CN101843177B - 用于向经受调光的光源馈电的系统和相应方法 - Google Patents

Abstract

一种用于经由具有用于连接到调光器(12)的输入滤波器(14)的桥配置(10)向诸如卤素灯(L)的光源(L)馈电的系统。该系统包括电阻器(R1)，用于耦合到输入滤波器(14)以便于形成减振器电路，以便于防止所述输入滤波器(14)和桥配置(10)的振荡。该系统包括开关(S1)，其对桥配置(10)上的负载敏感(16、SB)，用以当桥配置(10)上的负载低于给定阈值时，有选择地将电阻器(R1)耦合到输入滤波器(14)。

Description

用于向经受调光的光源馈电的系统和相应方法

技术领域

本发明涉及用于向光源馈送电力的配置。

通过特别关注于本发明可能结合经受调光的卤素灯的使用，开发了本发明。然而，本发明的应用领域决不限于该可能应用。

背景技术

电子调光器是用于通过减少或增加馈送到光源的平均功率来调节光源(例如，灯，诸如卤素灯或者发光二极管或LED)的亮度的器件。

用于卤素灯的调光器通常用首字母缩略词ECG(电子控制装置)指代。根据ECG的操作机制，ECG可被分为两个主要类别：后缘调光器和前缘调光器。

后缘调光器通过切除波形的下降部分或边缘期间的正弦波电源电压来调节传输到灯的功率。典型地，这些电路使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)以便于阻断施加到ECG的电源电压。

前缘调光器通过切除电压电源波形的上升部分或边缘期间的正弦波电压来调节功率。由于例如三端双向可控硅开关元件或相似部件的点火，因此允许电流流入向光源馈电的电子变压器。通常通过改变RC网络的时间常数而获得的三端双向可控硅开关元件点火中的延迟确定了递送到灯的平均功率。

较之后缘调光器，使用前缘调光器的主要优点在于制造成本。用于生产前缘调光器的电子部件通常比用于制造后缘调光器的部件便宜。例如，功率级(用于前缘调光器的三端双向可控硅开关元件和用于后缘调光器的IGBT)以及相关的驱动电路(用于前缘调光器的RC网络和两端交流开关元件、用于后缘调光器的驱动器模块或微处理器)使得这一比较是不言自明的。

在用于例如卤素灯的具有电子变压器的调光器的使用中出现的问题在于与ECG的输入滤波器级的可能的相互作用。在接近所允许的其供电的最小极限的负载下使用调光器时(即，光源被调得很暗而使其产生非常低的照明功率时)，情况尤其如此。ECG的输入滤波器的用意在于确保符合电磁兼容性(EMC)要求以及由诸如EN 55015规范的规章和规范设定的限制。该输入滤波器中的电容器和电感器可能在电子调光器的切换阶段期间与调光器(前缘和后缘调光器两种)的功率级谐振。施加到ECG的电压的振荡产生了噪声、嗡嗡声，并且在最坏情况中，产生了灯光的闪光或闪烁。对于前缘调光器，考虑到其内部结构，该问题是特别烦人的，并且在前缘调光器与ECG的低输出负载一起使用时变得特别明显。

本申请人已注意到迄今为止提出了尝试消除前文中概述的缺陷的许多解决方案。这些解决方案可以与两种基本方法相关。

一种方法基于如下概念，适当地确定输入滤波器的大小，以便于在确保利用前缘调光器的ECG操作的同时，实现EMC测试中的良好行为。该方法典型地牵涉在输入滤波器中包括具有高的电感值的电感器以及具有尽可能低的电容值的电容器。

另一方法是添加RC“减振器”(即，阻尼滤波器)，其被确定大小，以给出EMC测试中的良好结果。该“减振器”通常包括电容器和电阻器，它们被确定大小，以便于阻尼施加到作为基本元件包括在ECG中的自振荡半桥的电压中的振荡。减振器的电容器具有高的值，并且被选择为高电压电容器(例如，具有数百纳法的电容，在240Vrms的AC电源电压下具有最小400V的额定电压的电容器)。相似地，需要功率电阻器，以便于能够管理由减振器过滤的电流。

US-B-7 154 230公开了一种用于对至少一个灯调光的电路配置，包括连接到调光器件的输出的滤波器。该滤波器具有至少一个电容器和用于耦合到电子镇流器的输出。输入阻抗修改器件连接到滤波器器件，以便于修改滤波器输入处的有效的输入阻抗。

发明内容

本申请人已观察到，迄今为止为了获得例如前缘调光器和ECG的正确操作而开发的解决方案受到许多缺陷的困扰。这些缺陷包括需要具有高的值的电感器；这些电感器生产起来是昂贵的并且在其安装的电路板(印刷电路板或PCB)的上面占用很大的空间。这同样适用于那些使用传统的RC减振器的配置中的高值的和高电压的电容器或者功率电阻器。

本申请人已注意到，便宜的前缘调光器的使用可能与提供不与调光器谐振的输入滤波器所牵涉的较高的成本相抵触。这些成本主要涉及输入滤波器骨架(bobbin)的磁部件。磁部件(铁氧体、磁粉芯、铜等)的成本近来年稳步增加，对电子变压器的整体成本有不利的影响。

此外，如US-B-7 154 230中公开的输入阻抗修改器件是相当复杂的，并且在任何情况中，仅对输入或者馈送到配置中的供电电压敏感。

考虑到前述内容，需要改进的配置，其可以在不使ECG输入滤波器的EMC性能折衷的情况下，允许有效地使用具有电子变压器的前缘调光器，同时不需要可能是昂贵的以及在其安装的PCB上占用过度的空间的部件。本发明的目的在于提供一种满足该需要的配置。

根据本发明，借助于一种具有所附权利要求中阐述的特征的系统实现了该目的。本发明还涉及一种相应的系统。权利要求是此处提供的本发明的公开内容的不可分割的部分。

本发明的实施例的基本思想是与ECG的输出负载相关地(例如作为其函数)动态改变输入滤波器的电气行为。本发明的实施例允许通过使更便宜和更紧凑的输入滤波器的成本最优化，高效地使用具有电子变压器的前缘调光器。在实施例中，输入滤波器可被设计为通过使用具有较高的值的电容器，同时还减小骨架的电感值(并且因此减小成本)，来满足EMC要求。由于可以使电感作为部件是更加紧凑的，因此关于电感的较低的成本兼有空间方面的优点。本发明的实施例包括双向开关和驱动它以便于使能/禁止与输入滤波器中的电容器串联连接的电阻的控制电路。各种选择可用于制造该控制电路，以便于产生根据输出负载条件来操作开关(接通/断开)的信号。因此该开关在与输出负载相关的信号的作用下被控制，可以通过感测取决于负载的任何参数(例如，电流和/或电压)来获得该信号。

附图说明

现将参照附图仅借助于示例描述本发明，在附图中：

图1是用于对光源调光的电路配置的示意性示图；

图2是图1中示出的配置的可能的实施例的更详细的示图；以及

图3是图2中示出的配置的简化版本的示图。

具体实施方式

图1是用于对从诸如例如240Vrms电源电压的电源电压V_m启动的诸如卤素灯L的光源馈电的配置的示意性示图。

在所示出的示例性实施例中，经由自振荡半桥10对光源L馈电。自振荡半桥10构成了用于为光源L供电(即馈送电力)的ECG(电子控制装置)的核心。

经由调光器12有选择地控制馈送到光源L的功率(并且因此，控制光源L的亮度)。在实施例中，调光器12具有如本说明书中介绍性部分中讨论的前缘类型。

调光器12的输出经由输入滤波器14连接到自振荡半桥配置10的输入。在所示出的示例性实施例中，输入滤波器是所谓的“∏”(希腊字母pi)滤波器构型，其包括第一电容器C1和第二电容器C2，它们构成pi构型的“腿”。电感器L1与全波整流器R一起构成pi构型的顶部分。

刚刚描述的构型是本领域中的传统构型，并且在此背景下(除下面详细描述的部分之外)不需要进一步地详细描述。

这同样适用于向光源L馈电的自振荡半桥配置10的内部结构。

尽管图2和3的示图示出了该半桥10的部件的示例性配置，但是所示出的构造决不是强制性的。在此处示出的示例性实施例的框架内，可以使用关于桥配置的任何其他构造。

示例性自振荡半桥10被示出为包括输出端口或连接点，从该输出端口或连接点可以得到线路16上的(电压和/或电流)信号Vr。信号Vr表示半桥10的输出处的负载(这基本上是光源L提供的负载)。

信号Vr将使得可以区别“标称”负载情况和“低”负载条件。如下文中更详细描述的，将通过配置的特定操作条件来指定识别“低负载”条件的阈值的值。

在此处示出的示例性实施例中，具有与其关联的双向开关S1的电阻器R1与电容器C2串联连接。开关S1本身又由控制电路(信号模块)SB控制，线路16上存在的负载敏感信号Vr被馈送到该控制电路SB。

此处示出的配置的操作的基本原理如下。

对于标称输出负载(“高负载”)，双向开关S1接通(即，闭合)从而使电阻器R1是短路的。因此根据标准的希腊字母pi构型来构造输入滤波器14。

相反地，当线路16上的信号Vr指明低输出负载(“低负载”)时，开关S1断开(即，打开)从而使电阻器R1与电容器C2串联连接，以提供“减振器”操作。

以如下方式确定输入滤波器14(即电容器C1、C2和电感器L1)的大小，即对于预期用于低电压卤素灯的ECG，符合诸如EN 55015的EMC规范。因此，通过使开关S1闭合以短接电阻器R1，输入滤波器提供最大EMC过滤性能。

在存在低负载条件的情况中，ECG产生的噪声减少。同时，低负载条件结果成为关于具有ECG的调光器的正确操作的最坏情况条件。

此处公开的示例性配置基于如下认识，在低输出负载下，ECG产生的噪声减少，从而使输入滤波器最终是过大。低输出负载条件中产生的较低的EMC噪声允许断开开关S1，因此使电阻器R1与电容器C2耦合(即串联连接)。尽管该步骤降低了输入滤波器在EMC噪声过滤方面的性能，但是因此创建的RC减振器有利地确保具有ECG的调光器的正确功用。此外，因此创建的减振器电路包括输入滤波器的电容器C2，由此未增加整体电路复杂性。

在所示出的示例性实施例中，用于驱动开关S1的信号与在线路16上感测的ECG的输出负载成正比例。

在全负载下，信号模块SB的输出是例如高的，因此闭合开关S1以使电阻器R1短路。当负载减小到关于调光器的临界值时，信号模块SB的输出是低的，从而使开关S1打开并且电阻器R1与电容器C2耦合。

本领域的技术人员将迅速地认识到，诸如示例性配置不是强制性的，因为可以设计其他电路配置来确保(仅)在低负载条件下将电阻器R1耦合到电容器C2以提供减振器作用。

在实施例中，开关S1被实现为电子开关。因此开关S1在“断开”(即“打开”)时阻挡电容器C2过滤的电流，而在“接通”(即“闭合”)时承载(即传导)C2过滤的电流。在实施例中，开关S1是能够承受C2过滤的电流的双向开关。在实施例中，电阻器R1的大小被确定为，当S1断开时，其可以适当地管理流经电容器C2的电流以便于获得阻尼因素，该阻尼因素消除了施加到电容器C2的电压的振荡。

在实施例中，电阻器R1的电阻值的范围是...，电容器C2的电容值的范围是...。

在图2中示出的示例性实施例中，通过使用并联连接的P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)100和N沟道MOSFET 102来实现开关S1，各晶体管100、102具有串联的二极管100a、102a以确保当关联的晶体管100、102关断时电流将不会流经它们的体二极管。

以如下方式选择MOSFET 100、102和二极管100a、102a，即在“导通”时能够维持电容器C2过滤的电流，并且在“关断”时能够承受跨越电阻器R1的电压。

在所示出的示例性实施例中，线路16上的负载敏感信号Vr被传递通过电容器C5以过滤其上可能存在的波纹，并且随后被馈送到包括两个电阻器R3和R4的分压器。

分压器R3、R4产生与ECG上的负载成比例的电压信号，其基本上由ECG的输出处的去耦电容器之间的电压的交流部分表示(参见图2和3中的线路16的起点)。这两个去耦电容器之间的电压的峰值实际上直接与输出负载相关。

在所示出的示例性实施例中，电路SB包括两个峰检测器，两个峰检测器分别包括与齐纳二极管108、110和RC积分网络112、114串联的二极管104、106。

在因此形成的两个峰检测器中，当输入信号足够低时，驱动P-MOSFET 100的峰检测器104、108和112给出负输出。相反地，当输入信号足够高时，驱动N-MOSFET 102的峰检测器106、110和114给出正输出。

由于输入信号基本上是正弦电压，因此P-MOSFET 100和N-MOSFET 102同时导通。

在所示出的示例性配置中，可以通过结合二极管108和110的齐纳电压选择分压器中的电阻器R3和R4的值，(根据预期应用)来限定开关MOSFET 100和102的电压电平。

在实施例中，所讨论的阈值电平被选择为，使得在低输出负载的操作期间，两个MOSFET 100和102被关断，从而使包括电阻器R1的输入滤波器14提供足够的阻尼作用，以消除可能导致光源的闪烁的ECG中的振荡。

图3的示图(将认识到，在图1至3中相同或等同的元件由相同的附图标记表示)描绘了此处的配置的简化的实施例，其中省略了图2中示出的许多部件。

在图3的示例性简化实施例中，P-MOSFET和关联的负峰检测器被省略。双向开关S1基本上包括单独的N-MOSFET 102。在这些条件下，双向开关S1不再是理想的双向开关，而是如下的开关，其中在图3的配置中，图2中的P-MOSFET 100的任务由N-MOSFET 102的体二极管承担。

电容器C2过滤的电流I_C具有略微高于负分量的正分量。因此，通过仅阻尼电流I_C的正分量仍确保了此处描述的配置的完全令人满意的操作，以便于消除调光操作期间的输入滤波器14的振荡。

当N-MOSFET 102关断时，电流的负部分流经MOSFET 102的体二极管并且未流经电阻器R1。该电流尽管未被阻尼，仍不能引发输入滤波器中的非期望的振荡。

在图3中，附图标记116和118指示针对其中示出的布局的两个可能的有利添加物(以虚线示出)

具体地，附图标记116表示二极管，其可以与N-MOSFET 102并联地添加，从而仅在二极管116的顺向二极管电压低于MOSFET 102的体二极管的顺向二极管电压的情况下，电容器C2过滤的电流I_C的负分量将流经二极管118。

附图标记118表示另一二极管，其可以与MOSFET 102串联地添加。二极管118的目的在于防止电流I_C的负分量流经MOSFET 102的体二极管。

此处示出的示例性实施例提供了开关S1，当进入或退出“低负载”条件时，该开关S1在指示负载达到给定阈值水平的单个给定信号电平下切换。

有利地，通过确保引起S1关断的负载水平低于引起开关S1接通的负载水平，可以使开关S1具有滞后行为。该配置的优点在于，其消除了器件操作中的任何非期望的准稳定分歧。

另一实施例可以提供第一低负载水平和第二高负载水平之间的开关S1的线性控制。在低于低负载水平的情况下，开关S1将完全关断以确保充分的减振器操作。在高于高负载水平的情况下，开关S1将完全接通以确保充分的EMC噪声过滤。在低和高负载水平之间，开关S1将根据负载水平、类似与电阻器R1并联的可控电阻器而或多或少地操作(这可以例如通过如下操作来实现，利用可以从完全打开到完全闭合逐渐变化的占空比，在“断续器”模式中致动开关S1)。在存在逐渐减小的负载的情况中，将因此存在如下可能性，电阻器R1逐渐连接到电容器C2，因此提供了减振器配置的逐渐激活，同时逐渐减弱输入滤波器的EMC噪声过滤作用并且逐渐增大抵制ECG配置中的可能的非期望的振荡的作用。

本领域的技术人员可以容易地从前面描述的示例性的“接通-关断”单阈值配置实现刚刚描述的滞后类的操作和线性操作。

因此，在不偏离如所附权利要求限定的本发明的范围的前提下，在不损害本发明的基本原理的情况下，细节和实施例可以相对于此处纯粹借助示例描述和/或示出的内容变化，甚至明显地变化。

Claims (19)

1.一种用于经由用于连接到调光器(12)的输入滤波器(14)以及桥配置(10)向光源(L)馈送电力的系统，所述输入滤波器(14)具有包括输出电容器(C2)的希腊字母pi的构型，所述系统包括：开关(S1)，对所述桥配置(10)上的负载敏感(16、SB)，

其特征在于，所述系统包括电阻器(R1)，能够经由所述开关选择性地耦合到所述输出电容器(C2)以形成减振器电路，以当所述桥配置(10)上的负载低于给定阈值时，通过将所述电阻器(R1)耦合到所述输出电容器(C2)来防止所述输入滤波器(14)和所述桥配置(10)的振荡。

2.如权利要求1所述的系统，包括如下配置的所述开关(S1)：当所述桥配置(10)上的所述负载高于相应阈值时，所述开关(S1)使所述电阻器(R1)与所述输入滤波器(14)断开连接。

3.如权利要求2所述的系统，包括如下配置的所述开关(S1)：当所述桥配置(10)上的负载分别低于和高于所述给定阈值时，所述开关(S1)使所述电阻器(R1)耦合到所述输入滤波器(14)和与所述输入滤波器(14)断开连接。

4.如权利要求2所述的系统，包括如下配置的所述开关(S1)：当所述桥配置(10)上的负载低于第一阈值时，所述开关(S1)将所述电阻器(R1)耦合到所述输入滤波器(14)，以及当所述桥配置(10)上的负载高于第二阈值时，所述开关(S1)使所述电阻器(R1)与所述输入滤波器(14)断开连接，其中，所述第二阈值高于所述第一阈值。

5.如权利要求4所述的系统，包括如下配置的所述开关(S1)：当所述桥配置(10)上的负载位于所述第一阈值和第二阈值之间时，所述开关(S1)将所述电阻器(R1)部分地耦合到所述输入滤波器(14)。

6.如权利要求1所述的系统，包括用以将所述电阻器(R1)串联连接到所述输出电容器(C2)的所述开关(S1)。

7.如权利要求1-6中的任一项所述的系统，其中，所述开关(S1)是电子开关。

8.如权利要求7所述的系统，其中，所述开关(S1)是双极型开关。

9.如权利要求8所述的系统，其中，所述开关(S1)包括两个相反极性的晶体管(100、102)。

10.如权利要求8所述的系统，其中，所述开关(S1)包括单个晶体管(102)，该单个晶体管(102)包括体二极管，其中，所述开关的双极性质由所述晶体管(102)及其体二极管提供。

11.如权利要求1-6中的任一项所述的系统，包括：用于所述开关(S1)的控制电路(SB)，所述控制电路具有对表示所述桥配置(10)上的负载的信号(16)敏感的至少一个阈值检测器(104、108、112；106、110、114)。

12.如权利要求11所述的系统，其中，所述至少一个阈值检测器(104、108、112；106、110、114)包括齐纳二极管(108、110)，其中，所述齐纳二极管(108、110)的齐纳电压限定关于所述开关(S1)的切换点。

13.如权利要求1-6中的任一项所述的系统，包括：用于所述开关(S1)的控制电路(SB)，所述控制电路(SB)耦合到对所述桥配置(10)上的负载敏感的分压器(R3、R4)，其中，所述分压器(R3、R4)的划分点限定关于所述开关(S1)的切换点。

14.如权利要求1-6中的任一项所述的系统，其中，所述调光器是前缘调光器(12)。

15.一种用于经由用于连接到调光器(12)的输入滤波器(14)以及桥配置(10)向光源(L)馈送电力的方法，所述输入滤波器(14)具有包括输出电容器(C2)的希腊字母pi的构型，所述方法包括如下步骤：感测所述桥配置(10)上的负载，

其特征在于，提供电阻器(R1)，所述电阻器(R1)能够经由开关耦合到所述输出电容器(C2)以形成减振器电路，以当所述桥配置(10)上的负载低于给定阈值时，通过将所述电阻器(R1)耦合到所述输出电容器(C2)来防止所述输入滤波器(14)和所述桥配置(10)的振荡。

16.如权利要求15所述的方法，包括如下步骤：当所述桥配置(10)上的所述负载高于相应阈值时，使所述电阻器(R1)与所述输入滤波器(14)断开连接。

17.如权利要求16所述的方法，包括如下步骤：当所述桥配置(10)上的负载分别低于和高于所述给定阈值时，使所述电阻器(R1)耦合到所述输入滤波器(14)和与所述输入滤波器(14)断开连接。

18.如权利要求16所述的方法，包括如下步骤：当所述桥配置(10)上的负载低于第一阈值时，将所述电阻器(R1)耦合到所述输入滤波器(14)，以及当所述桥配置(10)上的负载高于第二阈值时，使所述电阻器(R1)与所述输入滤波器(14)断开连接，其中，所述第二阈值高于所述第一阈值。

19.如权利要求18所述的方法，包括如下步骤：当所述桥配置(10)上的负载位于所述第一阈值和第二阈值之间时，将所述电阻器(R1)部分地耦合到所述输入滤波器(14)。

Images