施例中，高速反馈电路包括一个压控振荡器(VCO)，将其配置成接收代表功率差的一个电压信号，以便用合适的操作频率转换功率差。
在一个实施例中，将低速反馈电路配置成接收设定频率，即预先确定的或选定的频率。进而，将低速反馈电路配置成确定操作频率并响应操作频率和设定频率之间的频率差来控制直流电源电压。相应地，高速反馈电路可以向设定频率调节操作频率。于是，获得了过程和精细的控制方法，借此防止高速反馈电路和低速反馈电路之间的干扰。因为高速反馈电路的带宽显著地大于低速反馈电路的带宽，所以高速反馈电路将跟踪低速反馈电路的直流电源电压的变化。因此与低速反馈电路相比，高速反馈电路占主导地位。
附图说明
下面，参照附图中表示的非限制性实施例详细说明本发明，其中：
图1表示说明放电灯的灯电压和灯功率之间的关系的示意图；
图2A表示说明放电灯的灯电流频率和灯功率之间的关系的示意图；
图2B表示说明放电灯的灯电流频率和灯电压之间的关系的示意图；
图3示意地表示包括高速反馈电路的灯驱动器电路的一个实施例；
图4示意地表示按照本发明的灯驱动器电路的一个实施例；
图5表示说明灯电流频率、灯功率、和直流电源电压之间关系的示意图；
图6示意地表示用于按照本发明的灯驱动器电路的高速反馈电路的一部分；
图7表示说明点火期间灯电流频率和灯电压之间的关系的示意图；以及
图8示意地表示按照本发明的灯驱动器电路的一个实施例。
具体实施方式
下面，相同的附图标记指的是类似的元件。
图1表示说明放电灯的灯电压V(处于水平轴)和灯功率P(处于垂直轴???)之间关系的示意图，所说的放电灯具体来说是电感耦合的放电灯，如分子辐射灯。灯电压V是在灯操作期间在灯接线柱上的电压。在灯功率水平A，灯电压V可以变化而不直接影响灯功率P，因为所示的曲线基本上是平的。所以，在功率水平A放电灯可以稳定地操作。
如果放电灯以不同的功率水平如功率水平B操作，由于灯电压V和灯功率P之间的陡峭的关系，为了维持稳定的操作，在灯驱动器电路中需要一个反馈电路。
反馈电路可以控制提供给灯的交流电流的频率，这在本领域中是公知的。图2A表示说明交流灯电流的频率(处于水平轴)和灯功率(处于垂直轴)之间关系的示意图。从所示的曲线显然看出，在电流频率约为2.9兆赫兹处获得了最大灯功率。图2B表示说明交流灯电流的频率(处于水平轴)和灯电压(处于垂直轴)之间关系的示意图。图2B所示的曲线基本上等于图2A中所示的曲线，在约为2.9兆赫兹的灯电流频率处获得最大灯电压。
图3说明包括用于控制灯电流频率的合适反馈电路的灯驱动器电路100的一个实施例。灯驱动器电路连接到灯La。逆变器电路包括两个开关元件S1和S2，它们按照半桥拓扑布局进行连接。电感器L1和电容器C1连接到逆变器电路的输出节点。逆变器电路、电感器L1和电容器C1可以操作，以产生合适的交流灯电流提供给灯La。要说明的是，所示的电路是示意表示的，实际上这个电路可以包括另外的元件和连接。
逆变器电路，具体来说即两个开关元件S1和S2连接到反相驱动器电路108。驱动器电路108连接到定时信号发生器106。逆变器驱动器电路108可以包括一个电平移动器110和一个通/断控制电路。定时信号发生器106和逆变器驱动器电路可以操作以产生合适的控制信号，用于控制逆变器电路的开关元件S1、S2的通/断切换。
定时信号发生器106连接到压控振荡器(VCO)104。压控振荡器连接到第一PI(比例积分)控制器102。第一PI控制器102连接到比较器118。比较器118进一步连接到功率设定元件116。功率设定元件116响应设定的灯功率，即预先确定的或用户选定的灯功率水平，向比较器118提供设定的灯功率信号。
比较器118进一步还接收指示实际灯功率的实际灯功率信号。在图3所示的实施例中，电阻器R1与逆变器电路串联连接，流经逆变器的逆变器电流也流经电阻器R1。因此，在电阻器R1的一端产生一个电阻器电压。因为逆变器电流与实际灯功率成比例，所以电阻器电压与实际灯功率成比例。具体来说，逆变器电流基本上等于灯功率除以提供给逆变器电路的直流电源电压V_DC。通过一个低通滤波器电路114给电阻器电压滤波，在此之后将电阻器电压提供给比较器118。
在操作中，经过比较器118将设定的功率水平提供给第一PI控制器102和压控振荡器104。压控振荡器104产生合适的操作频率信号，操作频率信号提供给定时信号发生器106和逆变器驱动器电路108。作为响应，逆变器驱动器电路108产生提供给开关元件S1和S2的通/断开关信号，开关元件S1和S2以对应于压控振荡器104产生的操作频率信号的操作频率交替地切换导通和不导通。根据这个频率产生交流灯电流，并将这个交流灯电流提供给灯La。
灯La消耗的功率是使用电阻器R1作为实际灯功率检测电路确定的。所确定的实际灯功率信号提供给比较器118。比较器118现在将功率差信号提供给第一PI控制器102，这个功率差信号指示实际灯功率和设定的灯功率之间的功率差。PI控制器响应这个功率差信号来调节提供给压控振荡器104的信号，压控振荡器104作为响应相应地调节操作频率信号。最终，通过逆变器电路调节了交流灯电流的频率，实际灯功率的变化是由于逆变器电路引起的，如图2A所示。于是，控制了实际的灯功率，使其变得基本上等于设定的灯功率。
再次参照图2A，由于存在电磁干扰的规定，可能要求交流电流频率位于特定的范围内，具体来说位于2.2-3.0兆赫兹的范围内。从图2A显然可以看出，实际灯功率的控制范围因此受到了限制，具体来说在约50瓦-约85瓦的对应范围中。这样一个控制范围不够大，特别地，对于放电灯的启动阶段期间的合适的控制，这个范围是不够大的，因为在启动期间要求至少50％的功率提升(power boost)。
为了达到合适的功率控制范围，加入了一个相对较慢的、即低速反馈回路，如图4所示。在图4的实施例中，进一步为高速反馈电路100提供一个低速反馈电路200。在图4中，高速反馈电路的元件是：功率设定元件116、比较器118、第一PI控制器102、压控振荡器104和低通滤波器114。将定时信号发生器、逆变器驱动器电路、逆变器电路、电感器和电容器表示为单个的驱动器电路元件120。
低速反馈电路200包括频率设定元件202和比较器204。频率设定元件202响应设定频率，即预先确定的或用户选定的灯电流频率，向比较器204提供设定频率信号。比较器202进一步还连接到压控振荡器104的输出，用于接收指示实际操作频率的操作频率信号。比较器202输出指示设定频率和操作频率之间的差的频率差信号。这个差提供给第二PI控制器206。第二PI控制器206的输出提供给直流电源电压发生器208。进一步为直流电源电压发生器208提供交流电源电压，如电源电压。然而，还可以为直流电源电压发生器208提供另一个直流电压，并且将这个直流电压转换成与第二PI控制器206的输出对应的合适的直流电源电压。将所产生的直流电源电压提供给灯驱动器电路元件120，用于产生交流灯电流。
参照图5说明图4所示的灯驱动器电路的操作。图5表示的是如图2A所示的灯电流频率-灯功率的关系。在图5中表示出多个曲线。每个曲线代表一个直流电源电压电平。另外，还示出了最小频率f_min和最大频率f_max。按照电磁干扰规定选择最小频率f_min和最大频率f_max。最小频率f_min选为2.4兆赫兹，最大频率f_max选为2.8兆赫兹。另外，设定频率选为2.6兆赫兹。要注意的是，可以按照对本领域的普通技术人员而言显而易见的不同方式选择这些频率。
在图5中，假定灯是在稳定的状态模式下操作的。例如，灯在起始时是在期望的2.6兆赫兹和约为42瓦的条件下操作的。直流电源电压于是等于电压电平V₁。
现在参照附图4和5，如果设定功率然后例如增加到55瓦，则在设定功率和实际功率之间产生差，并且通过比较器118产生一个对应的信号。相应地，压控振荡器104将操作频率增加到最大频率f_max，即2.8兆赫兹，如箭头300所示。由于操作频率现在偏离设定频率2.6兆赫兹，比较器204向第二PI控制器206和直流电源电压电路208提供相应的信号，导致直流电源电压从电压电平V₁增加到最终的电压电平V₂，如箭头302所示。因为实际功率(60瓦)然后超过了设定功率(55瓦)，压控振荡器104降低操作频率，一直到实际功率等于设定功率55瓦时为止，如箭头304所示。然而，由于操作频率(约2.7兆赫兹)这时仍旧还高于设定频率(2.6兆赫兹)，直流电源电压还要进一步增加到电压电平V₃，如箭头306所示。由于实际功率的最终增加，高速反馈电路再一次降低操作频率，如箭头308所示，借此在交流灯电流频率为2.6兆赫兹时实现了实际灯功率55瓦的期望设定。
要说明的是，所选最大频率f_max要比最大功率频率低，最大功率频率也就是提供最大功率的频率(在图5中f＝约2.9兆赫兹)。例如由于制造容差和最大功率频率的变化，有可能出现的情况是，可以控制操作频率，使其高于实际的最大功率频率。在这种情况下，如从图2A和5显然可以看出，控制回路可能变得不稳定，因为灯功率不是增加而是随着操作频率的增加而减小。于是，控制回路可能会切换极性并转变180°，并且变得不稳定。
图6表示用于按照本发明的灯驱动器电路中的高速反馈电路的一部分。具体来说，图6所示的电路部分包括：功率设定元件116、比较器118、第一PI控制器102和压控振荡器104。另外，第一开关126连接在比较器118、第一PI控制器102和地端之间。第二开关130连接在第一PI控制器102、压控振荡器104和点火设定元件128之间。点火设定元件128配置成向压控振荡器104而不是向第一PI控制器102提供频率控制信号。借此，通过适当地切换第一开关126，将第一PI控制器102的输入耦合到地。通过适当地切换第二开关130，将压控振荡器104的输入耦合到点火设定元件128。
压控振荡器104的输出耦合到合适的驱动器电路，以便提供驱动器信号Sdr，即操作频率信号。反馈信号Sfb，即实际灯功率信号，提供给比较器118，如参照图3所说明的。
如图7所示，为了点火放电灯，将合适的高电压提供给放电灯。在图7中，在水平轴上表示操作频率(兆赫兹)。沿着垂直轴表示最终的输出电压(峰值电压)。输出电压是在灯接线柱上的电压，即灯电压。为了产生合适的高压，选择相对较高的操作频率如3兆赫兹(图7中的P₁)作为起动频率，并且检测最终的灯电压。然后将代表灯电压的信号提供给控制单元。如果检测的灯电压低于预定的点火电压V_ign，则通过点火设定元件128由控制单元降低这个频率。由于灯驱动电路(包括放电灯)中的共振，灯电压随操作频率的减小而增加，直到灯电压等于点火电压V_ign(图7中的P₂)时为止。
点火之后，切换第一开关126和第二开关130，使第一PI控制器102耦合在比较器118和压控振荡器104之间。于是，建立了如图3所示的电路，用于进行稳态的操作控制。
图8表示按照本发明的灯驱动器电路400的一个实施例，灯驱动器电路400包括与图4和图6所示的类似电路。电压源402提供交流电压，如电源电压。电磁干扰滤波器电路404和整流器电路406(如二极管桥式整流器电路)产生合适的直流电压，这个直流电压提供给直流/直流电压变换器电路408。由直流/直流变换器电路408输出的直流/直流变换器电压V_DC提供给半桥逆变器电路，这个半桥逆变器电路包括开关元件S1和S2。该逆变器电路尤其与电感器L1一起操作，从而产生用于操作灯La的合适的灯电流。
如参照图3所说明的，使用电阻器R1检测代表实际灯功率的半桥电流I_hb，并且检测最终的灯电压V_La，灯电压V_La例如用在点火阶段期间。进而，检测由直流/直流变换器电路408输出的代表直流/直流变换器电流I_DC的信号和直流/直流变换器电压V_DC。将最终的灯电压VLa、直流/直流变换器电压V_DC和相应的直流/直流变换器电流I_DC都提供给控制单元412，控制单元412例如是适当编程的微控制器。控制单元412作为一个功率设定元件操作，用于产生功率设定信号116a。将功率设定信号116a、半桥电流I_hb提供给反馈电路部分410，反馈电路部分410例如包括按照如图3所示的比较器118和第一PI控制器102的一个比较器和一个PI控制器。反馈电路部分410向压控振荡器104提供VCO控制信号，压控振荡器104又控制逆变器驱动器电路，逆变器驱动器电路包括定时信号发生器106和用于驱动开关元件S1和S2的逆变器驱动器电路108。
控制单元412还要耦合到用于提供直流电压控制信号414的直流/直流变换器电路408以便控制直流/直流变换器电路408以在需要时调节直流/直流变换器电压V_DC，如参照图4和图5所说明的。
如参照图6所述，灯驱动器电路400适合点火放电灯La。参照图6和图8，控制单元412中包括点火设定元件128的功能；反馈电路部分410中包括第一开关126和第二开关130。因此，为了详细描述用于点火灯La的操作，请参照图6和相应的说明。
灯驱动器电路400包括如参照图4表示和描述的高速反馈电路和低速反馈电路。参照图4和图8，在控制单元412中并入低速反馈电路200。按如上所述确定高速反馈电路的元件。因此，为了详细描述用于以稳态操作灯La的操作，参照图4和相应的说明。
虽然在这里公开了本发明的详细的实施例，但应该理解，所公开的实施例对于本发明只是说明性的，本发明可以按照各种不同的形式实施。因此，在这里公开的特定结构和功能细节不被认为是限制性的，只是权利要求书的基础，并且只是教导本领域的普通技术人员在实际上任何合适的详细结构中按各种不同的方式使用本发明的具有代表性的基础。进一步，在相互不同的从属权利要求中引用某些措施的事实并不表明这些措施的组合不可被利用。
另外，不希望这里使用的名词术语是限制性的；而是提供本发明的一种可理解的描述。这里使用的术语“一个”被定义为一个或多于一个。这里使用的术语“另一个”被定义为至少第二个或更多个。这里使用的术语“包括”和/或“具有”被定义为包括(即开放式语言)。这里使用的术语“耦合”被定义为连接，当然不必直接连接，并不必借助于线的连接。