CN100551199C - 冷阴极荧光灯管的调光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冷阴极荧光灯管的调光装置，披露了一种结合变频以及脉波宽度调变的装置，通过改变压电变压器的输出电压与电流，而达到调整冷阴极荧光灯管的亮度的目的；本发明利用一PWM控制器调整工作周期，并且以一频率控制IC在不同的工作周期改变，以驱动压电变压器的谐振频率，以此调整压电变压器的输出电压与电流，进而提供一种能够调整冷阴极荧光灯管的亮度，又能改善压电变压器的寿命的调光装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种荧光灯管的调光装置，特别涉及一种通过改变压电变压器的驱动方式，进而改变其输出电压与电流达到调整冷阴极荧光灯管的亮度的装置。
背景技术
陶瓷压电变压器是在1956年由C.A.Rosen最先提出的。其工作原理与通过电磁能量转换的磁性变压器不同，压电变压器是先将电动势转换成机械能(该转换过程称为逆压电效应)，再将机械能转换为电能(该转换过程称为正压电效应)。
因为磁性变压器和压电变压器的发展使我们可以制造出高效率、小体积的转换器。同压电变压器相比，在一个给定的功率水平下磁性变压器可能更厚、更重、且效率更低，但它具有成本低，而且可以在更宽的负载条件下工作的优点。一直以来，冷阴极荧光灯管所需要的高驱动电压和高激发电压是由高匝数比的绕线式磁性变压器来提供的。但由于压电变压器的发展，为其应用提供了更佳的优势，包括效率更高、体积更小、电磁噪声更低、可得到的激发电压更高、不可燃、和正弦运行等优势。
传统的交换式电压调节器(switching mode regulator)是借助调整电源电路的开关时间，来得到不同的输出电压与电流。其基本的工作原理是由一个控制器来开/关一功率开关，常用的元件为金氧半导场效晶体管(MOSFET)。借助控制开关的动作，我们可以得到所需的电压与电流。
最常用的控制方法，是直接或间接比对输出电压与一个三角波的位准，以决定开/关时间的长短，也即所谓的脉波宽度调变法(PWM，pulse width modulation)。也即在三角波的位准高于(或低于)某个位准时，便将连接到电源的上方的金氧半导场效晶体管打开；反之，则因为整流电感有使电流持续的作用，电流会经由下方的电流信道流通。上方的金氧半导场效晶体管的打开时间比例，称之为工作周期。交换式电压调节器的调节方式，基本上就在于通过改变工作周期来改变电压。
在已核准的中国台湾专利第504101号的专利中披露了一种“高亮度荧光灯管驱动装置”，其主要是由一高频振荡器、脉宽调变器、第一和第二功率开关、及压电变压器所构成，其由高频振荡器产生高频交流信号，再通过一脉宽调变器将之转换为脉波宽度调变谐振频率信号，利用该脉波宽度调变谐振频率信号的正半周期与负半周期分别地驱动两个功率开关，再分别驱动压电变压器的初级线圈的两输入端，以使压电变压器产生足以推动冷阴极荧光灯管的电压；以此提供一种具有高转换效率及高电压升压比的冷阴极荧光灯管驱动装置。简言之，该已知的专利技术是利用脉宽调变的方式，以高频的定频率信号驱动压电变压器，通过定频率的不连续导通模式来控制功率开关；而这种方法通常又以高于肉眼能察觉的频率(＞100Hz)通过调制占空比的通断来控制荧光灯管的平均电流，而且其频率是固定不变的。
另外还有一种由Philips提出的称为突冲模式(burst mode)或称打嗝模式(hiccup mode)或省略周期模式的技术。当负载突然间下降时，控制回路要求缩短导通时间Ton，在某一个负载的情况下，脉冲模式的控制电路开始防止导通时间Ton减少，然后同时也开始周期性的遮蔽波宽调变的脉冲。电源可以通过降低脉冲群宽度或增加遮蔽周期长度，而在不同的负载下达到节省能量的目的。该技术有两个明显的缺陷，就是低频干扰会和遮蔽周期一起谐振出现，而且负载的突然改变，也会造成输出电压突降；特别是利用该种电源控制模式驱动压电变压器，会使压电变压器频繁地在被充电或是完全切断电源的情形下反复动作，对于压电变压器而言将会影响其使用寿命。
发明内容
本发明公开了一种冷阴极荧光灯管的调光装置，特别是一种结合变频以及脉波宽度调变的装置，改变压电变压器的输出电压与电流，进而达到调整冷阴极荧光灯管的亮度的调光装置。
本发明利用一谐振频率控制单元动态地改变其用以驱动压电变压器的共振频率，简言之就是通过动态变频的方式改变压电变压器的电压增益(gain)，进而达到调整压电变压器的输出电压与电流，进而达到调整冷阴极荧光灯管的亮度的目的。
本发明的另一目的在于提供一种可以调整压电变压器的输出电压与电流，且不会对其使用寿命造成不良影响的电源控制装置。
本发明还利用一PWM控制单元，将脉波宽度调变的控制方式结合前述的动态变频控制方式，利用变频但是振幅不变的谐振频率调整压电变压器的电压增益，及其占空比的方式，达到改变压电变压器的输出电压与电流的目的。而根据本发明所披露的装置，将不会对压电变压器频繁地进行充电或是完全停止充电的操作，因此，相对于传统的突冲模式，或是纯粹的脉波宽度调变控制方式而言，本发明的装置还有助于延长压电变压器的使用寿命。
附图说明
图1是本发明的第一种较佳实施例的电路架构图；
图2是本发明的另一种较佳实施例的电路架构图；
图3是压电变压器的电压增益与谐振频率的关系图；
图4是脉宽调变控制信号的波形图；
图5是相应于图4中脉宽调变控制信号的高频交流信号S2的波形图；
图6是相应于图5中高频交流信号S2在压电变压器的次级电极输出的电压波形图；
图7是调低冷阴极荧光灯管的亮度时，前述图4的脉宽调变控制信号改变后的波形图；以及
图8是相应于图7中的脉宽调变控制信号在压电变压器的次级电极输出的电压波形图。
具体实施方式
有关本发明的较佳实施例及详细技术内容，现结合附图详细说明如下。
首先，请参阅图1，为本发明的第一种较佳实施例，由图中的电路架构可以了解，应用于冷阴极荧光灯管10的调光装置包括：
一电源供给单元20，用以提供驱动冷阴极荧光灯管10所需的直流电源(视冷阴极荧光灯管10的规格而定，一般为0伏特至数伏特电压的直流电源)；
一PWM控制单元30，以脉宽调变的技术输出一脉波信号S1，并以脉波信号S1控制电源供给单元20输出一含有工作周期Ton和Toff的脉宽调变控制信号，简言之就是利用该脉波信号S1改变电源供给单元20输出的直流电源(DC)在0伏特(V)与满幅输出(如3.3V)的占空比，其输出波形可参考图4；
一谐振频率控制单元40，是一种频率控制IC，将电源供给单元20输出的脉宽调变控制信号调变为一高频交流信号S2，而且该谐振频率控制单元40会在脉宽调变控制信号的不同工作周期Ton和Toff分别产生具有不同频率f1、f2的高频交流信号S2(其输出波形可参考图5)，用以改变后续的压电变压器50的电压增益，简言之，就是在脉宽调变控制信号的不同工作周期Ton和Toff中自动改变高频交流信号S2的频率f1，f2；
一压电变压器50，其初级电极51连接于谐振频率控制单元40输出的高频交流信号S2，将高频交流信号S2增益为驱动荧光灯管所需要的高输出电压Vout和输出电流Iout，进而从次级电极52输出，该高输出电压Vout和输出电流Iout连接于冷阴极荧光灯管10的高压侧电极11，进而驱动冷阴极荧光灯管10发亮；而取自于冷阴极荧光灯管10的低压侧电极12的电压信号，可回馈至PWM控制单元30，通过调整脉波信号S1的脉宽的方式以便对冷阴极荧光灯管10的光强度进行调节。
而另一可行的较佳实施例，则是将取自于冷阴极荧光灯管10的低压侧电极12的电压信号，回馈至谐振频率控制单元40(见图2)，通过改变高频交流信号S2在不同工作周期Ton和Toff中的频率f1、f2的方式，以便对冷阴极荧光灯管10的亮度进行调节。
由于压电变压器50的电压增益除了和其构造(如单层或是积层结构的压电变压器)有关，其输出的电压增益更可通过改变其高频交流信号S2的频率加以调整(如图3所示)，例如：当其高频交流信号S2的频率为54kHz时其增益值若为100，则表示自其次级电极52输出的输出电压值将会是初级电极51的输入电压值的100倍，简言之若是输入电压为3.3V，则其输出电压将达到330V；
反之，如果改变其高频交流信号S2的频率为58kHz后，其增益值降为10，则表示自其次级电极52输出的输出电压值将会是初级电极51的输入电压值的10倍，简言之，若是输入电压为3.3V，则其输出电压将达33V；因此利用该特性，本发明利用一谐振频率控制单元40在脉宽调变控制信号的不同工作周期Ton和Toff分别产生具有不同频率f1、f2的高频交流信号S2，再利用该高频交流信号S2驱动压电变压器50工作，通过调整压电变压器50的输出电压增益，进而提供一种在不改变脉宽调变控制信号的振幅的条件下，改变压电变压器50的输出电压与电流，进而达到调整冷阴极荧光灯管10的亮度的目的。
传统的脉波宽度调变控制方法，主要是在固定的谐振频率下，通过调整脉波宽度调变信号的占空比，以及谐振频率的振幅的手段控制冷阴极荧光灯管中的管电流，进而达到调整冷阴极荧光灯管的亮度的目的，该方法以高于肉眼能察觉的频率(＞100Hz)通过调制占空比来控制冷阴极荧光灯管的平均电流，从而使冷阴极荧光灯管一直在全电流下工作。该方式虽然可以达到调光的目的，但是却会使得压电变压器在充电或是完全不充电的情形下频繁地进行切换，这对于压电变压器的使用寿命会有不良的影响。
如图4～6所示，是根据本发明的装置对冷阴极荧光灯管10进行调光过程的工作波形图，以直流电源的电压介于0V～3.3V为例。
首先，假设冷阴极荧光灯管10在某一亮度下，其中由谐振频率控制单元40输出的脉宽调变控制信号的占空比为60％，如图4所示(即，60％的时间为开Ton和40％的时间为关Toff)；在工作周期Ton(直流电源的电压值为3.3V)时，谐振频率控制单元40自动将频率f1设为具有较高的电压增益的频率值(假设为54kHz)(见图5)，在此频率f1下，压电变压器50的增益值若为100，则表示自其次级电极52输出的输出电压值将会是初级电极51的输入电压值的100倍，简言之，在工作周期Ton的输入电压为3.3V，则其输出电压将达330V(冷阴极荧光灯管的工作电压比其它光源的电压要高很多，通常需要300到800伏交流电，而且取决于灯的长度)，但在工作周期Toff时(直流电源的电压值为0V)，谐振频率控制单元40自动改变高频交流信号S2中在工作周期Toff的频率f2的具有较低的电压增益的频率值(假设为58kHz)(见图5)，在压电变压器50的次级电极52输出的相应电压也将降低，其波形如图6所示。
当要调低冷阴极荧光灯管10的亮度时，可通过改变脉宽调变控制信号的占空比，达到调低亮度的目的，例如改变脉宽调变控制信号的占空比40％(即，40％的时间为开Ton和60％的时间为关Toff)或是其它的占空比均可达到相同的效果；其波形图请参见图7，此时在压电变压器50的次级电极52输出的相应电压的波形如图8所示。
另外，根据本发明所披露的装置，还可以通过改变不同工作周期中的谐振频率f1、f2，再结合脉波宽度调变的装置，在工作周期Ton和Toff中通过调整谐振频率f1、f2的方式，改变压电变压器50的增益以调整其输出电压Vout和输出电流Iout进而达到调整冷阴极荧光灯管10的亮度(简言之就是调光)的效果，尤其是根据本发明的装置，其中在工作周期Toff时仍会有较低的高频交流信号S2驱动压电变压器50，致使压电变压器50仍在充电的情形下运作，而不会对压电变压器50的使用寿命造成不良影响，除此之外，还具有架构简单，以及调光范围广的优点。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。
Claims (4)
1.一种冷阴极荧光灯管(10)的调光装置，其特征在于所述冷阴极荧光灯管的调光装置包括：
一电源供给单元(20)，用以提供驱动所述冷阴极荧光灯管(10)所需的直流电源；
一PWM控制单元(30)，以脉宽调变的技术输出一脉波信号(S1)，并以所述脉波信号(S1)控制所述电源供给单元(20)输出一含有开工作周期(Ton)和关工作周期(Toff)的脉宽调变控制信号；
一谐振频率控制单元(40)，将所述脉宽调变控制信号调变为一高频交流信号，且所述谐振频率控制单元(40)在所述不同开工作周期(Ton)和关工作周期(Toff)分别产生具有不同频率(f1、f2)的一高频交流信号(S2)；
一压电变压器(50)，将所述高频交流信号(S2)增益为驱动所述冷阴极荧光灯管(10)所需要的高输出电压(Vout)和输出电流(Iout)，进而驱动所述冷阴极荧光灯管(10)发亮。
2.根据权利要求1所述的冷阴极荧光灯管(10)的调光装置，其特征在于所述脉宽调变控制信号的占空比为可变式，用以调整所述冷阴极荧光灯管(10)的亮度。
3.根据权利要求1所述的冷阴极荧光灯管(10)的调光装置，其特征在于所述高频交流信号(S2)在不同的开工作周期(Ton)和关工作周期(Toff)的频率(f1、f2)可使所述压电变压器(50)具有不同的电压增益。
4.根据权利要求1所述的冷阴极荧光灯管(10)的调光装置，其特征在于所述压电变压器(50)在所述开工作周期(Ton)的频率(f1)下的电压增益，大于在所述关工作周期(Toff)的频率(f2)下的电压增益。
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