控制荧光灯阵列中的电压和电流的方法和固件.pdf

一种用于控制电力负载中的电压和电流的方法和固件，该方法包括以下步骤：由逆变器电压微控制器中的固件将经过脉宽调制的数字开关控制信号的数值量化的占空比计算成逆变器电压的函数；以及通过调整所述数字开关控制信号的所述占空比来控制所述逆变器电压以在所述电力负载中生成负载电流。

1、  一种对电力负载中的电压和电流进行控制的方法，该方法包括以下步骤：
由逆变器电压微控制器中的固件将经过脉宽调制的数字开关控制信号的数值量化的占空比计算成逆变器电压的函数；以及
通过调整所述数字开关控制信号的所述占空比来控制所述逆变器电压以在所述电力负载中生成负载电流。

2、  根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：响应于从负载电流控制器接收到的数字命令信号，由所述逆变器电压微控制器中的固件来调整所述数字开关控制信号的所述占空比。

3、  根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：响应于所述数字命令信号，由所述逆变器电压微控制器中的固件将所述数字开关控制信号的所述占空比增大一个数值量化的时间增量。

4、  根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：响应于所述数字命令信号，由所述逆变器电压微控制器中的固件将所述经过脉宽调制的逆变器开关控制信号的所述占空比减小一个数值量化的时间增量。

5、  根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：响应于所述数字命令信号，由所述逆变器电压微控制器中的固件将所述经过脉宽调制的逆变器开关控制信号的所述占空比设置为零。

6、  根据权利要求5所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：响应于所述数字命令信号，由所述逆变器电压微控制器中的固件将所述经过脉宽调制的逆变器开关控制信号的所述占空比保持为零，直到所述逆变器电压微控制器断电和加电为止。

7、  根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述逆变器电压微控制器中的固件来接收具有ON状态和OFF状态的变压器短路信号。

8、  根据权利要求7所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：当所述变压器短路信号从OFF状态转变为ON状态时，由所述逆变器电压微控制器中的固件来存储所述经过脉宽调制的数字开关控制信号的所述占空比并且将所述占空比设置为零。

9、  根据权利要求8所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述逆变器电压微控制器中的固件将所述经过脉宽调制的逆变器开关控制信号的所述占空比保持为零，直到所述数字变压器短路信号从ON状态转变为OFF状态为止。

10、  根据权利要求9所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：当所述变压器短路信号保持在OFF状态达预定时间间隔时，由所述逆变器电压微控制器中的固件来恢复所述经过脉宽调制的逆变器开关控制信号的所述占空比。

11、  根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述逆变器电压微控制器中的固件来接收具有ON状态和OFF状态的逆变器电桥过压/欠压信号。

12、  根据权利要求11所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：当所述过压/欠压信号从OFF状态转变为ON状态时，由所述逆变器电压微控制器中的固件来存储所述经过脉宽调制逆变器开关控制信号的所述占空比并将所述占空比设置为零。

13、  根据权利要求12所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述逆变器电压微控制器中的固件将所述经过脉宽调制的逆变器开关控制信号的所述占空比保持为零，直到所述过压/欠压信号从所述ON状态转变为所述OFF状态为止。

14、  根据权利要求13所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：当所述过压/欠压信号保持在OFF状态达预定时间间隔时，由所述逆变器电压微控制器中的固件来恢复所述经过脉宽调制的数字开关控制信号的所述占空比。

15、  根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述逆变器电压微控制器中的固件来接收负载调光信号。

16、  根据权利要求15所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：响应于所述负载调光信号，由所述逆变器电压微控制器中的固件来生成负载调光占空比。

17、  根据权利要求16所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述逆变器电压微控制器中的固件来生成其占空比等于所述负载调光占空比的经过脉宽调制的同步信号。

18、  根据权利要求16所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：以所述负载调光占空比对所述经过脉宽调制的数字开关控制信号进行调制。

19、  根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述逆变器电压微控制器中的固件来接收具有ON状态和OFF状态的数字使能信号。

20、  根据权利要求19所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：当所述数字使能信号从ON状态转变为OFF状态时，由所述逆变器电压微控制器中的固件来存储所述经过脉宽调制的数字开关控制信号的所述占空比并且将所述占空比设置为零。

21、  根据权利要求20所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：在所述数字使能信号保持在OFF状态期间，由所述逆变器电压微控制器中的固件将所述经过脉宽调制的逆变器开关控制信号的所述占空比保持为零。

22、  根据权利要求21所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：当所述数字使能信号从OFF状态转变为ON状态时，由所述逆变器电压微控制器中的固件来恢复所述经过脉宽调制的逆变器开关控制信号的所述占空比。

23、  根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述逆变器电压微控制器中的固件在所述逆变器电压微控制器与图形用户界面之间传递参数。

24、  根据权利要求23所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：
传递以下至少一种作为所述参数：所述经过脉宽调制的逆变器开关控制信号的所述占空比、所述经过脉宽调制的逆变器开关控制信号的频率、负载调光占空比、占空比偏移量、冲击电压持续时间、冲击电压占空比、以及伺服模式信号。

25、  根据权利要求2所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述负载电流微控制器中的固件来设置所述数字命令信号。

26、  根据权利要求2所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述负载电流微控制器中的固件利用负载电流将电容器从第一电压充电到第二电压达预定时间间隔。

27、  根据权利要求26所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述负载电流微控制器中的固件以已知的参考电流对所述电容器放电并且测量将所述电容器从所述第二电压放电到所述第一电压所需的时间间隔。

28、  根据权利要求27所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述负载电流微控制器中的固件根据该测得的时间间隔来计算所述负载电流。

29、  根据权利要求2所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述负载电流微控制器中的固件将经过脉宽调制的第二数字开关控制信号的数值量化的占空比计算为所述负载电流的函数。

30、  根据权利要求29所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述负载电流微控制器中的固件计算来自闭环伺服的所述第二数字开关控制信号的所述占空比。

31、  根据权利要求30所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述负载电流微控制器中的固件以所述第二数字开关控制信号来调节所述负载电流。

32、  根据权利要求31所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述负载电流微控制器中的固件以其占空比等于负载调光占空比的经过脉宽调制的同步信号对所述第二数字开关控制信号进行调制。

33、  根据权利要求2所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述负载电流微控制器中的固件将负载开路状况确定为所述负载电流的函数。

34、  根据权利要求33所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：通过将所述负载电流与预定的阈值进行比较，确定所述负载开路状况是真还是假。

35、  根据权利要求34所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：当所述负载电流在预定时间间隔内上升到高于所述预定的阈值时，确定所述负载开路状况为假。

36、  根据权利要求35所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：响应于所述负载开路状况而设置所述数字命令信号。

37、  根据权利要求2所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述负载电流微控制器中的固件将负载短路状况确定为所述负载电流的函数。

38、  根据权利要求37所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：通过将所述负载电流与预定的阈值进行比较，确定所述负载短路状况是真还是假。

39、  根据权利要求38所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：当所述负载电流在预定时间间隔内下降到低于所述预定的阈值时，确定所述负载短路状况为假。

40、  根据权利要求39所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：响应于所述负载短路状况而设置所述数字命令信号。

41、  根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述负载电流微控制器中的固件在所述负载电流微控制器与图形用户界面之间传递参数。

42、  根据权利要求35所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：
传递以下至少一种作为所述参数：所述第二数字开关控制信号的所述占空比、伺服模式信号、用于计算所述负载电流的参考电流、用于计算所述负载电流的转换因数、所述负载电流的设置点值、用于计算所述负载电流的增益因数、以及用于计算所述负载电流的偏置电流。

43、  一种对电力负载中的电压和电流进行控制的方法，该方法包括以下步骤：
由负载电流微控制器中的固件将经过脉宽调制的数字开关控制信号的数值量化的占空比计算为所述电力负载中的负载电流的函数；以及
当将逆变器电压施加于所述电力负载时，通过调整所述数字开关控制信号的所述占空比来控制所述负载电流。

44、  根据权利要求43所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述负载电流微控制器中的固件来设置数字命令信号以调整所述逆变器电压。

45、  根据权利要求44所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述负载电流微控制器中的固件利用负载电流将电容器从第一电压充电到第二电压达预定时间间隔。

46、  根据权利要求45所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述负载电流微控制器中的固件以已知的参考电流对所述电容器放电并且测量将所述电容器从所述第二电压放电到所述第一电压所需的时间间隔。

47、  根据权利要求46所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述负载电流微控制器中的固件根据该测得的时间间隔来计算所述负载电流。

48、  根据权利要求43所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述负载电流微控制器中的固件将经过脉宽调制的数字开关控制信号的数值量化的占空比计算为所述负载电流的函数。

49、  根据权利要求43所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述负载电流微控制器中的固件计算来自闭环伺服的所述数字开关控制信号的所述占空比。

50、  根据权利要求49所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述负载电流微控制器中的固件以所述数字开关控制信号来调节所述负载电流。

51、  根据权利要求50所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述负载电流微控制器中的固件以其占空比等于负载调光占空比的经过脉宽调制的同步信号对所述数字开关控制信号进行调制。

52、  根据权利要求44所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述负载电流微控制器中的固件将负载开路状况确定为所述负载电流的函数。

53、  根据权利要求52所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：通过将所述负载电流与预定的阈值进行比较，确定所述负载开路状况是真还是假。

54、  根据权利要求53所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：当所述负载电流在预定时间间隔内上升到高于所述预定的阈值时，确定所述负载开路状况为假。

55、  根据权利要求54所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：响应于所述负载开路状况而设置所述数字命令信号。

56、  根据权利要求44所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述负载电流微控制器中的固件将负载短路状况确定为所述负载电流的函数。

57、  根据权利要求56所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：通过将所述负载电流与预定的阈值进行比较，确定所述负载短路状况是真还是假。

58、  根据权利要求57所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：当所述负载电流在预定时间间隔内下降到低于所述预定的阈值时，确定所述负载短路状况为假。

59、  根据权利要求58所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：响应于所述负载短路状况而设置所述数字命令信号。

60、  根据权利要求43所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：由所述负载电流微控制器中的固件在所述负载电流微控制器与图形用户界面之间传递参数。

61、  根据权利要求60所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：
传递以下至少一种作为所述参数：所述数字开关控制信号的所述占空比、伺服模式信号、用于计算所述负载电流的参考电流、用于计算所述负载电流的转换因数、所述负载电流的设置点值、用于计算所述负载电流的增益因数、以及用于计算所述负载电流的偏置电流。

控制荧光灯阵列中的电压和电流的方法和固件
本申请要求2007年3月5日提交的题为METHOD AND FIRMWAREFOR CONTROLLING VOLTAGE AND CURRENT IN FLUORESCENTLAMP ARRAY的美国临时专利申请第60/893,016号的优先权，为了所有的目的而以引用方式明确地将其全部内容并入此处。
技术领域
本发明涉及对荧光灯阵列的控制。更具体地但不限于此，本发明涉及控制荧光灯阵列中的电压和电流的方法和固件。
背景技术
荧光灯阵列通常包括在用于例如在计算机和电视接收机的液晶显示器(LCD)的背光源中。对荧光灯的电压和电流进行调节(regulate)以冲击(strike)、或电离荧光灯并维持来自荧光灯阵列的期望的光输出。在现有技术中已经采用了若干个装置来调节荧光灯阵列中的电压和电流。
发明内容
在一个实施方式中，提供了一种对电力负载中的电压和电流进行控制的方法，该方法包括以下步骤：
由逆变器电压微控制器中的固件将经过脉宽调制的数字开关控制信号的数值量化的占空比计算为逆变器电压的函数；以及
通过调整所述数字开关控制信号的所述占空比来控制所述逆变器电压以产生所述电力负载中的负载电流。
在另一实施方式中，提供了一种对电力负载中的电压和电流进行控制的方法，该方法包括以下步骤：
由负载电流微控制器中的固件将经过脉宽调制的数字开关控制信号的数值量化的占空比计算为所述电力负载中的负载电流的函数；以及
当将逆变器电压施加于所述电力负载时，通过调整所述数字开关控制信号的所述占空比来控制所述负载电流。
附图说明
根据以示例方式而非限制性方式给出的结合以下附图的描述，以上和其它的方面、特征和优点将变得显而易见，其中，在附图的若干视图中，相同的标号表示相似的部件，并在附图中：
图1例示了用于控制荧光灯阵列中的电压和电流的微控制器电路的框图；
图2例示了图1的逆变器电压微控制器的电路图；
图3例示了用于图2的逆变器电压微控制器的逆变器固件引擎(IFE，inverter firmware engine)的功能图；
图4例示了图3的IFE的流程图；
图5例示了图3中的IFE数字调光功能的定时图；
图6例示了用于针对图3的IFE来检测逆变器变压器中的短路的电路；
图7例示了用于在图3的IFE与PC之间传递参数的图形用户界面(GUI)；
图8例示了图1的负载电流微控制器116的电路图；
图9例示了用于图8中的负载电流微控制器的ASIC固件引擎(AFE，ASIC firmware engine)的功能图；
图10例示了利用图9的AFE来控制电流的方法的流程图；
图11例示了利用图10的AFE来测量负载电流的双斜率积分的定时图；
图12例示了由图10的AFE来执行的经过幅度移位调制的负载电流调节的定时图；
图13例示了用于计算图1的负载电流控制器的数字开关控制信号的占空比(duty cycle)的闭环数字伺服的示意图；以及
图14例示了用于在图9的AFE与PC之间传递参数的图形用户界面(GUI)。
出于简明和清楚的目的而例示了附图中的部件，并且这些部件不一定是按照比例绘制的。例如，图中一些的部件中的体积、尺寸、和/或相对位置可能相对于其它部件而被扩大以使得所例示的实施方式的区别特征变得清楚。另外，为了使所例示的实施方式更加一目了然，没有绘出那些在市售的实施方式中有用的或必要的常见但公知的部件。
具体实施方式
以下的描述不是限制性的，而是出于以具体示例对所例示的实施方式中包含的一般原理进行描述的目的。例如，可以按照将要执行的具体顺序来描述或描绘特定动作或步骤。然而，本领域技术人员将理解，仅仅是以示例的方式给出了该具体顺序，并且该具体顺序不排除可以按照其它顺序来执行所描述的步骤以实现大体相同的结果。另外，除非在此处明确地阐明了其它的含义，否则在说明书中所使用的术语和表达具有在相应的调查和研究领域中所给予这些术语和表达的一般含义。术语“固件(firmware)”可以与短语“有形地包括当计算机实现一种方法时所执行的指令的计算机可读存储介质”互换并且具有相同的含义。
以前，已经在诸如RC振荡器的电路中使用了离散模拟部件以生成用于控制荧光灯阵列的定时频率和电压电平。然而，随着对荧光灯阵列的关于把各荧光灯的光输出维持在狭窄的允许限度内的性能要求越来越严格，由变化的工作温度、制造偏差、以及老化等造成的模拟部件特性的不稳定性成为了问题。此外，对荧光灯阵列控制器的更小尺寸和更低成本的要求使得使用离散模拟部件变得越来越不切实际。一种优选的替代方法是将模拟控制器所执行的功能包含在微型计算机上实现的固件中，从而尽可能地避免使用模拟部件并且在不能完全不使用模拟部件的情况下使荧光灯阵列控制器中的部件总数最小化。减少部件的数量有利地减少了制造成本和荧光灯阵列控制器的尺寸。术语“微控制器”表述了通过使用固件和集成电路来替代模拟部件而实现的紧凑尺寸的荧光灯控制器。
图1例示了用于控制荧光灯阵列中的电压和电流的微控制器电路100的框图。在图1中示出了逆变器电压微控制器102、脉宽调制(PWM，pulse-width modulation)电桥驱动器104、逆变器电桥106和108、逆变器变压器110和112、荧光灯阵列114、负载电流微控制器116、数字开关控制信号118和120、开关信号122和124、同步(sync)信号126、数字命令信号128、亮度控制信号(IPWM)130、以及变压器电流信号132和134。
在图1中，可以将逆变器电压微控制器102实现为例如能够执行来自位于芯片上的固件的指令的集成电路微计算机。可以将脉宽调制(PWM)电桥驱动器104实现为例如从逆变器电压微控制器102接收数字开关控制信号118和120并生成用于逆变器电桥106的开关信号的数字电路。PWM逆变器电桥驱动器104直接地连接到逆变器电压微控制器102的数字输出端口并且优选地不包括模拟定时部件。可以将逆变器电桥106实现为例如使用常见的数字开关部件的H桥、或全桥。逆变器变压器110和112各自都可以实现为例如并联的一对变压器以降低用于对控制器电路100的部件进行安装的电路板的高度。可以将荧光灯114实现为例如由逆变器驱动的任意类型的发光装置，包括冷阴极荧光灯(CCFL，cold-cathode fluorescent lamp)和外置电极荧光灯(EEFL，external electrodefluorescent lamp)。
在一个实施方式中，负载电流微控制器116包括多个DMOS FET开关。这些开关中的每一个与荧光灯114中的一个串联起来，从而调节平均负载电流。为了测量荧光灯114的负载电流、温度、以及光输出，可以在负载电流微控制器116中包括传感器电路。
在工作中，逆变器电压微控制器102对从逆变器变压器110和112输出的逆变器电压进行设置以冲击荧光灯阵列114并且维持通过荧光灯114中的每一个的充足的负载电流，从而提供期望的光输出。负载电流微控制器116调节来自变压器106并经由荧光灯110中的每一个的平均电流，以维持荧光灯114中每一个的期望的设置点。可以将数字命令信号128实现为例如用于数字开关控制信号118和120中的每一个的两比特数字信号，该信号指示逆变器电压微控制器102增大、减小、维持、或关闭从逆变器变压器110和112输出的各逆变器电压。
图2例示了图1的逆变器电压微控制器102的电路图200。在图2中示出了微处理器202、脉宽调制电路204、模数转换器206、RS-232接口208、外部中断电路210、以及通用I/O电路212。
在图2中，微处理器202包括随机存取存储器(RAM)、用于存储固件的FLASH存储器、定时器、以及内部时钟信号发生器。微处理器202中的固件在此处也称为逆变器固件引擎(IFE)。脉宽调制电路204是根据图1中的数字开关控制信号118和120分别生成用于逆变器电桥106和108的开关信号122和124的数字电路。可以将模数A/D转换器206实现为例如10比特A/D转换器。RS-232接口208可用于与图形用户界面(GUI)或外部显示控制器通信。外部中断电路210和通用I/O电路212用于在逆变器电压微控制器102与负载电流微控制器116之间传递命令。例如，微处理器202可以是诸如Freescale MCU型MC9S08QG8的市售产品。
在一个实施方式中，一种控制荧光灯阵列的电压和电流的方法包括以下步骤：
一种控制电力负载中的电压和电流的方法包括以下步骤：
由逆变器电压微控制器中的固件将经过脉宽调制的数字开关控制信号的数值量化的占空比计算为逆变器电压的函数；以及
通过调整数字开关控制信号的占空比来控制逆变器电压以生成电力负载中的负载电流。
图3例示了用于图2的逆变器电压微控制器102的逆变器固件引擎(IFE)的功能图300。在图3中示出了应用层302、驱动器层304、逆变器控制功能306、数字调光功能308、灯故障检测功能310、变压器短路检测功能312、外部装置通信功能314、数字命令功能316、过压/欠压检测功能318、使能/禁用功能320、模数转换功能322、脉宽调制功能324、通用I/O功能326、外部中断功能328、以及串行通信功能330。
在图3中，逆变器控制功能306、数字调光功能308、灯故障检测功能310、变压器短路检测功能312、外部装置通信功能314、数字命令功能316、过压/欠压检测功能318、以及使能/禁用功能320包括在应用层302中。模数转换功能322、脉宽调制功能324、通用I/O功能326、外部中断功能328、以及串行通信功能330包括在驱动器层304中。下面将详细说明这些功能中的每一个。
图4例示了以图3中的IFE来控制电压的方法的流程图400。
步骤402是流程图400的入口点。
在步骤404中，例如，通过从存储在FLASH存储器中的校准数据库(calibration database)中检索缺省值，或通过根据诸如负载电流之类的参数来计算占空比的多项式函数，IFE将经过脉宽调制的数字开关控制信号的数值量化的占空比计算为逆变器电压的函数。由于数字开关控制信号118和120中的每一个信号的占空比的值在IFE中被表示为数值的百分比，因此占空比是经过数值量化的，这与以电压或电流作为占空比的模拟表示方式相反，这些模拟表示方式通常取决于制造偏差和温度条件。通过把占空比数值量化为固件中的数值，有利地避免了模拟电路中不稳定的问题，而且可以准确地和精确地控制从变压器110和112输出的逆变器电压以用于苛刻的应用(诸如液晶显示器的背光)。例如通过将数字开关控制信号118或120选通为ON并保持与占空比相对应的多个系统时钟周期(PWM ON时间)并且将PWM逆变器开关控制信号118或120选通为OFF并保持额外数量的系统时钟周期(PWM OFF时间)，IFE生成数字开关控制信号118和120中的每一个。时钟周期的总数限定了数字开关控制信号118和120的周期。增大或减小占空比导致从变压器110和112输出的逆变器电压相应地增大或减小。可以将数字开关控制信号118和120中的每一个的占空比表达为：
占空比＝接通时间/(接通时间+断开时间)    (1)
在步骤406中，IFE根据在步骤404中计算出的占空比而生成数字开关控制信号118和120中的每一个。数字开关控制信号118和120中的每一个由PWM电桥驱动器104接收，该PWM电桥驱动器104生成用于相应的逆变器电桥106或108的开关信号。在工作期间对数字开关控制信号118和120的占空比调整确保了逆变器电压输出足以将荧光灯阵列114驱动到期望的负载电流设置点。
在响应于例如变压器短路、负载开路、负载短路、逆变器禁用信号、或逆变器电桥过压/欠压信号而使得逆变器关闭期间，数字开关控制信号118和120的占空比是零，即，迫使数字开关控制信号118和120为低电平状态或OFF状态，使得在逆变器电桥106和108的开关中没有电流流过。在数字调光占空比的OFF状态期间，同样迫使数字开关控制信号118和120为低电平状态。
在步骤408中，响应于来自负载电流微控制器116的数字命令信号128，IFE如下地调整经过脉宽调制的数字开关控制信号118和120中每一个的占空比。
在第一状态中，IFE将相应的逆变器电压的值维持在其当前值。当荧光灯阵列的平均负载电流已经达到设置点的值时设定该状态。
在第二状态中，IFE通过将相应数字开关控制信号118或120的占空比递增一个数值量化的增量(例如，1％)来增大相应的逆变器电压。使用数值量化的增量有利地避免了对于模拟电路中连续调整的占空比来说很典型的温度值和部件值的定时变化。结果，可以更精确地和准确地控制逆变器电压。
在第三状态中，IFE通过将相应数字开关控制信号118或120的占空比递减一个数值量化的增量(例如，1％)来减小相应的逆变器电压。
在第四状态中，IFE响应于例如负载短路或负载开路而关闭逆变器。IFE将数字开关控制信号118和120的占空比都设置成零，即，迫使数字开关控制信号118和120为低电平状态或OFF状态，使得在逆变器电桥106和108的开关中没有电流流过。迫使数字开关控制信号118和120为低电平，直到逆变器电压微控制器102断电并加电为止。
步骤410是流程图400的出口点。
可以将以上针对IFE而描述的图4的方法包含在盘中、CD-ROM、以及其它计算机可读介质中以根据公知的计算机编程技术在计算机上载入并执行该方法。
图5例示了图3中的IFE数字调光功能的定时图500。在图5中示出了SYNC 502和数字开关控制信号504。
IFE从图2中的A/D转换器206接收数字化的亮度控制信号(IPWM)130并且根据亮度控制信号(IPWM)130的DC电压而生成调光占空比。IFE以调光占空比对数字开关控制信号504进行调制从而以大约160Hz到200Hz的频率来接通和断开逆变器电压以避免灯闪烁。IFE还向负载电流微控制器116发送其占空比与调光占空比相等的经过脉宽调制的SYNC信号502。负载电流微控制器116以SYNC信号502对用于荧光灯114中的每一个的数字开关控制信号进行调制。
IFE还将例如来自图2中的A/D转换器206的逆变器电桥106和108中的每一个的DC供电电压与存储在IFE中的校准数据库中的过压和欠压阈值进行比较，从而检测过压/欠压状况。当来自逆变器变压器110和112中任意一个的逆变器电压大于过压阈值或小于欠压阈值时，过压/欠压状态为真。当过压/欠压状态为真时，IFE将数字开关控制信号118和120的占空比存储在存储器中并将数字开关控制信号118和120的占空比设置为零，即，迫使数字开关控制信号118和120为低电平状态或OFF状态，使得在逆变器电桥106和108的开关中没有电流流过。当IFE检测到逆变器电压已经返回到工作范围(优选地完全在过压和欠压阈值之内)时，IFE将数字开关控制信号118和120的占空比恢复到存储器中所存储的值，且逆变器工作恢复正常。
图6例示了用于检测图1的逆变器变压器110和112的一个中的短路的电路600。如果变压器110和112中任一个的次级电流(secondcurrent)超过了预定的阈值，则比较器中的一个在图2中的外部中断电路210的输入端生成短路信号。当IFE检测到变压器短路信号时，IFE将数字开关控制信号118和120的占空比都设置为零，使得在逆变器电桥106和108的开关中没有电流流过。迫使数字开关控制信号118和120为低电平，直到逆变器电压微控制器102断电并加电。
IFE对连接至图2中的通用I/O电路212的ENABLE信号进行监控，从而确定逆变器电压应当处于接通还是断开。当ENABLE信号为真时，逆变器电压不受影响。当ENABLE信号为假(false)时，IFE迫使驱动数字开关控制信号118和120为低电平，直到ENABLE信号为真。ENABLE信号可用于例如避免在人工电路检查时对技术人员的电击危险。
图7例示了在图3的IFE与PC之间传递参数的图形用户界面(GUI)700。IFE能够通过RS-232接口208与外部装置(例如，个人计算机(PC))进行通信以在IFE和应用程序之间接收并发送参数以校准和测试荧光灯阵列114。可以通过RS-232接口208在IFE与外部装置之间传递的参数的例子包括数字开关控制信号118和120中的每一个的占空比、数字开关控制信号118和120的占空比之间的差异和偏移、数字开关控制信号118和120的频率、调光占空比、伺服模式信号、冲击电压时间间隔、以及在冲击电压时间间隔期间数字开关控制信号118和120中的每一个的占空比。
IFE还可以从图2中的通用I/O电路212向负载电流微控制器116产生INIT信号以将逆变器电压微控制器102和负载电流微控制器116中的数字逻辑重置为已知状态。
在另一个实施方式中，一种对电力负载中的电压和电流进行控制的方法包括以下步骤：
由负载电流微控制器中的固件将经过脉宽调制的数字开关控制信号的数值量化的占空比计算为电力负载中的负载电流的函数；以及
当逆变器电压施加于该电力负载时，通过调整数字开关控制信号的占空比对负载电流进行控制。
图8例示了图1的负载电流微控制器116的电路图800。在图8中示出了微处理器802、重置电路804、串行外设接口(SPI，serial peripheralinterface)806、RS-232接口808、外部中断电路810、以及通用I/O电路812。
在图8中，微处理器802包括随机存取存储器(RAM)、用于存储固件的FLASH存储器、定时器、以及内部时钟信号发生器。此处，微处理器802中的固件在此处也称为ASIC固件引擎(AFE)。重置电路804是接收系统重置信号以对负载电流微控制器116中的数字逻辑进行初始化的数字电路。SPI电路806生成时钟信号、数据信号、以及选通信号(strobe signal)。RS-232接口808可用于与图形用户界面(GUI)或外部显示控制器进行通信。外部中断电路810和通用I/O电路812用于在逆变器电压微控制器102与负载电流微控制器116之间传递命令。例如，微处理器802可以是诸如Freescale MCU型MC9S08QG8的市售产品。
图9例示了用于图8中的负载电流微控制器800的ASIC固件引擎(AFE)的功能图900。在图9中示出了应用层902、驱动器层904、电流控制功能906、数字调光功能908、故障检测功能910、外部装置通信功能912、数字命令功能914、串行外设接口(SPI)916、通用I/O功能918、外部中断功能920、以及串行通信功能922。
在图9中，电流控制功能906、数字调光功能908、故障检测功能910、外部装置通信功能912、数字命令功能914包括在应用层902中。串行外设接口(SPI)916、通用I/O功能918、外部中断功能920、以及串行通信功能922包括在驱动器层904中。下面将详细描述这些功能中的每一个。
图10例示了利用图9的AFE对电流进行控制的方法的流程图1000。
步骤1002是流程图1000的入口点。
在步骤1004中，AFE例如通过双斜率积分(dual-slope integration)来测量阵列中各荧光灯的平均负载电流。
在步骤1006中，AFE将各负载电流与负载开路阈值进行比较。负载开路阈值是所选择的比阵列中正在使用的类型的荧光灯的最低工作电流低的电流值。如果任一负载电流均不小于负载开路阈值，则该方法从步骤1012继续。否则，该方法从步骤1008继续。
在步骤1008中，AFE将定时器与所选择的预定延迟进行比较以避免将电路瞬态或瞬变(glitch)误认为开路。如果定时器值小于延迟，则该方法从步骤1006继续。否则，该方法从步骤1010继续。
在步骤1010中，AFE将数字命令信号128设置为表示负载开路状况，并且该方法从步骤1034继续。
在步骤1012中，AFE将各负载电流与负载短路阈值进行比较。负载短路阈值是所选择的比阵列中正在使用的类型的荧光灯的最大工作电流的高电流值。如果任一负载电流均不大于负载短路阈值，则该方法从步骤1018继续。否则，该方法从步骤1014继续。
在步骤1014中，AFE将定时器与所选择的预定延迟进行比较以避免将电流瞬态或瞬变误认为短路。如果定时器值小于延迟，则该方法从步骤1012继续。否则，该方法从步骤1016继续。
在步骤1016中，AFE将数字命令信号128设置为表示负载短路状况，并且该方法从步骤1034继续。
在步骤1018中，AFE将各负载电流与相应的负载电流设置点进行比较。可以在例如荧光灯阵列的校准期间确定负载电流设置点，并且可以将负载电流设置点存储在AFE中的校准数据库中。如果所选择的负载电流大于负载电流设置点，则该方法从步骤1020继续。如果所选择的负载电流小于负载电流设置点，则该方法从步骤1026继续。如果所选择的负载电流等于负载电流设置点，则该方法从步骤1032继续。
在步骤1020中，如果相应的荧光灯的数字开关控制信号的占空比大于0％，则该方法从步骤1022继续。否则，该方法从步骤1024继续。
在步骤1022中，AFE将相应荧光灯的数字开关控制信号的占空比减小一个数值量化的增量(例如，1％)，并且该方法从步骤1034继续。
在步骤1024中，AFE将数字命令信号128设置为请求降低逆变器电压，并且该方法从步骤1034继续。
在步骤1026中，如果相应荧光灯的数字开关控制信号的占空比小于100％，则该方法从步骤1028继续。否则，该方法从步骤1030继续。
在步骤1028中，AFE将相应荧光灯的数字开关控制信号的占空比增大一个数值量化的增量，并且该方法从步骤1034继续。
在步骤1030中，AFE将数字命令信号128设置为请求增大逆变器电压输出，并且该方法从步骤1034继续。
在步骤1032中，AFE将数字命令信号128设置为维持当前的逆变器电压输出。
步骤1034是流程图1000的出口点。
图11例示了利用图10的AFE对负载电流进行测量的双斜率积分的定时图1100。在双斜率积分中，以负载电流对采样/保持电容器充电达预定的时间间隔T_C，并且以已知的参考电流I_REF对采样/保持电容器放电达测定的时间间隔T_D。负载电流I_L由下式给出：
IL=TD×π2×IREFTC---(2)]]>
其中，是从DC到rms的转换因数。
在由微处理器802中的定时器所确定的时间间隔T_C期间，AFE利用负载电流将电容器从零电压充电到非零电压V_C。例如，T_C可以是在200Hz下的一个调光周期，或是5ms。当充电时间结束时，断开充电电流，而电容器电压V_C保持恒定。IFE将电容器切换到已知的参考电流I_REF并且启动微处理器中的定时器。当电容器电压到达零时，比较器对负载电流控制器116的A2OUT输入端口进行驱动以生成对AFE的中断，该中断停止了微处理器802中的定时器。AFE之后读取定时器值T_D以根据式(2)来计算负载电流。
图12例示了由图10的AFE来执行的经过幅度移位调制的负载电流调节的定时图1200。在图12中示出了数字开关控制信号1202和经过幅度移位调制的负载电流1204。AFE计算经过脉宽调制的数字开关控制信号1202的数值量化的占空比，并且按照与针对上述IFE而描述的相同方式调整占空比，从而调节荧光灯114中相对应的一个荧光灯114的负载电流。数字开关控制信号1202对高压开关进行驱动，该高压开关例如是与荧光灯中的一个串联并且与负载电阻器并联的DMOS FET。当数字开关处于OFF状态时，负载电阻器将负载电流限制为经过幅度移位调整的负载电流1204的下限(lower range)。当数字开关处于ON状态时，绕过负载电阻器，并且由灯的阻抗将负载电流限制为经过幅度移位调制的负载电流1204的上限(upper range)。以数字开关控制信号1202的占空比(在所示出的例子中为50％)来调节平均负载电流。负载电流随着占空比增大到100％而增大到最大值，并且随着占空比减小到0％而减小到最小值。可以把用于各荧光灯的DMOS FET与相关联的电路经济地封装在用于图1的负载电流控制器116的ASIC中。通过将数字采样以例如4MHz的移位速率移位到串行外设接口(SPI)916中，可以同时产生用于具有10个荧光灯的阵列的数字开关控制信号1202。
在开环操作中，AFE以相同的增量来调整数字开关控制信号1202的占空比以到达如图10的流程图1000所例示的设置点值。或者，AFE可利用比例积分算法使用闭环数字伺服来计算数字开关控制信号1202的占空比。
图13例示了用于计算图1的负载电流控制器116的数字开关控制信号的占空比的闭环数字伺服的示意图1300。在图13中示出了负载电流设置点1302、负载电流1304、求和功能1306、比例积分伺服1308、调整值1310、单位转换因数1312、以及占空比校正值1314。
在图13中，负载电流设置点1302与图1中的荧光灯阵列114中的一个的期望的负载电流相对应。在一个实施方式中，在校准期间确定负载电流设置点的值1302并且将其存储在AFE中的校准数据库中。如上面参照图11所述，可由AFE来测量负载电流1304。
AFE通过求和功能1306从负载电流1304中减去负载电流设置点1302以根据下式来生成误差信号err：
err＝设置点-负载电流    (3)
从求和功能1306产生的误差信号err经过比例积分伺服1308以根据下式而生成所选择的参数的调整值1310：
调整值＝(α*err+int_last)*KG    (4)
其中，该调整值是积分误差输出(integrated error output)；
α是反馈常数；
int_last是电流与之前误差值的累积和；而
K_G是环路增益常数。
在一个实施方式中，环路增益K_G＝1.975×10^-3且α＝39.5提供了0.9的阻尼比以允许开环变化容限(open loop variation tolerance)。在该例子中，以两秒钟的周期间隔执行伺服环路。
对误差信号err和之前的误差求和：
int_last＝int_last+err    (5)
根据公知的编程技术优选地将比例积分伺服1308包括在AFE中并且由图8中的微处理器802来计算该比例积分伺服1308以生成调整值1310。将调整值1310乘以单位转换因数1312以将负载电流单位转换成图12中的多个数字开关控制信号1202中的一个的占空比校正值1314。例如，可以将其值为+10微安培的调整值1310转换成其值为+4微秒的占空比校正值1314。
或者，通过从校准数据库中检索多项式系数并将数字开关控制信号1202中的每一个的占空比的值计算为期望的负载电流的函数，AFE可以计算开环中数字开关控制信号1202的占空比。例如，下式给出了用于对数字开关控制信号1202中的一个的占空比进行计算的负载电流的多项式函数：
DCi(I_L)＝DC0i+DC1i*I_L+DC2i*I_L²+DC3i*I_L³+...    (6)
其中，DCi是第i个荧光灯114的数字开关控制信号1202的占空比，I_L是期望的负载电流，而DC0i、DC1i、DC2i、DC3i、...是在对荧光灯阵列114中的每一个的数字开关控制信号1202的占空比进行校准期间根据公知技术而确定的多项式系数。可以把这些多项式系数存储在AFE中的校准数据库中。
在另一个实施方式中，可以由AFE将作为预定的常数的数字开关控制信号1202的占空比从校准数据库中检索出来。
图14例示了用于在图9的AFE与PC之间传递参数的图形用户界面(GUI)1400。AFE能够通过RS-232接口808与外部装置(例如，个人计算机(PC))进行通信以在AFE与应用程序之间发送和接收参数从而校准和测试荧光灯114阵列。可以通过RS-232接口208在IFE与外部装置之间传递的参数的例子包括数字开关控制信号1202中的每一个的占空比、伺服模式信号、用于计算负载电流的参考电流、用于计算负载电流的转换因数、负载电流的设置点值、用于计算负载电流的增益因数、以及用于计算负载电流的偏移电流。
尽管上述的流程图示出了按照特定顺序执行的特定步骤，但是可以在所附权利要求书的范围内对这些步骤进行合并、细分、或重新排序。除非具体地指出，否则对这些步骤的排序和分组不构成对权利要求范围内的其它实施方式的限制。
可以将以上针对IFE和AFE而描述的流程图包含在盘、CD-ROM、以及其它有形的计算机可读介质中以根据公知的计算机编程技术载入到计算机上并执行。
尽管上述实施方式是针对荧光灯阵列，但是针对其它电力负载可以在所附权利要求书的范围内实现其它实施方式。
上述特定实施方式及其应用仅仅是出于例示的目的，并且不排除可以在以下权利要求书范围内做出的修改和变型。