脈衝寬度調變控制裝置的製作方法

2023-04-27 01:07:41

專利名稱：脈衝寬度調變控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及脈衝寬度調變(Pulse-Width Modulation,PWM)控制裝置，特別指一種應用於三極交流開關(TRIode Alternating Current, TRIAC)調光器的PWM控制裝置。
背景技術：
一般來說，一燈具的亮度通常可通過控制流經燈管的電壓大小來決定，利用可變 電阻或變壓器皆為常見的調光方式，然而，這類的亮度控制卻具有成本高、調光效率不佳及 無法通過外部進行控制的缺點。因此，目前的調光器大多是利用調整用來供應照明裝置的交流電壓的工作周期 (duty cycle)來進行亮度的控制，其中，更以在1960至1970年間所發展出的三極交流開關 (Triode Alternating Current, TRIAC)技術的調光器，因其具有設計簡單、體積小及成本 低的優點，所以最為市場所接受並廣泛作為室內照明或舞檯燈光等各種不同場合中使用。雖然TRIAC調光器在白熾燈的應用具有良好的調光效率，但將其應用於如氣體 放電燈管(gas discharge lamp)、冷陰極焚光燈管(cold cathodef luorescent lamp, CCFL)、納米碳管燈管(carbon nanotube lamp,CNL)或白光發光二極體燈管(white light emitting diode lamp, WLED)等需要電子器安定的照明裝置上，若沒有搭配特別設計的安 定器時，則很有可能造成照明裝置本身的損害。另一種常用於調整供應照明裝置的電壓的工作周期(duty cycle)來進行亮度控 制的調光器則為一脈衝寬度調變(Pulse-Width Modulation,PWM)調光器，該PWM調光器通 過給定一特定工作周期並以適當頻率的方式控制燈管的啟動或關閉，只要其開關的頻率高 於人類眼球所能感受的頻率，該PWM調光器便可輕易的調整工作周期來滿足各種不同需求 的亮度。但是，若想要一具有PWM安定器的燈具整合至一已有的TRIAC調光器卻是需要相 當繁複的設計與難度，尤其是一般現有的TRIAC調光器於交流電環境下所輸出的電壓太 低，有可能無法驅動該PWM安定器。更進一步地，一被動式螢光燈管安定器若直接接收一由TRIAC調光器所輸出的截 切正弦波電壓(truncated sinusoidal voltage)，該截切正弦波電壓所具有的瞬變電壓 (transient voltage)亦可能會導致螢光燈管的損毀。另外，大多數的PWM安定器會將輸入的交流電源進行第一次整流以產生一類直流 電源來驅動該燈管，並通過設置一電容器來儲存該類直流電源的電能，以確保燈管在被PWM 關閉期間仍可讓燈管持續被供電，但如此一來，該電容器也會儲存TRIAC調光器所輸出的 截切正弦波電壓，換言之，該電容器會過濾掉所有TRIAC調光器的調光信息。綜上所述，相關的照明裝置製造商皆致力於開發一整合有TRAIC調光功能的PWM 安定器，以使得該PWM安定器得以直接適用於現有TRIAC調光器中，可免除重新設計或重新 設置特殊調光器的困擾，進而達到能快速置換燈具與成本降低的功效。

發明內容
本發明的主要目的在於提供一種可應用於三極交流開關(TRIodeAlternating Current, TRIAC)調光器的脈衝調變(Pulse-WidthModulation，P麗)控制裝置，以使得該 PWM控制裝置得以直接應用於TRIAC調光器中，可免除重新設計或重新設置特殊調光器的 困擾，進而達到能快速置換燈具與成本降低的功效。為達上述目的，本發明的PWM控制裝置，包括有一負載；一整流器，連接於一外部電源模塊來接收一截切正弦波電壓，並將該截切正弦波 電壓進行整流，以輸出一脈衝直流電壓；
一 PWM控制模塊，連接於該整流器及該電源模塊，根據該截切正弦波電壓對應產 生一 PWM控制信號，並包括有一升壓電路，連接於該整流器，接收並將該脈衝式直流電壓轉換為一高直流電 壓；一比較器，連接於該電源模塊，檢測該截切正弦波電壓於零點的時間，以取得該截 切正弦波電壓的工作周期和頻率來對應發送一信號；一鎖相迴路電路，連接於該比較器，並通過接收該比較器的信號作為該截切正弦 波電壓頻率和相位的依據，以發送一與該截切正弦波電壓同步的控制信號；及一工作周期檢測器，連接於該外部電源模塊和該鎖向迴路電路，並根據該截切正 弦波電壓的佔空因子(duty factor)來將該鎖相迴路電路的控制信號對應轉換成一PWM控 制信號，其中，該PWM控制信號與該截切正弦波電壓具有相同的佔空因子；及一 PWM控制式安定器，連結於該PWM控制模塊，並由該高直流電壓所驅動及該PWM 控制信號所控制，用來限制流經該負載的電流。


圖1為本發明的脈衝調變(Pulse-Width Modulation, PWM)控制裝置連結於三極 電流開關的示意圖；圖2為本發明的電源模塊的示意圖；圖3為本發明的PWM控制模塊的示意圖；圖4為本發明的鎖相迴路電路的示意圖；圖5為本發明的工作周期檢測器示意圖，其中包括將一佔空因子轉換器設置於一 PWM控制模塊。主要元件符號說明1電源模塊10交流電源11三極交流開關組件13 旋鈕2脈衝調變控制模塊20升壓電路21比較器
22鎖相迴路電路221相位頻率檢測器222電荷幫浦223迴路濾波器224壓控震蕩器225除頻器23工作周期檢測器231佔空因子轉換器3脈衝調變控制式安定器4 負載5整流器
具體實施例方式為熟悉、了解本發明的目的，茲配合圖式將本發明的較佳實施例詳細說明如下。請參考圖1至圖3所示，本發明的脈衝調變(Pulse-Width Modulation,PWM)控制 裝置，應用於三極交流開關式(TRIode Alternating Current, TRIAC)調光器，其包括有一 負載4、一整流器5、一 PWM控制模塊2及一 PWM控制式安定器3。該負載4是一種氣體放電燈具、一種馬達、一種加熱裝置、一種有機發光二極體 (organic light-emitting diode, 0LED)燈具、一種發光二極體燈具或一種白光發光二極 管燈具。該氣體放電燈具可為一具有冷陰極螢光燈管、熱陰極螢光燈管、省電燈管(compact fluorescent lamp, CFL)、夕卜部電極焚光燈管(external electrode fluorescent lamp, EEFL)、納米碳管燈管或高強度放電燈管(high intensity discharge lamp, HID)的燈具。請參考圖2及圖3所示，該整流器5，連接於一外部電源模塊1來接收一截切正弦波電壓(truncated sinusoidal voltage)，並將該截切正弦波電壓進行整流，以輸出一脈 7中直電壓(pulsating Direct currentvoltage)。該電源模塊1連接於一交流電源10，用來接收該交流電源10的正弦波交流電，並根據該交流電對應產生該截切正弦波電壓，其至少包括有三極交流開關組件11。該三極交流開關組件11，以相位控制的方法，於該交流電的各周期中提供一控制 點來改變導電角度的大小，以使得流經負載4的電流改變，來達到調光的目的。該電源模塊1還包括有一旋鈕13，連接於該三極電流開關組件11，可供一使用者 通過旋轉該旋鈕13來調整該電源正弦波中的該控制點，進而進行調光的動作。該PWM控制模塊2，連結於該整流器5和該電源模塊1，並根據該截切正弦波電壓 對應產生一 PWM控制信號。該PWM控制式安定器3，連結於該PWM控制模塊2，並由該PWM控制信號所控制，來 限制流經該負載4的電流。該PWM控制模塊2包括有一升壓電路20、一比較器21、一鎖相迴路電路 (phase-locked loop circuit, PLL circuit) 22 及一工作周期檢測器 23。該升壓電路20，連結於該整流器5，並接收和提高該脈衝直流電壓，以產生一高直 流電壓來驅動該PWM控制式安定器3，其中，該高直流電壓值約為400伏特，然而，值得注意的是，本發明的升壓電路20可為一般其它傳統典型具有升壓特性的電路，但還可包括有一 小型的電容器來將大量的電能儲存的升壓電路20，在通過適當的切換設定狀況下，本發明 的升壓電路20可以具有功率因子校正(Power Factor Correctness, PFC)的功能。該比較器21，連接於該電源模塊1，檢測該截切正弦波電壓於零點的時間，以取得 該截切正弦波電壓的工作周期(duty cycle)和頻率(frequency)來對應發送一信號。請參考圖1至圖4所示，該鎖相迴路電路22連接於該比較器21，並通過接收該比 較器21的信號作為該截切正弦波電壓頻率和相位的依據，以發送一與該截切正弦波電壓 同步的控制信號。該鎖相迴路電路22包括有一相位頻率檢測器(phase-frequencydetector)211、 一電荷幫浦(charge pump) 222、一迴路濾波器223、一壓控震蕩器(Voltage Controlled Oscillator) 224 和一除頻器(FrequencyDivider) 225。該相位頻率檢測器221，用於檢測該截切正弦波電壓的與一回授信號(feedback signal)的相位差。該電荷幫浦222連接於該相位頻率檢測器221，並根據由該相位頻率檢測器221的 相位差，發送一控制信號。該迴路濾波器223連接於該電荷幫浦222，其為一低通濾波器(lowpass filter) 用於過濾該控制信號中高頻的部分。該壓控震蕩器224由該控制信號所驅動，以發送一震蕩信號，該震蕩信號的震蕩 頻率對應於該控制信號。該除頻器225，將該壓控震蕩器224所產生的震蕩信號降頻後回授至該相位頻率 檢測器221，該回授的信號為一回授信號。如本發明相關業界具有通常技藝人士所知悉，當一輸出信號的頻率越高，其具有 頻寬越高、信號越穩定及頻外噪聲越低的特性，另外，若在一個50赫茲交流電的環境下直 接使用TRIAC調光電路對一照明設備進行調光，當調光的控制信號在100赫茲傳輸速率的 環境下會對電流造成幹擾，並有可能產生明顯的閃爍現象為人類眼球所感知。請參考圖1至圖3及圖5所示，該工作周期檢測器23，連接於該電源模塊1和該鎖 相迴路電路22，並根據該截切正弦波電壓的佔空因子來將該鎖相迴路電路22的控制信號 對應轉換成一 PWM控制信號，其中，該PWM控制信號與該截切正弦波電壓具有相同的佔空因 子。另外，該工作周期檢測器23還包括有一佔空因子轉換器(duty factormapping unit) 231，其具有一非線性的轉換函數，來改變該工作周期檢測器23的PWM控制信號的佔 空因子。然而，該佔空因子轉換器231的轉換函數並未限定須要使用哪一種特定的函數，其可依據實際應用需求來調整轉換函數的使用；舉例來說，當一截切正弦波電壓小於足以 驅動燈管所需的電壓前，用於調光的一旋鈕13角度變化與該截切正弦波電壓呈一非線性 關係，而當該截切正弦波電壓到達足以驅動燈管所需的電壓時，持續旋轉該旋鈕13，該旋鈕 13角度變化則與該截切正弦波電壓呈一線性關係，以使得燈管的亮度得以穩定地調整燈管 的亮度。因此，通過設置有一佔空因子轉換器231的調光裝置，於調光的過程中，不會因為該截切正弦波電壓過低，導致產生低強度的閃爍現象，另外能增加整體照明的功率因子，來達到更佳的電能使用效率。
權利要求
一種脈衝調變控制裝置，其特徵在於包括有一負載；一整流器，連接於一外部電源模塊來接收一截切正弦波電壓，並將該截切正弦波電壓進行整流，以輸出一脈衝直流電壓；一脈衝調變控制模塊，連接於該整流器及該電源模塊，根據該截切正弦波電壓對應產生一脈衝調變控制信號，並包括有一升壓電路，連接於該整流器，接收並將該脈衝式直流電壓轉換為一高直流電壓；一比較器，連接於該電源模塊，檢測該截切正弦波電壓於零點的時間，以取得該截切正弦波電壓的工作周期和頻率來對應發送一信號；一鎖相迴路電路，連接於該比較器，並通過接收該比較器的信號作為該截切正弦波電壓頻率和相位的依據，以發送一與該截切正弦波電壓同步的控制信號；及一工作周期檢測器，連接於該外部電源模塊和該鎖向迴路電路，並根據該截切正弦波電壓的佔空因子來將該鎖相迴路電路的控制信號對應轉換成一脈衝調變控制信號，其中，該脈衝調變控制信號與該截切正弦波電壓具有相同的佔空因子；及一脈衝調變控制式安定器，連結於該脈衝調變控制模塊，並由該高直流電壓所驅動及該脈衝調變控制信號所控制，用來限制流經該負載的電流。
2.如權利要求1所述的脈衝調變控制裝置，其特徵在於，該工作周期檢測器還包括有 一佔空因子轉換器，其具有一非線性的轉換函數，來改變該工作周期檢測器的脈衝調變控 制信號的佔空因子。
3.如權利要求1所述的脈衝調變控制裝置，其特徵在於，該電源模塊連接於一交流電 源，用來接收該交流電源的正弦波交流電，並根據該交流電對應產生該截切正弦波電壓，其 至少包括有三極交流開關組件，其以相位控制的方法，於該交流電的各周期中提供一控制 點來改變導電角度的大小，以使得流經負載的電流改變。
4.如權利要求3所述的脈衝調變控制裝置，其特徵在於，該電源模塊還包括有一旋鈕， 連接於該三極電流開關組件，並可供一使用者通過旋轉該旋鈕來調整該電源正弦波中的該 控制點，進而進行調光的動作。
5.如權利要求1所述的脈衝調變控制裝置，其特徵在於，該負載為一氣體放電燈具、一 馬達、一加熱裝置、一有機發光二極體燈具、、一發光二極體燈具或一白光發光二極體燈具。
6.如權利要求5所述的脈衝調變控制裝置，其特徵在於，該氣體放電燈管為一具有冷 陰極螢光燈管、熱陰極螢光燈管、省電燈管、外部電極螢光燈管、納米碳管燈管或高強度放 電燈的燈具。
7.如權利要求1所述的脈衝調變控制裝置，其特徵在於，該鎖相迴路電路包括有 一相位頻率檢測器，用於檢測該截切正弦波電壓的與一回授信號的相位差；一電荷幫浦，連接於該相位頻率檢測器，並根據由該相位頻率檢測器的相位差，發送一 控制信號；一迴路濾波器，連接於該電荷幫浦，用於過濾該控制信號中高頻的部分； 一壓控震蕩器，由該控制信號所驅動，以發送一震蕩信號，該震蕩信號的震蕩頻率對應 於該控制信號；及一除頻器，將該壓控震蕩器所產生的震蕩信號降頻後回授至該相位頻率檢測器，該回授的信號為一回授信號。
8.如權利要求7所述的脈衝調變控制裝置，其特徵在於，該迴路濾波器為一低通濾波器。
全文摘要
本發明公開了一種脈衝調變控制裝置，特別指一種可以使用於三極交流開關式調光器的脈衝調變控制裝置，該脈衝調變控制裝置包括有一負載、一整流器、一脈衝調變控制模塊和一脈衝調變控制式安定器。該整流器連接於一外部電源模塊來接收一截切正弦波電壓，並將該截切正弦波電壓進行整流，以輸出一脈衝直流電壓，該脈衝調變控制模塊產生一脈衝調變控制信號，該脈衝調變控制式安定器由該脈衝調變控制信號控制，來限制流經該負載的電流。
文檔編號H02M1/08GK101815379SQ20101012001
公開日2010年8月25日 申請日期2010年2月23日 優先權日2009年2月24日
發明者理察·藍德立·葛瑞, 蔡博名 申請人:理察·藍德立·葛瑞