CN101467497A

CN101467497A - 灯驱动方法和设备

Info

Publication number: CN101467497A
Application number: CNA2007800214051A
Authority: CN
Inventors: P·J·布雷默; W·埃特斯; A·C·德里克
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2007-05-09
Publication date: 2009-06-24
Also published as: JP2009540495A; US20090206768A1; EP2033500A1; WO2007141676A1; TW200809719A

Abstract

描述了用于利用具有帧周期(t13－t11)的周期性信号(L)驱动灯的方法，所述周期性信号(L)在所述帧周期内的ON间隔(t11至t12)期间为方波信号，而在所述帧周期内的OFF间隔(t12至t13)期间为零。所述方波信号的占空比为50％，且具有小于所述帧周期的方波周期(t22－t11)。所述帧周期的所述ON间隔(t11至t12)的持续时间(t12至t11)为方波周期(t22－t11)的整数倍。根据本发明，所述帧周期的ON间隔(t11至t12)的开始(t11)与所述方波信号的90°相位相重合。

Description

灯驱动方法和设备

技术领域

本发明通常涉及用于驱动灯的设备，尤其涉及用于驱动荧光气体放电灯的设备。

背景技术

灯通常都具有额定值，即提供额定光输出的额定驱动电压和额定驱动电流。通常，需要能够以调光模式来操作灯，从而使得实际光输出小于额定光输出。

可通过减小灯电流进行调光，但在气体放电灯的情况下，也已知以具有可变占空系数的开关模式(交替ON/OFF)来对灯进行驱动。在ON(导通)阶段期间，灯接收额定功率；在OFF(关闭)阶段期间，灯不接收功率。如果ON/OFF状态的交替频率足够高(至少大于20赫兹)的话，由此产生的光输出为ON阶段期间的光输出和OFF阶段期间的光输出的时间平均。此平均值取决于占空系数Δ，该占空系数定义为Δ＝t_ON/(t_ON+t_OFF)。

在此提出了LCD面板的背光作为应用的示例。对于用于LCD电视或LCD监视器的LCD面板的背光，已知的是，在LCD的后方布置水平的荧光灯。LCD驱动器接收图像信号，并控制LCD单元为透明、部分透明或不透明等，即控制是否通过灯光。因此，LCD单元定义了图像像素。在图像的明亮部分，LCD单元是透明的，从而使得灯光通过，并且对应的图像像素是明亮的。在图像的黑暗部分，LCD单元是不透明的，从而阻挡灯光，而且对应的图像像素是黑暗的。通过这种方法，可以实现约为1:200至1:500的对比度。然而，对于良好的画面质量，至少为1:1200或优选甚至为1:1800的对比度是所期望的。可通过对灯进行调光，来提供对比度的进一步增加。灯调光控制器基于图像信号来切换灯的导通(ON)和关闭(OFF)。因此，在LCD电视或LCD监视器的背光系统中，灯通常以等于帧频率的切换频率进行操作(所述帧频率通常在50Hz到125Hz之间，这取决于所关注设备的设置)，而且尽管占空比甚至可以设置为高达40％，但是该占空比在2％至20％的典型范围中变动。在上述情况下，ON(导通)时段可从0.16毫秒(125Hz时2％的占空比)到4毫秒(50Hz时20％的占空比)或更大的值之间变化。

在ON阶段期间，荧光灯中的电流不是直流电流，而是该电流具有来自振荡器的高频电流分量，其频率典型处于20-200kHz的量级，更典型地处于50kHz的量级。相对于LF灯频率＝帧频，这个频率应当被指示为HF电流频率。因此，在ON阶段期间，灯接收有限数目个HF电流周期。在占空比为2％的情况下，对于50Hz的灯频率和50kHz的HF电流频率，HF电流周期的这个数目将为20；对于更高的灯频率，这个数目会甚至更低。

典型地，生成HF电流周期的振荡器包括定时器控制器和变压器。定时器控制器生成具有“高”和“低”两个信号值的对称方波信号。实际的正弦曲线灯电流由变压器提供，但正弦曲线灯电流的时序由定时器方波信号所控制。

典型地，灯驱动器还包括占空比控制器，该占空比控制器提供调光命令信号(也指示为占空比命令信号)，所述占空比命令信号以LF灯频率确定灯的ON/OFF切换。正常地，所述占空比命令信号与HF方波信号相互独立。在这种情况下，在切换灯的ON或OFF时刻的灯的电流状况事先是不知道的，并可能会随着灯周期的改变而改变。因为可能出现明显的、会打搅用户的灯闪烁，所以这不是所期望的。占空比越低，这种闪烁效果将会越明显。

还可以建立在灯切换信号与HF电流周期之间的固定时序关系。例如，可以使用PLL提供振荡器输出频率与灯切换频率之间的同步。在此情况下，切换灯至ON的时刻典型地将与HF电流周期的开始(也就是HF方波信号的上升沿)相重合。

当方波信号为“高”时，变压器充电；当方波信号为“低”时，变压器放电。因此，在完整的HF周期中，变压器的磁荷状况从零升高到第一最大值(在“高”方波信号期间)，然后减少回到零(在“低”方波信号期间)。在下一个HF周期中，重复上述过程。因此，平均磁荷状况大于零，而且磁荷状况的第一最大值相对较高。结果，可能出现饱和，从而导致不稳定的光输出。为防止饱和效应，变压器的尺寸必须做的相对较大，这将导致成本增加。此外，如果变压器为DC耦合并被直接驱动的话，则该变压器可能在一个灯周期内缓慢漂移至饱和状态。

在现有技术中用以防止这种相对高的电荷状态的已知解决方案是所谓的慢启动机制，其中占空比仅仅逐渐地改变。但是，在其中ON时间相对较短的系统中，不能应用所述慢启动机制，或应用所述慢启动机制存在很大困难。

一般而言，本发明旨在提供解决上述问题的方案。

发明内容

根据本发明的重要方面，在与HF方波信号(block signal)具有90°的固定时序关系的第一时刻，将灯切换为ON，并且在与HF方波信号也具有90°的固定时序关系的第二时刻，将灯驱动器切换为ON。与HF方波信号的90°时序关系意味着HF方波信号的“高”部分已持续了一半。在HF方波信号“高”部分的剩余一半期间，也就是从相位90°至相位180°期间，变压器进行充电以到达磁荷状态的第二最大值。在HF方波信号的“低”部分的前半部分期间，也就是从相位180°至相位270°期间，变压器进行放电从而使得磁荷状况达到零，而且在HF方波信号的“低”部分的剩余一半期间，也就是从相位270°至相位360°期间，变压器进一步进行放电从而达到最小值，或更准确地说是磁荷状况的第三最大值，所述第三最大值与第二最大值方向相反。最后，在HF方波信号的下一个“高”部分的前半部分期间，也就是从相位0°至相位90°期间，电荷状况上升至零，在这之后重复上述过程。结果，电荷状况的平均值总是为零，而磁化强度的峰值(也就是第二最大值和第三最大值)低于前述的第一最大值。

附图说明

在下列的描述中，将参考附图进一步阐述本发明的这些和其他方面、特征和优点，在附图中相同的参考数字表示相同或相近的部分，且在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的灯驱动器的示范性实施例的框图；

图2-4为示意性地图示出在根据图1的灯驱动器中的各种信号的时序的图；

图5为示意性地图示出灯驱动器的操作示例的流程图；

图6为示意性地图示出根据本发明的灯驱动器的变体的框图。

优选实施方式

图1示意性示出了根据本发明的示例性灯驱动器1的框图，所述灯驱动器具有与灯电路3相连的输出端2。在灯驱动器1的输出端2处，灯驱动器1输出灯驱动信号L。灯电路3包括变压器4，所述变压器的初级绕组与输出端2相耦合，而且其次级绕组与变压器输出端5相耦合，灯6与所述变压器输出端5相连。如下文所述，灯驱动信号L为方波信号，而灯6接收的变压器输出电流I为正弦曲线信号。需要指出的是，变压器4可集成到灯驱动器1中，在这种情况下，输出端5为驱动器输出端，而信号L为内部信号。

灯驱动器1包括灯调光控制器10，所述调光控制器具有输入端11来接收图像信号Si，并且还具有输出端12以输出调光控制信号Sdcc。图像信号Si包含图像的水平和垂直时序信息，并且还包含像素信息。根据这个图像信号Si，灯调光控制器10计算出所驱动灯的调光级别，从而计算出灯的占空比。根据这个占空比，调光控制信号Sdcc包含了用于与图像信号Si同步地切换灯ON和OFF的时序信息。在这个示范性实施例中，调光控制信号Sdcc为两级信号，其中HIGH级别表示灯ON，LOW级别表示灯OFF。

图2图示了调光控制信号Sdcc包含时序信息，该时序信息确定由灯驱动器1控制的灯在t1时刻应当切换为ON，在t2时刻应当切换为OFF状态，在t3时刻应当再次切换为ON状态，从而形成占空比Δ＝(t2-t1)/(t3-t1)。需要注意的是，这是灯调光控制器10想要的时序，因此切换时刻t1和切换时刻t2也被指示为“目标”时刻；如下文所述，实际切换可能在其他时刻发生。

灯驱动器1还包括振荡器40，所述振荡器具有输出端42以提供也如图2所示的高频率振荡器信号Sv。这个输出端42与桥电路60的输出端61相耦合。桥电路60可以是全桥的半桥部分。由于桥电路本来是公知的，因此没必要非常详细地解释桥电路60的设计。指明以下内容就足够了：桥电路60具有输出端62以提供输出电流S_B，该输出电流S_B取决于振荡器信号Sv的电平而具有正方向或负方向(由双箭头表示)。举例来说，假设当振荡器信号Sv为HIGH时桥输出电流SB为正(从62流出)，而且当振荡器信号Sv为LOW时桥输出电流SB为负(流入62)。

桥输出端62连接至可控开关50的输入端51，所述可控开关的输出端52连接至设备输出端2。可控开关50有两个可操作状态。在第一个可操作状态CLOSED下，开关50可导通并将由其输入端51接收的信号传送至其输出端52；在这种状态下，灯驱动信号L跟随交流电S_B，而且所驱动的灯处于ON。在第二个可操作状态OPEN下，开关50未导通，并阻止所有在其输入端51所接收进来的信号；在这种状态下，灯驱动信号L为零而且所驱动的灯处于OFF。因此，通过将可控开关50分别切换至其CLOSED和OPEN状态来实践将所驱动的灯切换为ON和OFF。

灯驱动器1还包括灯切换控制器20，所述控制器具有输入端21，所述输入端21与灯调光控制器10的输出端12相耦合，从而可以接收调光控制信号Sdcc，而且所述控制器具有与开关50的控制端53相耦合的控制输出端22。灯切换控制器20被设计为在其控制输出端22处产生切换控制输出信号Ss用于确定可控开关50的操作状态。为方便起见，假定切换控制输出信号Ss为两级信号，其中相应地，切换控制输出信号Ss的HIGH值确定所述开关的CLOSED状态，而切换控制输出信号Ss的LOW值确定所述开关的OPEN状态。

需要注意的是，桥电路60和开关50可集成在一起以形成开关电桥。

在现有技术的设备中，调光命令信号Sdcc会直接与开关50的控制端53相耦合。如图2所示，在这种情况下，所驱动的灯将在时刻t1和t2切换至ON和OFF，而时刻t1和t2与振荡器输出信号Sv之间具有随机的相位关系。在本发明中，灯切换控制器20布置于灯调光控制器10和可控开关50之间。灯切换控制器20被设计为根据在其第一输入端接收的调光命令信号Sdcc和在其第二输入端23接收的振荡器输出信号Sv产生其输出控制信号Ss。更具体而言，如图2所示，在调光命令信号Sdcc进行从LOW到HIGH的转换的时刻t1之后，灯切换控制器20等待直到振荡器输出信号Sv在t11具有第一预定相位为止，并且然后才将其输出控制信号Ss设置为HIGH。因此，所驱动的灯6总是以与振荡器信号Sv的预定相位关系切换为ON，而无需在灯切换信号和振荡器信号之间的真正同步。

以类似的方式，在调光命令信号Sdcc进行从HIGH到LOW的转换的时刻t2之后，灯切换控制器20可等待直到振荡器输出信号Sv在t12具有第二个预定相位为止，并且然后才将其输出控制信号Ss设置为LOW。因此，所驱动的灯总是以与振荡器信号Sv的预定相位关系切换为OFF，而无需在灯切换信号和振荡器信号之间真正的同步。

图3为图示出在较长时间尺度上的几种信号的图。第一信号为开关控制信号Ss，该信号定义了从时刻t11到时刻t12的灯的ON阶段。第二信号是振荡器输出信号Sv，该信号在0和1之间交替。第三信号是桥输出信号S_B，该信号在分别表示为+1和-1的正电流和负电流之间交替。需要注意的是，桥输出信号S_B与振荡器输出信号Sv同相。第四信号是灯驱动信号L，其从时刻t11到时刻t12与桥输出信号S_B相对应，而在这个时间范围之外为零。图3所示的第五信号表示变压器4的磁荷M。

在如图3所示的情况下，振荡器输出信号Sv的第一预定相位为从LOW至HIGH的转变，即ON间隔(t11到t12)的开始t11与振荡器输出信号Sv的上升沿相一致；这将表示为0°相位角。同样地，振荡器输出信号Sv的第二预定相位等于0°，从而使得灯切换控制器20的开关控制信号Ss的ON间隔(t11到t12)的持续时间总为振荡器信号Sv的周期的整数倍。可以看出，从0°相位(t11)到180°相位(t12)，磁荷M从零增至最大值(表示为“1”)，并且从180°相位(t21)到360°相位(t22)，磁荷返回至零。磁荷M具有非零的平均值M_A(在图3的符号表示中，此平均值应等于0.5)。

图4为与图3类似的图，其中说明了根据本发明的设备中的几种信号；在图4中省去了信号Sv和S_B。在这种情况下，ON间隔的开始t11与振荡器输出信号Sv的90°相位相一致。因此，当灯驱动信号L在t11时刻升高时，该时间持续直到与振荡器输出信号Sv的周期的25％相对应的振荡器输出信号Sv的下一个下降沿的时刻(t21时刻)为止。在此时间期间，从90°相位(t11)到180°相位(t21)，磁荷M从零增至约为0.5的最大值。接着，从180°相位到360°相位(t22)，电流方向反向，磁荷M降至约为-0.5的最小值。在那之后，磁荷M在上述最小值至上述最大值之间来回重复变化，直到到达ON间隔的结束t12位置，其中t12也与振荡器输出信号Sv的90°相位角相一致，从而使得磁荷M最终上升至零(t12)。现在磁荷M具有等于零的平均值。最大和最小磁荷的绝对值也总是比图3的情况要低(在图3的符号表示中，上述绝对值等于0.5)。

图5为图示灯驱动器1的操作300的流程图。在第一步骤301中，灯切换控制器20等待直到调光命令信号Sdcc变为HIGH为止。在第二步骤302中，在调光命令信号Sdcc已经变为HIGH之后，灯切换控制器20等待直到振荡器信号Sv达到90°相位为止。在第三步骤303中，在当振荡器信号Sv到达90°相位的时刻，灯切换控制器20将开关控制信号Ss设置为HIGH，以便使得所驱动的灯变为ON。在第四步骤304中，灯切换控制器20等待直到调光命令信号Sdcc变为LOW为止。在第五步骤305中，在占空比命令信号Sdcc已经变为LOW之后，灯切换控制器20等待直到振荡器信号Sv达到90°相位为止。在第六步骤306中，在当振荡器信号Sv达到90°相位的时刻，灯切换控制器20将开关控制信号Ss设置为LOW，以便使得所驱动的灯变为OFF。

本领域技术人员应该清楚的是，本发明不仅限于以上讨论的示范性实施例，并且，在所附权利要求中所定义的本发明的保护范围内进行一些改变和修改是可能的。

例如，代替用灯调光控制器10来确定灯的ON间隔(t12-t11)，可以根据对HF振荡器脉冲进行计数来由灯切换控制器20来确定开关的OFF时刻t12。

另外，灯切换控制器20可以接收振荡器信号Sv，同时灯切换控制器20具有90°移相器用于确定这些切换时刻。图6图示了一种变体，其中：驱动器601包括主振荡器602以产生主振荡器信号St，该主振荡器信号St的占空比为50％，且其频率为振荡器信号Sv频率的两倍。驱动器601还包括两个分频器603和604(例如触发器)，所述分频器在主振荡器信号St的特定相位上由HIGH变为LOW以及进行相反的变化。第一分频器603可由主振荡器信号St的上升沿触发，而第二分频器604可由主振荡器信号St的下降沿触发。因此，虽然就主振荡器信号St而言，两个分频器603和604的输出信号呈现出180°相位差，而就输出信号的自身频率而言，它们呈现出90°的相位差。第二分频器604的输出信号可用做振荡器信号Sv，而第一分频器603的输出信号可用做辅助信号Sa，所述辅助信号Sa与灯切换控制器20的输出端23相耦合。

在上文中，已经就其中开关控制信号Ss的上升沿与方形振荡器输出信号Sv的90°相位相重合、并且相位＝0°为振荡器输出信号Sv的上升沿的理想情况对本发明进行了阐述。但是，需要指明的是，如果开关控制信号Ss的上升沿与在0°到180°之间的方形振荡器输出信号Sv相位

相重合的话，本发明也已提供了改进。

在上文中，已经为其中当开关控制信号Ss为HIGH时开关50导通、而当开关控制信号Ss为LOW时开关50不导通的情况对本发明进行了阐述。但是应明确指出的是，当开关控制信号Ss为LOW时开关50导通、而当开关控制信号Ss为HIGH时开关50不导通也是可能的。

在上文中，已经将桥输出信号S_B引用为电流信号对本发明进行了阐述。桥输出信号S_B也可以是由开关50通过或阻止的电压信号，当通过所述电压信号时会在灯电路中引入换向电流，而当阻止所述电压信号时则在灯电路中产生零电流。

在上文中，已经参考框图对本发明进行了阐述，所述框图说明了根据本发明的设备的功能块。应当理解的是，可以将以硬件的形式实现一个或多个功能模块，其中这些功能模块的功能由独立的硬件部件来执行，但是，也可以以软件的形式实现一个或多个功能模块，从而使得这些功能模块的功能由计算机程序或诸如微处理器、微控制器或数字信号处理器等之类的可编程设备的一个或多个程序行来执行。