燈驅動電路的製作方法

2023-09-19 14:29:40 2

專利名稱：燈驅動電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及為燈泡供電的供電電路。
背景技術：
顯示技術(例如，用於計算機和娛樂顯示設備)通常根據消費者和商業 電子設備的情況而持續發展。顯示設備(例如數字顯示投影儀、平板顯示器、等離子體顯示器、陰極射線管(CRT)顯示器等)在所顯示的圖像的質量和 解析度上持續改進。這種顯示系統的各種類型可以從本申請的委託人，美國 俄勒岡州Wilsonville的InFocus公司(InFocus Corporation)獲得。投影儀顯示設備，例如InFocus生產的投影儀顯示設備，包括用於顯示 圖像(例如靜態圖像或視頻圖像)的光學子系統。這種光學子系統通常包括 用於產生光的照明光源(例如高壓水銀燈)以便投影這些圖像。照明光源(燈) 通過燈驅動電路來供電(驅動)。但是，當前的燈驅動電路具有一些缺點。當前燈驅動電路的一個缺點是，部分地由於當前在顯示設備中使用的大 部分燈泡(燈)是短弧燈，因此，在它們的設計過程中進行了折衷(tradeoff)。 為了提高這種燈的壽命，希望用於驅動燈的燈驅動電路的輸出電容器相對 小，以便減少從驅動電路傳送到燈的瞬態電流量。但是，紋波電流(例如由 交流電到直流電的轉換而產生)的量也應該減少以防止弧跳(可能傷害燈) 和閃爍(可能對投影圖像的質量產生不利影響)。當前的方法使用無源和電 感濾波來減少紋波電流。使用這種濾波與減少燈驅動電路的輸出電容器大小 的目的有衝突。因此，在這種方法中，通常在減少紋波電流與減少燈驅動電 路輸出電容器的大小之間進行折衷。當前燈驅動電路的另一個缺點是這種電路的整體成本。用於實現燈驅動 電路的當前方法使用兩個有源轉換器，即可稱作功率因數轉換器的前端轉換 器，以及將前端轉換器提供的功率轉換為可用於照明(驅動)燈的功率(通 常為直流(DC)電)的後端轉換器。當前燈驅動電路的典型配置包括用於前端轉換器的升壓轉換器(boost converter)，升壓轉換器既整流來自交流(AC) 電源的功率(例如120V住宅交流功率)又將已整流的功率逐步增加到高電 壓(例如400-500V)以便調整功率因數(例如，在AC電源上的應變)禾口/ 或調整燈驅動電路的有效功率消耗。在這種結構中，後端轉換器通常實現為降壓轉換器(buckconverter)， 將前端轉換器產生的高電壓逐步降低為燈可使用的電壓(例如40-50V)。因 為前端轉換器和後端轉換器都是包括有源元件和控制電路(例如脈寬調製控 制器)的有源電路，這種方法可能很昂貴。而且，這種方法還具有要在減少 輸出電容器大小與減小紋波電流之間進行折衷的缺點。基於前述理由，需要 一種用於實現燈驅動電路的替代方法。相關技術的前述實施例及其局限性是說明性的而不是窮盡性的。在閱讀 本說明書和附圖之後，本領域技術人員將會清楚相關技術的其它局限性。


附圖中示出了示例性實施例。這裡公開的實施例和附圖應該被理解為說 明性的，而不是限制性的。圖1是燈驅動電路的框圖。圖2是可以在圖1的電路中實現的無源功率因數校正電路的框圖/示意圖。圖3是可以在圖1的電路中實現的降壓-升壓直流到直流(DC-DC)轉 換器的示意圖。圖4是可以在圖1的電路中實現的逆向(flyback) DC-DC轉換器的示意圖。圖5是可以在圖1的電路中實現的電磁幹擾濾波器的示意圖。
具體實施方式
現在參考圖1,其示出了表明上述當前方法的至少部分缺點的燈驅動電 路100的框圖。燈驅動電路100包括電磁幹擾(EMI)濾波器110，該電磁 幹擾(EMI)濾波器110在運行中與交流(AC)電源耦接，如圖1所示。EMI 濾波器110用於減少噪聲，例如可能由燈驅動電路100生成的高頻噪聲。電磁幹擾濾波器110防止這種噪聲被傳送到電線。需要進行這種濾波是因為上 述噪聲可能干擾與連接到相同電線的其它電子設備的操作。AC電源可以是120V AC電源，如在美國普遍使用的電源。或者，AC 電源可以是240 V AC電源，如在歐洲國家普遍使用的電源。當然，可以使 用任何合適的電源。燈驅動電路100還包括與EMI濾波器110耦接的無源功率因數校正 (PFC)電路120。取決於特定實施例，無源PFC電路120可以整流從EMI 濾波器110接收的已濾波的AC功率信號，根據被整流的信號存儲電能並將 所存儲的電能傳送到燈驅動電路100的其它部分。而且，無源PFC電路120 的電路元件被選擇成，針對特定的應用進行合適的功率因數校正(例如適當 調整電力耦接中的載荷和/或適當調整燈驅動電路的有效功率消耗)。由於PFC電路120是無源電路(例如不包含有源元件和/或控制器)， 所以通常比包含有源元件和/或控制器(例如脈寬調製控制器)的有源前端轉 換器(例如在當前燈驅動電路中使用)實現起來便宜得多。因此，使用無源 PFC電路120可以提供優於當前方法的成本優點。無源PFC電路120與DC-DC轉換器130耦接。對於本實施例來說， DC-DC轉換器130從無源PFC電路120接收已濾波、已整流的DC功率信 號。然後，DC-DC轉換器130將已濾波、已整流的DC功率信號轉換為適合 用於驅動(供電)燈泡的DC功率信號。根據特定的應用，DC-DC轉換器可 以逐步降低(例如作為降壓轉換器運行)或者逐步升高(例如作為升壓轉換 器運行)來自無源PFC電路120的已濾波、已整流的DC功率信號。特定的 方法取決於一些因素，例如但是不限於所使用的AC電源、想要的功率因數 和/或正在使用的燈的功率要求。DC-DC轉換器130以固定頻率不連續地運行，因此作為恆定能量轉換器 運行。例如對於電路IOO，在線路電壓大於閾值電壓時，DC-DC轉換器130 直接從AC線路提取AC輸入波形周期的基本部分(例如從180度中取出150 度)的功率。在這種情況下，DC-DC轉換器再從無源PFC電路120提取AC 輸入波形周期的剩餘部分(例如180度中的30度)的功率。在DC-DC轉換 器130的每個切換周期的末端(即在直接以AC線路電壓或者以存儲在無源 PFC電路120內的電能來運行的時候)，本質上沒有能量存儲在DC-DC轉換器。這種方法允許減少每個AC輸入波形的線路周期中存儲的電能。在這 種安排中，例如可將閾值電壓選擇為AC電源的標稱峰值線路電壓的一半。上述方法使得提供給具有相對大線路頻率的元件的DC-DC轉換器130 的電壓導致紋波電流。但是，由於與無源PFC轉換器120協作的DC-DC轉 換器130是作為恆定能量轉換器來運行的，所以線路頻率紋波電流通過可稱 為"抑制(rejection)"的機制而減小。通過在燈驅動電路運行的周期的一 部分中存儲實質上固定的電量，以及在燈驅動電路周期的第二部分中發送該 固定電量(用於每個周期)，就有效地"抑制"了紋波電流，使得紋波電流 實際上沒有傳送到DC轉換器的輸出終端。因此，這種方法允許更大的線路 頻率紋波成分出現在轉換器中，因為這種恆定能量轉換方法具有固有的電壓 抑制特性。燈驅動電路100還包括與DC-DC轉換器130耦接的燈點火器140。點火 器電路140在足夠高電壓中產生放電，以便將存在於短弧燈泡150中的氣體 離子化，該短弧燈泡150也與點火器140耦接。在燈泡初始接通時，點火器 140運行從而將燈泡150中的氣體離子化。 一旦燈泡被點亮，DC-DC轉換器 提供必要功率(例如通過點火器電路)以維持燈泡的照明。這種點火器電路 描述於美國專利號6624585中，該美國專利被轉讓給本發明的受讓人。在此 通過引用合併美國專利號為6624585的的全部公開內容。燈驅動電路100還包括耦接燈泡150與DC-DC轉換器130的燈返回信號線路160。燈返回信號電路160可以用於功率監控和/或功率調節。例如，燈返回信號線路160可以用於測量燈泡150上的電壓降(燈電壓)和/或在燈泡150中消耗的電流量(燈電流)。取決於特定實施例，可用額外的電路來確定燈電壓和/或燈電流。 無源功率因數校正電路現在參考圖2，其示出了可作為燈驅動電路100中的無源PFC電路120 實現的無源PFC電路200的框圖/示意圖。無源PFC電路200可稱作填谷 (valley-fill)電路，包括輸入終端202和204。輸入終端202和204在運行 中接收AC功率信號(例如，來自EMI濾波器的已濾波功率信號)。然後， 該AC功率信號被發送到將AC功率信號整流的橋式整流電路。這種電路是 已知的並且為了簡明的目的，在此不做詳細描述。無源PFC電路200還包括電容器220和230; 二極體240、 250和260; 電阻器270;以及輸出終端280和2卯。運行無源PFC電路200使得在經過 整流的DC電壓高於輸入終端202和204所接收的峰值AC電壓的一半(例 如大約AC電源的標稱峰值線路電壓的一半)時，電容器220和240通過二 極管250和電阻器270串聯充電。電阻器270用做限流器件以便限制通過電 容器220和240的瞬態電流量，並且建立適當的充電時間常數。然後，在經過整流的DC電壓低於在輸入終端202和204接收的峰值AC 電壓的一半時，將存儲在電容器220和230 (電容器220和230分別通過二 極管240和260並聯)中的電能通過輸出終端280和290傳送到DC-DC轉 換器。通常，還可以實現用於控制在燈驅動電路中的無源PFC電路200與 DC-DC轉換器之間的電流流動的合適電路。這種電路可包括電晶體開關、阻 流二極體，或者任何其它合適用於在這種電路中指引電流流動的裝置。降壓-升壓DC-DC轉換器現在參考圖3,其示出了可作為燈驅動電路100的DC-DC轉換器130 實現的降壓-升壓轉換器300的示意圖。如圖3所示，無源PFC電路200的 輸出終端280和290用做降壓-升壓轉換器300的輸入終端。即，從無源PFC 電路200傳送的電能通過終端280和290發送到降壓-升壓轉換器300。降壓-升壓轉換器300包括用做切換元件的n型場效應電晶體(FET)310 以控制由降壓-升壓轉換器300執行的DC-DC電能轉換。應認識到，使用其 它切換元件也是合適的，例如作為兩個示例，使用雙極電晶體或者絕緣柵極 雙極電晶體。電晶體(開關)310的柵極(例如控制終端)與控制器315 (例 如PWM控制器)耦接。在電晶體310導通時，電能被存儲在電感器320中， 結果電流從終端280通過電感器320且進而通過電晶體310流到終端290。 在電晶體310截止(且以足夠電位將電感器320充電)時，二極體330和360 變成正向偏壓，電能通過輸出終端380傳送到燈電路(例如點火器和燈泡)。 利用輸出電容器340和輸出電感器350對該輸出功率進行濾波。如同之前的 討論，通過不連續地運行無源功率因數校正控制電路200和DC-DC轉換器 300，來抑制紋波電流。這種方法與現有方法相比，能夠減少輸出電容器340 的大小。為了不連續地運行燈驅動電路，將DC-DC轉換器300設計成，在切換周期的末端，沒有存儲在電感器320中的已存儲電能留下。對於上述目的而 言，不連續的運行涉及DC-DC轉換器300而不涉及無源PFC。控制器315 設定電感器中的峰值電流水平。由於存儲在電感器320中的電能關係到其電 感(L)乘以通過電感器320的電流(I)的平方，即LxI2，由控制器315建 立的峰值電流還決定了在每個切換周期存儲在電感器320中的電能。為了控制DC-DC轉換器300的每個切換周期所存儲的能量，電晶體310 "準時"通過控制器315達到峰值電流。因此，電晶體310在每個切換周期 中的時間直接涉及所施加的電壓。因此，為了使輸入電壓處於允許用於特定 DC-DC轉換器300配置的不連續運行的範圍內，到轉換器的輸入電壓的變化 實際上被完全抑制。降壓-升壓DC-DC轉換器還包括燈返回終端380。如上所述，燈返回終 端可用於確定正被驅動的燈泡的燈電壓和/或燈電流。需要注意的是，對於降 壓-升壓DC-DC轉換器300，燈返回信號終端380耦接與終端280相同的電 路節點，降壓-升壓DC-DC轉換器300在終端280從無源PFC電路200接收 DC電壓。因此，在這種特定配置中，會用額外的電路和/或服務邏輯(例如 軟體)確定(例如結合其他信號)來自燈返回信號終端380的燈電壓和/或燈 電流。對於降壓-升壓DC-DC轉換器中的電壓測量來說，可使用簡單的由電 阻和PNP電晶體構成的電壓到電流轉換器作為電流源。在這種方法中，可利 用具有高共模耐壓的差分放大器。逆向轉換器現參見圖4，其示出了逆向DC-DC轉換器400的示意圖。如以上關於降 壓-升壓DC-DC轉換器300的描述，無源PFC電路200的輸出終端280和 290用作逆向轉換器400的輸入終端。從無源PFC電路200傳送的功率通過 終端280和290發送到逆向轉換器400。逆向轉換器400以有些類似於降壓-升壓DC-DC轉換器300的方式運行。 例如，逆向轉換器400包括與控制器415耦接的n型FET電晶體410，以控 制何時逆向轉換器400存儲來自無源PFC電路200的電能以及何時它將電能 傳送給燈泡和/或點火器。當電晶體410導通時，電能被存儲在變壓器420 的初級繞組。與降壓-升壓DC-DC轉換器300相反，存儲在變壓器420的初 級繞組中的電能被發送到變壓器420的次級繞組，並且在電晶體410截止且變壓器420的次級繞組兩端存在足夠的電位時傳送該電能到正向偏壓二極體 430和460。此外，以類似於降壓-升壓DC-DC轉換器300的方式，逆向轉 換器400包括輸出電容器400和輸出電感器450，用於濾波發送到逆向轉換 器400的輸出終端470的DC功率。逆向轉換器400與無源功率因數校正電路200協作，以與降壓-升壓直流 到直流轉換器300實質上類似的方式作為恆定電源運行。例如，類似於以上 結合圖3所做描述，逆向轉換器400可以以不連續的模式運行。可以理解的是，在燈驅動電路100中，逆向轉換器400與降壓-升壓 DC-DC轉換器300在運行中的一個差別是逆向轉換器400在變壓器420中具 有分離的繞組，用於充電(存儲電能)和放電(發送電能)。對於變壓器420， 初級繞組是充電繞組而次級繞組是放電繞組。相比之下，降壓-升壓直流到直 流轉換器300對電感器320的單個繞組充電和放電。變壓器420的分離的充 電繞組和放電繞組允許根據轉換器的內部運行電壓獨立選擇用於逆向轉換 器400的輸出基準。例如，逆向轉換器400還包括燈返回信號終端480。與降壓-升壓DC-DC 轉換器300的燈返回信號終端380相反，變壓器420將燈返回信號終端480 與終端280分隔。因此，對於這種特定結構，燈電壓和/或燈電流可基於燈返 回信號(例如結合其他信號)直接確定。實際上，燈返回信號可與燈驅動電 路(其中實現逆向轉換器400)的剩餘部分相同的電接地基準耦接。EMI濾波器電路圖5是可作為如圖1所示的燈驅動電路100中EMI濾波器110來實現的 EMI濾波器電路500的示意圖。在這種實施例中，EMI濾波器電路500的終 端202和204與圖2所示的無源PFC電路200耦接。如上所述，這種EMI 濾波器電路防止電壓轉換器噪聲(例如高頻噪聲)汙染燈驅動電路100所連 接的AC電源線路。作為額外的益處，EMI電路500還可防止出現在AC供 電線路的噪聲被發送到例如這種如圖l-圖4所示的功率轉換器。通常，包含 切換轉換器的電路(例如燈驅動電路IOO)包括某種類型的EMI濾波裝置， 例如EMI濾波器500。由於這種電路是已知的，所以為了簡明的目的，這裡 不進一步詳細描述EMI濾波器500。結論儘管上面描述了一些觀點和實施例，在閱讀本說明之後，本領域技術人 員將認識到對這些方案和實施例的一些修改、改變、補充和子組合。因此， 所附權利要求和權利要求書應被解釋為包括全部落入本發明真正的精神和 範圍內的修改、變化、補充和子組合。
權利要求
1、一種燈驅動電路，包括無源功率因數校正(PFC)電路，其中所述無源PFC電路在運行中與交流(AC)電源耦接；直流到直流(DC-DC)功率轉換器，與所述無源PFC電路耦接，其中所述DC-DC功率轉換器與所述無源PFC電路協作而作為恆定能量轉換器運行；以及燈電路，與所述DC-DC功率轉換器耦接。
2、 如權利要求l所述的燈驅動電路，其中所述燈電路包括 燈點火器電路，與所述DC-DC功率轉換器耦接；以及 燈泡，與所述燈點火器耦接。
3、 如權利要求2所述的燈驅動電路，其中所述燈泡包括高壓短弧燈泡。
4、 如權利要求l所述的燈驅動電路，其中所述無源PFC電路包括填谷 電路。
5、 如權利要求l所述的燈驅動電路，其中所述填谷電路包括 橋式整流電路，與所述AC電源耦接；以及充電存儲器和傳送電路，與所述橋式整流電路和所述DC-DC功率轉換 器耦接，並且位於所述橋式整流電路與所述DC-DC功率轉換器之間。
6、 如權利要求5所述的燈驅動電路，其中所述充電存儲器和傳送電路 包括多個電容器； 多個二極體；以及 至少一個電阻器，其中所述多個電容器、所述多個二極體和所述至少一個電阻器排列成， 在運行中，在與所述AC電源相關聯的線路電壓大於閾值電平時所述多個電 容器串聯充電，且在所述線路電壓小於所述閾值電平時所述多個電容器並聯 放電。
7、 如權利要求6所述的燈驅動電路，其中所述閾值電平是所述線路電 壓的標稱峰值的一半。
8、 如權利要求l所述的燈驅動電路，還包括電磁幹擾(EMI)濾波器，與所述無源PFC電路耦接，其中，在運行中， 所述無源PFC電路經由所述EMI濾波器與所述AC電源耦接。
9、 如權利要求8所述的燈驅動電路，其中所述EMI濾波器包括電阻性、 電感性、電容性的電路。
10、 如權利要求l所述的燈驅動電路，其中所述直流到直流功率轉換器 包括逆向DC-DC功率轉換器，其在運行中不連續地運行。
11、 如權利要求1所述的燈驅動電路，其中所述DC-DC功率轉換器包 括-降壓-升壓轉換器，其在運行中不連續地運行。
12、 一種燈驅動電路，包括電磁幹擾(EMI)濾波器，其中所述EMI濾波器在運行中與交流(AC) 電源耦接；無源功率因數校正(PFC)電路，與所述EMI濾波器耦接； 直流到直流(DC-DC)功率轉換器，與所述無源PFC電路耦接，其中所述DC-DC功率轉換器與所述無源PFC電路協作而作為恆定能量轉換器運行；以及燈電路，與所述DC-DC功率轉換器耦接。
13、 如權利要求12所述的燈驅動電路，其中所述無源PFC電路包括填 谷電路。
14、 如權利要求12所述的燈驅動電路，其中所述DC-DC轉換器包括 逆向DC-DC轉換器，其在運行中不連續地運行。
15、 如權利要求12所述的燈驅動電路，其中所述DC-DC轉換器包括 降壓-升壓DC-DC轉換器，其在運行中不連續地運行。
16、 一種燈驅動電路，包括無源功率因數校正(PFC)電路，其中所述無源PFC電路在運行中與交 流(AC)電源耦接；直流到直流(DC-DC)功率轉換器，與所述無源PFC電路耦接，其中所 述DC-DC功率轉換器與所述無源PFC電路協作而作為恆定能量轉換器運行， 且其中所述DC-DC轉換器不連續地運行；以及燈電路，與所述DC-DC功率轉換器耦接。
17、 如權利要求16所述的燈驅動電路，其中所述無源PFC電路在運行中將所述AC電源生成的AC功率信號整流，以生成整流信號；以及 在所述AC功率信號的每個周期中，存儲實質固定量的電能並且將該固定量的電能傳送到所述DC-DC轉換器，其中在所述整流信號大於閾值電平時存儲電能，而在所述整流信號小於所述閾值電平時將所存儲的電能傳送給所述DC-DC功率轉換器。
18、 如權利要求17所述的燈驅動電路，其中所述閾值電平大約是所述 AC電源的線路電壓的標稱峰值的一半。
19、 如權利要求16所述的燈驅動電路，其中所述DC-DC轉換器包括逆 向DC-DC轉換器。
20、 如權利要求16所述的燈驅動電路，其中所述DC-DC轉換器包括降 壓-升壓DC-DC轉換器。
全文摘要
本發明公開了一種燈驅動電路。燈驅動電路包括無源功率因數校正(PFC)電路。在運行中，無源PFC電路與交流(AC)電源耦接。燈驅動電路還包括與無源PFC電路耦接的直流到直流(DC-DC)功率轉換器。DC-DC功率轉換器與無源PFC電路協作，作為恆定能量恆定能量轉換器運行。燈驅動電路還包括與DC-DC功率轉換器耦接的燈電路。
文檔編號H05B41/24GK101263746SQ200680033587
公開日2008年9月10日 申請日期2006年8月18日 優先權日2005年9月15日
發明者H·弗雷澤·普魯厄特 申請人:因佛卡斯公司