CN102595674A - 一种用于冷光片的驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于冷光片的驱动装置，其连接在交流电与待驱动的冷光片之间，用于将交流电电压转换为冷光片的驱动电压，所述驱动装置包括：连接到交流电的整流单元；连接到整流单元的输出端的逆变单元；连接到逆变单元的输出端的滤波单元，滤波单元的输出端连接到冷光片，滤波单元包括互相连接的电容单元和电感单元；不考虑冷光片的内阻时，冷光片两端的驱动电压V_EL为：

其中，L为电感单元的总等效电感值，C为电容单元的总等效电容值，C_EL为冷光片的等效电容值，V_IN为逆变单元输出的基波电压值，ω为逆变单元输出的角频率。本发明的驱动装置能够减缓冷光片使用时亮度减弱的趋势，且具有较小的体积和重量，和较高的可靠性和有用功效率。

Description

一种用于冷光片的驱动装置

技术领域

本发明概括地涉及一种驱动装置，特别涉及一种用于冷光片的驱动装置。

背景技术

电致发光(EL，F1ectro Luminescent)是一种简单可靠的发光方式，已有六十年的历史，但因涉及较复杂的固态化学与材料应用，因此其发展一直受到限制。近年来固态化学材料技术日趋成熟，也使得电致发光技术得到了进一步的发展和应用。

电致发光是通过在发光材料两端电极上施加交流电压而产生的交变电场来引发该发光材料内的荧光物质发生电子能级的跳跃、变化、复合而发射出冷光的物理现象。电致发光片，就是利用该原理而制成的，其具有功耗低、光线柔和、无紫外线、颜色多样、寿命长、不产生热量等各种突出优点，一般称为冷光片。冷光片不同于传统的点发光或线发光机体，其是一种均匀整体的面发光机体，不会对视觉造成刺激或伤害，并且本身富有弹性、具有很高的发光强度及效率，其质地轻薄柔软、不占空间、安装简易，能够被裁切成为具有任意复杂外形的光源，能够极大地提高工程安装的效率。

冷光片是经由一配套设计的变压变频器(Inverter)来驱动的，其工作电压和频率是6V-220V/50Hz-4000Hz，其典型的工作电压和频率是20V-240V/400Hz-4000Hz，最佳工作电压和频率是60V-110V/400Hz-1200Hz，不同范围的电压或频率会改变电致发光的亮度或颜色。冷光片的使用寿命一般为12000-28000小时(亮度80cd/m²)，当经过一段长时间的使用后，其亮度会逐渐递减，在这种情况下虽然理论上还可以使用2000-3000小时，但具体可使用时间受到其逐渐降低的亮度的限制。影响其寿命的重要原因是材料、电压、频率、温度和湿度。

可通过使用不同的电致发光材料，比如硫化锌，硫化钙或硫化锶，再掺杂其他成分例如镁、钐、铕或添加荧光染色剂等，来调整冷光的亮度和颜色。改变激励频率同样能引起光的颜色变化，当频率增加时颜色向偏蓝的方向变化，而当频率减小时颜色会向偏绿的方向变化。冷光片的原始颜色是指激励电压为110V/400Hz时的发光颜色。

电致发光背光系统由冷光片和电致发光驱动器组成。冷光片一般小于0.2毫米，通过在绝缘基底上喷涂场效电致发光材料并夹置于两层电极之间而形成。相对于LED背光系统，电致发光背光系统的优势在于低功耗，其需要的仅仅是高电压，负载所需的电流非常小，大概范围是0.03-1mA/cm²。一般来说，在冷光片的面积小于十平方厘米时，工作电流在几个毫安左右，然而仅驱动一个LED就需要5-10mA的电流。

需要指出的是，驱动电压所引入的直流分量会大幅减少冷光片的寿命，某些电致发光驱动器采用一端接冷光片、一端接地的驱动方式是极不可取的，因为这不仅向冷光片引入了直流分量，而且对系统的地线引进了更多的干扰信号。

根据制作工艺的不同，冷光片通常采用110V电压或220V电压进行驱动，其中采用220V电压驱动的冷光片相当于串联的两个采用110V电压驱动的冷光片。同时由于用于冷光片的驱动装置输入端的交流电一般为110V和220V两种，因此用于冷光片的驱动装置通常包括四种，即，将220V的交流电整流为提供给冷光片的220V电压的驱动装置、将220V的交流电整流并降压为提供给冷光片的110V电压的驱动装置、将110V的交流电整流为提供给冷光片的110V电压的驱动装置，以及将110V的交流电倍压整流为提供给冷光片的220V电压的驱动装置。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下技术问题：

1、对应于不同的交流电电压和具有不同的驱动电压的冷光片，需要对应使用不同的驱动装置，这不但增加了成本，也给使用者带来了不便；

2、现有的冷光片驱动装置通常无法对冷光片的发光亮度逐渐递减的趋势进行抑制；

3、在采用将220V的交流电转换为提供给冷光片的110V电压的方案时，现有技术中基本上采用变压器对交流电进行降压处理或者采用开关电源技术进行降压，这些方式将损耗大量功率并且产生大量热能，并且变压器的制造成本非常高且重量和体积都很大，致使提高了采用变压器进行降压的冷光片驱动装置的成本、重量和体积。

发明内容

如前文所述，当经过一段时间的使用后，冷光片的亮度会逐渐递减，这时如果为冷光片提供的驱动电压和频率能够随着使用时间的递增而自动得到提升，则可望抑制冷光片亮度递减的趋势。

本发明的目的在于提供这样一种用于冷光片的适用于多种交流电和冷光片驱动电压参数的驱动装置，其能够对应于冷光片随着使用时间的增加而逐渐减少的等效电容值而自动提升为冷光片提供的驱动电压和/或频率，从而抑制冷光片发光亮度递减的趋势。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于冷光片的驱动装置，其连接在交流电与待驱动的冷光片之间，用于将交流电电压转换为冷光片的驱动电压，该驱动装置包括：连接到所述交流电的整流单元；连接到所述整流单元的输出端的逆变单元；连接到所述逆变单元的输出端的滤波单元，所述滤波单元的输出端连接到所述冷光片，所述滤波单元包括互相连接的电容单元和电感单元；

不考虑冷光片的内阻时，所述冷光片两端的驱动电压V_EL为：其中，L为所述电感单元的总等效电感值，C为所述电容单元的总等效电容值，C_EL为所述冷光片的等效电容值，V_IN为所述逆变单元输出的基波电压值，ω为所述逆变单元输出的角频率。

作为优选，所述电感单元包括一个电感或者包括多个串联的电感。

作为优选，所述电容单元包括一个电容，或者包括多条并联的电容支路，每个电容支路包括互相串联的开关和电容。

作为优选，所述滤波单元还包括与电容单元并联的开关，该开关是可插拔的。

作为优选，C与C_EL可大致相等，或者根据要求经上述公式计算得到C的值。

作为优选，所述电容采用无极性聚丙烯电容实现。

作为优选，所述整流单元包括：桥接的二极管D1、D2、D3和D4，所述二极管D1和D2之间的第一节点N1与所述二极管D3和D4之间的第三节点N3作为整流单元输入端连接到交流电，所述二极管D1和D4之间的第四节点N4与所述二极管D2和D3之间的第二节点N2作为整流单元输出端连接到所述逆变单元的输入端；串联的第一电容CC1和第二电容CC2，其连接在所述整流单元输出端；以及开关，其一端连接至所述第三节点N3，其另一端连接至处于所述第一电容CC1和第二电容CC2之间的第五节点N5。

作为优选，所述逆变单元设置为每隔预定时间提高其输出频率。

作为优选，所述逆变单元设置为通过改换不同频率的外接晶体振荡器而输出不同区间的驱动频率。

作为优选，所述逆变单元采用型号为HTB1412的单极性纯正弦波逆变芯片。

本发明的驱动装置通过电容单元降压而降低了成本，并且缩小了体积和重量，提高了可靠性和有用功效率。对于面积为2m²的冷光片，采用变压器降压的冷光片驱动装置的重量为4kg，而本发明的驱动装置的重量不足1kg。同时，电容单元的设置能够减缓冷光片在使用中亮度减弱的趋势。此外，通过同一个装置实现了能够使用于多种交流电/驱动电压，从而通过本发明的驱动装置实现了制造上以及使用上的极大的便利。

附图说明

图1为本发明的用于冷光片的驱动装置的示意性电路结构图；

图2为图1中的滤波单元的一个实施例的电路结构图；

图3为图1中的滤波单元的另一个实施例的电路结构图；

图4为图1中的滤波单元的又一个实施例的电路结构图；

图5a至5d为采用图4所示电路结构实现的分别对应于面积为2m²、1m²、0.5m²和0.25m²的冷光片的四种具体电路图；

图6为在图4所示的滤波单元中的电容单元上并联有开关的电路图；

图7为图1中的整流单元的一个实施例的电路图；

图8为图1中的逆变单元的控制芯片的一个实施例的管脚示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的用于冷光片的驱动装置的具体实施方式进行详细说明。

图1为本发明的用于冷光片的驱动装置的示意性电路结构图。如图1所示，本发明的用于冷光片的驱动装置包括连接到交流电的整流单元，连接到整流单元的输出端的逆变单元，连接到逆变单元的输出端的滤波单元，滤波单元的输出端连接到冷光片。图2为图1中的滤波单元的一个实施例的电路结构图。如图所示，滤波单元包括互相连接的电容单元和电感单元，其中电感单元由一个电感值为L的电感实现，电容单元由一个电容值为C的电容实现，且电感单元、电容单元与冷光片互相串联。滤波单元的输入端所输入的电压V_IN为逆变单元输出的基波电压值。

图3为图1中的滤波单元的另一个实施例的电路结构图。当滤波单元中的工作电流较大时，可采用如图3所示的电路结构，其中滤波单元包括互相连接的电容单元和电感单元，电感单元由两个电感值分别为L/2的电感实现，电容单元仍由一个电容值为C的电容实现。滤波单元的输入端所输入的电压V_IN为逆变单元输出的基波电压值。

如图2或3所示的冷光片的等效电容为C_EL，根据电路结构可知，在不考虑冷光片的内阻时，冷光片两端的驱动电压V_EL为：

$V_{\mathrm{EL}}=\frac{{\mathrm{CV}}_{\mathrm{IN}}}{C+C_{\mathrm{EL}}(1-{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{LC})},---\left(1\right)$

其中ω为逆变单元输出的角频率，ω＝2πf，f为逆变单元的输出频率，也就是冷光片的驱动频率。

本发明不考虑冷光片的内阻是因为，冷光片的等效串联内阻R是个动态变量，不易对其进行测量。并且，实验证明采用上述公式(1)计算得到的电压V_EL的理论值与实际测量到的电压V_EL之间的误差仅为5％左右，该误差不影响本发明的驱动装置的使用效果。此外，还可以通过对上述公式(1)中的其他变量进行适当调整来减少误差，以满足实际工程应用的需要。

事实上，当考虑冷光片的等效串联内阻R时，冷光片两端的电压V_EL为：

$V_{\mathrm{EL}}=\frac{{\mathrm{CV}}_{\mathrm{IN}}}{C+C_{\mathrm{EL}}(1-{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{LC})/\sqrt{1+{\left({\mathrm{R\ωC}}_{\mathrm{EL}}\right)}^2}},---\left(2\right)$

这时当将上述公式(2)中的电阻R忽略不计，公式(2)即可转换为公式(1)。

根据前述内容可知，冷光片的亮度取决于施加于其两端的电压和驱动频率。由于冷光片是电容性产品，其等效电容会随着工作时间的增加而逐渐下降，亮度也会越来越弱。而通过上述电路结构的电压公式可知，随着C_EL的逐渐减小(其他量值不变)，冷光片两端的驱动电压V_EL会自动逐渐提升，可见，通过具有上述结构的滤波单元，本发明的驱动装置能够有效地自动提升冷光片两端的电压，减缓了其亮度变弱的趋势。

当滤波单元中连接有上述电容单元，在交流电输入驱动装置时，如果装置前端部分具有升压的功率因数校正(PFC)电路，则只需适当调小后端部分中的电容单元的等效电容C，即可满足冷光片典型的110V驱动电压。

此外，由于上述电容单元的存在，还能够避免因逆变单元输出端短路或冷光片故障短路而造成驱动装置的损坏。

为了减小电容损耗以降低成本，作为优选，上述滤波单元所包含的电容单元采用无极性聚丙烯(CBB)电容来实现。

作为优选，上述滤波单元还可以采用如图4所示的电路结构，其中电容单元包括多条电容支路，每个电容支路包括互相串联的开关K1-Kn和电容C1-Cn，电容单元的等效电容为C。采用图4所示的电路结构，可通过各个开关不同的开闭组合方式实现电容单元等效电容的改变，以适应来自不同供应商的不同面积的冷光片的要求。

目前，市售的冷光片的等效电容一般为2μF-8μF/m²，驱动频率一般为400Hz-1200Hz，驱动电压一般为50V-200V(典型值为110V)，下面结合附图5a至5d对使用图4所示的滤波单元的驱动装置(本实施例中使用的是适用于2m²的冷光片的驱动装置)来驱动四种不同面积的冷光片的四种具体电路图进行说明。这里所选定的驱动频率f为800Hz，等效电感值L为0.5mH，冷光片的等效电容值C_EL为4μF/m²。此外，设定逆变单元输出的基波电压值V_IN为220V，如图5a至5d所示，对应于四种不同的冷光片面积和出厂时的等效电容，所串联的电容单元中的各个开关K1至K4具有四种开闭组合。对应于图5a至5d所实现的冷光片的面积S、出厂时的初始等效电容C_EL、串联的电容单元等效电容C与冷光片下降后的等效电容、两端的驱动电压V_EL之间的变化关系见下表：

从上表中可以看出，本发明的驱动装置中的上述电容单元能够起到降压单元的作用，同时也可看到，随着冷光片亮度的减弱，即随着C_EL的减小，冷光片两端的电压会自动得到提升，从而减缓了冷光片发光亮度减弱的趋势。另外，当本发明的驱动装置用于驱动电压为220V的冷光片时，可在上述电容单元上并联一个开关Ks，闭合该开关来旁路该电容单元，如图6所示。此时，冷光片两端的驱动电压V_EL为：另外，当交流电为110V，驱动电压也为110V时，也可采用在电容单元上并联开关Ks的该电路结构，使得滤波单元内不包括该电容单元。这样的有益效果在于，选择逆变单元内的逆变功率管时对耐压值的要求可降低一半，导通电阻相应地减小了，从而降低了成本，且提高了效率。

输入本发明的驱动装置的交流电可以是交流市电，也可以是由DC/DC变换的直流电压转换得到的交流电。当交流电来自直流供电时，把该直流电压升压到150V-160V时，再输入本发明的驱动装置进行倍压整流逆变或者全桥整流逆变，并且此时可将如图6所示的与上述电容单元并联的开关Ks相应地断开或闭合。

作为优选，如图6所示的上述与电容单元并联的开关Ks可以是可插拔的，从而便于操作。

在使用旁路了电容单元的电路结构时，可采用下文所述的以HTB1412单极性纯正弦波逆变芯片为控制芯片而实现的逆变单元，每隔预定时间就自动提升逆变单元的输出频率来减缓冷光片的亮度越来越弱的趋势。

冷光片典型的驱动电压为110V，为了适应两种交流电(220V和110V)供电方式，可采用图7所示电路结构的整流单元。

图7为图1的驱动装置中的整流单元的一个实施例的电路图。如图所示，在本实施例中，整流单元包括桥接的二极管D1、D2、D3和D4，二极管D1和D2之间的第一节点N1与二极管D3和D4之间的第三节点N3作为整流单元输入端连接到交流电，二极管D1和D4之间的第四节点N4与二极管D2和D3之间的第二节点N2作为整流单元输出端连接到逆变单元的输入端。整流单元还包括并联在输出端的互相串联的第一电容CC1和第二电容CC2，以及开关K，该开关一端连接至桥接二极管的第三节点N3，另一端连接至处于第一电容CC1和第二电容CC2之间的第五节点N5。

当输入的交流电为220V时，图7中的开关K断开，驱动装置进行全桥整流逆变；当输入的交流电为110V时，图7中的开关K闭合，驱动装置进行全桥倍压整流逆变。

当采用图7所示电路的整流单元时，当逆变单元直流母线电压利用率约为1时，为了使冷光片的驱动电压约为典型的110V时，可将电容单元的等效电容C设置为大致等于冷光片的等效电容CEL。

前文提到，对于旁路了电容单元的驱动装置，可通过改变驱动频率来减缓冷光片亮度变弱的趋势。这里，本发明实施例采用的是如图8所示的泓芯泰业科技(北京)有限公司设计并定型生产的HTB1412单极性纯正弦波逆变芯片，其各个管脚的定义如下：

P4：输入低电平时，处于常亮状态；输入高电平时，处于闪烁状态；

P5、P6：输入双低电平时，每200小时跳变一次频率；输入一低一高电平时，每500小时跳变一次频率；输入一高一低电平时，每1000小时跳变一次频率；输入双高电平时，P12管脚选定的频率不跳变；

P7-P10：输出PWM信号以分别控制四个全桥逆变功率管；

P11：故障控制输入信号，低电平时有效，关断P7-P10的PWM信号输出；

P12：压控频率选择，根据输入电压电平的不同，选择400Hz-1200Hz之间的不同频率；

P13：故障输出指示，有故障时输出高电平，正常工作时间输出低电平。

本实施例中的HTB1412单极性纯正弦波逆变芯片能够根据需要而输出多个不同的频率，其可选频率可包括400Hz，500Hz，600Hz，700Hz，800Hz，850Hz，900Hz，950Hz，1000Hz，1025Hz，1050Hz，1075Hz，1100Hz，1125Hz，1150Hz，1175Hz和1200Hz。上述输出的所有频率的载波频率都大于20KHz，采用HTB1412作为逆变单元控制芯片的冷光片驱动装置可以完全处于静音状态。

在外接晶体振动频率为20MHz，该芯片输出的正弦波频率在400Hz至1200Hz范围内，当外接晶体振动频率为10MHz，该芯片输出的正弦波频率在200Hz至600Hz范围内，因此可通过换用不同的外接晶振来使驱动装置输出不同区间的驱动频率。

虽然上述实施例中以旁路了电容单元的驱动装置为例，但本发明并不限于该实施例。对于驱动电压为110V的冷光片，本发明的驱动装置也可同时具有上述电容单元和上述定时跳变频率的逆变单元，使用时只需要根据不同供应商所提供的冷光片的亮度衰减的速率而适当地选择频率跳变的时间间隔，该实施例可进一步减缓冷光片工作时亮度变弱的趋势。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由附加的权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于冷光片的驱动装置，其连接在交流电与待驱动的冷光片之间，用于将交流电电压转换为提供给冷光片的驱动电压，其特征在于，所述驱动装置包括：

连接到所述交流电的整流单元；

连接到所述整流单元的输出端的逆变单元；

连接到所述逆变单元的输出端的滤波单元，所述滤波单元的输出端连接到所述冷光片，所述滤波单元包括互相连接的电容单元和电感单元；

不考虑冷光片的内阻时，所述冷光片两端的驱动电压V_EL为：

其中，L为所述电感单元的总等效电感值，C为所述电容单元的总等效电容值，C_EL为所述冷光片的等效电容值，V_IN为所述逆变单元输出的基波电压值，ω为所述逆变单元输出的角频率。

2.如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述电感单元包括一个电感或者包括多个串联的电感。

3.如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述电容单元包括一个电容，或者包括多条并联的电容支路，每个电容支路包括互相串联的开关和电容。

4.如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述滤波单元还包括与电容单元并联的开关。

5.如权利要求4所述的驱动装置，其特征在于，所述开关是能插拔的。

6.如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，C与C_EL大致相等。

7.如权利要求3所述的驱动装置，其特征在于，所述电容采用无极性聚丙烯电容实现。

8.如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述整流单元包括：

桥接的二极管D1、D2、D3和D4，所述二极管D1和D2之间的第一节点N1与所述二极管D3和D4之间的第三节点N3作为整流单元输入端连接到所述交流电，所述二极管D1和D4之间的第四节点N4与所述二极管D2和D3之间的第二节点N2作为整流单元输出端连接到所述逆变单元的输入端；

串联的第一电容CC1和第二电容CC2，其连接在所述整流单元输出端；以及

开关，其一端连接至所述第三节点N3，其另一端连接至处于所述第一电容CC1和第二电容CC2之间的第五节点N5。

9.如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述逆变单元设置为每隔预定时间提高其输出频率。

10.如权利要求8所述的驱动装置，其特征在于，所述逆变单元采用型号为HTB1412的单极性纯正弦波逆变芯片作为控制芯片。

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