全波檢測放大器及其相配的放電燈逆變器的製作方法
2023-06-27 16:29:36
專利名稱：全波檢測放大器及其相配的放電燈逆變器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電壓或電流檢測放大器，具體地說，是一種可檢測放電燈中交流電流的全波檢測放大器。
背景技術：
放電燈，如冷陰極螢光燈(cold cathode fluorescent lamp，CCFL)，具有一根據瞬時時間間隔和作用於該螢光燈的激磁交流信號頻率變化的終端電壓特性。CCFL被啟動或點亮之前，螢光燈在一小於啟動電壓的終端電壓作用下，不會產生電流。一旦在該CCFL內部產生一電弧，終端電壓可降至工作電壓，在啟動電壓超出輸入電流一相對寬的範圍內，該工作電壓大約為啟動電壓的1/3。當CCFL被一頻率相對高的交流信號啟動時，該CCFL(一旦被觸發)在任一周期均不會熄滅並展示一正阻抗終端特性。
用一頻率相對較高的方波交流信號驅動一CCFL，對螢光燈將產生一最大的可用發光時間。但是，因為方波交流信號在CCFL的啟動電路附近可能會對其他電路產生較大的幹擾，螢光燈通常由非理想波形的交流信號如正弦波形交流信號驅動。
通常，螢光燈由一逆變器啟動，該逆變器將一直流信號轉變為一交流信號，過濾該交流信號，並將電壓轉換至CCFL所需的一較高電壓。這種逆變器可參見沙弄公司(Shannon et al.)轉讓給本申請申請人的美國專利US 6,114,614。在此將結合本申請作為參考。另外，美能利思克(Monolithic)能源系統公司的MP1011，MP1015，MP1018產品也是用以啟動CCFL的此類逆變器的例子。
為最有效地向燈傳遞電能，有必要監控傳遞給燈的電流。因此，就使用一檢測放大器來監控該電流。
發明內容
如上所述，如何最有效地向放電燈傳遞電能，以及如何監控傳遞給放電燈電能源乃是本發明所要解決的技術問題，為此，本發明的的目的在於提供一種啟動燈的裝置；本發明的另一目的在於提供一種啟動放電燈的方法；本發明的再另一目的在於提供一種用於監控傳遞給放電燈電能的全波檢測放大器。
本發明的技術方案如下根據本發明的一種啟動燈的裝置，其包含一將直流信號轉變為交流信號的轉換器；一位於該轉換器和燈之間的自激振蕩電路，該自激振蕩電路過濾傳遞給該燈的交流信號；一調整該轉換器的控制器，使交流信號的頻率基於自激振蕩電路的諧振頻率；以及一檢測通過燈的電流的全波檢測放大器。
所述的自激振蕩電路包含一升壓變壓器，該升壓變壓器具有一接收交流信號的第一繞組，和一與所述的燈連接的第二繞組；所述的自激振蕩電路包含一過濾交流信號的濾波器；進一步，該啟動燈裝置還包含一測定該自激振蕩電路的諧振頻率和向該控制器提供諧振頻率指示的零交叉檢測器；更具體地，所述的燈為一放電燈，其包含冷陰極螢光燈，金屬滷素燈和鈉氣燈。
根據本發明的一種啟動放電燈的方法，包含下列步驟(A)將直流信號轉換為交流信號；(B)對傳遞給放電燈的交流信號濾波；(C)振蕩直流信號的轉換信號，使交流信號的頻率基於一負載的諧振頻率，以及；(D)檢測通過所述放電燈的全波電流。
根據本發明的一種全波檢測放大器，檢測通過燈的周期性電流，該全波檢測放大器包含一檢測所述周期性電流正半波的裝置；一檢測所述周期性電流負半波的裝置；以及一把所述電流正半波部分和負半波部分結合變成一電流信號的組合裝置。
所述的檢測正半波的裝置包含一具有第一輸入端的第一運算放大器，該第一輸入端和所述燈的一端子相接；一第一輸出電晶體，其柵極連接所述第一運算放大器的輸出端，其源極連接一電流源，其漏極連接所述第一運算放大器的第二輸入端。
所述的檢測負半波的裝置包含一第二運算放大器，其具有一和所述燈的一端連接的第二輸入端；一第二輸出電晶體，其柵極和所述第二運算放大器的輸出端相連，其源極連接一電流源，其漏極連接所述第二運算放大器的第二輸入端。
所述的組合裝置是一電流源，其供給流過所述第一輸出電晶體和第二輸出電晶體的電流。
所述的第二運算放大器的第一輸入端接地。
所述的第二運算放大器的第二輸入端通過一電阻和所述燈的所述端子相接。
本發明的優點是由於使用全波檢測放大器，對傳輸給放電燈的周期性電流的每個半波進行檢測，使對逆變器迴路採樣率增加一倍，特別是由於具有較快的迴路時間常數，因此，能更好地監控傳遞給放電燈的電能，從而，能最有效地向放電燈傳遞電能。
圖1為電流控制集成電路在啟動放電燈的升壓變壓器第一繞組側連接另一儲能電路的示意圖；圖2A和圖2B為背景技術中半波檢測放大器的電路示意圖；圖3為根據本發明形成的一全波檢測放大器的電路示意圖。
具體實施例方式
如上所述，啟動CCFL的逆變器通常包含一將直流信號(DC)轉換為交流信號(AC)的轉換器，一濾波電路和一變壓器。此類電路的例子可參見沙弄公司(Shannon et al.)轉讓給本發明申請人的美國專利US 6,114,614。在此將結合本申請作為參考。另外，其他在先技術中的逆變器電路也可以用來啟動CCFL，如饋電流推-拉(ROYER)振蕩器，恆定頻率半橋(constant frequency half-bridge，CFHB)電路，或是一檢測模式半橋(inductive-mode half-bridge，IMHB)電路。本發明可以連同上述任何逆變器電路，也可以與其他逆變器電路一起來使用。
本發明在此公開了一種用於監控螢光燈引起的(或供給螢光燈的)電流的方法及裝置。根據本發明，一檢測放大器被用來監控全波電流，而不僅限於監控電流的正半波部分或負半波部分。在對該檢測放大器進行說明以前，對逆變器和燈的結合電路的工作原理作一簡要說明。其僅僅可以被理解為一個逆變器的實施例，因此，本發明的檢測放大器幾乎可與任何一種使用電流監控的逆變器一起使用。
在一實施例中，本發明為一集成電路，其包含安置於一半橋電路中的4隻金屬氧化物半導體場效應功率管(MOSFET)。該集成電路結合一獨立的輸出網絡，將一直流信號轉換成交流信號。該集成電路工作在輸出濾波網絡的諧振頻率附近，該輸出濾波網絡包含電感和電容器件。
濾波網絡的損耗可以通過設計一低Q值負載(使返複流過儲能元件和交換器件的電流最小量)和一高Q值卸載(這意味著電感和電容具有低損耗)來達到最小化。然而，輸出波形的諧波成分應維持在一低電平上，以保證逆變器不會干擾附近電路的運行。
在一典型的電路中，半橋電路通過周期性地變換直流信號(DC)，產生交流信號(AC)。控制電路通過調整交流信號的每半個周期的脈衝寬度(pulse width，PWM)來調整傳遞給負載電能的大小。因為正常工作時，脈衝寬度(PWM)提供對稱的交流信號，交流信號中的偶次諧波被抵償。通過消除偶次諧波並通常工作在一濾波器(負載)的諧振頻率上，所設計的濾波器負載Q值很低，所以濾波器的損耗可以減至最小。另外，因為CCFL直接連接在升壓變壓器的第二繞組的兩端，除了需要在螢光燈內產生電弧的第二部分，升壓變壓器的第二繞組通常在CCFL的運行電壓上工作。並且，以下還會進一步顯示控制電路在啟動負載時，相對於正常運行，將選擇性地增加對負載提供的脈衝寬度。
如圖1所示，為集成電路104連接一負載，顯示電能控制的一實施例的電路示意圖100』。其包含一儲能電路108，一如為CCFL的燈106。一連接該集成電路104的直流電源102，例如為一電池組。一自舉電容120a連接在集成電路104的BSTE端和一輸出端110a之間，該輸出端110a和一被標識為OUTR的端子相接。同樣，另一自舉電容120b連接在該集成電路104的BSTL端和另一輸出端110b之間，該輸出端110b和一被標識為OUTL的端子相接。自舉電容120a和120b儲藏能量，為啟動集成電路104內的啟動電路提供電源，該電源浮置於其他電路的工作電壓之上。
電感116的一端和輸出端110a相接，其另一端和電容118的一端及升壓變壓器114第一繞組的一端相接。電容118的另一端和升壓變壓器114第一繞組的另一端及輸出端110b相接。變壓器114第二繞組的一端和燈的端子112a相接，第二繞組的另一端和燈的端子112b相接。
一電抗性的輸出網絡或儲能電路108由連接在輸出端110a，110b，及升壓變壓器114的第一繞組之間的器件構成。該儲能電路108是一第二級諧振濾波電路，其儲存一特定頻率上的電能，並在必要時釋放電能，以平滑傳遞給燈106的交流信號的正弦波形。儲能電路也可以被認為是一自激振蕩電路。
此外，還包含一電流檢測電路。請注意，第二繞組的第二端子直接接地。燈的另一端112b和二極體107的陽極與另一二極體105的陰極相接。二極體107的陰極和檢測電阻109的一端及集成電路104的Vsense埠相接。二極體105的陽極和檢測電阻109的另一端及地極相接。在該電路中，集成電路104監控檢測電阻109兩端的電壓，這樣，流入燈106的電流便近似於流過檢測電阻109的電流，因此，可用來控制啟動燈的電源。
Vsense埠的信號提供給半波檢測放大器201。在背景技術的一個實施例中，該檢測放大器如圖2A所示。半波檢測放大器201包含一運算放大器203，一輸出電晶體205，一電流源207和一電阻209。由於電路中設置二極體105和107，因此，電流IL，以及檢測電阻109兩端的電壓V，只是通過燈的電流的正半波部分。應該注意到檢測到的電流和電壓是相同的。換句話說，檢測109兩端的電壓應理解為和檢測燈產生的電流是一樣的。
工作中，從二極體107流出的電流將通過檢測電阻109，並同時在運算放大器203的同相輸入端產生一電壓。運算放大器的輸出端連接輸出電晶體205的柵極。該電晶體205的漏極和運算放大器203的反相輸入端及電阻209的一端相接。電阻209的另一端接地。
輸出電晶體的源極和電流源207相接。因此，電流源207產生的電流表示燈產生的電流的大小。請注意，由於運算放大器203的倒相作用，所以電流源207產生的電流與燈產生的電流反相。
圖2B顯示了背景技術中檢測放大器201的另一實施例。在該實施例中，加法端位於運算放大器203的反相輸入端。一反饋電容Cf和一反饋電阻Rf連接於該運算放大器203的輸出端和反相輸入端之間。但該實施例仍然只能檢測提供給燈的電流的半波。
圖3，顯示了一根據本發明提供的全波檢測放大器301。首先請注意，圖3所示是試圖在沒有圖1和圖2A、2B所示的二極體105，107的情況下使用該全波檢測放大器301。這樣，可取消這些元器件，信號Vsense直接從圖1所示的112b端引出。
全波檢測放大器301包含運算放大器203，輸出電晶體205、電阻209、以及背景技術中所涉及的半波放大器201的電流源207。此外，該全波檢測放大器301還包括一第二運算放大器307、一第二輸出電晶體305、和一輸入電阻303。
信號Vsense通過輸入電阻303輸給第二運算放大器的反相輸入端，第二運算放大器307的同相輸入端接地，其輸出端和第二輸出電晶體305的柵極相接。該第二輸出電晶體305的漏極和第二運算放大器307的反相輸入端相接。其源極和電流源207相接。
如上已述的，二極體105和107被省略。使信號Vsense和燈產生的電流一致。可以理解為燈產生的電流通過電阻109就是電壓信號Vsense。運算放大器203和第一輸出電晶體205獲得信號Vsense的正半波部分。第二運算放大器307和第二輸出電晶體305獲得信號Vsense的負半波部分。這樣，信號Vsense的整波都可以由電流源207產生的電流獲得，如圖3所示。
檢測燈電流的整個正弦波具有很多優點。對每個半波的有效檢測使迴路採樣率增加一倍，並具有一較快迴路時間常數，因此，對迴路的控制較好。
本發明雖以上述實施例公開如上，在不脫離本發明的精神和範圍內，應當可做一些更動與潤飾。
權利要求
1.一種啟動燈的裝置，其包含一將直流信號轉變為交流信號的轉換器；一位於該轉換器和燈之間的自激振蕩電路，該自激振蕩電路過濾傳遞給該燈的交流信號；一調整該轉換器的控制器，使交流信號的頻率基於自激振蕩電路的諧振頻率；以及一檢測通過燈的電流的全波檢測放大器。
2.如權利要求1所述的啟動燈的裝置，其特徵在於，所述的自激振蕩電路包含一升壓變壓器，該升壓變壓器具有一接收交流信號的第一繞組，和一與所述的燈連接的第二繞組。
3.如權利要求2所述的啟動燈的裝置，其特徵在於，所述的自激振蕩電路包含一過濾交流信號的濾波器。
4.如權利要求1所述的啟動燈的裝置，其特徵在於，還包含一測定該自激振蕩電路的諧振頻率和向該控制器提供諧振頻率指示的零交叉檢測器。
5.如權利要求1所述的啟動燈的裝置，其特徵在於，所述的燈為一放電燈，其包含冷陰極螢光燈，金屬滷素燈和鈉氣燈。
6.一種啟動放電燈的方法，包含下列步驟(A)將直流信號轉換為交流信號；(B)對傳遞給放電燈的交流信號濾波；(C)振蕩直流信號的轉換信號，使交流信號的頻率基於一負載的諧振頻率，以及；(D)檢測通過所述放電燈的全波電流。
7.一種全波檢測放大器，檢測通過燈的周期性電流，該全波檢測放大器包含一檢測所述周期性電流正半波的裝置；一檢測所述周期性電流負半波的裝置；以及一把所述電流正半波部分和負半波部分結合變成一電流信號的組合裝置。
8.如權利要求7所述的全波檢測放大器，其特徵在於，所述的檢測正半波的裝置包含一具有第一輸入端的第一運算放大器，該第一輸入端和所述燈的一端子相接；一第一輸出電晶體，其柵極連接所述第一運算放大器的輸出端，其源極連接一電流源，其漏極連接所述第一運算放大器的第二輸入端。
9.如權利要求7所述的全波檢測放大器，其特徵在於，所述的檢測負半波的裝置包含一第二運算放大器，其具有一和所述燈的一端連接的第二輸入端；一第二輸出電晶體，其柵極和所述第二運算放大器的輸出端相連，其源極連接一電流源，其漏極連接所述第二運算放大器的第二輸入端。
10.如權利要求7或8或9所述的全波檢測放大器，其特徵在於，所述的組合裝置是一電流源，其供給流過所述第一輸出電晶體和第二輸出電晶體的電流。
11.如權利要求9所述的全波檢測放大器，其特徵在於，所述的第二運算放大器的第一輸入端接地。
12.如權利要求9所述的全波檢測放大器，其特徵在於，所述的第二運算放大器的第二輸入端通過一電阻和所述燈的所述端子相接。
全文摘要
一種全波檢測放大器及其相配的放電燈逆變器，其特別公開一種檢測通過放電燈的周期性電流的全波檢測放大器。該全波檢測放大器包含一檢測周期電流正半波部分的裝置；一檢測周期電流負半波部分的裝置；一把電流的正半波部分和負半波部分結合變成一電流信號的組合裝置。本發明由於使用全波檢測放大器來監控傳遞給放電燈的能量，對周期性電流的每一半波都能有效地監控，這樣使對逆變器迴路的採樣率增加了一倍，特別是由於具有較快的迴路時間常數，因而能最有效地向放電燈傳遞電能。
文檔編號H05B41/392GK1514680SQ03154068
公開日2004年7月21日 申請日期2003年8月14日 優先權日2003年1月29日
發明者詹姆士·C·莫耶, 詹姆士 C 莫耶 申請人:美國芯源系統股份有限公司