CN103547050A - 点灯系统与点灯方法 - Google Patents

Abstract

一种点灯系统与点灯方法在此揭露，其中的点灯系统包括变换器、变压器、驱动电路。变换器用以将输入电压转换成适用于气体放电灯的工作电压；变压器具有一次侧绕组与二次侧绕组，二次侧绕组串联气体放电灯；驱动电路，电性连接变压器的一次侧绕组，用以在点灯阶段去驱动变压器，以使变压器的二次侧绕组输出高频电压以点亮气体放电灯。采用本发明的点灯系统与点灯方法，通过变压器绕组与气体放电灯(诸如直流灯泡)串联，可移除已有技术中的高压二极管，进而移除由于该高压二极管导致的损耗。

Description

点灯系统与点灯方法

技术领域

本发明是有关于电子技术，且特别是有关于一种点灯系统与点灯方法。

背景技术

现有的气体放电灯系统100很多采用图1所示的电路结构。如图1所示，变换器110将输入电压Vin变换成适合直流DCHID灯的工作电压，其中高压产生装置120用来产生将灯击穿所需的直流高压，其中驱动电路121驱动变压器T1输出高压脉冲，通过二极管D9和电容器C9在灯泡130两端加上如1.5kV的直流电压，高压二极管D2用来防止直流电压损坏变换器110中的其他器件。通常高压二机管D2的正向压降较大，灯点亮前没有电流流过因而没有损耗，灯点亮后，灯电流会流过二极管D2产生较大的稳态损耗，造成镇流器（Ballast）效率降低，请参考图2所示灯电压和灯电流波形。

由此可见，上述现有的点灯机制，显然仍存在不便与缺陷，而有待加以进一步改进。为了解决上述问题之一，相关领域莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的方式被发展完成。因此，如何能进一步提升系统效率，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前相关领域亟需改进的目标。

发明内容

为了能提升系统效率，本发明的目的之一是在提供一种创新的点灯系统与点灯方法。

依据本发明一实施例，一种点灯系统包括变换器、变压器、驱动电路。变换器用以将输入电压转换成适用于气体放电灯的工作电压；变压器具有一次侧绕组与二次侧绕组，二次侧绕组串联气体放电灯；驱动电路，电性连接变压器的一次侧绕组，用以在点灯阶段去驱动变压器，以使变压器的二次侧绕组输出高频电压以点亮气体放电灯。

气体放电灯为直流灯泡。

在点灯阶段，变压器工作在非饱和状态。

在气体放电灯被点亮后，驱动电路停止工作，变压器工作在饱和状态。

驱动电路可包括电感、电容器与半桥电路。电感与电容器分别连接变压器的一次侧绕组的两端，其中电感、电容器与变压器构成一谐振电路；半桥电路电性连接谐振电路。

在其中的一实施例中，半桥电路包括第一开关、第二开关与驱动器。第一开关与一第二开关彼此串接，其中第一开关连接一电压源，第二开关接地；驱动器电性连接第一、第二开关各自的控制端，以便第一、第二开关受驱动器控制而交替工作。

第一、第二开关的工作频率可为10~500kHz。

电压源可为变换器的输入电压、变换器的输出电压、或外加的电压源。

驱动器可交替地输出第一脉冲至第一开关以及输出第二脉冲至第二开关，其中第一脉冲的脉宽与第二脉冲的宽度相同；或者，驱动器可交替地输出第一脉冲至第一开关以及输出第二脉冲至第二开关，其中第一脉冲的脉宽与第二脉冲的宽度不同。

在其中的一实施例中，驱动电路可包括电感、开关器件与驱动器。电感电性连接变压器的一次侧绕组与一电压源，具有寄生电容的变压器与电感构成一谐振电路；开关器件电性连接谐振电路；驱动器用以控制开关器件的启闭。

在其中的一实施例中，此驱动电路还包括吸收电路。吸收电路电性连接开关器件与谐振电路，用以限制开关器件在关断时加在开关器件上的电压。

在其中的一实施例中，此驱动电路还包括限流电路。限流电路电性连接开关器件，用以限制流过开关器件的电流。

开关器件的工作频率为10~500kHz，占空比为0.2%~10%。进一步，开关器件的工作频率为200kHz，占空比为3%。

另外，变换器为一DC-DC变换器或一AC-DC变换器。。

依据本发明另一实施例，一种点灯方法包括下列步骤：（a）将输入电压转换成适用于气体放电灯的工作电压，其中气体放电灯串联变压器的二次侧绕组；（b）在点灯阶段去驱动变压器，以使变压器的二次侧绕组输出高频电压以点亮气体放电灯。

气体放电灯为直流灯泡。

在点灯阶段，变压器工作在非饱和状态。

上述点灯方法还包括：在气体放电灯被点亮后，停止驱动变压器，变压器工作在饱和状态。

于点灯方法中，电感、电容器与变压器构成谐振电路，半桥电路电性连接谐振电路，半桥电路包括第一、第二开关彼此串接，上述的步骤（b）包括：控制第一、第二开关交替工作，以使变压器的二次侧绕组输出高频电压。

第一、第二开关的工作频率为10~500kHz。

在其中的一实施例中，上述控制第一、第二开关交替工作的步骤包括：交替地输出第一脉冲至第一开关以及输出第二脉冲至第二开关，第一脉冲的脉宽与第二脉冲的宽度相同。

在其中的一实施例中，上述控制第一、第二开关交替工作的步骤包括：交替地输出第一脉冲至第一开关以及输出第二脉冲至第二开关，第一脉冲的脉宽与第二脉冲的宽度不同。

于点灯方法中，具有寄生电容的变压器与一电感构成一谐振电路，开关器件电性连接谐振电路，步骤（b）包括：控制开关器件的启闭，以使变压器的二次侧绕组输出高频电压。

在其中的一实施例中，此点灯方法还包括：提供吸收电路，电性连接开关器件与谐振电路，通过所述吸收电路限制开关器件在关断时，加在开关器件上的电压。

在其中的一实施例中，此点灯方法还包括：提供限流电路，电性连接开关器件，通过所述限流电路限制流过开关器件的电流。

开关器件的工作频率可为10~500kHz，占空比为0.2%~10%。进一步，开关器件的工作频率为200kHz，占空比为3%。

综上所述，本发明的技术方案与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。本发明的点灯系统与点灯方法通过变压器绕组与气体放电灯(诸如直流灯泡)串联，得以移除已有技术中的高压二极管，从而移除由于该高压二极管导致的损耗。

以下将以实施方式对上述的说明作详细的描述，并对本发明的技术方案提供更进一步的解释。

附图说明

为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：

图1为传统气体放电灯系统的电路架构图；

图2示出图1的气体放电灯系统的灯电压和灯电流波形图；

图3示出依照本发明一实施例的点灯系统的电路架构图；

图4示出依照本发明一实施例的点灯系统的电路架构图；

图5示出依照本发明另一实施例的点灯系统的电路架构图；

图6示出图5的点灯系统在对称驱动方式下的波形图；

图7示出图5的点灯系统在非对称驱动方式下的波形图；

图8为依照本发明又一实施例的点灯系统的电路架构图；

图9示出图8的驱动器的输出信号的波形图；以及

图10示出图8的点灯系统的灯电压波形图。

【主要元件符号说明】

100：气体放电灯系统            110：变换器

120：高压产生装置              121：驱动电路

121：驱动电路                  130、230：灯泡

200：点灯系统                  210：变换器

220：高压产生装置              221：驱动电路

310：半桥电路                  311：驱动器

320：谐振电路                  510：驱动器

520：谐振电路                  530：吸收电路

540：限流电路                  610：第一脉冲

620：第二脉冲                  710：第一脉冲

720：第二脉冲                  C、C1、C2、C9：电容器

D、D9：二极管                  D1：续流二极管

D2：高压二极管                 L1：电感器

L2：电感                       Q1：控制开关

Q2：第一开关                   Q3：第二开关

Q5：开关器件            R、Rcs：电阻器

T1：变压器              T1-1：一次侧绕组

T1-2：二次侧绕组        Vin：输入电压

Vbus：电压源

具体实施方式

为了使本发明的叙述更加详尽与完备，可参照所附的附图及以下所述各种实施例，附图中相同的号码代表相同或相似的元件。另一方面，众所周知的元件与步骤并未描述于实施例中，以避免对本发明造成不必要的限制。

于实施方式与权利要求书中，涉及“电性连接”的描述，其可泛指一元件透过其他电子元件而间接连接至另一元件，或是一元件无须透过其他电子元件而直接连接至另一元件。

于实施方式与权利要求书中，除非内文中对于冠词有所特别限定，否则“一”与“该”可泛指单一个或多个。

本文中所使用的“约”、“大约”或“大致”是用以修饰任何可些微变化的数量，但这种些微变化并不会改变其本质。于实施方式中若无特别说明，则代表以“约”、“大约”或“大致”所修饰的数值的误差范围一般是容许在百分之二十以内，较佳地是于百分之十以内，而更佳地则是于百分之五以内。

本发明提出的新的技术解决方案是为了能提升系统效率。本发明的一技术方案的典型电路架构图，即图3所示的点灯系统200，其可适用于镇流器，或是广泛地运用在相关的技术环节。

点灯系统200包括变换器210，高压产生装置220与气体放电灯230，高压产生装置220包括变压器T1与驱动电路221。在结构上，变压器T1具有一次侧绕组T1-1与二次侧绕组T1-2（即，副边绕组），其中一次侧绕组T1-1电性连接驱动电路221，二次侧绕组T1-2串联气体放电灯230。如下说明中，本申请以气体放电灯为直流灯泡为例。变换器210可为一DC-DC变换器或一AC-DC变换器，对于DC-DC变换器如Buck,Flyback,Forward,Speic,Cuk等，将直流输入电压Vin变换成适合直流灯泡230的工作电压，AC-DC变换器将交流输入电压Vin变换成适合直流灯泡230的工作电压。值得注意的是，通过高压产生装置220中的变压器T1的绕组与直流灯泡230串联，移除已有技术中的高压二极管D2，从而移除由于高压二极管D2导致的损耗，使得系统效率大幅提升。

于图4中，变换器210为降压式变换电路（即，Buck电路），此降压式变换电路包括电容器C1、电感器L1、电阻器Rcs、续流二极管D1与控制开关Q1。

结构上，电容器C1的一端电性连接变压器T1的二次侧绕组T1-2，而电容器C1的另一端电性连接直流灯泡230；电感器L1电性连接变压器T1的二次侧绕组T1-2；电阻器Rcs电性连接直流灯泡230；续流二极管D1的阳极电性连接电阻器Rcs，而续流二极管D1的阴极电性连接电感器L1；控制开关Q1的一端电性连接续流二极管D1的阴极，而控制开关Q1的另一端电性连接输入电压Vin。于图4中，控制开关Q1可为MOS管，控制器可控制MOS管的启闭。

于点灯系统200运作时，变换器210用以将输入电压Vin转换成适用于直流灯泡230的工作电压，驱动电路221用以在点灯阶段去驱动变压器T1，以使变压器T1的二次侧绕组T1-2输出高频电压。参考由电容器C1，变压器T1的二次侧绕组T1-2和直流灯泡230组成的回路来看，高频电压在电容C1上的压降很小，大部分电压会加在直流灯泡230上，将直流灯泡230点亮。

在直流灯泡230被点亮后，驱动电路221停止工作，灯电流流过二次侧绕组T1-2，参考磁器件设计公式L*I=N*B*Ae来看，倘若灯正常点亮后将变压器T1设计在非饱和状态，必然要选择较多的匝数N，这样会增加绕组损耗，降低效率。因此，于本实施例中，在设计变压器T1的时候，在点灯阶段时，变压器T1工作在非饱和状态能够输出高压的要求来选择变压器的绕组匝数，允许稳态工作时，变压器T1工作在饱和状态，这样绕组T1-2就可以选用较少的匝数。另外由于流过二次侧绕组T1-2的电流为直流电流，即便是变压器T1工作在饱和状态，变压器T1的损耗还是很低的。通过如此设计，可以采用较少的绕组T1-2,减少了灯点亮后绕组T1-2上的损耗。举例来说，以点亮240W的HID灯泡来讲，通过这样设计，相对于已有技术可以使系统效率至少提升1.4%。

为了对上述驱动电路作进一步的阐述，参照图5，半桥电路310与谐振电路320可组成高压产生装置220，其中电感L2、电容器C2与变压器T1构成谐振电路320，谐振电路320电性连接半桥电路310。在结构上，电感L2与电容器C2分别连接变压器T1的一次侧绕组T1-1的两端，电感L2可以为外加的电感器，也可以为变压器T1的漏感或两者之和。

半桥电路310包括第一开关Q2、第二开关Q3与驱动器311。第一开关Q2与第二开关Q3彼此串接，其中第一开关Q2连接一电压源Vbus，第二开关Q3接地；驱动器311电性连接第一开关Q2与第二开关Q3各自的控制端。在图5中，第一开关Q2与第二开关Q3分别为两个MOS管，MOS管可具有内接二极管。

其中电压源Vbus可以为输入电压Vin，也可以为电容C1上的电压,或者为另外的电压源。

于运作上，第一开关Q2与第二开关Q3受驱动器311控制而交替工作，工作频率一般设定在10~500kHz，使得谐振电路320产生谐振，在变压器T1的副边绕组T1-2输出高频电压以作为点灯电压。

图6和图7为图5的高压产生装置工作波形的实施例。如图6所示，第一开关Q2和第二开关Q3采用对称驱动的方式，驱动器311可交替地输出第一脉冲610至第一开关Q2以及输出第二脉冲620至第二开关Q3，其中第一脉冲610的脉宽与第二脉冲620的宽度相同，则相应的直流灯泡上的电压为对称高频点灯电压；或者，如图7所示，也可以通过第一开关Q2和第二开关Q3采用非对称驱动的方式，驱动器311可交替地输出第一脉冲710至第一开关Q2以及输出第二脉冲720至第二开关Q3，其中第一脉冲710的脉宽与第二脉冲720的宽度不同，则相应的直流灯泡上的电压为非对称高频点灯电压。

或者，如图8所示，驱动电路可包括电感L2、开关器件Q5与驱动器510。在架构上，电感L2电性连接变压器T1的一次侧绕组T1-1与电压源Vbus，变压器T1具有寄生电容，驱动器510用以控制开关器件Q5的启闭。在图8中，开关器件Q5可为MOS管。

于运作时，驱动器510输出高频驱动信号，驱动开关器件Q5开通后，电感L2，变压器T1（包含其寄生电容）组成谐振电路520在副边绕组T1-2输出点灯电压，开关器件Q5的工作频率一般设定在10~500kHz，占空比为0.2%~10%，如图9所示。结合驱动器的性能，开关器件Q5驱动为工作频率200kHz，占空比为3％，既可以选择成本较低的驱动晶片，又可以减小变压器T1的体积。此外，电感L2可以为外加电感，也可以是变压器T1的寄生电感或两者之和，对应的灯电压波形为图10所示。

另一方面，电压源Vbus可以为输入电压Vin，也可以为电容C1上的电压，或者为另外的电压源，熟悉此项技艺者当视当时需要弹性选择。

在一具体实施例中，此驱动电路还包括吸收电路530。在结构上，吸收电路530电性连接开关器件Q5与谐振电路520，吸收电路530包括二极管D、电容器C与电阻器R。

在一具体实施例中，此驱动电路还包括限流电路540。在结构上，限流电路540电性连接开关器件Q5，限流电路540包括双极结型晶体管（BJT）与电阻器R1、R2。

于运作时，吸收电路530用以在开关器件Q5关断时，限制加在开关器件Q5上的电压。限流电路540用以限制流过开关器件Q5的电流，以防止开关器件Q5损坏。

综上所述，本发明的另一技术方案为点灯方法，此点灯方法包含下列步骤：（a）将输入电压Vin转换成适用于直流灯泡230的工作电压，其中直流灯泡230串联变压器T1的二次侧绕组T1-2；（b）在点灯阶段去驱动变压器T1，以使变压器T1的二次侧绕组T1-2输出高频电压以点亮直流灯泡230。

在点灯阶段，变压器T1工作在非饱和状态。

上述点灯方法还包括：在直流灯泡230被点亮后，停止驱动变压器T1，变压器T1工作在饱和状态。

于点灯方法中，如图5所示，电感L2、电容器C2与变压器T1构成谐振电路320，半桥电路310电性连接谐振电路320，半桥电路310包括第一开关Q2与第二开关Q3彼此串接，上述步骤（b）包括：控制第一开关Q2与第二开关Q3交替工作，以使变压器T1的二次侧绕组T1-2输出高频电压以作为点灯电压。

在一具体实施例中，上述控制第一开关Q2与第二开关Q3交替工作的步骤包括：交替地输出第一脉冲610至第一开关Q2以及输出第二脉冲620至第二开关Q3，其中第一脉冲的脉宽与第二脉冲的宽度相同，此时直流灯泡230的灯电压为图6所示。

在另一具体实施例中，上述控制第一开关Q2与第二开关Q3交替工作的步骤包括：交替地输出第一脉冲710至第一开关Q2以及输出第二脉冲720至第二开关Q3，其中第一脉冲的脉宽与第二脉冲的宽度不同，此时直流灯泡230的灯电压为图7所示。

于点灯方法中，如图8所示，具有寄生电容的变压器T1与电感L2构成谐振电路520，开关器件Q5电性连接谐振电路520，步骤（b）包括：控制开关器件Q5的启闭，以使变压器T1的二次侧绕组T1-2输出高频电压以作为点灯电压。

在一具体实施例中，此点灯方法还包括：提供吸收电路530，电性连接开关器件Q5与谐振电路520，通过所述吸收电路530限制开关器件Q5在关断时，加在开关器件Q5上的电压。

在一具体实施例中，此点灯方法还包括：提供限流电路540，电性连接开关器件Q5，通过所述限流电路540限制流过开关器件Q5的电流，以防止开关器件Q5损坏。

应了解到，以上所提及的步骤，除特别叙明其顺序者外，均可依实际需要调整其前后顺序，甚至可同时或部分同时执行。至于实施该些步骤的硬体装置，由于以上实施例已具体揭露，因此不再重复赘述。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (29)

1.一种点灯系统，其特征在于，该点灯系统包括：

一变换器，用以将输入电压转换成适用于气体放电灯的工作电压；

一变压器，具有一次侧绕组与二次侧绕组，该二次侧绕组串联气体放电灯；以及

一驱动电路，电性连接该变压器的一次侧绕组，用以在点灯阶段去驱动该变压器，以使该变压器的二次侧绕组输出高频电压以点亮该气体放电灯。

2.根据权利要求1所述的点灯系统，其特征在于，该气体放电灯为直流灯泡。

3.根据权利要求1所述的点灯系统，其特征在于，在该点灯阶段，该变压器工作在非饱和状态。

4.根据权利要求3所述的点灯系统，其特征在于，在该气体放电灯被点亮后，该驱动电路停止工作，该变压器工作在饱和状态。

5.根据权利要求1所述的点灯系统，其特征在于，该驱动电路包括：

一电感与一电容器，分别连接该变压器的一次侧绕组的两端，其特征在于，该电感、该电容器与该变压器构成一谐振电路；以及

一半桥电路，电性连接该谐振电路。

6.根据权利要求5所述的点灯系统，其特征在于，该半桥电路包括：

一第一开关与一第二开关，彼此串接，其中该第一开关连接一电压源，该第二开关接地；以及

一驱动器，电性连接该第一、第二开关各自的控制端，以便该第一、第二开关受该驱动器控制而交替工作。

7.根据权利要求6所述的点灯系统，其特征在于，该第一、第二开关的工作频率为10~500kHz。

8.根据权利要求6所述的点灯系统，其特征在于，该电压源为变换器的输入电压、变换器的输出电压、或外加的电压源。

9.根据权利要求6所述的点灯系统，其特征在于，该驱动器交替地输出一第一脉冲至该第一开关以及输出一第二脉冲至该第二开关，该第一脉冲的脉宽与该第二脉冲的宽度相同。

10.根据权利要求6所述的点灯系统，其特征在于，该驱动器交替地输出一第一脉冲至该第一开关以及输出一第二脉冲至该第二开关，该第一脉冲的脉宽与该第二脉冲的宽度不同。

11.根据权利要求1所述的点灯系统，其特征在于，该驱动电路包括：

一电感，电性连接该变压器的一次侧绕组与一电压源，其中具有寄生电容的该变压器与该电感构成一谐振电路；

一开关器件，电性连接该谐振电路；以及

一驱动器，用以控制该开关器件的启闭。

12.根据权利要求11所述的点灯系统，其特征在于，该驱动电路还包括：

一吸收电路，电性连接该开关器件与该谐振电路，用以限制该开关器件在关断时，加在该开关器件上的电压。

13.根据权利要求11所述的点灯系统，其特征在于，该驱动电路还包括：

一限流电路，电性连接该开关器件，用以限制流过该开关器件的电流。

14.根据权利要求11所述的点灯系统，其特征在于，该开关器件的工作频率为10~500kHz，占空比为0.2%~10%。

15.根据权利要求14所述的点灯系统，其特征在于，该开关器件的工作频率为200kHz，占空比为3%。

16.根据权利要求1所述的点灯系统，其特征在于，该变换器为一DC-DC变换器或一AC-DC变换器。

17.一种点灯方法，其特征在于，该点灯方法包括：

（a）将输入电压转换成适用于气体放电灯的工作电压，其中该气体放电灯串联变压器的二次侧绕组；以及

（b）在点灯阶段去驱动该变压器，以使该变压器的二次侧绕组输出高频电压以点亮该气体放电灯。

18.根据权利要求17所述的点灯方法，其特征在于，该气体放电灯为直流灯泡。

19.根据权利要求17所述的点灯方法，其特征在于，在该点灯阶段，该变压器工作在非饱和状态。

20.根据权利要求19所述的点灯方法，其特征在于，该点灯方法还包括：

在该气体放电灯被点亮后，停止驱动该变压器，该变压器工作在饱和状态。

21.根据权利要求17所述的点灯方法，其特征在于，一电感、一电容器与该变压器构成一谐振电路，一半桥电路电性连接该谐振电路，该半桥电路包括第一、第二开关彼此串接，步骤（b）包括：

控制该第一、第二开关交替工作，以使该变压器的二次侧绕组输出该高频电压。

22.根据权利要求21所述的点灯方法，其特征在于，该第一、第二开关的工作频率为10~500kHz。

23.根据权利要求21所述的点灯方法，其特征在于，控制该第一、第二开关的步骤包括：

交替地输出一第一脉冲至该第一开关以及输出一第二脉冲至该第二开关，该第一脉冲的脉宽与该第二脉冲的宽度相同。

24.根据权利要求21所述的点灯方法，其特征在于，控制该第一、第二开关的步骤包括：

交替地输出一第一脉冲至该第一开关以及输出一第二脉冲至该第二开关,该第一脉冲的脉宽与该第二脉冲的宽度不同。

25.根据权利要求17所述的点灯方法，其特征在于，具有寄生电容的该变压器与一电感构成一谐振电路，一开关器件电性连接该谐振电路，步骤（b）包括：

控制该开关器件的启闭，以使该变压器的二次侧绕组输出该高频电压。

26.根据权利要求25所述的点灯方法，其特征在于，该点灯方法还包括：

提供一吸收电路，电性连接该开关器件与该谐振电路，通过所述吸收电路限制该开关器件在关断时，加在该开关器件上的电压。

27.根据权利要求25所述的点灯方法，其特征在于，该点灯方法还包括：

提供一限流电路，电性连接该开关器件，通过所述限流电路限制流过该开关器件的电流。

28.根据权利要求25所述的点灯方法，其特征在于，该开关器件的工作频率为10~500kHz，占空比为0.2%~10%。

29.根据权利要求28所述的点灯方法，其特征在于，该开关器件的工作频率为200kHz，占空比为3%。

Images