使用可調諧振蕩器進行高解析度脈寬調製(pwm)頻率控制的製作方法
2023-09-17 16:50:10
專利名稱：使用可調諧振蕩器進行高解析度脈寬調製(pwm)頻率控制的製作方法
技術領域：
本發明涉及螢光燈電子調光裝置，且更特定來說涉及一種使用從極高解析度可調諧振蕩器接收時鐘頻率的脈寬調製(PWM)產生器的電子調光裝置。
背景技術：
隨著轉換到產生光的更高效的方法(例如螢光燈的使用)的推進，存在對以經濟成本提供例如調光等特徵的需要。圖1中展示典型的共振電路螢光照明鎮流器及螢光燈。 可通過將此電路表示為兩個等效的電阻器-電感器-電容器(RLC)電路來理解操作。圖2 中所示的第一等效電路在特定頻率下串聯共振，所述特定頻率的選擇取決於組件的挑選及振蕩器電路的控制解析度。舉例來說，可選擇處於約70kHz下的頻率，其將為電感器110與燈絲電容器116(Cf)的串聯共振。圖3中展示第二等效電路。注意，在兩個等效電路中，已用短路(零電阻)替換電容器114(C)。電容器114的功能為執行DC阻擋(僅允許AC信號穿過電路)且出於此目的經挑選而具有高電容值。在這些等效電路中將其建模為短路(在 AC信號頻率下的低阻抗連接)。當螢光燈112關斷時，首先在頻率!^igh下驅動鎮流器。此頻率經挑選而高於RLC 電路的共振頻率點，且為設計特定的，但出於實例性目的可為約100kHz。在此頻率下，圖2 最佳地表示所述燈的等效電路，因為燈氣體尚未被電離。圖4中展示電路相對於電流的頻率響應。此處的目的是使電流通過燈的燈絲，此通常稱作『預先加熱』間隔(1)。當燈絲熱到足以使周圍的燈氣體電離時，降低驅動頻率。此致使RLC電路被掃描為接近其共振頻率， 從而導致跨越所述燈的電壓的增加。在燈的『起弧』電壓( 下所述燈中將出現電弧，且所述電弧將點燃(電離)氣體。燈『點燃』意指氣體現在經電離到足以傳導電流。現在稱燈112接通(產生可見光)。此時，圖3最佳地描述燈鎮流器電路的行為。注意，燈112現在表現得像與並聯R及 Cf串聯的L。在此情況下，R是燈112中的電離氣體的電阻，且Cf是燈絲電容716。一旦燈112被點燃，電壓就保持相當恆定，但來自螢光燈的光強度將隨到其的頻率改變而變化。 典型的有用調光範圍可發生於介於從約50KHz到約IOOKHz的範圍內，展示為圖4的第二曲線(3)。流動穿過螢光燈的電流越多(跨越燈112的燈絲的電壓越高)，光強度就越大。可通過調整到燈112的輸入信號的頻率來控制流動穿過燈112的電流。可由通常在控制裝置 120外部的一對電晶體106與108來驅動燈112及電抗電路。框內的所有其它元件通常為控制裝置120的一部分。以互補方式驅動功率電晶體106與108，使得頂部電晶體106在周期T的一部分內接通，且底部電晶體108在所述周期的剩餘部分內接通。在接通時間之間使用靜時間間隔，使得兩個功率電晶體106與108決不在相同時間導通(參見圖8)。為了控制螢光燈，靜時間單元必須接收具有約50%的工作循環的可變頻率信號。 在基於微控制器的應用中可由脈寬調製(PWM)產生器結合時鐘(例如，電阻器電容器(RC) 振蕩器)提供信號。PWM產生器具有產生具有可控制的可變頻率及工作循環的數位訊號的能力。通過改變PWM周期寄存器的值來調整PWM信號的頻率，同時通過改變PWM工作寄存器的值將工作循環維持為大致百分之五十(50)(參見圖6)。螢光燈鎮流器製造商需要超高頻率解析度來提供對螢光燈的平滑且準確的調光控制。PWM產生器的頻率步長解析度隨到其的輸入時鐘頻率及所要的燈激勵頻率而變。然而，在典型的PWM產生器應用中，PWM周期寄存器調整不能夠產生足夠小的頻率步長來精確地控制燈電流(光強度)。為了提供此解析度(例如處於IOOkHz下)，將需要以超過50MHz 的時鐘頻率來驅動用於控制螢光燈調光的脈寬調製(PWM)產生器。
發明內容
需要一種改進對螢光燈的調光控制的方式。因此，通過供應可調諧振蕩器作為到脈寬調製(PWM)產生器的時鐘輸入，可實現極高解析度頻率PWM產生器而不必需超高頻率振蕩器。通過使用可以小頻率步長調諧的振蕩器，可以約(例如但不限於)16MHz的輸入時鐘頻率實現相同結果，而不必藉助於(例如)超過50MHz的功率消耗超高頻率振蕩器。低得多的頻率時鐘振蕩器的使用還具有以下優點較低的所產生電磁幹擾(EMI)、較低的功率消耗及較低的裝置製作及工藝成本。根據本發明的教示內容，可使用與RC振蕩器結合的調諧寄存器OSCTUN來形成精確的可變頻率時鐘源，其向PWM產生器供應可在螢光燈調光裝置中用於螢光燈的光強度的精確控制的精確可調諧時鐘頻率。OSCTUN寄存器可在這些情況下用於提供RC振蕩器(其為PWM產生器時鐘源)的細頻率調整。針對PWM周期寄存器的每一值，OSCTUN寄存器可經修改以提供一個或一個以上中間頻率調整步驟。RC振蕩器輸出可任選地連接到PLL以增加PWM產生器時鐘的頻率。根據本發明的特定實例性實施例，一種具有使用脈寬調製(PWM)控制由螢光燈產生的光量的電子照明鎮流器的可調光螢光燈系統包括時鐘振蕩器，其能夠產生多個時鐘頻率中的任一者；脈寬調製(PWM)產生器，其用於產生PWM信號，其中所述PWM產生器從所述時鐘振蕩器接收處於所述多個時鐘頻率中的選定一者下的時鐘信號；電路，其用於將所述PWM信號轉換為高及低驅動信號；第一電源開關，其由所述高驅動信號控制；第二電源開關，其由所述低驅動信號控制；電感器，其耦合到所述第一及第二電源開關，其中所述第一電源開關將所述電感器耦合到供應電壓，所述第二電源開關將所述電感器耦合到供應電壓共用源，且所述第一及第二電源開關分別將所述電感器與所述供應電壓及供應電壓共用源解耦；直流(DC)阻擋電容器，其耦合到所述供應電壓共用源；螢光燈，其具有第一及第二燈絲，其中所述第一燈絲耦合到所述電感器且所述第二燈絲耦合到所述DC阻擋電容器；及燈絲電容器，其將所述螢光燈的所述第一與第二燈絲耦合在一起；其中所述PWM信號的粗頻率步長由所述PWM產生器提供，且所述PWM信號的細頻率步長通過從所述多個時鐘頻率中選擇適當頻率來提供。
根據本發明的另一特定實例性實施例，一種用於使用脈寬調製(PWM)來控制可調光電子照明鎮流器的方法包括以下步驟產生具有選自多個時鐘頻率的頻率的時鐘信號； 及產生具有多個脈寬調製(PWM)信號頻率中的任一者的PWM信號，其中所述PWM信號是從所述時鐘信號導出的；其中所述PWM信號具有通過所述PWM產生器的周期及工作循環值提供的粗頻率步長及通過從所述多個時鐘頻率中選擇適當頻率提供的細頻率步長。根據本發明的又一特定實例性實施例，一種用於供應可變頻率脈寬調製(PWM)信號以用於控制螢光燈的光亮度的數字裝置包括時鐘振蕩器，其能夠產生多個時鐘頻率中的任一者；脈寬調製(PWM)產生器，其用於產生PWM信號，其中所述PWM產生器從所述時鐘振蕩器接收處於所述多個時鐘頻率中的選定一者下的時鐘信號；及電路，其用於將所述 PWM信號轉換為高及低驅動信號；其中所述PWM信號的粗頻率步長由所述PWM產生器提供， 且所述PWM信號的細頻率步長通過從所述多個時鐘頻率中選擇適當頻率來提供。
結合附圖參考以下說明可獲取對本發明的揭示內容的更完全理解，在附圖中圖1圖解說明典型共振電路螢光可調光照明鎮流器及螢光燈電路的示意圖；圖2圖解說明圖1的等效電路的示意圖，其中螢光燈氣體尚未被電離；圖3圖解說明圖1的等效電路的示意圖，其中螢光燈氣體已被電離且電流正從中流動；圖4圖解說明螢光燈電路在氣體電離之前及之後的頻率對電壓響應的示意圖；圖5圖解說明根據本發明特定實例性實施例的脈寬調製(PWM)螢光燈調光電路的示意性框圖；圖6圖解說明可在圖5中所示的PWM螢光燈調光電路中使用的PWM產生器的示意性框圖；圖7圖解說明用於將方波轉換成用以接通及關斷圖5中所示的功率切換電晶體的兩個驅動信號的典型電路的示意性框圖；圖8圖解說明來自圖7中所示的電路的輸出波形的示意性波形時序圖；圖9圖解說明根據本發明另一特定實例性實施例的使用鎖相環路(PLL)的可調諧時鐘振蕩器的示意性框圖；且圖10圖解說明根據本發明又一特定實例性實施例的進一步包括電流感測電阻器的圖5螢光燈電路的示意圖。儘管本發明易於做出各種修改及替代形式，但在圖式中是展示並在本文中詳細說明其特定實例性實施例。然而，應理解，本文對特定實例性實施例的說明並非打算將本發明限定於本文所揭示的特定形式，而是相反，本發明打算涵蓋所附權利要求書所界定的所有修改及等效形式。
具體實施例方式現在參考圖式，示意性地圖解說明特定實例性實施例的細節。圖式中，相似的元件將由相似的編號表示，且類似的元件將由帶有不同小寫字母後綴的相似編號表示。根據本發明的教示內容，可通過使用集成電路數字裝置(例如，微控制器集成電路)來實施用於對螢光燈進行調光的脈寬調製技術。現在參考圖5，其描繪根據本發明特定實例性實施例的脈寬調製(PWM)螢光燈調光電路的示意性框圖。大體由編號500表示的PWM 螢光燈調光電路可包括數字裝置502、高側及低側驅動器510、高側功率切換電晶體106、低側功率切換電晶體108、電感器110、螢光燈112、燈絲電容器116及DC阻擋電容器114。功率切換電晶體驅動器510可用於將來自數字裝置502的低輸出電壓變換為操作高側功率切換電晶體106及低側功率切換電晶體108所需的高電壓電平。數字裝置502可用於分別接通或關斷功率切換電晶體驅動器510的高側驅動器，且關斷或接通低側驅動器。當高側驅動器接通時，高側功率切換電晶體106允許電流沿一個方向流動穿過共振RLC螢光燈電路 (電感器110、螢光燈112及DC阻擋電容器114)，且當低側驅動器接通時，低側功率切換電晶體108允許電流沿另一方向流動穿過共振RLC螢光燈電路(電感器110、螢光燈112及 DC阻擋電容器114)。高側功率切換電晶體106與低側功率切換電晶體108兩者無法同時接通。還需要靜區，例如，高側功率切換電晶體106與低側功率切換電晶體108兩者均關斷 (參見圖8)。此可藉助在數字裝置502中運行的硬體功能(例如，固件及處理器、可編程邏輯或門陣列等)或通過例如圖7中所示的硬體電路來容易地實現。數字裝置502可通過交替地接通功率切換電晶體驅動器510的高側與低側輸出來合成交流(AC)信號。通過仔細控制功率切換電晶體驅動器510的高側及低側輸出的持續時間，合成處於選定頻率下的AC電力。數字裝置502可包括微處理器、微控制器、專用集成電路(ASIC)、可編程邏輯陣列(PLA) 等。所述功率切換電晶體可為(例如但不限於)金屬氧化物場效應電晶體(MOSFET)、絕緣柵極雙極型電晶體(IGBT)等。處於特定頻率下的AC電力產生施加到電感器110、螢光燈112與DC阻擋電容器 114的組合的AC線電壓。所述特定頻率可選擇用於起始燈氣體電離並控制穿過電離氣體的電流，藉此控制來自螢光燈112的光強度。數字裝置502包括脈寬調製(PWM)產生器504、用作PWM產生器504的計時信號的可變頻率時鐘506及用於存儲可變頻率時鐘506的「單板頻率(veneer frequency) 」偏移的數字表示的可變頻率時鐘寄存器508。可變頻率時鐘506使得能夠在選擇待由PWM產生器504產生的功率驅動頻率時使用較細頻率粒度，如本文中更全面地描述。可變頻率時鐘506可包括電阻器-電容器(RC)振蕩器或可在小範圍的頻率內調諧的任何其它類型的振蕩器。 參考圖6，其描繪可在圖5中所示的PWM螢光燈調光電路中使用的PWM產生器的示意性框圖。通常，計時器/計數器602從零遞增計數直到其在比較器606的確定下達到周期寄存器604所規定的值為止。每當在計數器602的時鐘輸入處接收到時鐘信號622時就使計數器602遞增。周期寄存器604含有表示確定PWM周期的最大計數器值的用戶規定的值。當計時器/計數器602匹配周期寄存器604中的值時，通過來自比較器606的復位信號將計時器/計數器602清零且循環重複。工作循環寄存器608存儲用戶規定的工作循環值。藉助比較器610將來自計數器602的計數值與工作循環寄存器608中的工作循環值進行比較。每當計時器/計數器602值小於或等於存儲於工作循環寄存器608中的工作循環值時，比較器610就斷定PWM輸出信號620 (驅動為高)，且當計時器/計數器值602大於存儲於工作循環寄存器608中的工作循環值時，解除斷定PWM輸出信號620(驅動為低)。
通過接合時鐘信號622的頻率選擇適當的工作循環及周期值，可產生在寬頻率範圍內的大致百分之五十(50)工作循環方波以用於對來自螢光燈112的光強度(亮度)的調光控制。時鐘信號622可在窄頻率範圍內變化以便在於對周期值的改變之間通常可獲得的頻率之間細調PWM信號頻率，如本文中更全面地描述。此實現PWM頻率的較細粒度，使得當對螢光燈光強度(亮度)進行調光時存在較精確且較平滑的控制。PWM頻率為時鐘信號622頻率除以周期寄存器中的值。將對應值加載到工作循環寄存器中，使得PWM信號620具有大致50%的工作循環，例如，在PWM周期的約一半內接通且在PWM周期的另一半內關斷。PWM周期為PWM頻率的倒數。因此，PWM信號620的頻率通過時鐘信號622的頻率除以存儲於周期寄存器604中的「周期計數值」確定。舉例來說，使用16MHz的時鐘頻率及160的周期計數值將產生處於IOOKHz的頻率下的PWM信號620。下文的表I展示在16MHz的時鐘頻率下PWM信號頻率及相關聯周期計數值中的一些。表I中並未展示每一個周期計數值，但PWM產生中的數字電路領域的且受益於本發明的技術人員將容易理解可使周期計數值遞增或遞減一(1)。根據本發明的教示內容，當對時鐘頻率進行頻率加或減偏移時，實現較細頻率粒度控制，如下文的表II中所示。可通過可變頻率時鐘寄存器508對可變頻率時鐘506(圖 5)進行頻率加或減修整。數字裝置502經編程以將周期值加載到周期寄存器604中以便在由這些周期值及時鐘信號622的頻率確定的頻率下產生PWM信號620。數字裝置502還經編程以通過可變頻率時鐘寄存器508控制可變頻率時鐘506的頻率以便增加所得PWM信號 620的頻率粒度。此特徵允許在螢光燈光強度的調光上的較精確且均勻的控制。數字裝置 502還經編程以將適當工作循環值加載到工作循環寄存器608中以便將PWM信號的工作循環維持於大致百分之五十。表 I
時鐘-:L6MHzPWM 頻率(Hz)周期寄存器100，00016088，88818080，00020076, 19021074, 41921574, 07421673, 73321773, 394218
權利要求
1.一種可調光螢光燈系統，其具有使用脈寬調製(PWM)控制由螢光燈產生的光量的電子照明鎮流器，所述系統包括時鐘振蕩器，其能夠產生多個時鐘頻率中的任一者；脈寬調製(PWM)產生器，其用於產生PWM信號，其中所述PWM產生器從所述時鐘振蕩器接收處於所述多個時鐘頻率中的選定一者下的時鐘信號；電路，其用於將所述PWM信號轉換為高及低驅動信號；第一電源開關，其由所述高驅動信號控制；第二電源開關，其由所述低驅動信號控制；電感器，其耦合到所述第一及第二電源開關，其中所述第一電源開關將所述電感器耦合到供應電壓，所述第二電源開關將所述電感器耦合到供應電壓共用源，且所述第一及第二電源開關分別將所述電感器與所述供應電壓及供應電壓共用源解耦；直流(DC)阻擋電容器，其耦合到所述供應電壓共用源；螢光燈，其具有第一及第二燈絲，其中所述第一燈絲耦合到所述電感器且所述第二燈絲耦合到所述DC阻擋電容器；及燈絲電容器，其將所述螢光燈的所述第一與第二燈絲耦合在一起；其中所述PWM信號的粗頻率步長由所述PWM產生器提供，且所述PWM信號的細頻率步長通過從所述多個時鐘頻率中選擇適當頻率來提供。
2.根據權利要求1所述的系統，其中所述第一及第二電源開關分別為第一及第二功率切換電晶體。
3.根據權利要求2所述的系統，其中所述第一及第二功率切換電晶體為金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)。
4.根據權利要求2所述的系統，其中所述第一及第二功率切換電晶體為絕緣柵極雙極型電晶體(IGBT)。
5.根據權利要求1所述的系統，其中集成電路數字裝置包括所述時鐘振蕩器及所述 PWM產生器，且所述數字裝置進一步包括時鐘寄存器，其耦合到所述時鐘振蕩器且存儲由所述時鐘振蕩器產生的所述多個時鐘頻率中的用於所述細頻率步長的一個時鐘頻率；及周期與工作循環寄存器，其用於所述PWM產生器的所述粗頻率步長。
6.根據權利要求5所述的系統，其中所述數字裝置為微控制器。
7.根據權利要求5所述的系統，其中所述數字裝置選自由微處理器、專用集成電路 (ASIC)及可編程邏輯陣列(PLA)組成的群組。
8.根據權利要求5所述的系統，其進一步包括耦合於所述DC阻擋電容器與所述供應電壓共用源之間的螢光燈電流測量電阻器，其中所述螢光燈電流測量電阻器用於測量螢光燈電流。
9.根據權利要求8所述的系統，其中跨越所述螢光燈電流測量電阻器的電壓耦合到所述數字裝置的模擬輸入，藉此所述數字裝置使用所述電壓維持來自所述螢光燈的恆定光強度。
10.根據權利要求5所述的系統，其中所述數字裝置是藉助數字處理器及固件程序控制的。
11.根據權利要求1所述的系統，其中所述時鐘振蕩器使用鎖相環路(PLL)來產生較高時鐘頻率。
12.根據權利要求1所述的系統，其中所述多個時鐘頻率包括所述時鐘振蕩器的中心頻率的從約百分之一(1)到約百分之五(5)的加或減。
13.根據權利要求12所述的系統，其中所述中心頻率為約16MHz。
14.根據權利要求1所述的系統，其中所述PWM信號處於可從約50KHz到約IOOKHz變化的頻率下。
15.根據權利要求1所述的系統，其中所述細頻率步長小於或等於約60Hz。
16.根據權利要求1所述的系統，其進一步包括配置為全橋式電力控制電路的第二及第三電源開關。
17.一種用於使用脈寬調製(PWM)來控制可調光電子照明鎮流器的方法，所述方法包括以下步驟藉助振蕩器產生具有選自多個時鐘頻率的頻率的時鐘信號；及藉助脈寬調製(PWM)產生器產生具有多個PWM信號頻率中的任一者的PWM信號，其中所述PWM信號是從所述時鐘信號導出的；其中所述PWM信號具有通過所述PWM產生器的周期及工作循環值提供的粗頻率步長及通過從所述多個時鐘頻率中選擇適當頻率提供的細頻率步長。
18.根據權利要求17所述的方法，其中所述PWM信號頻率可在約50KHz到約IOOKHz之間變化。
19.根據權利要求17所述的方法，其中所述細頻率步長小於或等於約60Hz。
20.根據權利要求17所述的方法，其中藉助鎖相環路(PLL)振蕩器產生所述時鐘信號。
21.根據權利要求17所述的方法，其中所述多個時鐘頻率包括所述時鐘信號的中心頻率的從約百分之一(1)到約百分之五(5)的加或減。
22.根據權利要求21所述的方法，其中所述中心頻率為約16MHz。
23.一種用於供應可變頻率脈寬調製(PWM)信號以用於控制螢光燈的光亮度的數字裝置，其包括時鐘振蕩器，其能夠產生多個時鐘頻率中的任一者；脈寬調製(PWM)產生器，其用於產生PWM信號，其中所述PWM產生器從所述時鐘振蕩器接收處於所述多個時鐘頻率中的選定一者下的時鐘信號；及電路，其用於將所述PWM信號轉換為高及低驅動信號；其中所述PWM信號的粗頻率步長由所述PWM產生器提供，且所述PWM信號的細頻率步長通過從所述多個時鐘頻率中選擇適當頻率來提供。
24.根據權利要求23所述的數字裝置，其進一步包括至少一個寄存器，其用於存儲由所述時鐘振蕩器產生的所述多個時鐘頻率中的用於所述細頻率步長的一個時鐘頻率；及周期與工作循環寄存器，其用於所述PWM產生器的所述粗頻率步長。
25.根據權利要求23所述的數字裝置，其中PWM信號頻率可在約50KHz到約IOOKHz之間變化。
26.根據權利要求23所述的數字裝置，其中所述細頻率步長小於或等於約60Hz。
27.根據權利要求23所述的數字裝置，其中所述時鐘振蕩器為鎖相環路(PLL)振蕩器。
28.根據權利要求23所述的數字裝置，其中所述多個時鐘頻率包括所述時鐘振蕩器的中心頻率的從約百分之一(1)到約百分之五(5)的加或減。
29.根據權利要求觀所述的系統，其中所述中心頻率為約16MHz。
全文摘要
一種螢光燈光強度調光控制件產生處於約百分之五十工作循環下的脈寬調製(PWM)信號且具有非常細的頻率改變粒度以允許精確且平滑的光調光能力。藉助可變頻率時鐘源給PWM產生器提供通常從所述PWM產生器的周期寄存器中的值產生的頻率之間的中間PWM信號頻率。可依據存儲於可變頻率時鐘寄存器中的值確定從多個頻率中對每一頻率的選擇，所述多個頻率可從所述可變頻率時鐘源獲得。可使用微控制器從所述可變頻率時鐘源選擇用於螢光燈的調光控制的適當頻率，且周期及工作循環值用於產生處於約百分之五十工作循環下的所述PWM信號。
文檔編號H05B41/392GK102326456SQ201080008841
公開日2012年1月18日 申請日期2010年4月12日 優先權日2009年4月13日
發明者伊戈爾·沃耶沃達, 史蒂芬·鮑林, 詹姆斯·巴特林 申請人:密克羅奇普技術公司