CN105407619A

CN105407619A - 用于hid灯的启动电路和方法以及hid开关电源系统

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Publication number: CN105407619A
Application number: CN201510990665.6A
Authority: CN
Inventors: 宁志华; 王晨阳
Original assignee: Hangzhou Silan Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Silan Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2016-03-16
Anticipated expiration: 2035-12-24
Also published as: CN105407619B

Abstract

本发明提供了用于HID灯的启动电路和方法以及HID开关电源系统。一种用于HID灯的启动电路可包括分段式功率基准电路，其接收基准信号以及与所述HID灯的电压或电流相关的检测信号并输出分段式功率基准；乘法器，其接收所述HID灯的电压采样信号和电流采样信号，并将所述电压采样信号和所述电流采样信号相乘以提供采样功率；以及误差放大器，其接收所述采样功率和所述分段式功率基准并提供所述采样功率与所述分段式功率基准之间的误差放大信号以控制所述HID灯的功率。本发明还提供了一种HID开关电源系统和一种用于HID灯的启动方法。

Description

用于HID灯的启动电路和方法以及HID开关电源系统

技术领域

本发明属于集成电路设计技术领域，具体涉及用于HID灯的启动电路和方法以及HID开关电源系统。

背景技术

HID(HighIntensityDischarge)灯，即高压气体放电灯，是汞灯、钠灯、金灯、氙灯的统称。HID灯的亮度是传统卤素灯泡的三倍，使用寿命比传统卤素灯泡长10倍。由于HID灯具有亮度高、寿命长等优点，不仅应用于汽车照明设备中，还可应用于消防紧急照明系统、军警野外照明、船舶夜间领航系统、火车头灯照明、工业建筑夜间主要照明、民间轻型手提户外照明等等。

HID灯在工作时的电压和电流并不是恒定的，而是受外界因素影响，其中以温度影响为主。为了保证照明亮度均匀稳定，驱动HID灯的开关电源芯片通常不采用传统的恒压或恒流控制方式，而是采用恒功率控制。在HID的点灯启动过程中，也可以运用功率控制技术，实现快速启动的功能。具体而言，HID灯在工作时两端的电压随温度的升高而增大。在点灯启动过程中，初始阶段由于灯管还未预热，故电压比较低，此时称之为“冷灯”；随着工作时间的积累，灯管温度逐渐上升，HID灯两端电压随之升高，HID灯也由“冷灯”状态进入“热灯”状态。为了保证HID可以快速平稳的启动，通常会使HID灯在处于冷灯状态时以较大的功率进行工作，加快启动过程；当其由冷灯进入热灯状态时，逐渐将功率降至热灯的额定功率，防止HID长时间工作于大功率下导致寿命减少；当HID充分预热以后，使其在额定功率下进行恒功率工作。

传统的HID启动方法是采用时间延迟进行功率控制。如图1所示，以时间为横坐标，以功率为纵坐标。在点灯启动时从0开始计时，刚开始处于冷灯状态，HID在高功率P_H下工作直到时间t₁，随后在t₁～t₂时段内开始降功率过程，当预热一段时间后(到时间t₂)，HID在低功率P_L下恒功率工作。这种方法可以大致反映出HID的启动过程，但一般时间延迟t₁、t₂是预先设定的，系统无法实时判断HID是处于冷灯还是热灯状态。若延迟过长，则启动太慢；若延迟过短，有可能灯没有充分预热而导致点灯失败，故该控制方法存在准确性差、成功率低的缺点。

鉴于上述内容，本领域需要用于HID灯的启动电路及启动方法。

发明内容

本发明提出了用于HID灯的启动电路及启动方法，并给出了启动电路中分段式功率基准模块的原理和电路结构。

根据本发明的一个实施例，一种用于HID灯的启动电路包括：分段式功率基准电路，其接收基准信号以及与所述HID灯的电压或电流相关的检测信号并输出分段式功率基准；乘法器，其接收所述HID灯的电压采样信号和电流采样信号，并将所述电压采样信号和所述电流采样信号相乘以提供采样功率；以及误差放大器，其接收所述采样功率和所述分段式功率基准并提供所述采样功率与所述分段式功率基准之间的误差放大信号以控制所述HID灯的功率。

根据一个方面，所述基准信号包括对应于冷灯的第一基准信号和对应于热灯的第二基准信号，所述第一基准信号小于所述第二基准信号，所述分段式功率基准电路在所述检测信号低于所述第一基准信号时输出第一功率基准，在所述检测信号高于所述第二基准信号时输出第二功率基准，并在所述检测信号高于所述第一基准信号且低于所述第二基准信号时输出在所述第一功率基准与所述第二功率基准之间的功率基准。

根据一个方面，所述基准信号包括第一基准信号和第二基准信号，所述第一基准信号小于所述第二基准信号，所述分段式功率基准电路在所述检测信号低于所述第一基准信号时输出第一功率基准，并在所述检测信号高于所述第一基准信号时输出第二功率基准。

根据一个方面，所述分段式功率基准电路包括：最大值选取电路，其接收所述检测信号和第一基准信号，并输出所述检测信号和第一基准信号中的较大值作为第一中间信号；最小值选取电路，其接收所述第一中间信号和第二基准信号，并输出所述第一中间信号和第二基准信号中的较小值作为第二中间信号；以及减法器，其接收所述第二中间信号和第三基准信号，并输出所述第三基准信号与第二中间信号之差作为所述分段式功率基准，其中所述第一基准信号小于所述第二基准信号，所述第二基准信号小于所述第三基准信号。

根据一个方面，所述分段式功率基准电路包括：最小值选取电路，其接收所述检测信号和第二基准信号，并输出所述检测信号和第二基准信号中的较小值作为第一中间信号；最大值选取电路，其接收所述第一中间信号和第一基准信号，并输出所述第一中间信号和第一基准信号中的较大值作为第二中间信号；以及减法器，其接收所述第二中间信号和第三基准信号，并输出所述第三基准信号与第二中间信号之差作为所述分段式功率基准，其中所述第一基准信号小于所述第二基准信号，所述第二基准信号小于所述第三基准信号。

根据一个方面，所述分段式功率基准电路包括：最小值选取电路，其接收所述检测信号和第一基准信号，并输出所述检测信号和第一基准信号中的较小值作为第一中间信号；以及减法器，其接收所述第一中间信号和第二基准信号，并输出所述第二基准信号与第一中间信号之差作为所述分段式功率基准，其中所述第一基准信号小于所述第二基准信号。

根据一个方面，所述最大值选取电路包括：差分对称结构，其接收两个差分输入并提供所述两个差分输入中的较大值；以及电平转移电路，其接收并提供由所述差分对称结构输出的所述较大值。

根据一个方面，所述差分对称结构包括：第一三极管和第二三极管，其发射极连接在一起；第三三极管，其发射极连接至所述第一三极管的基极，所述第三三极管的基极接收第一差分输入；以及第四三极管，其发射极连接至所述第二三极管的基极，所述第四三极管的基极接收第二差分输入，其中所述第一三极管和第二三极管的发射极输出所述第一差分输入和第二差分输入中的较大值。

根据一个方面，所述电平转移电路包括：第五三极管，其发射极连接至所述第一三极管和第二三极管的发射极以接收所述较大值；以及第六三极管，其发射极连接至所述第五三极管的基极，并且所述第六三极管的基极输出所述较大值。

根据一个方面，所述最大值选取电路包括差分放大器结构，所述差分放大器结构包括：第一级差分放大器，其接收第一差分输入和第二差分输入，并输出所述第一差分输入和第二差分输入中的较大值；以及第二级放大器，其接收并输出所述较大值。

根据一个方面，所述第一级差分放大器包括：第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管，其源极并联至第一电流源，所述第二晶体管和所述第三晶体管的栅极分别接收所述第一差分输入和第二差分输入，所述第二晶体管和所述第三晶体管的漏极连接在一起；与所述第一晶体管串联的第四晶体管以及与所述第二晶体管串联的第五晶体管，其中所述第四晶体管和所述第五晶体管的栅极连接在一起并连接至所述第一晶体管的漏极，其中所述第一晶体管的栅极输出所述第一差分输入和第二差分输入中的较大值。

根据一个方面，所述第二级放大器包括：第二电流源；以及与所述第二电流源串联的第六晶体管，所述第六晶体管的栅极连接至所述第三晶体管的漏极，并且所述第六晶体管的漏极连接至所述第一晶体管的栅极。

根据一个方面，所述差分放大器结构还包括：密勒补偿网络，所述密勒补偿网络包括在所述第六晶体管的漏极与栅极之间串联的电阻和电容。

根据一个方面，所述最小值选取电路包括：差分对称结构，其接收两个差分输入并提供所述两个差分输入中的较小值；以及电平转移电路，其接收并提供由所述差分对称结构输出的所述较小值。

根据一个方面，所述差分对称结构包括：第一三极管和第二三极管，其发射极连接在一起；第三三极管，其发射极连接至所述第一三极管的基极，所述第三三极管的基极接收第一差分输入；以及第四三极管，其发射极连接至所述第二三极管的基极，所述第四三极管的基极接收第二差分输入，其中所述第一三极管和第二三极管的发射极输出所述第一差分输入和第二差分输入中的较小值。

根据一个方面，所述电平转移电路包括：第五三极管，其发射极连接至所述第一三极管和第二三极管的发射极以接收所述较小值；以及第六三极管，其发射极连接至所述第五三极管的基极，并且所述第六三极管的基极输出所述较小值。

根据一个方面，所述最小值选取电路包括差分放大器结构，所述差分放大器结构包括：第一级差分放大器，其接收第一差分输入和第二差分输入，并输出所述第一差分输入和第二差分输入中的较小值；以及第二级放大器，其接收并输出所述较小值。

根据一个方面，所述第一级差分放大器包括：第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管，其源极并联至第一电流源，所述第二晶体管和所述第三晶体管的栅极分别接收所述第一差分输入和第二差分输入，所述第二晶体管和所述第三晶体管的漏极连接在一起；与所述第一晶体管串联的第四晶体管以及与所述第二晶体管串联的第五晶体管，其中所述第四晶体管和所述第五晶体管的栅极连接在一起并连接至所述第一晶体管的漏极，其中所述第一晶体管的栅极输出所述第一差分输入和第二差分输入中的较小值。

根据本发明的另一个实施例，一种HID开关电源系统包括连接至HID灯的启动电路；功率变换器，所述功率变换器接收输入电压并向所述HID灯提供功率；以及PWM控制器，所述PWM控制器提供PWM信号以调节所述功率变换器提供给所述HID灯的功率，其中所述启动电路包括：分段式功率基准电路，其接收基准信号以及与所述HID灯的电压或电流相关的检测信号并输出分段式功率基准；乘法器，其接收所述HID灯的电压采样信号和电流采样信号，并将所述电压采样信号和所述电流采样信号相乘以提供采样功率；以及误差放大器，其接收所述采样功率和所述分段式功率基准并提供所述采样功率与所述分段式功率基准之间的误差放大信号给所述PWM控制器以控制所述HID灯的功率。

根据一个方面，所述开关电源系统还包括与所述HID灯并联的分压电阻网络以提供所述检测信号和所述电压采样信号，以及与所述HID灯串联的采样电阻以提供所述电流采样信号。

根据一个方面，所述开关电源系统还包括连接至所述HID灯的变压器和启辉器。

根据本发明的另一个实施例，一种用于HID灯的启动方法包括：接收基准信号以及与所述HID灯的电压或电流相关的检测信号并输出分段式功率基准；接收所述HID灯的电压采样信号和电流采样信号，并将所述电压采样信号和所述电流采样信号相乘以提供采样功率；以及接收所述采样功率和所述分段式功率基准并提供所述采样功率与所述分段式功率基准之间的误差放大信号以控制所述HID灯的功率。

根据一个方面，该方法还包括接收输入电压并向所述HID灯提供功率；以及基于所述误差放大信号提供PWM信号以控制所述HID灯的功率。

根据一个方面，所述基准信号包括对应于冷灯的第一基准信号和对应于热灯的第二基准信号，所述第一基准信号小于所述第二基准信号，其中在所述检测信号低于所述第一基准信号时输出第一功率基准，在所述检测信号高于所述第二基准信号时输出第二功率基准，并在所述检测信号高于所述第一基准信号且低于所述第二基准信号时输出在所述第一功率基准与所述第二功率基准之间的功率基准。

根据一个方面，所述基准信号包括第一基准信号和第二基准信号，所述第一基准信号小于所述第二基准信号，其中在所述检测信号低于所述第一基准信号时输出第一功率基准，并在所述检测信号高于所述第一基准信号时输出第二功率基准。

根据一个方面，该方法还包括：接收所述检测信号和第一基准信号，并输出所述检测信号和第一基准信号中的较大值作为第一中间信号；接收所述第一中间信号和第二基准信号，并输出所述第一中间信号和第二基准信号中的较小值作为第二中间信号；以及接收所述第二中间信号和第三基准信号，并输出所述第三基准信号与第二中间信号之差作为所述分段式功率基准，其中所述第一基准信号小于所述第二基准信号，所述第二基准信号小于所述第三基准信号。

根据一个方面，该方法还包括：接收所述检测信号和第二基准信号，并输出所述检测信号和第二基准信号中的较小值作为第一中间信号；接收所述第一中间信号和第一基准信号，并输出所述第一中间信号和第一基准信号中的较大值作为第二中间信号；以及接收所述第二中间信号和第三基准信号，并输出所述第三基准信号与第二中间信号之差作为所述分段式功率基准，其中所述第一基准信号小于所述第二基准信号，所述第二基准信号小于所述第三基准信号。

根据一个方面，该方法还包括：接收所述检测信号和第一基准信号，并输出所述检测信号和第一基准信号中的较小值作为第一中间信号；以及接收所述第一中间信号和第二基准信号，并输出所述第二基准信号与第一中间信号之差作为所述分段式功率基准，其中所述第一基准信号小于所述第二基准信号。

如上，本发明利用HID灯的电压或电流随温度升高而上升的特点，通过检测HID灯的电压或电流并产生检测信号，可以准确判定其冷热状态，并由分段式功率基准电路产生相应的功率基准，控制系统输出功率变化。在冷灯时采用大功率驱动，可使HID快速预热；之后随着灯温上升，与HID灯的电压或电流相关的检测信号也跟着上升，系统控制输出功率随检测信号上升而减小，将输出功率由冷灯启动时的大功率平滑降至热灯工作的额定功率；当HID进入热灯状态后采用恒功率输出，保证灯光亮度稳定。本发明实现了HID的启动功能，并克服了传统启动方法准确性差、成功率低的缺点。

附图说明

图1为根据现有技术的一种传统功率控制时序图；

图2为根据本发明一实施例的HID开关电源系统中的启动电路的示意图；

图3为根据本发明一实施例的HID启动电路中的分段式功率基准电路的示意图；

图4为根据本发明一实施例的HID启动时序图；

图5为根据本发明另一实施例的HID启动电路中的分段式功率基准电路的示意图；

图6为根据本发明一实施例的分段式功率基准电路中的最大值选取电路的示意图；

图7为根据本发明另一实施例的分段式功率基准电路中的最大值选取电路的示意图；

图8为根据本发明一实施例的分段式功率基准电路中的最小值选取电路及减法器的示意图；

图9为根据本发明一实施例的分段式功率基准电路中的最小值选取电路的示意图；以及

图10为根据本发明另一实施例的分段式功率基准电路中的最小值选取电路的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图2为根据本发明一实施例的HID开关电源系统中的启动电路的示意图。如图2所示，该HID开关电源系统可包括启动电路210、PWM控制器220、功率变换器222、全桥驱动器224、全桥开关M₁～M₄、变压器T₁、启辉器D₁、HID灯230、以及分压电阻网络R₁～R₄。根据一个实施例，功率变换器222(例如，DC-DC变换器)接收输入电压V_i，并在PWM控制器220的控制下提供需要的输出功率P_O至负载(例如，HID灯230)。全桥驱动器224为负载端的全桥开关M₁～M₄提供栅极驱动信号，以控制开关M₁～M₄的导通和关断。例如，在启动时，启辉器D₁处于关闭状态，全桥驱动器224使开关M₁-M₂导通并且使M₃-M₄关断，功率变换器222输出的功率P_O使变压器T₁及C₁充电，启辉器D₁两端的电压升高直至达到预定阈值后击穿，变压器T₁产生高压冲击以点亮HID灯230。随后在操作中，全桥驱动器224可以控制M₁-M₂与M₃-M₄轮流导通，使HID灯230的电流方向周期性地变换，从而延长HID灯230工作寿命。虽然本发明以采用PWM调制和全桥开关的HID开关电源驱动电路作为示例进行说明并描绘了HID灯230的具体电路连接示意图，但本领域技术人员应理解，本发明的启动电路和启动方法可以应用于其他HID系统，并且HID灯230可按任何其他合适的方式进行连接。

根据本发明，利用HID灯在工作时的电压或电流随温度升高而增大的特点，启动电路210可检测HID灯的电压或电流，判断其冷热状态，相应地产生不同的功率基准P_ref，并将负载(HID灯)230的采样功率P_s与功率基准P_ref之间的误差放大信号V_COMP提供给PWM控制器220。PWM控制器220用于进行环路调制，其根据该误差放大信号V_COMP产生一定占空比的PWM信号传递给开关型功率变换器222，从而控制传递至HID灯230的功率P_O。HID灯230的采样功率P_s经开关电源中PWM控制器220的环路调制后稳定在功率基准值P_ref上，使HID灯230在相应的功率下工作。以下详细描述根据本发明一实施例的启动电路210的结构和操作。

如图2所示，启动电路210可包括：分段式功率基准电路212、乘法器214、以及误差放大器216。在一个实施例中，HID灯230可与分压电阻网络R₁～R₄并联，其中分压电阻R₁、R₂生成与HID灯230的电压或电流相关的检测信号V_lamp(例如，输出电压V_O的分压信号)，分压电阻R₃、R₄生成输出电压V_O的电压采样信号V_S(例如，输出电压V_O的另一分压信号)。另外，HID灯230可与采样电阻R_S串联，HID灯230的电流I_O被采样电阻R_S采样得到电流采样信号I_S(其可以是电压信号的形式)。在实践中也可以使用其他测量方法来生成与HID灯230的电压或电流相关的检测信号V_lamp、电压采样信号V_S、和电流采样信号I_S。

分段式功率基准电路212可接收HID灯230的检测信号V_lamp，并基于检测信号V_lamp与基准信号(对应于冷灯的V_ref1、对应于热灯的V_ref2)的比较来生成分段式功率基准P_ref。乘法器214接收电压采样信号V_S和电流采样信号I_S并提供采样功率P_S。误差放大器216接收分段式功率基准P_ref和采样功率P_S并提供采样功率P_S与分段式功率基准P_ref之间的误差放大信号V_COMP以控制提供给所述HID灯230的功率P_O。如上所述，PWM控制器220可根据该误差放大信号V_COMP来调整提供给功率变换器222的PWM信号的占空比，从而控制从输入电压V_i传递至HID灯230的功率P_O。

在一个实施例中，对提供给HID灯230的输出电压V_O进行采样(例如，V_O经分压电阻R₃、R₄进行分压)得到电压采样信号V_S，对HID灯230的输出电流I_O进行采样(例如，I_O流过采样电阻Rs)得到电流采样信号I_S，其中V_S和I_S作为乘法器214的输入信号。假定乘法器214的放大系数为k，则有：

P_S＝k·V_S·I_S

V_{S} = \frac{R_{4}}{R_{3} + R_{4}} \cdot V_{O}

I_S＝I_O·R_S

故采样功率P_S为：

P_{S} = k \cdot \frac{R_{S} \cdot R_{4}}{R_{3} + R_{4}} \cdot V_{O} \cdot I_{O} = k \cdot \frac{R_{S} \cdot R_{4}}{R_{3} + R_{4}} \cdot P_{O}

乘法器214输出P_S，P_S代表输出功率P_O的采样信号，在电路中实际上是一个电压信号，其输入至误差放大器(EA)216。假设冷灯时将输出功率设定为P_cold，热灯时为P_hot，则分段式功率基准电路212所要产生的冷灯功率基准值P_{ref_cold}应为：

P_{r e f_c o l d} = k \cdot \frac{R_{S} \cdot R_{4}}{R_{3} + R_{4}} \cdot P_{c o l d}

热灯功率基准值P_{ref_hot}应为：

P_{r e f_h o t} = k \cdot \frac{R_{S} \cdot R_{4}}{R_{3} + R_{4}} \cdot P_{h o t}

以下结合图3和图4更详细地描述分段式功率基准电路212的结构和操作。图3为根据本发明一实施例的HID启动电路中的分段式功率基准电路212的示意图。图4为根据本发明一实施例的HID启动时序图。如图3所示，分段式功率基准电路212可包括最大值选取电路302、最小值选取电路304、以及减法器306。

利用与HID灯电压或电流相关的检测信号V_lamp随温度升高而上升的特性，最大值选取电路302将V_lamp与对应于冷灯的基准信号V_ref1比较，选取二者中的较大值作为其输出电压V₁；同理，最小值选取电路304将V₁与对应于热灯的基准信号V_ref2(V_ref2>V_ref1)比较，选取二者中的较小值作为其输出电压V₂；减法器306用基准信号V_ref3(V_ref3>V_ref2)减去V₂，最终产生如图3所示的分段式功率基准曲线P_ref。

由图3可知，HID灯230在刚启动时由于灯温较低(V_lamp<V_ref1)，处于冷灯状态，最大值选取电路302将选择V_ref1，最小值选取电路304将选择V_ref1，减法器306输出V_ref3-V_ref1，此时功率基准将恒定在P_{ref_cold}上，对应较高的输出功率P_cold(参见图4)，从而加快预热过程；随着灯温上升(V_ref1<V_lamp<V_ref2)，HID灯230由冷灯状态过渡至热灯状态，最大值选取电路302将选择V_lamp，最小值选取电路304将选择V_lamp，减法器306输出V_ref3-V_lamp，因此随着V_lamp增大，P_ref逐渐减小，即从P_{ref_cold}逐渐降至P_{ref_hot}，输出功率也逐步降至P_hot(参见图4)，以防止HID灯230长时间工作于大功率下而导致寿命减少；当HID灯230进入热灯状态后(V_lamp>V_ref2)，最大值选取电路302将选择V_lamp，最小值选取电路304将选择V_ref2，减法器306输出V_ref3-V_ref2，从而P_ref恒定在P_{ref_hot}上，对应恒定的输出功率P_hot(参见图4)，从而保证HID灯230的亮度稳定。据此，分段式功率基准电路212可产生如图3所示的分段式功率基准P_ref，P_ref在冷灯状态时恒定在高压值，当灯温从冷灯过渡到热灯时逐渐降低，而在热灯状态时恒定在低压值。各基准信号可满足：

V_{r e f 3} - V_{r e f 1} = P_{r e f_c o l d} = k \cdot \frac{R_{S} \cdot R_{4}}{R_{3} + R_{4}} \cdot P_{c o l d}

V_{r e f 3} - V_{r e f 2} = P_{r e f_h o t} = k \cdot \frac{R_{S} \cdot R_{4}}{R_{3} + R_{4}} \cdot P_{h o t}

由此，通过恰当地选择基准信号V_ref1、V_ref2和V_ref3，就能达成所设定的冷灯输出功率P_cold和热灯输出功率P_hot。另外，最大值选取电路302和最小值选取电路304的位置可以交换，从而最小值选取电路304将V_lamp与基准信号V_ref2比较，选取二者中的较小值作为其输出电压V₁；最大值选取电路302将V₁与基准信号V_ref1比较，选取二者中的较大值作为其输出电压V₂；减法器306用基准信号V_ref3减去V₂，同样最终产生如图3所示的分段式功率基准曲线P_ref。本领域技术人员还可以采用其他电路结构和方法来在V_lamp低于V_ref1时输出第一功率基准P_{ref_cold}，在V_lamp高于V_ref2时输出第二功率基准P_{ref_hot}，并在V_lamp高于V_ref1且低于V_ref2时输出P_{ref_cold}与P_{ref_hot}之间的功率基准(例如，随着V_lamp从V_ref1增大到V_ref2，功率基准从P_{ref_cold}减小到P_{ref_hot})。

图5为根据本发明另一实施例的HID启动电路中的分段式功率基准电路212的示意图。如图4所示，分段式功率基准电路212可包括最小值选取电路304、以及减法器306。最小值选取电路304将V_lamp与对应于热灯的基准信号V_ref1比较，选取二者中的较小值作为其输出电压V₂；减法器306用基准信号V_ref2(V_ref2>V_ref1)减去V₂，最终产生如图5所示的分段式功率基准曲线P_ref。由图5可知，HID灯230在刚启动时由于灯温较低(V_lamp<V_ref1)，处于冷灯状态，最小值选取电路304将选择V_lamp，减法器306输出V_ref2–V_lamp，因此随着V_lamp增大，P_ref逐渐减小，即从P_{ref_cold}逐渐降至P_{ref_hot}，输出功率也逐步降至P_hot，以防止HID灯230长时间工作于大功率下而导致寿命减少；当HID灯230进入热灯状态后(V_lamp>V_ref1)，最小值选取电路304将选择V_ref1，减法器306输出V_ref2-V_ref1，从而P_ref恒定在P_{ref_hot}上，对应恒定的输出功率P_hot，从而保证HID灯230的亮度稳定。据此，分段式功率基准电路212可产生如图5所示的分段式功率基准P_ref，P_ref在灯温从冷灯过渡到热灯时逐渐降低，而在热灯状态时恒定在低压值。

图6为根据本发明一实施例的分段式功率基准电路中的最大值选取电路的示意图。该最大值选取电路可从两个输入电压V_i1、V_i2(例如，V_lamp和V_ref1)中挑选出较大者作为输出电压V_MAX，其工作原理如下：三极管Q₁与Q₂、Q₃与Q₄、电阻R₅与R₆分别为尺寸相同的匹配器件，形成差分对称结构(其差分输入端分别接收两个差分输入信号V_i1、V_i2)；Q₁与Q₂的源极电位相同，假设V_i1>V_i2，Q₃与Q₄将输入电压V_i1、V_i2均抬升了V_be的大小，则Q₁与Q₂的基极电位满足V_b1>V_b2；此时Q₁基极驱动能力强于Q₂，故Q₁导通且Q₂关断，Q₁与Q₂的发射极电压V_e比V_b1低V_be，从而V_e＝V_b1-V_be＝V_i1；Q5、Q6组成电平转移电路，对V_e进行电压升降，用以将电压V_e传递至输出电压V_MAX。输出电压V_MAX是在V_e上由Q5抬升一个V_be5电压值，再由Q6降低一个V_eb6电压值，故与V_e相等，有V_MAX＝V_e＝V_i1。反之，当V_i1<V_i2时，V_MAX＝V_e＝V_i2。综上可知，最大值选取电路的输出电压V_MAX为：

V_MAX＝max{V_i1,V_i2}

上述电路中，Q₃～Q₆均只起到电压升降的作用，可视实际情况增减。

图7为根据本发明另一实施例的最大值选取电路的示意图。该最大值选取电路整体上为一个差分放大器结构，M₁与M₂或M₃、M₄与M₅均尺寸相同、版图匹配，形成第一级差分放大器。M₁、M₂、M₃的源极并联至电流源I₁，M₂和M₃的栅极分别接收差分输入信号V_p1、V_p2(例如，V_lamp和V_ref1)，M₂和M₃的漏极连接在一起。M₄与M₁串联，M₅与M₂串联，其中M₄和M₅的栅极连接在一起并连接至M₁的漏极。M₆与对应的电流源I₂作为第二级的共源极放大器，其中M₆的栅极连接至M₃的漏极。R₇与C₂形成密勒补偿网络连接在M₆的漏极与栅极之间，保证电路连接成缓冲器结构(V_MAX接至V_n)时有稳定的环路特性。

假设V_p1>V_p2，由于M₂与M₃的源极电压V_S相同，则M2的栅源电压V_gs更大，栅极驱动能力更强，故M₂导通、M₃截止，当电路连接成缓冲器结构时，V_n和V_MAX被运放环路稳定在V_p1上。若V_p1<V_p2同理，V_n和V_MAX被运放环路稳定在V_p2上。可知缓冲器结构下的输出电压为：

V_MAX＝max{V_p1,V_p2}

图8为根据本发明一实施例的分段式功率基准电路中的最小值选取电路及减法器的示意图。该最小值选取电路可从两个输入电压V_p1、V_p2(例如，图3中的V₁、V_ref2或图5中的V_lamp、V_ref1)中选取较小值，当该电路连接成缓冲器结构时，有：

V_n＝min{V_p1,V_p2}

V_n加至电阻R₉两端转化为电流量，V_minus(例如，V_ref3)也被运放钳位在R₁₀上转化为电流，各自经过电流镜(例如，1:m1的第一电流镜、1:m2的第二电流镜、m3:1的第三电流镜)拷贝/缩放，在减法器的输出端汇在一起做差值运算，多余的电流流过R₈产生输出电压P_ref，作为功率基准。故有：

P_{r e f} = [\frac{V_{\min u s}}{R_{10}} \cdot m_{3} - \frac{\min {V_{p 1}, V_{p 2}}}{R_{9}} \cdot m_{1} \cdot m_{2}] \cdot R_{8}

图9为根据本发明一实施例的分段式功率基准电路中的最小值选取电路的示意图。该最小值选取电路可从两个输入电压V_i1、V_i2(例如，图3中的V₁和V_ref2，或者图5中的V_lamp和V_ref1)中挑选出较小者作为输出电压V_MIN，其工作原理如下：三极管Q₁与Q₂、Q₃与Q₄、电阻R₅与R₆分别为尺寸相同的匹配器件，形成差分对称结构(其差分输入端分别接收两个差分输入信号V_i1、V_i2)；Q₁与Q₂的源极电位相同，假设V_i1>V_i2，Q₃与Q₄将输入电压V_i1、V_i2均降低了V_be的大小，则Q₁与Q₂的基极电位满足V_b1>V_b2；此时Q₂基极驱动能力强于Q₁，故Q₂导通且Q₁关断，Q₁与Q₂的发射极电压V_e比V_b2高V_be，从而V_e＝V_b2+V_be＝V_i2；Q5、Q6组成电平转移电路，对V_e进行电压升降，用以将电压V_e传递至输出电压V_MIN。输出电压V_MIN是在V_e上由Q5降低一个V_be5电压值，再由Q6抬升一个V_eb6电压值，故与V_e相等，有V_MIN＝V_e＝V_i2。反之，当V_i1<V_i2时，V_MIN＝V_e＝V_i1。综上可知，最小值选取电路的输出电压V_MIN为：

V_MIN＝min{V_i1,V_i2}

图10为根据本发明另一实施例的最小值选取电路的示意图。区别于最大值选取电路的原理，最小值选取电路除了要实现最小值选取功能，还优选具有足够的输出驱动能力。该最小值选取电路整体上为一个差分放大器结构，M₁与M₂或M₃、M₄与M₅均尺寸相同、版图匹配，形成第一级差分放大器。M₁、M₂、M₃的源极并联至电流源I₁，M₂和M₃的栅极分别接收差分输入信号V_p1、V_p2(例如，图3中的V₁和V_ref2，或者图5中的V_lamp和V_ref1)，M₂和M₃的漏极连接在一起。M₄与M₁串联，M₅与M₂串联，其中M₄和M₅的栅极连接在一起并连接至M₁的漏极。M₆与对应的电流源I₂作为第二级的共源极放大器，并具有足够的拉灌电流能力，其中M₆的栅极连接至M₃的漏极。R₇与C₂形成密勒补偿网络连接在M₆的漏极与栅极之间，保证电路连接成缓冲器结构(V_MIN接至V_n)时有稳定的环路特性。

假设V_p1>V_p2，由于M₂与M₃的源极电压V_S相同，则M3的源栅电压V_sg更大，栅极驱动能力更强，故M₃导通、M₂截止，当电路连接成缓冲器结构时，V_n和V_MIN被运放环路稳定在V_p2上。若V_p1<V_p2同理，V_n和V_MIN被运放环路稳定在V_p1上。可知缓冲器结构下的输出电压为：

V_MIN＝min{V_p1,V_p2}

本发明提出的最大值选取电路、带驱动能力的最小值选取电路、减法器均旨在表达不同应用条件下，实现最值选取功能的电路设计方法，其具体结构可以根据应用而做灵活改动。比如将图5中的npn型三极管Q₁、Q₂替换成pnp型，偏置电流、电阻亦作相应结构调整，即可实现最小值选取电路；图7中M1、M2改为NMOS管，辅助线路与偏置电流也做相应调整，即可实现带驱动能力的最大值选取电路。本领域技术人员也可以设计和使用其他合适的最大值选取电路、最小值选取电路结构、减法器。在此基础上，可将最大值选取电路、最小值选取电路与减法器等基本电路模块作合理地组合，即可实现期望的分段式基准功能。

如上，本发明利用HID灯压随温度升高而上升的特点，通过检测HID灯压，可以准确判定其冷热状态，并由分段式功率基准电路产生相应的功率基准，控制系统输出功率变化。本发明的启动电路在启动过程中实时监测HID灯压，根据其冷热状态进行功率控制，保证开关电源快速、稳定地点亮HID灯管。分段式功率基准模块利用HID灯压随温度升高而上升的特点，产生分段式的输出电压值，作为误差放大器的基准，实现HID由冷灯到热灯所经历的功率变化过程。在冷灯时采用大功率驱动，可使HID快速预热；之后随着灯温上升，灯压也跟着上升，系统控制输出功率随灯压上升而减小，将输出功率由冷灯启动时的大功率平滑降至热灯工作的额定功率；当HID进入热灯状态后采用恒功率输出，保证灯光亮度稳定。本发明实现了HID的启动功能，并克服了传统启动方法准确性差、成功率低的缺点。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于HID灯的启动电路，其特征在于，包括：

分段式功率基准电路，其接收基准信号以及与所述HID灯的电压或电流相关的检测信号并输出分段式功率基准；

乘法器，其接收所述HID灯的电压采样信号和电流采样信号，并将所述电压采样信号和所述电流采样信号相乘以提供采样功率；以及

误差放大器，其接收所述采样功率和所述分段式功率基准并提供所述采样功率与所述分段式功率基准之间的误差放大信号以控制所述HID灯的功率。

2.如权利要求1所述的启动电路，其特征在于，所述基准信号包括对应于冷灯的第一基准信号和对应于热灯的第二基准信号，所述第一基准信号小于所述第二基准信号，所述分段式功率基准电路在所述检测信号低于所述第一基准信号时输出第一功率基准，在所述检测信号高于所述第二基准信号时输出第二功率基准，并在所述检测信号高于所述第一基准信号且低于所述第二基准信号时输出在所述第一功率基准与所述第二功率基准之间的功率基准。

3.如权利要求1所述的启动电路，其特征在于，所述基准信号包括第一基准信号和第二基准信号，所述第一基准信号小于所述第二基准信号，所述分段式功率基准电路在所述检测信号低于所述第一基准信号时输出第一功率基准，并在所述检测信号高于所述第一基准信号时输出第二功率基准。

4.如权利要求1所述的启动电路，其特征在于，所述分段式功率基准电路包括：

最大值选取电路，其接收所述检测信号和第一基准信号，并输出所述检测信号和第一基准信号中的较大值作为第一中间信号；

最小值选取电路，其接收所述第一中间信号和第二基准信号，并输出所述第一中间信号和第二基准信号中的较小值作为第二中间信号；以及

减法器，其接收所述第二中间信号和第三基准信号，并输出所述第三基准信号与第二中间信号之差作为所述分段式功率基准，其中所述第一基准信号小于所述第二基准信号，所述第二基准信号小于所述第三基准信号。

5.如权利要求1所述的启动电路，其特征在于，所述分段式功率基准电路包括：

最小值选取电路，其接收所述检测信号和第二基准信号，并输出所述检测信号和第二基准信号中的较小值作为第一中间信号；

最大值选取电路，其接收所述第一中间信号和第一基准信号，并输出所述第一中间信号和第一基准信号中的较大值作为第二中间信号；以及

6.如权利要求1所述的启动电路，其特征在于，所述分段式功率基准电路包括：

最小值选取电路，其接收所述检测信号和第一基准信号，并输出所述检测信号和第一基准信号中的较小值作为第一中间信号；以及

减法器，其接收所述第一中间信号和第二基准信号，并输出所述第二基准信号与第一中间信号之差作为所述分段式功率基准，其中所述第一基准信号小于所述第二基准信号。

7.如权利要求4或5所述的启动电路，其特征在于，所述最大值选取电路包括：

差分对称结构，其接收两个差分输入并提供所述两个差分输入中的较大值；以及

电平转移电路，其接收并提供由所述差分对称结构输出的所述较大值。

8.如权利要求7所述的启动电路，其特征在于，所述差分对称结构包括：

第一三极管和第二三极管，其发射极连接在一起；

第三三极管，其发射极连接至所述第一三极管的基极，所述第三三极管的基极接收第一差分输入；以及

第四三极管，其发射极连接至所述第二三极管的基极，所述第四三极管的基极接收第二差分输入，其中所述第一三极管和第二三极管的发射极输出所述第一差分输入和第二差分输入中的较大值。

9.如权利要求8所述的启动电路，其特征在于，所述电平转移电路包括：

第五三极管，其发射极连接至所述第一三极管和第二三极管的发射极以接收所述较大值；以及

第六三极管，其发射极连接至所述第五三极管的基极，并且所述第六三极管的基极输出所述较大值。

10.如权利要求4或5所述的启动电路，其特征在于，所述最大值选取电路包括差分放大器结构，所述差分放大器结构包括：

第一级差分放大器，其接收第一差分输入和第二差分输入，并输出所述第一差分输入和第二差分输入中的较大值；以及

第二级放大器，其接收并输出所述较大值。

11.如权利要求10所述的启动电路，其特征在于，所述第一级差分放大器包括：

第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管，其源极并联至第一电流源，所述第二晶体管和所述第三晶体管的栅极分别接收所述第一差分输入和第二差分输入，所述第二晶体管和所述第三晶体管的漏极连接在一起；

与所述第一晶体管串联的第四晶体管以及与所述第二晶体管串联的第五晶体管，其中所述第四晶体管和所述第五晶体管的栅极连接在一起并连接至所述第一晶体管的漏极，其中所述第一晶体管的栅极输出所述第一差分输入和第二差分输入中的较大值。

12.如权利要求11所述的启动电路，其特征在于，所述第二级放大器包括：

第二电流源；以及

与所述第二电流源串联的第六晶体管，所述第六晶体管的栅极连接至所述第三晶体管的漏极，并且所述第六晶体管的漏极连接至所述第一晶体管的栅极。

13.如权利要求12所述的启动电路，其特征在于，所述差分放大器结构还包括：

密勒补偿网络，所述密勒补偿网络包括在所述第六晶体管的漏极与栅极之间串联的电阻和电容。

14.如权利要求4至6中任一项所述的启动电路，其特征在于，所述最小值选取电路包括：

差分对称结构，其接收两个差分输入并提供所述两个差分输入中的较小值；以及

电平转移电路，其接收并提供由所述差分对称结构输出的所述较小值。

15.如权利要求14所述的启动电路，其特征在于，所述差分对称结构包括：

第一三极管和第二三极管，其发射极连接在一起；

第四三极管，其发射极连接至所述第二三极管的基极，所述第四三极管的基极接收第二差分输入，其中所述第一三极管和第二三极管的发射极输出所述第一差分输入和第二差分输入中的较小值。

16.如权利要求15所述的启动电路，其特征在于，所述电平转移电路包括：

第五三极管，其发射极连接至所述第一三极管和第二三极管的发射极以接收所述较小值；以及

第六三极管，其发射极连接至所述第五三极管的基极，并且所述第六三极管的基极输出所述较小值。

17.如权利要求4至6中任一项所述的启动电路，其特征在于，所述最小值选取电路包括差分放大器结构，所述差分放大器结构包括：

第一级差分放大器，其接收第一差分输入和第二差分输入，并输出所述第一差分输入和第二差分输入中的较小值；以及

第二级放大器，其接收并输出所述较小值。

18.如权利要求17所述的启动电路，其特征在于，所述第一级差分放大器包括：

与所述第一晶体管串联的第四晶体管以及与所述第二晶体管串联的第五晶体管，其中所述第四晶体管和所述第五晶体管的栅极连接在一起并连接至所述第一晶体管的漏极，其中所述第一晶体管的栅极输出所述第一差分输入和第二差分输入中的较小值。

19.如权利要求18所述的启动电路，其特征在于，所述第二级放大器包括：

第二电流源；以及

20.如权利要求19所述的启动电路，其特征在于，所述差分放大器结构还包括：

21.一种HID开关电源系统，包括：

连接至HID灯的启动电路；

功率变换器，所述功率变换器接收输入电压并向所述HID灯提供功率；以及

PWM控制器，所述PWM控制器提供PWM信号以调节所述功率变换器提供给所述HID灯的功率，

其中所述启动电路包括：

误差放大器，其接收所述采样功率和所述分段式功率基准并提供所述采样功率与所述分段式功率基准之间的误差放大信号给所述PWM控制器以控制所述HID灯的功率。

22.如权利要求21所述的开关电源系统，其特征在于，所述分段式功率基准电路包括：

23.如权利要求21所述的开关电源系统，其特征在于，所述分段式功率基准电路包括：

24.如权利要求21所述的开关电源系统，其特征在于，所述分段式功率基准电路包括：

25.如权利要求22或23所述的开关电源系统，其特征在于，所述最大值选取电路包括：

26.如权利要求25所述的开关电源系统，其特征在于，所述差分对称结构包括：

第一三极管和第二三极管，其发射极连接在一起；

27.如权利要求26所述的开关电源系统，其特征在于，所述电平转移电路包括：

28.如权利要求22或23所述的开关电源系统，其特征在于，所述最大值选取电路包括差分放大器结构，所述差分放大器结构包括：

第二级放大器，其接收并输出所述较大值。

29.如权利要求28所述的开关电源系统，其特征在于，所述第一级差分放大器包括：

30.如权利要求29所述的开关电源系统，其特征在于，所述第二级放大器包括：

第二电流源；以及

31.如权利要求30所述的开关电源系统，其特征在于，所述差分放大器结构还包括：

32.如权利要求22至24中任一项所述的开关电源系统，其特征在于，所述最小值选取电路包括：

33.如权利要求32所述的开关电源系统，其特征在于，所述差分对称结构包括：

第一三极管和第二三极管，其发射极连接在一起；

34.如权利要求33所述的开关电源系统，其特征在于，所述电平转移电路包括：

35.如权利要求22至24中任一项所述的开关电源系统，其特征在于，所述最小值选取电路包括差分放大器结构，所述差分放大器结构包括：

第二级放大器，其接收并输出所述较小值。

36.如权利要求35所述的开关电源系统，其特征在于，所述第一级差分放大器包括：

37.如权利要求36所述的开关电源系统，其特征在于，所述第二级放大器包括：

第二电流源；以及

38.如权利要求37所述的开关电源系统，其特征在于，所述差分放大器结构还包括：

39.如权利要求21所述的开关电源系统，其特征在于，还包括与所述HID灯并联的分压电阻网络以提供所述检测信号和所述电压采样信号，以及与所述HID灯串联的采样电阻以提供所述电流采样信号。

40.如权利要求21所述的开关电源系统，其特征在于，还包括连接至所述HID灯的变压器和启辉器。

41.一种用于HID灯的启动方法，其特征在于，包括：

接收基准信号以及与所述HID灯的电压或电流相关的检测信号并输出分段式功率基准；

接收所述HID灯的电压采样信号和电流采样信号，并将所述电压采样信号和所述电流采样信号相乘以提供采样功率；以及

接收所述采样功率和所述分段式功率基准并提供所述采样功率与所述分段式功率基准之间的误差放大信号以控制所述HID灯的功率。

42.如权利要求41所述的启动方法，其特征在于，还包括：

接收输入电压并向所述HID灯提供功率；

基于所述误差放大信号提供PWM信号以控制所述HID灯的功率。

43.如权利要求41所述的启动方法，其特征在于，所述基准信号包括对应于冷灯的第一基准信号和对应于热灯的第二基准信号，所述第一基准信号小于所述第二基准信号，其中在所述检测信号低于所述第一基准信号时输出第一功率基准，在所述检测信号高于所述第二基准信号时输出第二功率基准，并在所述检测信号高于所述第一基准信号且低于所述第二基准信号时输出在所述第一功率基准与所述第二功率基准之间的功率基准。

44.如权利要求41所述的启动方法，其特征在于，所述基准信号包括第一基准信号和第二基准信号，所述第一基准信号小于所述第二基准信号，其中在所述检测信号低于所述第一基准信号时输出第一功率基准，并在所述检测信号高于所述第一基准信号时输出第二功率基准。

45.如权利要求41所述的启动方法，其特征在于，还包括：

接收所述检测信号和第一基准信号，并输出所述检测信号和第一基准信号中的较大值作为第一中间信号；

接收所述第一中间信号和第二基准信号，并输出所述第一中间信号和第二基准信号中的较小值作为第二中间信号；以及

接收所述第二中间信号和第三基准信号，并输出所述第三基准信号与第二中间信号之差作为所述分段式功率基准，其中所述第一基准信号小于所述第二基准信号，所述第二基准信号小于所述第三基准信号。

46.如权利要求41所述的启动方法，其特征在于，还包括：

接收所述检测信号和第二基准信号，并输出所述检测信号和第二基准信号中的较小值作为第一中间信号；

接收所述第一中间信号和第一基准信号，并输出所述第一中间信号和第一基准信号中的较大值作为第二中间信号；以及

47.如权利要求41所述的启动方法，其特征在于，还包括：

接收所述检测信号和第一基准信号，并输出所述检测信号和第一基准信号中的较小值作为第一中间信号；以及

接收所述第一中间信号和第二基准信号，并输出所述第二基准信号与第一中间信号之差作为所述分段式功率基准，其中所述第一基准信号小于所述第二基准信号。