操作控制電路的電荷泵電路的製作方法
2023-09-12 20:58:40 2
專利名稱：操作控制電路的電荷泵電路的製作方法
技術領域：
本申請涉及在大於基波切換頻率的頻率諧振的高頻諧振反相器電路。更加具體地說，本申請涉及諧振反相器電路，所說的諧振反相器電路從燈的輸出端子上的開路狀態到燈的輸出端子上的短路狀態連續地操作，並且將利用特定的參考基準對所說的諧振反相器電路進行描述。
背景技術：
在一般情況下，高頻反相器利用諧振模式來點燃所說的燈。諧振操作模式需要反相器在其諧振頻率附近操作一個諧振電路，以使輸出電壓能夠達到足夠大的幅度(通常2千伏-3千伏)從而點燃所說的燈。由反相器電路產生的方波被提供給諧振電路，諧振電路在基波切換頻率的三次諧波或者甚至於更高次諧波處發生諧振。然而，在以高頻操作的諧振反相器電路中，不可能實現期望的零電壓切換。這在反相器中引起很大的功率消耗。
為了解決這個問題，可以使用一個電源控制器(例如由Texas儀器公司製造的型號為UC3861的集成電路晶片)來提供脈衝使反相器「接通」和「斷開」，以獲得零電壓切換和降低功率消耗。在一般情況下，電源控制器或者從諧振電路的一個部件導出功率，或者從反向器的輸出端導出功率。這樣的抽頭兼顧了反向器的零電壓切換的性質。在開路狀態模式期間，太多的功率傳遞到功率控制器，使功率控制器的調節器消耗過量的功率。在短路狀態模式期間，能夠傳送到功率控制器的功率太少，使功率控制器的欠電壓鎖定電路被激活。
因此期望向與燈的狀態無關的功率控制器提供功率，而不會有過多的功率消耗，也不會引起欠電壓鎖定電路被激活。本發明試圖提供一種新的改進方法和設備來解決上述的問題和其它的問題。
發明內容
按照本申請的一個方面，一種用於操作燈的鎮流器包括一個反相器電路，對反相器電路進行配置，使其可產生一個控制信號。對一個諧振電路進行配置，以便按可操作方式耦合到所說的反相器電路上並且耦合到所說的燈上以便響應接收來自反相器電路的控制信號而產生諧振電壓。一個箝位電路按可操作方式耦合到諧振電路以限制諧振電路兩端的電壓。一個倍增管電路按可操作方式耦合到諧振電路，以提升由箝位電路箝位的電壓到足夠啟動燈的數值。一個脈衝電路包括一個功率控制器和一個電荷泵電路，功率控制器提供脈衝使反相器「接通」和「斷開」，電荷泵電路用於操作功率控制器。電荷泵電路按可操作方式耦合到箝位電路以便從箝位電路導出電功率。
圖1表示按照本發明的構思的一個鎮流器電路；圖2更加詳細地描述了在鎮流器電路中使用的一個倍增管；圖3更加詳細地描述了在鎮流器電路中使用的一個脈衝電路；圖4A-B描述了控制脈衝電路的功率控制器的電荷泵電路；圖5表示在開路狀態期間電荷泵電流箝位時間(vise time)的曲線圖；圖6表示在燈剛開始點亮的時間內電荷泵電流箝位時間(vise time)的曲線圖；以及圖7表示在穩定狀態操作期間的電荷泵電流箝位時間(vise time)的曲線圖。
具體實施例方式
現在參照附圖1，鎮流器電路10包括反相器電路12、諧振電路14、箝位電路16、和脈衝電路18。一個直流電壓經過來自正電壓端22的電壓導體20和連接到地或公共端子26的公共導體24提供給反相器12。經過燈連接件30、32給燈28提供功率。
反相器12包括開關34和36，如MOSFET，它們串聯連接在導體20和24之間以便激勵諧振電路14。在一般情況下，諧振電路14包括諧振電感器38和諧振電容器40，用於設定諧振操作的頻率。隔直電容器42防止過多的直流流過燈28。緩衝電容器44使反相器12能在零電壓切換的情況下操作，在這裡，MOSFET34和36在它們的對應的漏-源電壓為0時變為導通和截止。
開關34和36協同動作以便在節點46上提供方波，從而激勵諧振電路14。分別來自開關34和36的柵極線或控制線48和50每一個都包括一個對應的電阻52、54。二極體56、58與對應的電阻52、54並聯連接，這使開關34、36的斷開時間快於接通時間。實現不相等的斷開時間和接通時間，提供開關34、36同時處在非接通狀態的時間，從而可以通過使用存儲在電感器38內的剩餘能量將節點46上的電壓從一個電壓狀態(如450伏)轉變成另一個電壓狀態(如0伏)。
繼續參照附圖1並且進一步參照附圖3，一般指定為60、62的柵極驅動電路還包括電感器64、66，電感器64、66是與電感器68相互耦合的二次繞組。柵極驅動電路60、62用於控制對應的開關34和36的操作。更加具體地說，柵極驅動電路60、62在上半周期內維持開關34「接通」，並且在下半周期內維持開關36「接通」。在節點46上產生方波，用於激勵諧振電路14。雙向電壓箝位電路70、72分別並聯連接到電感器64、66，每個箝位電路都包括一對背靠背的齊納二極體。雙向電壓箝位電路70、72的作用是將柵-源電壓的正向和負向偏移箝位到由背靠背的齊納二極體的電壓額定值確定的對應限制上。
繼續參照附圖1，通過箝位電路16的串聯連接的二極體74和76箝位反相器12的輸出電壓，以限制所產生的用於啟動燈28的高壓。箝位電路16還包括電容器78、80，這兩個電容器從本質上看是相互並聯連接的。每個箝位二極體74、76跨接在相關的電容器78、80的兩端。在燈啟動之前，燈的電路是開路的，因為燈28的阻抗可視為極高的阻抗。由點燃燈的倍增管82產生在電容器42的兩端的高壓。諧振電路14由電容器40、42、78、80和電感器38組成，並被驅動至接近諧振。隨著在節點84上的輸出電壓的增加，二極體74、76開始箝位，防止電容器78、80兩端的電壓改變符號並且將輸出電壓限制在不引起反相器12的部件過熱的數值上。當二極體74、76正在箝位電容器78和80的時候，諧振電路變成由電容器40和電感器38組成。因此，當二極體74、76不導通時實現了諧振。
當燈28點亮時，燈的阻抗迅速降到約5歐姆。節點88上的電壓也相應地降低。二極體74、76斷續地箝位電容器78、80。諧振重新由電容器40、42、78、80和電感器38支配。
繼續參照附圖1並且進一步參照附圖2，倍增管電路82提升由箝位電路16限制的電壓。倍增管82跨在電容器42兩端連接到兩端子84、86，以便通過倍增在節點84上的反相器12的輸出電壓得到啟動電壓。在操作開始時，反相器12向端子84、86提供電壓。電容器90、92、94、96、98與二極體100、102、104、106、108、110協同動作以便在半個周期內積累電荷，而在另外的半個周期期間將負電荷通過端子86卸載到電容器86中。在一般情況下，當反相器13的電壓峰-峰值是500伏的時候，端子84、86兩端的電壓升到約-2千伏直流電壓。
倍增管82是一個低直流偏置電荷泵倍增管。在穩態操作期間，倍增管82隻向燈提供很小的直流偏置(約0.25伏)，這不會影響燈的操作或壽命。
繼續參照附圖1，使用脈衝電路18使反相器12「接通」和「斷開」。在一般情況下，當燈28處在開路的時候，反相器12的功率消耗約為12-15瓦特。通常這不會產生問題，只是電纜必須承受約1.6千伏直流電壓，這為標準電纜的使用設定了一個限值，標準電纜的額定值通常為600伏均方根值。脈衝電路18使反相器12 「接通」和「斷開」，在接通時向燈28提供恆定高壓約40-50毫秒，而在周期的其餘時間內反相器12是斷開的。最終的均方根值只有600伏，允許使用常規的600伏接線電纜。此外，這樣的佔空比將開路時的功率消耗減小到約2/3瓦特，因為反相器電路在約90％的周期期間是關閉的。
繼續參照附圖1並且進一步參照附圖3，電荷泵電路120操作脈衝電路18的控制電路122。在一個實施例中，控制電路122是由Texas儀器公司製造的UC3861電路，當然還應該理解，還可以使用任何其它合適的控制電路。控制電路122連接到端子26和86，並且連接到電荷泵電路120的一個端子124。電荷泵電路120通過端子126從箝位電路16導出功率。在開始時，當燈28沒有點亮時，反相器12驅動倍增管電路16到一個負的電壓，在這個實施例中接近-2千伏，使電荷泵電路120的電解電容器128充電。耗盡型開關130處在導通模式。當負電壓升高時，開關130的柵極電壓負向減小，一直到開關130關斷時為止，從而可以通過串聯連接的電阻134使電容器132充電。電阻134通過電線136連接到控制電路122的5伏基準電壓。當電容器132充電到約2伏時，它使控制電路122的故障管腳(fault pin)138能夠關閉控制電路122和反相器12。更加具體地說，連接到電線140、142的控制電路122的輸出驅動器變為不能操作，關閉向反相器12的相互耦合的電感器64、66提供電壓的初級繞組68。電解電容器128停止通過反相器12充電。負電壓逐漸下降，達到控制電路122的欠電壓鎖定(UVLO)值。這時，控制電路122復位，並進入低靜態電流的狀態。15微安的低靜態電流使電解電容器128可通過連接到端子124的電線144充電。電解電容器128通過串聯連接的電阻146、148充電。當電壓升高到約16.5伏(如UC386881的欠電壓鎖定閾值電壓)時，控制電路122允許輸出驅動器操作，該輸出驅動器接通反相器12。反相器12開始驅動倍增管82，使電容器128負向充電。這個過程重複到燈28點燃時為止。
繼續參照附圖1和3，並且還要參照附圖4A-B，電荷泵電路120從反相器12的諧振電容的一個部件上導出功率。圖4A-B表示當電荷泵電路120由電源152供電時在電荷泵電路中發生的操作流。更加具體地說，當反相器12處在「接通」狀態時，電容器80通過電容器128周期性地充電和放電。繼續參照附圖4A，在上半周期內，當通過電容器80的電流反時針方向流動時，電容器80積累電荷。繼續參照附圖4B，在下半周期內，積累的電荷被卸載到電容器128內。更加具體地說，在下半周期內，電流的方向變為順時針。與電容器80和電容器128串聯連接的二極體160處在導通狀態，允許電容器128通過電容器80充電。通過連接在電容器128兩端的齊納二極體162來調節這個電壓。在一般情況下，這個電壓被限制在14伏。
現在參照附圖5-7，所示的電荷泵電路120與燈的狀態無關。當燈28處在開路時，燈的電阻約為1兆歐姆，並且流入電荷泵120的電流約為77毫安，如圖5所示。當燈28開始點亮時，它的電阻約為5歐姆，並且流入電荷泵電路120的電流約為51毫安，如圖6所示。當燈28處在穩定狀態時，它的電阻約為51歐姆，並且流入電荷泵電路120的電流約為68毫安，如圖7所示。如圖5-7所示，當燈的狀態從開路變為穩定狀態時，流入電荷泵電路120和控制電路122的電流基本上沒有改變。這種設計的作用是防止在齊納二極體162上的高的熱消耗。
雖然可以理解使用具有不同部件值的各種各樣的部件都可實現所述的電路，但可以提供下述的針對特定實施例的列表，其中的部件具有以下的值部件名稱/標號部件值開關34 20NMD50開關36 20NMD50電感器38 90微亨電容器4020毫微法，630伏電容器4233毫微法，2千伏電容器44680微微法，500伏電阻器52100歐姆電阻器54100歐姆二極體56IN4148二極體58IN4148電感器641毫亨電感器661毫亨二極體箝位電路70IN4739，9.1伏二極體箝位電路72IN4739，9.1伏二極體748ETH06S二極體768ETH06S電容器781毫微法，500伏電容器801毫微法，500伏電容器90、92、94、98、100 150微微法，2千伏二極體100、102、104、106、108、110 1千伏電容器128 100微法，25伏開關130 2N4391電容器132 47毫微法電阻器134 1兆歐姆電阻器146、148 220千歐姆二極體160 IN4148齊納二極體162 14伏已經參照說明性實施例描述了典型實施例。顯然，在閱讀和理解了以上的詳細描述以後，將會產生修改和替換。我們期望，典型實施例應被解釋為包括所有這樣的修改和替換，只要這些修改和替換都落在所附的權利要求書和它的等效物的範圍之內。
申請文件中部件名稱/標號鎮流器電路10反向器電路12
諧振電路14箝位電路16脈衝電路18電壓導體20正電壓端子22公共導體24地或公共端子26燈28燈連接體30、32開關34、36諧振電感器38諧振電容器40隔直電容器42緩衝電容器44節點46柵極線或控制線48、50電阻52、54二極體56、58柵極驅動電路60、62電感器64、66電感器68雙向電壓箝位電路70、72二極體74、76電容器78、80倍增管82端子84、86節點88電容器90、92、94、96、98二極體100、102、104、106、108、110電荷泵電路120控制電路122端子124
端子126電解電容器128開關130電容器132電阻134電線136故障管腳138電線140、142串聯連接的電阻146、148電源152二極體160齊納二極體16權利要求
1.一種用於操作燈(28)的鎮流器(10)，包括一個反相器電路(12)，對反相器電路進行配置，使其產生一個控制信號；一個諧振電路(14)，對諧振電路進行配置，以便按可操作方式耦合到所說的反相器電路(12)並且耦合到所說的燈(28)上以便響應接收所說控制信號而產生諧振電壓；一個箝位電路(16)，按可操作方式耦合到諧振電路(14)以限制諧振電路(16)兩端的電壓；一個倍增管電路(80)，按可操作方式耦合到諧振電路(14)，以將由箝位電路(16)箝位的電壓提升到足夠啟動燈(28)的數值；和一個脈衝電路(18)，脈衝電路(18)包括一個功率控制器(122)，功率控制器提供脈衝使反相器(12)「接通」和「斷開」；和一個電荷泵電路(120)，用於操作功率控制器(122)，電荷泵電路(120)按可操作方式耦合到箝位電路(16)以便導出電功率。
2.根據權利要求1所述的鎮流器，其中箝位電路(16)包括第一箝位電容器(76)；第二箝位電容器(78)，按可操作方式與第一箝位電容器(76)並聯連接；一對箝位二極體(72、74)，按可操作方式相互串聯連接並且連接在電壓導體(20)和公共導體(24)之間，其中每一個箝位二極體(72、74)按可操作方式連接到一個相關的電容器(76、78)的兩端，以防止相關的電容器(76、78)兩端的電壓發生符號改變。
3.根據權利要求2所述的鎮流器，其中電荷泵電路(120)包括一個電解電容器(128)，用於積累電荷並向功率控制器(122)提供功率；和一個二極體(160)，按可操作方式與電解電容器(128)和第二箝位電容器(78)串聯連接，二極體(160)和第二箝位電容器(78)協同動作以促進在上半周期內第二箝位電容器(78)的充電和在下半周期內第二箝位電容器(78)通過電解電容器(128)的放電。
4.根據權利要求3所述的鎮流器，其中從第二電容器(78)向電解電容器(128)供電防止在電荷泵電路(120)中流動的電流的數值發生相當大的變化。
5.根據權利要求4所述的鎮流器，其中當燈(28)處在開路和短路模式之一時，在電荷泵電路(120)中流動的電流的數值的漲落不大於穩態電流數值的30％。
6.根據權利要求3所述的鎮流器，其中電荷泵電路(120)還包括一個齊納二極體(162)，齊納二極體按可操作方式連接在電解電容器(128)的兩端，以限制電荷泵電路(120)的電壓為一個預定值。
7.根據權利要求6所述的鎮流器，其中從第二電容器(78)向電解電容器(128)供電保護齊納二極體(162)在燈(28)拆除時不會過熱。
8.根據權利要求1所述的鎮流器，其中反相器(12)包括第一開關(34)；第二開關(36)，按可操作方式與第一開關(34)串聯連接；和控制電路(60、62)，每個控制電路都包括一個相關的控制電感器(64、66)，控制電路(60、62)協同動作以使第一開關(32)在上半周期內「接通」並且使第二開關(36)在下半周期內「接通」。
9.根據權利要求8所述的鎮流器，其中功率控制器包括一個主電感器(144)，主電感器(144)按可操作方式與控制電感器(64、66)耦合，以提供脈衝使反相器(12)「接通」和「斷開」。
10.根據權利要求1所述的鎮流器，其中燈(28)是一個高強度放電燈。
全文摘要
按照本發明的一個方面，一種用於操作燈(28)的鎮流器(10)包括一個反相器電路(12)，對反相器電路進行配置，使其產生一個控制信號。對一個諧振電路(14)進行配置，以便按可操作方式耦合到所說的反相器電路並且耦合到所說的燈上以便響應接收來自反相器電路的控制信號而產生諧振電壓。一個箝位電路(16)按可操作方式耦合到諧振電路以限制諧振電路兩端的電壓。一個倍增管電路按可操作方式耦合到諧振電路以將由箝位電路箝位的電壓提升到足夠啟動燈的數值。一個脈衝電路(18)包括一個功率控制器(122)，以提供脈衝使反相器「接通」和「斷開」，以及包括一個電荷泵電路(120)，以操作功率控制器。電荷泵電路按可操作方式耦合到箝位電路以便從箝位電路導出電功率。
文檔編號H03K3/00GK1638589SQ200410104478
公開日2005年7月13日 申請日期2004年12月31日 優先權日2004年1月2日
發明者L·R·內羅內 申請人:通用電氣公司