CN102238786B

CN102238786B - 用于诸如卤素灯的光源的供电设备和相关方法

Info

Publication number: CN102238786B
Application number: CN201110091064.3A
Authority: CN
Inventors: 拉法埃莱·皮瓦
Original assignee: PATRA Patent Treuhand Munich
Current assignee: Osram GmbH; PATRA Patent Treuhand Munich
Priority date: 2010-04-06
Filing date: 2011-04-06
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2031-04-06
Also published as: KR20110112238A; US20110241566A1; KR101289326B1; EP2375873B1; US8502518B2; EP2375873A1; CN102238786A

Abstract

本发明公开了一种用于诸如卤素灯的光源(L)的供电设备，从电源(M)经由相位切割调光器(28)可以向其供电，相位切割调光器(28)可以有选择地在导通状态和不导通状态之间切换以便于允许或中断从电源对该设备的馈电。该设备包括用于向至少一个光源(L)馈电的功率级(10)、用于功率级(10)的驱动级(22、24)以及用于驱动级(22、24)的供电级(26)。传感器构件(30、34)被提供用于检测调光器(28)何时不导通以及何时再次导通。驱动级(22、24)耦合到传感器构件(30、34)以在传感器构件(30、34)指示调光器(28)不导通时禁止功率级(20)的驱动，并且在传感器构件(30、34)指示所述调光器(28)再次导通时使能功率级(20)的驱动。

Description

用于诸如卤素灯的光源的供电设备和相关方法

技术领域

本公开涉及用于向诸如例如低压卤素灯的光源供电的技术。

在本公开应用于那些适于执行光源的强度调节功能(所谓的“调光”)的供电设备的特别关注下设计了本公开。

背景技术

对于诸如卤素灯的光源(例如具有低供电电压的卤素灯)的供电，使用电子变压器，其可以对光源执行强度调节功能，即所谓的“调光”功能。

该功能的实现方案利用如下事实：这些光源的光强度取决于流过光源的电流的(平均)强度。

可以这么说，强度调节设备(出于简化被称为“调光器”)通过经由相位切割操作来“切割”通常已经历整流的正弦波形而进行操作。

该功能可以在正弦(半)波的上升沿和下降沿执行。因此被称为“相位切割调光器”的设备可以被分类为两组：

-在正弦(半)波的上升沿或者前部，即在100Hz情况下在周期的起点处起作用的设备(明显参照已经历半波整流的50Hz下的正弦波形)，

-在100Hz情况下在正弦(半)波的下降沿或者在尾部起作用的设备。

被称为“前沿调光器”的第一类设备目前较为普遍，这是因为它们生产起来是更经济的。

当前用在目前考虑的应用中的电子变压器通常包括自振荡半桥拓扑，其适于适当地与先前考虑类型的相位切割调光器一起工作。

在具有相当高的功率(例如300W的输入功率)的电子变压器的情况中，自振荡拓扑的使用较困难。这是因为需要输入和输出电流以及输出电压的适当的控制，特别是在启动期间和防止异常操作条件(过载、过热、超温)的保护级中。

为了适当地控制功率级，于是有可能提供与外部驱动器组合的诸如数字微控制器的处理单元。处理单元(微控制器)和驱动器均需要恒定供电电压，其通常约为几伏特(Vcc)。出于节能需要的原因(具体地，为了减少待机模式中的消耗)，该电压通过开关模式供电级(SMPS)获得。

图1是示出对应于先前已描述的内容的解决方案的框图。

具体地，在图1的框图中，附图标记10表示包括例如，两个电子开关(例如功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管))的功率级，这两个电子开关适于交替地接通和关断(即，使其导通的和不导通)，以自振荡半桥布置与各自的电容器14关联，适于驱动变压器16的初级绕组16a。变压器16的次级绕组16b向作为一个或多个灯的负载L(当然，尽管在图中示出，但是它们自身不是供电电路的一部分)馈电。

在图1中考虑的示例中，从电源M向功率级10馈电是通过输入滤波器18和二极管桥整流器20实现的，来自电源的馈电线路21从此处分支，其具有适于向功率级10馈电的“总线”电压Vbus。

附图标记22表示驱动级或驱动器，其基于从诸如微控制器24的处理单元接收到的控制，交替地接通和关断功率级10中的开关12。

附图标记26表示连接到来自电源的馈电线路21的供电级(开关模式供电级或SMPS)。在级26的输出上呈现直流电压Vcc，其适于用作驱动器22和微控制器处理单元24的供电电压。

最后，附图标记28表示相位切割调光器(假设其置于电源电压M的输入和输入滤波器18之间)，其通过根据公知的标准操作，对电源供电的波形执行“切割”功能；在外部调光控制(根据公知的标准和构件产生)的作用下，调光器28因此可以有选择地在如下两个状态之间切换：

-导通状态(其中电源供电流向设备)以及

-不导通状态(其中中断对设备的电源供电)，

以便于允许或中断从电源对设备的供电。

图1中示出的电路拓扑自身将被视为已知的，这使得在这里不必提供其详细描述。

而且，将认识到，为了解决下文解释的技术问题，图1的电路布置必须被概括地视为用于光源的供电设备的拓扑的示例，其中该设备包括：

-来自电源的通过对来自电源的供电波形执行“切割”功能的相位切割调光器的馈电线路(例如线路21)，该调光器可以在导通状态(其中来自电源的供电流向设备)和不导通状态(其中中断从电源对设备的供电)之间有选择地切换，以便于允许或中断从电源对设备的供电，

-用于从来自电源的所述馈电线路向至少一个光源馈电的功率级，

-用于功率级的驱动级，以及

-用于驱动级的供电级，所述供电级连接到来自电源的所述馈电线路。

发明内容

本发明人已观察到在诸如图1中示出的布置中(并且在相似或等同的拓扑中)，当在调光动作期间调光器切割超过某个电平的输入电压(并且因此切割线路21上的供电)时，向驱动器和处理单元供电的级的馈电不足，并且从而不再能够将供电电压馈送到驱动器和处理单元；结果，在灯供电中呈现了可以清楚感知的闪烁或闪光效果。

最不利的条件出现在“前沿”调光器的情况中，“前沿”调光器对供电波形的上升沿执行切割功能，从而每当功率级将被激活的时刻，发生针对驱动器和处理单元的供电电压下降。

本发明人因此认识到由诸如微控制器的商用单元控制的电子变压器不能使用“相位切割”调光器令人满意地操作；当调光水平增加时，即当发光强度减小到某个水平以下时，控制处理单元和功率级驱动器供电不足，并且光源经历闪烁或闪光效果。

本发明的目的在于克服前述缺陷。

根据本发明，通过具有所附权利要求中具体阐述的特征的设备实现了该目的。本发明还涉及相关方法。权利要求是这里提供的本发明的技术教导的整体组成部分。

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于诸如卤素灯的光源的供电设备，从电源经由相位切割调光器可以向其供电，相位切割调光器可以有选择地在导通状态和不导通状态之间切换以便于允许或中断从电源对该设备的馈电。该设备包括用于向至少一个光源馈电的功率级、用于功率级的驱动级以及用于驱动级的供电级。传感器构件被提供用于检测调光器何时不导通以及何时再次导通。驱动级耦合到传感器构件以在传感器构件指示调光器不导通时禁止功率级的驱动，并且在传感器构件指示所述调光器再次导通时使能功率级的驱动。由此确保供电级的馈电并且避免光源的闪烁和闪光。优选地，驱动级包括微控制器，其在调光器不导通时切换到低消耗待机状态。在这些条件中，调光器连接到假负载，其适于使调光器返回到其正常导通状态。

根据本发明的另一实施例，提供了一种操作用于光源的供电设备的方法，该供电设备包括：用于对至少一个光源馈电的功率级，用于功率级的驱动级，以及用于驱动级的供电级，该方法包括通过允许或中断从电源对设备的馈电进行的相位切割调光操作，其包括：检测何时中断或允许馈电，当检测到馈电的中断时禁止功率级的驱动并且当检测到允许馈电时使能功率级的驱动。

各种实施例使它们的操作基于如下原理：当调光器“开路”，即不导通时，减少整体能耗。在其中不进行对电子变压器的功率级的供电的这些条件中，本发明提出了不对电子变压器供电(特别是不向电子变压器提供供电电压)。这样有可能防止生成供电电压的级上的输出电压的下降，因此防止由此供电的集成电路的故障。

附图说明

现将参照附图，仅借助于非限制性示例描述本发明，在附图中：

图1已在前文中进行了描述，

图2是表示实施例的框图，以及

图3和4示出了实施例的进一步的细节。

具体实施方式

在下面的描述中，给出了许多特定细节以提供实施例的透彻理解。实施例可以在没有一个或多个这些特定细节的情况下实施，或者可以通过其他方法、部件、材料等实施。在其他情形中，未详细示出或描述公知的结构、材料或操作以避免使实施例的方面模糊。

在本说明书通篇中提到的“一个实施例”或“实施例”意味着结合实施例描述的特定的特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，在本说明书中通篇各处出现的用于“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指的是同一实施例。此外，特定的特征、结构或特性可以以任何适当的方式组合在一个或多个实施例中。

这里提供的标题仅为了方便，而非解释实施例的范围或意义。

下面将参照图2至4描述各种可能的实施例。在这些图中，与已参照图1描述的零件、元件或部件相同或等效的零件、元件或部件由相同的附图标记表示；因此，为了简化，在下文中将不再重复它们的描述。

在图2的一般示图中，通过提供适于检测调光器28何时不导通，即何时切割供电波形的感测元件或检测器30来补充先前已参照图1描述的电路拓扑。

就此而言，将认识到，调光器28不一定是根据本公开的供电设备的一部分。

在各种实施例中，元件30可以包括感测来自调光器28的波形的任何设备，并且由于调光器正在“切割”来自电源M的正弦波形，因此该元件30适于检测该波形何时过零。

在各种实施例中，该设备可以基本上包括所谓的过零检测器(ZCD)。

在各种实施例中，检测器30被布置在输入滤波器18的输出处。然而，该布置不是强制性的，ZCD也可能被布置在另一位置，例如直接布置在调光器28的输出处。

当检测器30检测到对设备的供电的零电平时，其向处理单元24(为了简化，在下文中被简单地称为“微控制器”24)输出信号。

当来自检测器30的信号指示对应于调光器28中断对设备的供电的零电平时，微控制器24通过如下方式进行操作：

-禁止对功率级10的输出，中断来自电源的馈电线路21对该级的供电(即“关断”相关的半桥电路)，

-将假负载32激活到来自整流器20的电压Vbus，以及

-自动地设定到低消耗待机模式。

由于调光器28正在“切割”来自电源M的波形并且在此刻开路，因此在电路自身不接收来自电源的供电的状态中，第一和第三命令/操作旨在使电路的能耗最小。

第二命令/操作旨在使调光器28在通过恢复从电源M向电子变压器的电压供电来使其闭合时，即在调光器28再次变为导通时正确操作。检测器级34感测来自电源M的馈电线路21上的电压Vbus的电平，并且因此能够向微控制器24发送指示该电压已超过预定阈值电平的信号，可以这么说，其表明调光器28已再次“接通”转换器。

假负载32被设计为考虑最小地吸收调光器28引入的功率的需要，以便于避免闪烁和闪光。事实上，当调光器28闭合时，即变为导通并且因此再次将来自电源的电压施加到电路时，电流流过负载32，因此允许调光器适当地操作。同时，检测器级34向微控制器24发送相应的信号，其指示调光器28已恢复向设备供电。

因此，微控制器24通过如下方式进行操作：

-从低吸收待机模式恢复正常操作条件；

-再次使能对驱动器22的输出，即再次使能从来自电源的馈电线路21对功率级10的供电，以及

-使假负载32无效，以便于使电子变压器的效率最大，同时防止负载32在不再需要其存在的状态中保持激活以确保调光器28的操作。

在各种实施例中，即使在高调光水平的情况中，即当使灯处于低亮度状态(低至几乎完全关断)时，级26的输出电压Vcc(尽管后面的级连接到来自电源的馈电线路21)未遭受下降，因此即使对于配备有诸如微控制器24的处理单元的电子变压器，仍允许使用特定的相位切割类型的调光器。

在各种实施例中，例如在高功率变压器的情况中，有可能使用电子变压器来替换操作于50Hz的标准电磁变压器。

在图3和4中示出的实施例中，零电平检测器30包括作为两个分压器操作的两个RC网络，其中上支路(电阻器R1c和R3c)连接到滤波器18的两个输出线路，并且其中下支路(分别与电阻器R2c和电容器C1c并联以及与电阻器R4c和电容器C2c并联)在分压器/滤波器rc的中点和地之间操作，将电容器C1c和C2c的电荷电压转移到两个双极型晶体管Q1c和Q2c(例如npn晶体管)的基极端子。两个晶体管Q1c和Q2c的发射极接地，并且相关的集电极相互连接，向微控制器24提供“过零”信号。两个双极型晶体管Q1c、Q2c由供电电压的线路和中线相位驱动。

在实践中，例如由于电容器C1c和C2c的存在，所述信号不仅指示瞬时过零，而且还表明调光器28的输出在某个时间段(根据调光水平而更长或更短)中保持为零，这是因为调光器28正在“切割”来自电源的波形，因此中断对设备的供电。

附图标记R5表示偏置电阻器，其被置于电压Vcc和晶体管Q1c的集电极之间。

在图3的实施例中，假负载32简单地包括连接在线路Vbus和电子开关之间的电阻器Rb，该电子开关包括例如，MOSFET Mb，该MOSFETMb的棚极由微控制器24驱动。当开关Mb闭合时，电阻器Rb被置于电压Vbus和地之间，并且因此表示相关电压的负载。当开关Mb断开时，电阻器Rb从地断开连接并且是浮动的，因此不表示负载。

在所示出的实施例中，以如下方式设计负载32：微控制器24驱动开关Mb，例如MOSFET N，从而开关在每个过零点处通电，并且一旦调光器28导通并且使能功率级即断电。

因此通过使用电压Vbus作为针对降压转换器的输入电压，转换级26可以被设计为具有“降压”拓扑。

在图3的实施例中，检测器级34被设计为具有基本上类似于分压器的结构，其被置于线路21(电压Vbus)和地之间，该分压器包括第一电阻器R1d和第二电阻器R2d，此外该分压器的下支路包括与电阻器R2d并联连接的齐纳二极管Dz，该齐纳二极管Dz的阴极耦合到分压器的中点并且耦合到微控制器的相应的输入。

级34中的齐纳二极管Dz对高电压值执行“箝位”功能。

相应的分压器的输出跟随线路21(电压Vbus)的状态，从而当线路21上的电压Vbus达到高于使能阈值的“高”电平时，微控制器24离开待机模式，激活功率级并且禁止负载32。

在图4的实施例中，根据已参照图3描述的标准设计检测器30。

对于级34，图4的实施例具有分压器布置，具有先前参照图3描述的齐纳二极管Dz，通过电子开关Md(再一次包括例如MOSFET)的存在对该分压器布置进行补充，该电子开关Md有选择地将配备有齐纳二极管Dz的分压器的输出连接到接地电阻器R3d，该接地电阻器R3d与所关注的开关串联连接，针对微控制器24的连接线路链接到电子开关Md和电阻器R3d之间的中点。

在该实施例中，开关Md的栅极通过分压器连接到电压Vcc，有可能由齐纳二极管对所述栅极电压进行“箝位”。开关Md的源极电压连接到微控制器24，以便于提供用于激活的信号。

由Vs表示的所述源极电压等于Vbus直至电阻器R3d的值比MOSFET Md的电阻Rds_on(即接通状态电阻)高很多，从而满足如下关系：

V_G-V_BUS≥V_TH→V_BUS≥V_G-V_TH

其中V_G是MOSFET Md的栅极电压，V_TH是MOSFET Md的阈值电压。一旦不再满足该条件，则Vs，即MOSFET的源极电压等于V_G-V_TH。这样，较之图3的实施例，提供给微控制器24的信号具有更锐利和更精确的边沿。

在图4的实施例中，假负载32实际上嵌入在级26中，其在该示例中被实现为转换器，具有当前被称为SEPIC(单端初级电感转换器)的拓扑。

SEPIC转换器因此包括二极管260，其阳极耦合到电压Vbus并且其阴极连接到接地电容器262。附图标记264和266表示两个(互感)电感器，它们典型地具有SEPIC拓扑。

具体地，第一电感器264可以被视为包括在第一∏形结构中，其连接到地的侧支路分别由先前描述的电容器262和诸如MOSFET 268的电子开关构成，而电感器264是字母∏的水平支路。

相反，第二电感器266可以被视为与先前的∏形结构级联(电容器270置于它们之间)的另一∏形结构的一部分。第二∏形结构包括第二电感器266和另一电容器272作为连接到地的侧支路或竖直支路，在电容器272的末端施加输出电压Vcc，并且第二∏形结构的水平支路包括二极管274，其阳极连接到电感器266并且其阴极连接到电容器272，并且其阴极因此连接到电压Vcc。

SEPIC转换器另外允许输出电压高于、低于或等于输入电压；事实上，SEPIC转换器的输出由控制开关(图示实施例中的MOSFET 268)的占空周期控制。因此SEPIC转换器类似于传统的降压-升压转换器，除了输入和输出之间的隔离(由串联的电容器270提供)和完全停机的可能之外，具有由于具有非反相输出(输出电压具有与输入电压相同的符号)带来的附加的优点；当开关268关断时，输出是零。

采取这种具有电压调节的SEPIC拓扑允许同时执行用于调光器的假负载的功能。

在正常操作条件下(没有调光)，SEPIC拓扑的输出电压被设置到值Vcc，并且电子开关(MOSFET)268的占空周期根据输入电压的值变化。

当调光器被激活时，微控制器24关断驱动器22并且切换到待机模式。随后由控制回路使SEPIC拓扑的MOSFET维持接通(假设电压Vcc不下降)，从而在电压Vbus和地之间获得了等效网络，其包括串联连接到SEPIC MOSFET的SEPIC拓扑的输入电感器264。这样，基本上由SMPS转换器创建了假负载，不需要提供适于作为假负载操作的分立的和离散的级。

当电压Vbus返回高时，由于调光器已恢复到导通，因此SEPIC级再次开始正常操作，执行其调节电压Vcc的功能。

当然，在不违背本发明的基本原理的情况下，在不偏离如所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，细节和实施例可以相对于已经描述的仅作为示例的内容变化，即使是略微变化。

Claims

1.一种用于光源(L)的供电设备，所述设备包括来自电源(M)的经由相位切割调光器(28)的馈电线路(21)，所述相位切割调光器(28)能够有选择地在导通状态和不导通状态之间切换，以允许或中断从电源(M)对所述设备的馈电，所述设备包括：

-功率级(10)，用于从来自电源(M)的所述馈电线路(21)对至少一个光源(L)馈电，

-用于所述功率级(10)的驱动级(22、24)，以及

-用于所述驱动级(22、24)的供电级(26)，所述供电级(26)连接到来自电源(M)的所述馈电线路(21)，

其特征在于：

-所述设备包括传感器构件(30、34)，用于检测所述调光器(28)何时不导通以及所述调光器(28)何时导通，以及

-所述驱动级(22、24)耦合到所述传感器构件(30、34)以在所述传感器构件(30、34)指示所述调光器(28)不导通时禁止所述功率级(10)的驱动，并且在所述传感器构件(30、34)指示所述调光器(28)导通时使能所述功率级(10)的驱动，

其中所述驱动级(22、24)包括至少一个控制模块(24)，其能够在所述传感器构件(30、34)指示所述调光器(28)不导通时的低功率吸收待机条件和所述传感器构件(30、34)指示所述调光器(28)导通时的所述功率级(10)的操作驱动条件之间切换。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述传感器构件(30、34)包括零电平检测器(30)，其对来自所述调光器(28)的波形敏感，以向所述驱动级(22、24)提供指示所述调光器(28)不导通的信号。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述传感器构件(30、34)包括分压器(34)，其对来自所述调光器(28)的波形敏感，以向所述驱动级(22、24)提供指示所述调光器(28)导通的信号。

4.根据权利要求3所述的设备，包括整流器(20)，其作用于来自所述调光器(28)的波形，并且其中所述分压器(34)对由所述整流器(20)整流的波形(Vbus)敏感。

5.根据权利要求3所述的设备，其中所述分压器(34)包括用于对来自所述分压器(34)的输出电压箝位的齐纳二极管(Dz)。

6.根据权利要求3所述的设备，其中所述分压器(34)耦合到电子输出开关(Md)，所述电子输出开关(Md)由所述分压器驱动以向所述驱动级(22、24)提供指示所述调光器(28)导通的信号。

7.根据权利要求1或2所述的设备，包括假负载(32)，当所述传感器构件(30、34)指示所述调光器(28)不导通时以及当所述传感器构件(30、34)指示所述调光器(28)导通时，所述假负载(32)优选地经由所述驱动级(22、24)相对于所述调光器(28)的输出有选择地(Mb)分别被耦合和解耦。

8.根据权利要求1或2所述的设备，其中用于所述驱动级(22、24)的所述供电级(26)是降压转换器。

9.根据权利要求7所述的设备，其中用于所述驱动级(22、24)的所述供电级(26)是SEPIC转换器，其具有置于所述SEPIC转换器的两个电感器(264、266)之间的单独的电子开关(268)，所述单独的电子开关适于在所述传感器构件(30、34)指示所述调光器(28)不导通时通过将所述SEPIC转换器中的第一电感器(264)连接到地来导通，由此实现所述假负载。

10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制模块(24)是处理单元。

11.根据权利要求10所述的设备，其中所述处理单元是数字微控制器。

12.一种操作用于光源(L)的供电设备的方法，所述供电设备包括：

-功率级(10)，用于对至少一个光源(L)馈电，

-用于所述功率级(10)的驱动级(22、24)，以及

-用于所述驱动级(22、24)的供电级(26)，

所述方法包括通过允许或中断从电源(M)对所述设备的馈电进行的相位切割调光操作(28)，其特征在于其包括：

-检测(30、34)何时中断或允许所述馈电，

-当检测(30、34)到所述馈电的中断时禁止所述功率级(10)的驱动并且当检测(30、34)到允许所述馈电时使能所述功率级(10)的驱动，

其中，所述驱动级(22、24)包括至少一个控制模块(24)，并且所述方法还包括：

所述控制模块(24)在检测(30、34)到所述馈电的中断时的低功率吸收待机条件和在检测(30、34)到允许所述馈电时的所述功率级(10)的操作驱动条件之间切换。