CN104025718B

CN104025718B - 场发射光源用电源

Info

Publication number: CN104025718B
Application number: CN201280064858.3A
Authority: CN
Inventors: 戈兰·莫克; 乔纳斯·迪伦
Original assignee: Sweden Lai Telanbo Co
Current assignee: Pulfiz Technology Co
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: WO2013098239A1; US20140361700A1; US9237622B2; JP2015513756A; EP2798919A1; JP6312601B2; CN104025718A; EP2798919B1

Abstract

本发明涉及一种场发射光源用电源。所述新型电源允许尺寸缩减，在功率因数和效率方面有很大的改善。体积缩减可使所述电源与所述场发射光源有效集成，从而构成照明装置。

Description

场发射光源用电源

技术领域

本发明涉及场发射，尤其涉及适用于场发射光源的紧凑型电源。本发明还涉及包括电源的场发射光源。

背景技术

目前，传统的白炽灯泡正逐渐被其它能效高、环境污染小的光源取代。用于替代的灯泡包括发光二极管(LED)装置和荧光灯源。然而，发光二极管装置价格昂贵且安装复杂，已知的荧光灯源则含少量汞，汞暴露引发的健康风险会造成潜在健康隐患。此外，由于含有汞，荧光灯源的回收利用复杂又昂贵。

目前已出现的一种较为理想的替代光源为场发射光源，包括阳极和阴极，其中，阳极包括透明导电层和涂在透明玻璃管等内表面上的荧光粉层。该荧光粉层受电子激励后发出冷光。阳极和阴极间电压引起电子发射。为实现高光发射，建议使用的电压范围为2至12kV。

US2008185953中公开了一种建议此类场发射光源使用的电源。在该专利中，所述电源包括防止非期望发射的桥式整流器和滤波组件，以及用于提供适用于所述场发射光源阴阳极间功率的高电压的倍压器。

然而，US2008185953中提供的实施例在供电范围和供电效率方面具有一些有害缺点。这些缺点一般因倍压器内部出现多次较大电压阶跃造成。

因此，需要提供一种场发射光源用改良型高压电源，特别要考虑到允许电源与场发射光源相结合所需的电源的大小。

发明内容

鉴于现有技术的上述及其它缺点，本发明大致目的在于，提供一种场发射光源用改良型电源。

根据本发明第一个方面，提供一种场发射光源用电源，包括：

DC-DC变换器，用于接收所述DC-DC变换器输入端处于第一电压水平的直流电流源并输出所述DC-DC变换器输出端处于第二电压水平的直流电，其中，所述第二电压水平高于所述第一电压水平；带变压器的谐振逆变器，所述谐振逆变器连接至所述DC-DC变换器输出端，用于提供具有第三电压水平处于第一频率的脉冲信号，所述第三电压水平高于所述第二电压水平；及倍压器，将脉冲信号整流成处于第四电压水平的直流电，所述第四电压水平高于所述第三电压水平，所述倍压器包括一对用于连接至所述场发射光源的输出端，

其中，所述电源还包括控制器，所述控制器用于控制谐振逆变器，所述控制器基于一个反馈(电流和/或电压等)，所述反馈与场发射光源的操作相关，所述反馈由倍压器提供。

本发明基础是，通过采用连接至所述倍压器(通常包括多个二极管电容阶段)的控制器以及所述谐振逆变器，所述倍压器发出的反馈信号可用于对所述已连接的场发射光源进行平稳控制。具体地，在高压条件下，电压尖峰的出现实际上会限制所述场发射光源的使用寿命，甚至将其直接“烧毁”。

此外，通过使用所述控制器，可提供直观的且能进行录像的较小的暂时性光输出变化，进而，高压变频器输入电平、电压在合适阶段分接的所述倍压器和所述倍压器输入输出电流均可采样。由于倍压电容器导致时滞，无法直接调节所述倍压器输出电流。取而代之的是，通过算法对所述高压变频器频率进而对输出功率进行控制。通过使用查表法，所述算法可用于校正任何采样值的非线性特征。

灯光的调整会使所述调节变得更加复杂，因为频率和输出电压控制范围太过有限，因而无法提供所需的调光范围。此外，根据一实施例，可使用所述高压变频器的通断调制，仍能满足所述光输出变化要求。

还应注意的是，同正常情形下谐振电路位于第一级变压相比，本发明提供的实施例中，谐振电路位于第二级变压。

较佳地，接收的处于第一电压水平的直流电流源作为主电源发出的整流电压信号。换言之，在一实施例中，所述主电源型号为90–140VAC(RMS)、60Hz，或者，在另一实施例中，所述主电源型号为190–270VAC(RMS)、50Hz，经整流(如全波整流)产生平均电压水平略小于上述主电源RMS电压水平的带有波纹的直流信号。因此，所述电源可包括整流器，如提供全波整流的整流器。在此应用背景下，根据一实施例，所述第一电压水平为该整流式主电源。然而，所述直流电流源还可为基本恒定直流电流源，其中，所述控制器接收的直流信号上叠加有用于控制所述电源的控制信号。

此外，所述第二电压水平高于所述第一电压水平。在此应用背景下，应理解为所述第二电压水平的平均值高于所述第一电压水平的平均值。通常，若提供交流电，所述第二电压水平可起波纹，波纹电压可达到100V。较佳地，所述第二电压水平可设置为不超过700V。

进一步地，如上所述，所述谐振逆变器通常用于提供具有第三电压水平处于第一频率的脉冲信号，所述第三电压水平高于所述第二电压水平。在此应用背景下，所述第一频率选择范围可为0–200kHz。应注意的是，所述第一频率可于所述电源运行期间在上述频率范围内进行调整。较佳地，所述第三电压水平约为1kV，其正负峰间电压约为3kV，以便提供性价比高的干式隔离变压器。

此外，所述倍压器用于提供处于第四电压水平的直流电，优选不超过10kV(在一典型实施例中)。然而，在本发明范围内，可实现所述第四电压水平保持在更高的最大电压水平，如大于15–25kV。最大电压水平的选择取决于所述电源的具体使用。

如上所述，所述控制器还可通过控制所述谐振逆变器对所述场发射光源进行调光。所述电源可通过传统双向可控硅调光器进行调光。不过，双向可控硅调光器的使用不是十分理想，因为所述双向可控硅调光器要考虑到功率因数不佳以及出现大量电源频率泛音。较佳地，所述控制器可用于接收所述场发射光源的光强度信号，并基于该光强度信号调节所述谐振逆变器，进而可使所述场发射光源提供基本稳定的照明度，优选不受所述DC-DC变换器的剩余波纹影响。

此外，所述控制器优选连接至所述DC-DC变换器。经过此设置，所述控制器还可通过所述倍压器的反馈适应性地控制所述DC-DC变换器，以充分利用所述电源的发电效率并提供预先设定的调光范围。

在一实施例中，所述控制器可包括允许所述谐振逆变器PWM(脉宽调制)控制的功能。因此，从所述谐振逆变器发出的脉冲信号可在某些情况下得到抑制(即不包括某些脉冲)，可有效减少所述倍压器的输出，进而可“调节”所述光源，从而使光强度可控。

为实现所述谐振逆变器PWM控制，优选考虑所述主电源的频率。可行地，电源频率为50Hz(全波整流后增加一倍)时，PWM“基频”可保持在预定的倍数，用于减少基于所述电源频率的波动。在一实施例中，所述PWM基频典型范围为600–900Hz，优选800Hz。

在另一实施例中，所述PWM基频基于控制所述电源的控制协议(如DALI)进行选择。因此，所述控制协议的传输频率可影响所述PWM基频的选择。此外，所述电源优选被包括在所述场发射光源内以构成照明装置，例如，所述电源同所述场发射光源相结合(例如，位于所述场发射光源插座内)或设于其内部。所述电源优选连接至场发射阴极和所述场发射光源阳极结构，用于提供驱动信号，为所述场发射光源供能。提供给所述场发射光源的电压优选为2–12kV。在此应用背景下，所述“场发射光源”应广泛定义，可包括用于一般照明的光源(如灯泡、灯管等)和可控多色场发射显示器。

为反馈所述场发射光源照明等级，可使用“光流失概念”，例如，可使用所述场发射光源真空玻璃体的泵杆实现这一反馈。据此，若将所述电源安置于所述照明装置插座内，可设置PCB容纳(多数)电源组件，如此，用于收集光并产生光强度水平的光传感器可直接设于所述PCB上，即无需布线或类似操作，从而可尽可能减少任何可能另外出现的干扰信号。

然而，应注意的是，对于某些类型的场发射光源，建议所述光传感器设于所述场发射光源玻璃体上，或具有粘接于所述场发射光源玻璃体将一定量的光从所述场发射光源传递至所述光传感器的光纤，从而符合本发明构思。

在一实施例中，所述场发射光源发出的光的任何反馈的缺失均可表明所述场发射光源失效，同时可用于指引所述控制器切断所述电源。如此，由于该功能不允许向发生故障的场发射光源提供任何高压(如上所述)，因而可降低风险。

一般而言，只需从所述场发射光源收集少量光，例如，这些光可通过所述导杆玻璃部分进行传递。换言之，建议从所述场发射光源收集光时，所述光传感器尚未饱和，所述场发射光源发射的光照明度较低(相较于所述场发射光源发射的最大光量)。同样，所述泵杆可充当“滤波器”，用于减少所述光传感器收集的光量。

此外，所述控制器可执行控制制度，通过将当前输出光强同额定输出光强进行比较，延长所述场发射光源的潜在使用寿命。该使用情况下，根据预定的寿命曲线(如所述场发射光源理想“老化”)，可优化所述场发射在发射“尽可能多的”光的情况下的使用寿命。

此外，在光反馈功能方面，所述电源可包括连接至所述控制器的额外光传感器(如上所述，可设于所述照明装置插座内，进而“屏蔽”所述场发射光源发出的光)，用于收集一定量的环境光，进而基于当前环境照明度调整输出光强。

类似地，所述照明装置还可包括连接至所述控制器的占有传感器(如PIR传感器)，用于确定所述照明装置附近是否有人并相应调整所述照明装置的照明度。

所述电源还可包括接收外部控制信号的通信接口，可用于控制所述场发射光源的校正电平或控制所述照明装置运行期间的照明度。可使用不同的通信接口，有线或无线的，可包括ZigBee、Bluetooth、WLAN、DMX、RDM等。

根据本发明第二个方面，提供一种控制提供光源用可调电压水平的电源的方法，所述电源包括谐振逆变器，其中，所述方法包括确定为所述电源提供运行功率所需信号的频率、PWM基频和主信号频率成倍数关系、控制谐振逆变器停止输出来产生预定时长，所述预定时长基于PWM控制，所述PWM控制在选定的PWM基频下控制该谐振逆变器，进而可控制提供给所述光源的平均电压水平，并进一步控制所述光源的强度水平。

如上所述，本发明方法中所述的功能可在以通信方式耦合至所述电源的控制器内实现。因此，从所述谐振逆变器发出的脉冲信号可在某些情况下得到抑制(即不包括某些脉冲)，可有效减少所述谐振逆变器输出的平均电压水平，进而可“调节”所述光源。

以上大体描述了本发明所述场发射光源，此外，根据本发明所述的方法还可应用于其他类型的光源，包括具有LED、OLED等发光元件的光源。

“主信号频率”在本发明中应广泛定义，而不应仅包括上述50Hz电源频率等。在另一实施例中，可基于预定的外部频率信号确定频率。相应地，可提供与控制功能有关的外部同步信号，用于控制多个电源独立或部分连接的已连接光源。该控制信号可包括上述DALI协议或DMX、RDN等协议中任一个。

为使本发明特征和优点更清楚，以下结合权利要求书和具体实施方式对本发明作进一步说明。本领域技术人员应意识到，在不偏离本发明保护范围的前提下，可结合本发明不同特征创造出其它的而非以下所述的实施方案。

附图说明

以下结合附图和优选实施例对本发明以上和其它方面作更详细的说明，其中：

图1示出了本发明当前优选实施例所述的电源；

图2从概念上说明了包括场发射光源和图1所示电源的照明装置；

图3a、3b分别为一照明装置的概览视图和详细视图，其中，所述场发射光源适用于光反馈。

具体实施方式

以下将通过附图和优选实施例对本发明进行更充分的说明。但应了解的是，本发明可以多种不同形式呈现，不应局限于此处阐述的实施例对本发明进行解读；更确切些，这些实施例具备彻底性和完备性，能向本领域技术人员充分传达本发明的保护范围。本发明中编号与元件自始至终一一对应。

图1示出了一种为场发射光源102供能的电源100。所述电源100包括连接至外部交流电源(如主电源，可提供未滤波输出)的整流器104，以及连接至所述整流器104的PFC-Boost(DC-DC)变换器106，所述变换器用于接收处于第一电压水平的直流电流源和提供处于第二电压水平(优选具有适度量的叠置波纹)的直流电，其中，所述第二电压水平高于所述第一电压水平。优选地，所述整流器包括EMC滤波器，用于尽可能减小所述电源100和/或所述场发射光源102可能产生的干扰。

所述电源还包括带变压器的LLC谐振逆变器108，所述谐振逆变器连接至所述DC-DC变换器106输出端，用于提供具有第三电压水平处于第一频率的脉冲信号，所述第三电压水平高于所述第二电压水平。应注意的是，任何类型的谐振逆变器均在本发明范围内，如LLCC谐振逆变器。

所述谐振逆变器108的输出进而接至倍压器110，后者将脉冲信号整流成处于第四电压水平的直流电，所述第四电压水平高于所述第三电压水平，所述倍压器包括一对用于连接至所述场发射光源102的输出端。

此外，所述电源100包括控制器112，所述控制器112用于控制谐振逆变器108，所述控制器112基于一个反馈，所述反馈与场发射光源的操作相关，所述反馈由倍压器提供。

所述控制器112可包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或其它可编程器件。或者，所述控制器112还可包括专用集成电路、可编程门阵列可编程阵列逻辑、可编程逻辑器件或数字信号处理器。其中，所述控制器112包括上述微处理器或微控制器等可编程器件，所述处理器还可包括控制所述可编程器件运行的计算机可执行代码。

此外，所述示例性实施例中，所述电源100还可包括连接至所述DC-DC变换器106输出端的电容器114。优选地，为最大化所述电源100的使用寿命，所述电容器114为非电解电容器。发明人已确认，常用于本发明所述类型电源的电解电容器的使用会大大缩短所述电源的使用寿命。换言之，电解电容器的使用寿命一般约为几千小时，因而，此类电容器不适用于本发明背景下所提倡的可长期使用的电源，据此，建议此类电容器用于寿命为几万小时的电源。在典型实施例中，所述非电解电容器的电容低于0.15uF/W(输出功率)。

使用所述场发射电源102作为一般照明用光源时，通常建议使所述光源的光输出发生变化，即调光。一般而言，使用LLC谐振逆变器时，在保持所述电源100效率不变的情况下，改变所述LLC输出的调光方法(即减少所述场发射光源102光输出时，损耗不会增加)会遇到限制。

根据当前优选的所述电源100实施例，可解决这一难题，方法为采用所述控制器控制所述DC-DC变换器106，进而，输出的光需要调光时所述DC-DC变换器106的输出也发生变化。相应地，在公开的实施例中，所述控制器112可允许“调光阶段”所述DC-DC变换器106和所述LLC谐振逆变器108协作配合。

具体地，当达到所述LLC谐振逆变器108控制频率预设定的频率边界时，所述DC-DC变换器106的输出(所述第三电压水平)会减少。例如，所述控制器112可基于所述LLC谐振逆变器108的反馈调整所述DC-DC变换器的输出，所述反馈与所述LLC谐振逆变器108运行频率相关，所述DC-DC变换器的输出可能是所述LLC谐振逆变器108的运行频率的相关函数。

图2示出了一种照明装置20，包括上述设于所述照明装置20基座210内的场发射光源200和电源100。所述场发射光源200包括圆柱形玻壳202，其内(如中央部分)装有场发射阴极204。如图2所示的场发射光源200基于使用透明场发射阳极概念，如用于圆柱形真空玻璃灯泡202的设于透明外壳上的氧化铟锡(ITO)层206等。为发射光，所述ITO层206内朝场发射阴极204方向涂有荧光粉层208。所述场发射阴极204可包括上设多个尖端发射器的导电衬底，可包括ZnO纳米结构，包含纳米墙、纳米管等。所述尖端发射器还可包括碳基纳米结构(如碳纳米管(CNT)等)。

所述基座210包括端子212，可允许使用所述照明装置20，以翻新改进传统灯泡。在本发明构思内，还可提供类似的在形状上近似于T8、T5荧光灯管等的管类设置。同时，在本发明构思内，还可提供一种扁平式场发射光源，该光源具有可寻址(阳极)部分，可基于自适应“像素”对所述场发射光源进行控制，从而允许不同像素发射不同颜色的光，例如同时发射。因此，所述扁平式场发射光源可用作多色显示器。所述控制功能可通过上述控制器提供。

所述基座210优选包括上述电源100，用于向所述阴极204提供驱动信号(即高压)。在所述场发射照明装置200工作期间，所述阴极204和所述阳极层(如所述ITO层206)之间具有电场。通过该电场，所述阴极204发射的电子向所述荧光粉层208加速前进。当发射的电子撞到所述荧光粉层208的荧光粉粒，所述荧光粉层208可发出冷光，从而激励电子重新组合释放出光子。所述荧光粉层208发出的光将穿过所述透明ITO/阳极层206和所述玻璃柱体202。发出的光优选为白色，不过彩光也可接受且同样在本发明范围内。发出的光还可为紫外光。

如图3a、3b所示，分别为一替换实施例中一种照明装置300的概览视图和详细视图，该装置的形状同图2所示照明装置20相比稍有不同，符合A级灯泡理念，因而适合作为现有插座/光源的更新部件。

同图2所示照明装置20相类似地，所述照明装置300包括带多个纳米结构设置于中心区域的阴极302，可基于ZnO纳米结构(未明显示出)理念。所述照明装置300还包括内部覆有透明电极层(构成阳电极)和上述荧光粉层的玻璃结构304。此外，所述照明装置300包括一个外壳306，例如包覆所述玻璃结构304的漫反射塑料等形式的覆盖层。通过提供的灯座308，可在螺口插座内安装所述照明装置300。其它类型的灯座当然也适用且在本发明范围内。所述灯座308允许所述照明装置300连接至频率为40-70Hz、交流电压介于90-270V之间的所述主电源。进而，所述灯座308连接至集成于上述照明装置300内部的本发明所述电源310。

图3b所示为所述集成电源310和所述玻璃结构304局部详细视图。除上述内容以外，还可见到所述电源的总体布置，包括上述倍压器的多个二极管312和电容器314。在示例性实施例中，所述二极管312设在所述电源310PCB一侧上，所述电容器设在所述PCB316另一侧上。

为增强所述二极管312和电容器314间的电气隔离，所述PCB316外围设有供各二极管312和电容器314使用的气隙318。各二极管312和电容器314分别设在所述PCB316两侧，通过按图中方法设计二极管312和电容器314与PCB316的结合方式，可包含一个气隙318，可缩减所述电源310的整体体积，从而提供紧凑型照明装置300。

此外，在示例性实施例中，所述真空玻璃结构304的泵杆320应设置为，安装时“穿过”所述PCB316，从而可允许所述泵杆320安装在光传感器(未示出)旁边，如安装在所述PCB316一侧背对所述玻璃结构304。在示例性实施例中，示出了三处从所述玻璃结构延伸至所述PCB316的相互独立的延伸部分(包括泵杆320)。当然，其它延伸部分也可接受且同样在本发明范围内，可包括所述泵杆316、阳极连接电极、阴极连接电极和伸出所述玻璃结构304的消气剂。

如上所述，所述光传感器可用于测定所述照明装置发射的标准光量，以使发射的光在预先设定的照明等级上保持稳定。

本领域技术人员应意识到，本发明决不仅限于上述优选实施例。相反，对所述实施例所作的种种改进和改变均在本发明权利要求书范围内。例如，本领域技术人员在实施本发明时，通过研究附图、说明书和权利要求书，可理解并实行对已公开实施例进行的改变。在权利要求书中，“包括”一词并不排除其它元件或步骤，不定冠词“a”或“an”也不排除“多个”的可能性。在互不相同的从属权利要求中详述某些措施并不意味着这些措施结合使用时无法化为优势。

Claims

1.一种场发射光源用电源，包括：

-DC-DC变换器，用于接收所述DC-DC变换器输入端处于第一电压水平的直流电流源并输出所述DC-DC变换器输出端处于第二电压水平的直流电，其中，所述第二电压水平高于所述第一电压水平；

-带变压器的谐振逆变器，所述谐振逆变器连接至所述DC-DC变换器输出端，用于提供具有第三电压水平处于第一频率的脉冲信号，所述第三电压水平高于所述第二电压水平；及

-倍压器，将脉冲信号整流成处于第四电压水平的直流电，所述第四电压水平高于所述第三电压水平，所述倍压器包括一对用于连接至所述场发射光源的输出端，

-其中，所述电源还包括控制器，所述控制器用于控制谐振逆变器，所述控制器基于一个反馈，所述反馈与场发射光源的操作相关，所述反馈由倍压器提供，

-所述控制器基于所述谐振逆变器的反馈调整所述DC-DC变换器的输出，所述反馈与所述谐振逆变器运行频率相关，以及

-所述控制器用于对所述谐振逆变器提供一个PWM控制，该PWM控制通过抑制所述脉冲信号的一个或多个脉冲，来调整提供至所述场发射光源的第四电压水平，所述PWM控制的基频选自一个整流后的主信号的倍数，所述主信号提供给DC-DC变换器。

2.根据权利要求1所述的电源，其中，所述DC-DC变换器为PFC-Boost变换器。

3.根据上述权利要求1所述的电源，其中，所述谐振逆变器至少为LLC或LLCC逆变器。

4.根据上述权利要求1所述的电源，还包括EMC滤波器。

5.根据上述权利要求1所述的电源，还包括连接至所述DC-DC变换器输出端的电容器，所述电容器电容低于0.15uF/W，其中，所述电容器为非电解电容器。

6.根据权利要求1所述的电源，其中，所述控制器用于允许进行所述第四电压水平的动态调整。

7.根据权利要求1所述的电源，其中，所述控制器还用于接收所述场发射光源的光强度信号，并基于该光强度信号控制所述场发射光源发出的光量。

8.根据权利要求7所述的电源，其中，所述控制器还可根据预定的基于时间的光发射曲线调整所述场发射光源发出的光量。

9.根据上述权利要求中任一项所述的电源，其中，所述倍压器包括多对分别设置在所述电源的PCB的两侧的一个或多个二极管和一个或多个电容器，其中，所述PCB包括多处提供给所述二极管和电容器的气隙，用于增强所述二极管和所述电容器之间的电气隔离。

10.一种照明装置，包括：

-场发射光源，包括：

-场发射阴极；

-至少部分覆有荧光粉层的阳极结构，用于接收所述场发射阴极发射的电子；

-真空容器，其内设有场发射阴阳极结构和场发射阴极；及

-根据权利要求1中任一项所述的电源，所述电源连接至所述阳极和所述场发射阴极，用于提供允许电子从所述阴极发射至所述阳极的电压，从而发出光。

11.根据权利要求10所述的照明装置，其中，所述电源集成入所述场发射光源基座内。

12.根据权利要求10所述的照明装置，其中，所述真空容器包括转移少量照明装置发射光量的泵杆，其中，所述电源还包括光传感器，用于接收所述泵杆转移的光。