CN101933401A - 负载控制装置及照明装置 - Google Patents

Abstract

一种放电管照明装置，该装置可以在改善实用性的同时精确地控制负载。当计量数(Nn)变成预定阈值或小于预定阈值时，预测电路(35)基于差额的变化率预测电流值iQ1变成峰值的时序。开关选择电路(38)用高于第一转换器单元(32)的采样频率的时钟频率来驱动，该开关选择电路(38)在关闭时序关闭场效应管(Q1)，并开启场效应管(Q2)。多个A/D转换器(37a)受到多比率控制，从而基于灯电流(iOUT)的峰值来纠正预测电路(35)的阈值。即使为了第一转换器单元(32)的采样周期设置电流值(iQ1，iQ2)的峰值，可以在不用将采样频率提高到所需要的值以上的情况下根据电流值(iQ1，iQ2)来精确地设定关闭时序。所以，能够改善实用性和精确地控制荧光灯的点亮。

Description

负载控制装置及照明装置

技术领域

本发明涉及一种逆变电路(INVERTER CIRCUIT)的负载控制装置及具备这种装置的照明装置，而其逆变电路中设有驱动负载的开关元件。

背景技术

过去，这种负载控制装置由下列几个部分组成：将直流电源转换成交流电源的逆变器、借此逆变器工作及驱动的放电管、分别检测此放电管的电流及电压值的检测装置、对检测这些值的放电管的模拟电流及电压值进行A/D转换的A/D转换器、根据靠A/D转换器检测的数字量来演算逆变器控制用标准值的演算器、以及设有控制器的放电管照明装置，而此控制器根据演算器演算的标准值控制逆变器(例如，参考专利文献1)。

专利文献1：专开评10-41079号公报(第3-4页，图1)

发明内容

但是，比如8位A/D变换器一般具有1MHz～2MHz左右的采样频率，可分解为0.5μs～1.0μs左右，因此在上述放电管照明装置中，不能对开关元件的电流值或电压值进行充分的采样。

因而，虽然根据各采样值的平均值控制逆变器的动作，但在这种控制中很难精确控制逆变器。

另外，可以考虑利用采样频率大大高于转换周期的A/D转换器来提高分解能力，或者利用多个A/D转换器进行多比率(Multi rate)控制，但这样会产生耗电量增加或费用昂贵等不实用的问题。

本发明以解决上述背景技术问题为出发点，目的在于提供一种既实用又能精确控制负载的负载控制装置，以及具备这种装置的照明装置。

一种负载控制装置，其特征在于包括如下几个部分：设有驱动负载的开关元件的逆变器电路，以及根据规定的采样频率将流过处于开启状态的开关元件的模拟电流值转换成对应于此电流值的数字量的第一转换手段；在借第一转换手段在规定时序内转换的数字量与下一个时序的数字量差额低于引起规定反应的最小物理量的状态下，根据此差额的变化率预测流过开关元件的电流峰值时序的预测手段；通过大于第一转换手段采样频率的时钟频率驱动，并在靠预测手段预测的时序内，关闭处于开启状态的开关元件的同时，开启处于关闭状态的开关元件的控制手段；将负载输出的电量转换成数字量的第二转换手段；通过靠第二转换手段转换的数字量检测负载输出的电量峰值，并根据此检测结果补偿预测手段预测时序的补偿手段。

为了解决上述问题，逆变器电路采用半桥或全桥等逆变器电路。

例如，第一转换手段采用具有50MHz左右振荡频率的压控振荡器，或者8位Flash A/D转换器等。

例如，预测手段采用数字信号处理器(DSP，Digital Signal Processor)等。

例如，控制手段采用数字信号处理器等，可以与预测手段做成一体，也可以与预测手段相互分开制作。

例如，第二转换手段采用多个A/D转换器或压控振荡器等，并采用多比率方式控制这些装置，就可以将负载输出的电量转换为大于所有采样频率的采样频率数字量。

例如，补偿手段采用数字信号处理器等，可以与预测手段做成一体，也可以与预测手段相互分开制作。

同时，靠第一转换手段转换为规定时序(Timing)的数字量与下一个时序数字量的差额(时间差)低于引起规定反应的最小物理量的状态下，根据此差额变化率预测靠预测手段流过开关元件的电流峰值的时序，利用大于第一转换手段采样频率的时钟频率驱动的控制手段，在靠预测手段预测的关闭时序内，关闭处于开启状态的开关元件的同时，开启处于关闭状态的开关元件。另一方面，借第二转换手段将负载输出的电量转换成数字量，并根据此数字量检测出负载输出的电量峰值后，根据此检测结果使可变设置手段补偿预测手段预测的时序。因此，无需将第一转换手段的采样频率增大到需要的值以上，即使流过开关元件的电流峰值位于第一转换手段采样周期内，也能根据开关元件的电流值精确设置关闭时序，所以在提高实用性的同时，能够精确控制负载。

在权利要求1所述的负载控制装置中，权利要求2所述的负载控制装置的预测手段为：根据第一转换手段转换的数字量绝对值，预测流过开关元件的电流达到峰值的时序，而其控制手段为：在借上述预测手段预测的时序内，关闭处于开启状态的开关元件的同时，开启处于关闭状态的开关元件。

另外，根据第一转换手段转换的数字量绝对值，预测流过开关元件的电流达到峰值的时序，在此预测时序内，通过控制手段关闭处于开启状态的开关元件的同时，关闭处于开启状态的开关元件。因此，只需根据通过流过开关元件电流值转换的数字量差额变化率和数字量绝对值，就能够随开关元件电流峰值关闭开关元件，所以能更精确地控制负载。

在权利要求1或2的负载控制装置中，权利要求3所述的负载控制装置的控制手段为：如果作为预测手段的差额变化率增加时，关闭开关元件。

另外，作为预测手段的差额变化率增加时，控制手段将关闭开关元件，以防止因电路异常发生的过电流等现象。

权利要求4所述的照明装置，其特征在于包括在权利要求1至3的任何一个负载控制装置，以及安装靠此负载控制装置工作的负载——放电管的设备本体。

同时，包括权利要求1至3的任何一个负载控制装置，以发挥各自的作用。

本发明的有益效果是，根据权利要求1的负载控制装置靠第一转换手段转换为规定时序的数字量与下一个时序数字量的差额低于引起规定反应的最小物理量的状态下，根据此差额变化率并靠预测手段发生大于第一转换手段采样频率的时钟频率，预测第一转换手段采样时序期间开关元件的关闭时序，在此预测的关闭时序内，通过控制手段关闭处于开启状态的开关元件的同时，开启处于关闭状态的开关元件。另一方面，借第二转换手段将负载输出的电量转换成数字量，并根据此数字量检测出负载输出的电量峰值后，根据此检测结果和借助可变设置手段补偿预测手段时序的预测量。因此，无需将第一转换手段的采样频率增大到所需要的值以上，就能根据开关元件的电流值精确设置关闭的时间，因此在提高实用性的同时，能够精确控制负载。

根据权利要求2的负载控制装置，其特征在于在权利要求1所述的负载控制装置的基础上增加效果，根据借第一转换手段转换的数字量绝对值，预测流过开关元件的电流达到峰值的时序，在此预测的时序内通过控制手段关闭处于开启状态的开关元件的同时，开启处于关闭状态的开关元件。因此，只需根据通过流过开关元件的电流值转换的数字量差额变化率和数字量绝对值，就能够随开关元件电流峰值关闭开关元件，所以能更精确地控制负载。

权利要求3所述的负载控制装置，其特征在于增加权利要求1或2所述的负载控制装置的效果，如果作为预测手段的差额变化率增加时，通过控制手段关闭开关元件，以防止因电路异常发生的过电流等现象。

权利要求4所述的照明装置，其特征在于包括在权利要求1至3的任何一个负载控制装置，以发挥各自的作用。

附图说明

图1是表示本发明一个实施例的负载控制装置部分方块图。

图2是同一负载控制装置的电路图。

图3是表示包括同一负载控制装置照明装置外形的斜视图。

图4是表示同一负载控制装置的负载及各开关元件电量的曲线图。

图5是表示同一负载控制装置的第一转换手段动作的示意图。

图6是分别表示同一负载控制装置的开关元件电流峰值及负载电量峰值检测算法的示意图。

图7是放大表示图6所示的负载控制装置开关元件电流峰值检测算法的示意图。

附图符号说明

11照明装置

12设备本体

16作为负载控制装置的放电管照明装置

22逆变器电路

32作为第一转换手段的第一转换器

35具有预测手段及补偿手段功能的关闭时的预测电路

37a作为第二转换手段的A/D转换器

38作为控制手段的开关选择电路

FL作为负载放电管的荧光灯

Q1，Q2作为开关元件的场效应晶体管

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的一个实施例。

图1是负载控制装置的部分方块图，图2是负载控制装置的电路图，图3是表示负载控制装置的照明装置外形的斜视图，图4是表示负载控制装置的负载及各开关元件电量的曲线图，图5是表示负载控制装置的第一转换手段动作的示意图，图6是分别表示负载控制装置的开关元件电流峰值及负载电量峰值检测算法的示意图，图7是放大表示负载控制装置开关元件电流峰值检测算法的示意图。

如图3所示，照明装置11上设有设备本体12，在设备本体12下面形成了一个反射面13，在此反射面长度方向的两端设有灯头(14、14)，在灯头(14、14)之间以电气、机械方式安装有作为负载的放电管，即管形荧光灯FL。另外，此设备本体12内设有(采用)图1所示的负载控制装置放电管照明装置16。

如图2所示，在对图中未表示的常用交流电源进行整流平滑处理的直流电源21上，连接作为放电管照明电路的逆变器电路22，在逆变器电路22上串联作为开关元件的场效应晶体管(FET)(Q1、Q2)以构成半桥型电路，而此电路上流着逆变器电流iout0(图4(b))。

这些场效应晶体管(Q1、Q2)的门上连接着作为控制电路的数字控制部分——数字控制电路23。

场效应晶体管Q1与场效应晶体管Q2的连接点上引入用于切断(Cut)直流的电容C1及电感L的串联电路，并连接到荧光灯FL的一端，而荧光灯FL未图示的另一端连接在直流电源21的阴极上。上面的荧光灯FL并联启动用电容C2。

如图1所示，数字控制电路23分别与用来选择流过场效应晶体管(Q1、Q2)的电流值iQ1、iQ2(图4(c)及图4(d))的选择电路31、作为第一转换手段的第一转换器32、零交叉检测电路33及同步信号发生电路34相连，第一转换器32上连接分别具有预测手段和补偿手段的关闭时的预测电路35(以下简称“预测电路35”)，在此预测电路35上连接作为整流电路36的第二转换器37，而选择电路31上连接预测电路35和作为预测手段的开关选择电路38。附加说明的是，下面可能在什么时候，将两个电流值iQ1、iQ2都只称为电流值i。

选择电路31检测和选择流过场效应晶体管(Q1、Q2)的电流部分，并将其电流值输出到第一转换器32。附加说明的是，选择电路31可以强制选择场效应晶体管(Q1、Q2)中任何一个结构。

例如，第一转换器32是由作为A/D转换器的流控振荡器(ICO)41和作为测量手段的计数器依次相连接而组成。

当输入通过选择电路31选择的电流值i时，流控振荡器41根据第一转换器32采样周期的规定采样频率(例如50MHz频率)，对电流值i进行采样(图5(a)及图5(b))，输出对应于电流值i的频率时钟信号f，以作为对应于电流值i的数字量。例如，当电流值大时，流控振荡器41输出频率较大的时钟信号f。附加说明的是，可采用将电流值i转换成电压值的电流电压转换手段代替电力控制振荡器41，以及根据规定的采样频率对靠此电流电压转换手段转换的电压值进行采样，以输出时钟信号f的压控振荡器(VCO)。

计数器42在规定时间内计量由流控振荡器41输出的时钟信号f。例如场效应晶体管(Q1、Q2)的转换周期为10μs(转换频率100kHz)、流控振荡器41的采样频率为50MHz的情况下，如果同步信号发生电路34的采样周期时宽Tsamp1分别为0.1μs(采样频率10MHz)、0.2μs(采样频率5MHz)、0.5μs(采样频率2MHz)、1.0μs(采样频率1MHz)，则此计数器42计量的时钟信号f的计量数可以分别取5个、10个、25个、50个左右。同时，计数器42向预测电路35输出对每个时宽Tsamp1取n个平均值的计量数Nn。

零交叉检测电路33检测电流值i的零交叉点(在边缘确实变换的点)，在同一时间段内向信号发生电路34输出此检测时序，并通过以此输出值在同一时间段内由信号发生电路34产生的每一时宽Tsamp1的同一时间段信号，向流控振荡器41复位与计数器42的各自启动时序，使在电流值i的零交叉点能够在同一时间段内保持第一转换器32的采样周期。换句话来说，第一转换器32的采样周期与逆变器电路22的转换周期保持同一时间段。附加说明的是，如果第一转换器32的采样周期与逆变器电路22的转换周期不保持同一时间段，则可以不设置零交叉检测电路33换句话来说，第一转换器32的采样周期与逆变器电路22的转换周期保持同一时间段。附加说明的是，如果第一转换器32的采样周期与逆变器电路22的转换周期不保持同一时间段，则可以不设置零交叉检测电路33。

在借第一转换器32在规定时序内转换的数字量——计数值Nn与下一个时序的计数值Nn的差额ND＝Nn-Nn-1低于引起规定反应的最小物理量NDREF的状态下，预测电路35根据此差额ND的变化率，即NDD，n＝ND，n-ND，n-1，NDD，n-1＝ND，n-1-ND，n-2，……，NDD，n-v＝ND，n-v-ND，n-v-1的变化率，可以预测场效应晶体管Q1、Q2的电流值iQ1或iQ2中任一个成为峰值的时序(图6(a)及图6(b))。同时，此预测电路35能根据各个时宽Tsamp1，k(k＝1，2，……，n-1，n，……)的数字量绝对值，即各计数值Nk(k＝1，2，……，n-1，n，，……)的复数，预测电流值iQ1或iQ2中任一个成为峰值的时序。

整流电路36对荧光灯FL的电量，例如作为输出电流的荧光灯交流电流iout(图4(a))进行全波整流后，输出到第二转换器37。而荧光灯FL的电流可举输出电压或电力等。

第二转换器37在内部设有多个作为第二转换手段的A/D转换器37a，并对这些A/D转换器37a进行多比率控制，即相互拉开一定的相位进行动作，以对整流电路36输出的荧光灯FL电流iout进行A/D转换，使其成为数字量(图6(c))。因此，第二转换器37用大于每个A/D转换器37a采样频率的采样频率，即小于每个A/D转换器37a采样时的时宽Tsamp2进行数据采样。同时，此第二转换器37通过预测电路35接受采样时序的指令。

另外，如果能够与模拟标准量进行比较或进行温度补偿，第二转换器37可以用各A/D转换器37a代替，而且如第二变换器32一样，可以构成多个压控振荡器和计数器，或者采样单独的A/D转换器37a。

开关选择电路38分别与场效应晶体管(Q1、Q2)的各个门相连接，在靠预测电路35预测的时序内进行转换控制。此开关选择电路38一般以100kHz左右的转换频率(10μs左右的转换周期)对场效应晶体管(Q1、Q2)进行转换。

下面说明上述一个实施例的动作情况：

靠数字控制电路23转换控制场效应晶体管(Q1，Q2)，从逆变器电路22输出的高频电压通过切断直流用电容C1、电感L及启动用电容C2的谐振转换成谐振电压，而此谐振电压在预热荧光灯FL灯丝的同时施加在灯丝上，来点亮荧光灯FL。

在这里，数字控制电路23中，23中，如果电流值iQ1和iQ2中，iQ1在负荷(状态)下能够正确把握时间零交叉检测出33此零交叉检测信号输入到选择电路31中，由选择电路31选择电流值iQ1，由第一转换器32的流控振荡器41将已选择的电流值iQ1转换成对应于其绝对值的频率时钟信号f，而计数器42计量这个被转换的时钟信号f。

此时，从零交叉检测电路33输出的零交叉检测信号也输入到同步信号发生电路34中，对流控振荡器41与计数器42的动作时序进行复位，使流控振荡器41(第一转换器32)的采样周期与逆变器电路22的转换周期同步化。

然后，当通过计数器42将各个时宽Tsamp1，n(n＝1，2，……)的计数值Nn输入到预测电路35时，此预测电路35根据此计数值Nn演算其差额ND，n。当差额ND，n低于引起规定反应的最小物理量NDREF，即ND，n≤NDREF时，预测场效应晶体管Q1的关闭时序Tto，u。

具体地说，预测电路35演算差额NDD，即NDD，n＝ND，n-ND，n-1，NDD，n-1＝ND，n-1-ND，n-2，……，NDD，n-v-1＝ND，n-v-ND，n-v-1，并根据这些变化率产生大于第一转换器32采样频率的时钟频率，以小于时宽Tsamp1的时宽Tto，时宽Tsamp1，n+k(k为大于1的任意自然数)，即预测位于k个采样周期后的时宽Tsamp1中的电流值iQ1的峰值时序(图7)。在这里，差额NDD的变化率变小时，可认为正在接近峰值；当差额NDD的变化率低于规定值时，可以认为它是峰值。另外，k一般设置为1或2，但如果引起反应的最小物理量NDREF不太可能设置分解，则可通过加大k来弥补设置分解。

又例如，在流过场效应晶体管Q1电流梯度不变化的区域内预测上述时序Tto，u的情况下，如果由于场效应晶体管(Q1、Q2)的转换频率有大幅变化而不能正确预测时序Tto，u，预测电路35将根据多个计数值Nn的绝对值，预测电流值iQ1成为峰值的时序。另外，电流值i的目标峰值通过灯管电流iout与其目标值之差进行设置。

另外，通过预测电路35预测的时序Tto，u，预测电路35用时宽Tto的微小幅度PWM信号控制开关选择电路38，开关选择电路38通过靠预测电路35预测的时序Tto，u关闭靠选择电路31选择电流值i的场效应晶体管(在本实施例中为场效应晶体管Q1)，并用此时序T1或T2开启场效应晶体管Q2。

另一方面，灯管电流iout被整流电路36整流后，对第二转换器37的各个A/D转换器37a进行多比率控制，比时序Tto，u延迟τD1时间后，转换成规定时宽Tsamp2的数字量。

在预测电路35中，根据转换的数字量检测出灯管电流iout的峰值，并根据其检测结果适当补偿引起反应的最小物理量NDREF。

此时，对于用来补偿引起反应的最小物理量NDREF的第二转换器37数字量，如果时宽Tsamp2较短时，利用靠各个A/D转换器37a转换的数字量平均值；如果时宽Tsamp2较长时，利用靠各个A/D转换器37a转换的数字量最大值或最小值。

因此，按补偿的时序，即比灯管电流iout峰值检测时序晚τD2时间的时序，场效应晶体管Q2像上述场效应晶体管Q1的关闭控制一样被关闭，而场效应晶体管Q1被开启。换言之，补偿比场效应晶体管(Q1、Q2)晚半个周期的关闭时序(PWM信号输出)。

此后，原封不动地对场效应晶体管(Q1、Q2)反复交替进行控制。

如上所述，在第一转换器32转换的计数值Nn-1与下一个计数值Nn的差额ND，n成为低于引起规定反应的最小物理量NDREF的状态下，根据差额ND的变化率预测通过预测电路35流过场效应晶体管(Q1，Q2)的电流值iQ1，iQ2成为峰值的时序Tto，u，在此预测的关闭时序Tto，u内，由开关选择电路38在关闭处于开启状态的场效应晶体管(在本实施例为场效应晶体管Q1)的同时，开启处于关闭状态的场效应晶体管(在本实施例为场效应晶体管Q2)。另一方面，在靠预测电路35预测的、处于关闭的时序Tto，u的附近，对多个A/D转换器37a进行多比率控制，将灯管电流iout转换为数字量，并用这些数字量检测出灯光电流iout的峰值，然后根据此检测结果补偿预测电路35的时序预测结果。具体地说，就是补偿引起反应的最小物理量NDREF。因此，无需将第一转换器32的采样频率增大到所需要的值以上，即使电流i的峰值位于第一转换器32的采样周期内，也能根据电流值i精确设置关闭时序Tto，u，因此在提高实用性的同时，能够精确控制荧光灯FL。

同时，根据靠第一转换器32转换的计数值Nn的绝对值，由预测电路35预测电流值i成为峰值的时序，在此预测时序内，由开关选择电路38在关闭处于开启状态的场效应晶体管(在本实施例为场效应晶体管Q1)的同时，开启处于关闭状态的场效应晶体管(在本实施例为场效应晶体管Q2)。因此，只需根据计数值Nn和差额ND的变化率及电流值i的绝对值，就能够随电流i的峰值关闭场效应晶体管(在这里为场效应晶体管Q1)，所以能更精确地控制负载。

而且，因根据Tsamp1成为峰值的几个周期前计数值Nn的差额ND等的验算结果，预测电流值i成为峰值的时序Tto，u并进行计算，所以能够保证计算时间。

另外，根据接近放电管照明装置16输入端的场效应晶体管(Q1，Q2)电流值iQ1、iQ2设定关闭时序，因此响应度比较好。特别是，在照明装置11中，如果响应度较低，存在荧光灯FL熄灭或闪烁的危险，因此提高响应度就能确实防止这种熄灭或闪烁现象。

如果一般情况下减少的预测电路35的差额ND变化率增加时，由开关选择电路(38)关闭场效应晶体管Q1或场效应晶体管Q2，因此能防止因场效应晶体管(Q1、Q2)异常等原因造成的过电流等现象。

在上述实施例中，还可以控制场效应晶体管(Q1，Q2)中的任一个，来控制每个周期的灯管电流iout。此时，场效应晶体管Q2更容易控制，因此应该控制Q2。

在放电管照明装置11的过渡期，应在每个周期进行上述关闭时序的设置；而在稳定期内，几个周期进行一次也可。

而且，第一转换器32具有与流控振荡器41及计数器42相同的功能。例如，可以采用8位Flash A/D转换器。在此情况下，例如可以共用第二转换器37的A/D转换器37a的任一侧。

另外，除灯管电流iout等输出电流以外，例如负载的电量在输出电压或电力中也可以进行控制。

而且，补偿手段可以用引起反应的最小物理量NDREF的补偿代替，可以控制改变时宽Tsamp1，n+k的k值或同时使用这些因素。

对除荧光灯FL以外的负载也可以使用上述负载控制装置。

工业应用性

本发明适用于家庭用照明灯具等负载。

Claims (4)

1.一种负载控制装置，其特征在于包括如下几个部分：设有驱动负载的开关元件的逆变器电路，以及根据规定的采样频率将流过处于开启状态的开关元件的模拟电流值转换成对应于此电流值的数字量的第一转换手段；在借第一转换手段在规定时序内转换的数字量与下一个时序的数字量差额低于引起规定反应的最小物理量的状态下，根据此差额的变化率预测流过开关元件的电流峰值时序的预测手段；通过大于第一转换手段采样频率的时钟频率驱动，并在靠预测手段预测的时序内，关闭处于开启状态的开关元件的同时，开启处于关闭状态的开关元件的控制手段；将负载输出的电量转换成数字量的第二转换手段；通过靠第二转换手段转换的数字量检测负载输出的电量峰值，并根据此检测结果补偿预测手段预测时序的补偿手段。

2.根据权利要求1所述的负载控制装置，其特征在于根据靠第一转换手段转换的数字量绝对值，通过预测手段预测流过开关元件的电流成为峰值的时序，在靠此预测手段预测的时序内，通过控制手段关闭处于开启状态的开关元件的同时，开启处于关闭状态的开关元件。

3.根据权利要求1或2所述的负载控制装置，其特征在于作为其预测手段的差额增加时，通过控制手段关闭开关元件。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的负载控制装置，其特征在于所述照明装置包括设备负载控制装置和设有靠此负载控制装置工作的放电管的设备本体。

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