CN102958249A - 一种应用电子式变压器于驱动高效能灯具的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种应用电子式变压器于驱动高效能灯具的方法及装置，特别适用于传统卤素灯座上取代卤素灯泡。该方法包括将参考讯号与来自交流电源的交流电压进行同步，及以预设工作周期来驱动负载。因此，即便一个高效能负载所需的平均输出功率低于电子式变压器最小负载需求，仍可以让电子式变压器正常运作。

Description

一种应用电子式变压器于驱动高效能灯具的方法及装置

技术领域

本申请属于照明应用领域，具体地说，涉及一种应用电子式变压器于驱动高效能灯具的方法及装置。

背景技术

近年来，低电压卤素灯管已经普遍被应用于替代白炽灯，特别是在装饰的应用上，然而，在发光效率上，低电压卤素灯管比传统白炽灯具有更佳的效率，但是仍无法达到与诸如白光发光二极管(white light emittingdiodes，WLEDs)或冷阴极荧光灯管(cold cathode fluorescent lamps(CCFLs)这类新世代照明装置一样的效果。卤素灯管会产生高热并且在设置时需要和易燃材质保持一适当距离以避免在使用时造成危险。

此外，卤素灯管的供电系统需使用低电压交流电(或直流电)(通常电压需控制在12至24伏之间)。一般来说，交流电源经过降压变压器(step-downtransformer)处理后可以供给卤素灯管需要的低电压，这类的降压变压器的设计通常用于50-60赫兹(Hz)的电源，但是却十分的的巨大且沉重，此外，虽然这种变压器十分简单和稳定，但是制造时却需要使用大量的金属材料，例如铜和铁。

请参见图1所示，图1是说明一种应用于卤素灯管的传统电子式变压器。为了要节省制造材料和成本，现行经常使用一种已知的电子式变压器(e-transformer)来替代50-60赫兹的变压器。这种电子式变压器使用一种自我共振电路(self oscillating resonant circuit)来产生一个20-40赫兹的交流电讯号，而在这种高频状态下，一降压变压器的体积可以比一运作于50-60赫兹的传统式变压器的体积更小数倍，因此电子式变压器的体积和整体费用都会比50-60赫兹的传统式变压器更小和节省费用。

目前全世界对于节约能源的迫切需要，使得工程师们皆致力寻找更为经济的方法以达成替换卤素灯管的目的，其中使用降压变压器便是一种方法。举例来说，替换卤素灯管应该不会比移除旧式卤素灯泡在换上一个合适的白光发光二极管灯泡更为困难，因为了解卤素灯管并无法提供甚么特别的效能，因此也引发了一股利用相同体积白光发光二极管灯管替换卤素灯管的潮流。在最理想的状态下，一个发光功率为50瓦的卤素灯管可以被一个发光功率低于10瓦的白光发光二极管灯管取代，并且产生等量的亮度，因此被认为具有极大的节能潜能。

然而，白光发光二极管替换策略上的问题在于使用于卤素照明装置的电子式变压器要达到适当的操作条件具有一最小负载大于10瓦的限制，因为大多数的白光发光二极管附载的功率是小于10瓦，所以这些电子式变压器并无法适当的在白光发光二极管灯管上进行操作。因为这个问题，有些国家的电子式变压器是设置于墙壁之后或是隐藏于不易为人所触及之处，所以，这个问题会增加替换高效能照明灯具所需的花费，往往也是超出人们所欲给付的费用。

有鉴于此，即需要开发出一个方法以提供一种装置，使得一电子式变压器在低功率程度的条件下，具有足以驱动高效能照明装置的能力，也可以将现行的旧式卤素灯管，由其它高效能灯管所替换。

发明内容

有鉴于此，本申请所要解决的技术问题是提供了一种应用电子式变压器于驱动高效能灯具的方法及装置，即便一个高效能负载所需的平均输出功率低于电子式变压器最小负载需求，仍可以让电子式变压器正常运作，并将高效能负载的灯具于传统卤素灯座上取代卤素灯泡。

为了解决上述技术问题，本申请公开了一种应用电子式变压器于驱动高效能灯具的方法，包括将参考讯号与来自交流电源的交流电压进行同步，及以预设工作周期来驱动负载。

所述预设工作周期具有一关系：

及N×(所需的功率输出值)>最小负载需求，其中N为正值实数。

所述将一参考讯号与一来自一交流电源的交流电压进行同步的步骤，包括：将一脉冲讯号进行整流以产生一合成讯号；及将所述参考讯号与所述合成讯号同步。

所述以一预设工作周期来驱动一负载的步骤，包括：在所述电子变压器开启前驱动所述负载；及根据所述预设工作周期选择性地开启或关闭所述负载。

所述以一预设工作周期来驱动一负载的步骤，包括：产生一遮蔽讯号以限制在每个周期的一段时间内接收所述合成讯号。

本申请还公开了一种应用电子式变压器于驱动高效能灯具的装置，包括一驱动器、一负载、一整流模块与一控制器。所述负载是连接该驱动器。所述整流模块包括一整流电桥与二整流二极管，所述整流电桥用于提供一整流电源通过所述驱动器驱动该负载，所述二整流二极管连结所述电子变压器的两输出端，用以整流由所述电子式变压器输出形成一合成讯号。一控制器，是连结于所述整流二极管与所述驱动器之间，用以接收并根据所述合成讯号输出一控制讯号，令所述负载以一预设工作周期通过所述驱动器进行驱动。

所述控制器由一锁相回路单元及一逻辑电路所组成。

所述的装置，另包括：一遮挡模块，连接于所述控制器与所述二整流二极管间，用以让所述锁相回路单元忽略所述合成讯号。

所述的装置，另包括：一仿真负载模块，连接于所述控制器和所述负载间，并于所述锁相回路单元于相位锁定前，开启一仿真负载一段时间。

于所述负载根据所述预设工作周期下被关闭时，所述仿真负载用以确保所述电子式变压器的运作。

所述负载为一白光发光二极管灯管或一冷阴极荧光灯管。

当然，实施本申请的任一产品必不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是为一种应用于卤素灯管的传统电子变压器；

图2是本申请应用电子式变压器于驱动高效能灯具的方法的一实施例的流程图；

图3是本申请说明交流电压、电子变压器输出电压和参考讯号的波形图；

图4A是图2中步骤S10的流程图；

图4B是图2中步骤S20的流程图；

图5是本申请应用电子式变压器于驱动高效能灯具的装置的一实施例的示意图。

具体实施方式

以下将配合图式及实施例来详细说明本申请的实施方式，藉此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

请参考图2和图3所示，图2为本申请应用电子式变压器于驱动高效能灯具的一实施例的方法流程图。在本实施例中，高性能灯具是指一白光发光二极管灯管，然而其它照明装置，例如一冷阴极荧光灯管(CCFL，cold cathodefluorescent lamps)亦可应用于本申请。

如图2所示，应用电子式变压器于驱动高效能灯具的方法包括：

步骤S10将一参考讯号与一来自交流电源的交流电压进行同步；及

步骤S20以一预设工作周期来驱动一负载。

其中，该预设工作周期根据电子式变压器的最小负载需求和负载（即白光发光二极管灯管）的输出功率进行对应的设定。举例来说，当电子式变压器的最小负载需求为10瓦特(W)而白光发光二极管灯管的输出电压为9W时，一般状况下，9W的输出电压并不足以提供维持电子式变压器运作所需的最小功率。

但在本实施例中，本申请所揭露的方法则以50%工作周期的设定让白光发光二极管灯管在18W的电压下驱动，也就是说，当白光发光二极管灯管提供18W负载给电子式变压器时，因为是50%工作周期，使得白光发光二极管灯管(负载)平均的输出电压仍会保持在9W，藉此可以使得电子变压器可以在最低负载需求为10W时保持正常的运作。因此，改变持续供给9W最适输出电压的传统思维，改以在50%的工作周期时驱动白光发光二极管，使其得以在18W的功率的下运作，让电子变压器得以正常运作。

于一实施例，预设工作周期可以下列关是式表示：

和

N×(所需的功率输出值)>最小负载需求,N为正值实数。

再举另外一个例子，假设一负载的功率输出值为3.5W而电子变压器的最小负载需求为15W时，根据上述关系式，设定N值为5，令负载于17.5W输出功率的环境下工作，也就是说，灯管提供17.5W功率的功率至负载及电子式变压器，但负载的平均输出功率仍维持3.5W。

然而，增加输出功率会使得负载电流增加，但即便如此，本申请也无需增加白光发光二极管灯管的功率消散能力(power dissipationcapability)，简单来说，有许多白光发光二极管在使用上并不是以电流为限制因素，反而是受限于发光二极管可以散发的最大热量，因为白光发光二极管是点光源和点热源，因此众所周知白光发光二极管的缺点在于散热能力，这也是导致白光发光二极管使用寿命降低的主因，尤其在设计不良的灯管上更是明显。

但是，由于本申请所揭露的方法，让白光发光二极管灯管(负载)只有在部份的时间内开启(例如20%或50%工作周期)，也就是(以上述实施例为例)，本申请的白光发光二极管灯管的总功率消耗只有一般连续白光发光二极管灯管导通的20-50%。

除了上述提及的问题外，白光发光二极管灯管的开关切换频率也必须在大于200赫兹的状态下，以避免产生对健康方面的闪烁危害。

此外，拍频现象(frequency beating phenomenon)，指在不同灯管中出现输出频率的不一致，而产生使用者感知的频率闪烁，特别是当频率的差异很小，约为数个赫兹时更容易被感知。即便两个具有相同的结构设计和电路控制的灯管(也就是说使用相同的频率做为操作频率)，但是可能会因为制程或操作上的变异而造成灯管于驱动上的些微的频率差异。举例来说，当一个灯管的操作频率为200赫兹时，但另一个相同类型的灯管操作频率却为203赫兹时，这样两个灯管的操作频率差异值便是3赫兹，这样3赫兹(<120Hz)的频率差异会造成视觉上可以感受到的闪烁现象，并会使人感受到不适感。因此，有许多对于这个课题的研究会建议灯管开关切换频率至少要170赫兹或更高。

当同一个视野下有越多的灯管时，拍频现象也会更加严重。因此通过本申请所揭露的步骤S10，将参考讯号与交流电源的交流电压进行同步，便可以使所有使用这个方法的装置都使用同样的参考频率，藉此解决不同灯管间的拍频现象，而步骤S10可以通过利用锁相回路(phase-locked loop，PLL)的手段达到与交流电压同步的效果。

然而，最理想的情况，在于将本申请所揭露的方法直接来对交流电源的讯号(交流电压)进行同步。但是不幸的是，对于意图以白光发光二极管替换卤素灯管传统使用电子式变压器的灯具时，直接连接至交流电压是不被允许和/或花费昂贵的。商业上的考虑更是希望使得直接对电子式变压器的输出进行同步，但是，电子变压器的输出电压其频率高于20-40千赫，而与一般交流电压的50或60赫兹有很明显的差异。

请参考图2、3及4A所示，图3是说明交流电压、电子式变压器输出电压和参考讯号的波形示意图。如同图3和图4A所示，电子式变压器产生的电压输出频率以脉冲讯号(bursts)32的方式呈现并且对应于交流电压30。

于一实施例，上述步骤S10更包括：

步骤S110将一脉冲讯号32进行整流以产生一合成讯号31；以及

步骤S120将该参考讯号33与该合成讯号31同步。

也就是说，该参考讯号33是由合成讯号31衍生而来，故可作为后续控制讯号的时间基准参考，进一步的则描述于后。重点在于因为时间基准参考讯号33来自合成讯号31，而合成讯号31对应于电子变压器的输出讯号(脉冲讯号32)，又脉冲讯号32对应于交流电压30，所以可以认定参考讯号33间接同步于交流电压30。

图5为本申请驱动高效率安定器灯管的装置的电路图，在本实施例中，本申请的装置应用上述的方法，并连接于电子式变压器10的输出端(也就是二要端(Secondary Side)，该装置是包括有一整流模块40，一控制器42，一驱动器(driver)44和一负载46。于本实施例中，负载46是一白光发光二极管灯管。整流模块40包括有一整流电桥400和一对并联的整流二极管402，整流电桥400是用于提供一整流电源给驱动器44以驱动白光发光二极管灯管，平行的整流二极管402则连结电子变压器10的两个输出端，并且用于整流由电子式变压器10输出讯号形成合成讯号。

控制器42是连接在两平行整流二极管402的阴极和驱动器44之间，控制器42可以接受合成讯号以产生一控制讯号，此控制讯号是可以通过驱动器44在一预设工作周期(步骤S20)驱动负载46。于本实施例中，控制器42包括了一锁相回路单元420和一逻辑电路422(例如数字(digitaldivision))。锁相回路单元420用于同步作为时间基准的参考讯号33，而逻辑电路422则提供锁相回路回馈电路较高的同步频率。然而，锁相回路单元420与逻辑电路422的电路设计为本案技艺人士所知悉，细部电路于此不再加以累述。

当锁相回路单元420的参考讯号33与合成讯号锁相(phase lock)时，该控制器42只会让驱动器44在一适当时间驱动负载46以进行工作周期的运作(图2所示的步骤S20)，且每一次负载46开启的功率足以让电子式变压器10正常的运作。如同图3所示，当负载46关闭的时候，电子式变压器10并不会传送功率至负载46端。

另外，控制器42会在交流电压高到足以启动电子变压器10前的一时点(请参见图3的讯号35)通过驱动器44启动负载46，如此作为可以确保负载46可以在电子式变压器10开始运作得当下被开启。

此外，控制器42另会发出一遮蔽讯号(blanking signal)，让锁相回路单元420忽略在特定时点时两平行并联的整流二极管402所产生的合成讯号，而使得当负载46在被电子式变压器10启动后再度被开启的时间内，锁相回路单元420会忽略超出的同步边界(请参见图3的讯号边界502)，也就是说，此锁相回路单元420只有在输入交流电压和电子变电器所产生的相位信息(phase information)进行同步处理，而非将锁相回路单元420自身所形成的相位信息进行同步，倘若如此，锁相回路单元420将会出现讯号与自身同步的状态。

在图3和图5所示的实施例中，应用电子式变压器于驱动高效能灯具的装置更包括有一遮挡模块(blanking module)50。遮挡模块50会使得锁相回路单元420在每一个工作周期的开始时的初次开启时间后一段时间忽略由合成讯号31所提供的同步信息。举例来说，图3所示的遮蔽讯号501的波形显示遮蔽讯号501会让参考讯号33的电压保持在较高的状态，进而防止在时点502时产生讯号33由低至高的相位变化。

假若没有前述遮蔽的作动，参考讯号33会在时点503处降下(OFF)，并在时点502处再度上升(ON)，反而会造成锁相回路单元420对错误的参考讯号33产生同步。在本实施例中，遮蔽讯号501会在45度至135度处形成，令在平行并联的整流二极管产生的合成讯号31的90度(时点502)处，参考讯号33产生由低至高的相位变化并不会发生，让锁相回路420会如同预期般的操作。其中，图3所示的波形实施例是发生在50%工作周期的状态下。

综上所述，在图4B中，本申请的方法于步骤20更包括：

步骤S210在电子变压器开启前驱动负载；

步骤S220根据预设工作周期选择性地开启或关闭负载；及

步骤S230产生一遮蔽讯号以限制在每个周期的一段时间内接收合成讯号。

值得注意的是，本申请所述的同步化(synchronization)是一个非常重要的技术特征，同步化给予时间信息(输入交流电压有关的特定和明确的时间点)给控制器42用以开启或关闭负载46。倘若控制器42的控制讯号并没有与和交流电压对应的合成讯号同步，负载46开启的时间便可能发生在完全不适当的时点上，例如是当交流电压驱近于零伏特时，此时电子式变压器根本没有机会被导通。

相同地，在启动时可能存在的一个潜在问题便是，锁路回路必建立一适当的时间来导通电子变压器，以要取得同步化的参考讯号，但是，同一时间如果没有提供白光发光二极管灯管适当的启动讯号，电子式变压器也会因为没有足够的负载进行启动。也就是说，当相位锁定的前无法提供一个同步化的参考讯号时，势必需要提供一必要的干预手段以避免电子式变压器10发生永远无法被正常开启的状况。

请参考图3和图5所示，应用电子式变压器于驱动高效能灯具的装置更包括有一仿真负载模块60。此仿真负载模块60是设置于控制器42和负载46之间，并且包括一晶体管600和一仿真负载602(dummy load)。晶体管600的源极、漏极和栅极是分别连接于接地、负载46及控制器42。控制器42会传送一仿真负载讯号601以切换该仿真负载602一段时间，以利锁相回路单元420进行相位锁定。

仿真负载602的说明如图5所示，图5是一电阻器，但是也可以是远红外线发光二极管或是另一组白光发光二极管，仿真负载可以藉由消耗功率的方式作为启动时所需的负载功率，使用远红外线发光二极管而非白光发光二极管的好处在于，远红外线发光二极管不会在启动时产生暂时性且被感知的光输出。

因为现行存在有多种不同的电子变压器，因此可能会出现一种状况便是，在一个周期的中段关闭负载46，一特定的电子式变压器10可能无法再次适当的被开启。请参考图3所示，仿真负载602在稳定操作期间会持续受到供电，以便可以让电子式变压器10可以快速的被启动，并提供一个明确的时间讯号。所以，当负载46为周期中段的关闭状态时，仿真负载602仍为受到供电的状态，虽然这样作可能会降低装置的效率。然而，相较使用白光发光二极管的类的高效能负载46，即便搭配仿真负载，其整体效率仍然比任何可以产生相同光输出(流明)的卤素灯管都要来得更好。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其它实施例的排除，而可用于各种其它组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (11)

1.一种应用电子式变压器于驱动高效能灯具的方法，其特征在于，包括：

将一参考讯号与一来自一交流电源的交流电压进行同步；及

以一预设工作周期来驱动一负载。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设工作周期具有一关系：

及

N×(所需的功率输出值)>最小负载需求，其中N为正值实数。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将一参考讯号与一来自一交流电源的交流电压进行同步的步骤，包括：

将一脉冲讯号进行整流以产生一合成讯号；及

将所述参考讯号与所述合成讯号同步。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述以一预设工作周期来驱动一负载的步骤，包括：

在所述电子变压器开启前驱动所述负载；及

根据所述预设工作周期选择性地开启或关闭所述负载。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述以一预设工作周期来驱动一负载的步骤，包括：

产生一遮蔽讯号以限制在每个周期的一段时间内接收所述合成讯号。

6.一种应用电子式变压器于驱动高效能灯具的装置，其特征在于，包括：

一驱动器；

一负载，连接所述驱动器；

一整流模块，包括：

一整流电桥，用于提供一整流电源通过所述驱动器驱动所述负载；及

二整流二极管，连结所述电子变压器的两输出端，用以整流由所述电子式变压器输出形成一合成讯号；及

一控制器，连结于所述整流二极管与所述驱动器间，用以接收并根据所述合成讯号输出一控制讯号，令所述负载以一预设工作周期通过所述驱动器进行驱动。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述控制器由一锁相回路单元及一逻辑电路所组成。

8.如权利要求7项所述的装置，其特征在于，另包括：

一遮挡模块，连接于所述控制器与所述二整流二极管间，用以让所述锁相回路单元忽略所述合成讯号。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，另包括：

一仿真负载模块，连接于所述控制器和所述负载间，并于所述锁相回路单元于相位锁定前，开启一仿真负载一段时间。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，于所述负载根据所述预设工作周期下被关闭时，所述仿真负载用以确保所述电子式变压器的运作。

11.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述负载为一白光发光二极管灯管或一冷阴极荧光灯管。

Images