CN1401206A - 为电路提供过载保护的设备 - Google Patents

Abstract

提出了一种用于照明控制电路的对电压/电流的过载情况进行保护的方法和设备。该方法由混合的软件和硬件方案组成，从而利用了二者的有用的特点。在硬件中，由数字比较器对过载进行检测，其中用作比较基础的阈值在软件中预先定义。当检测到过载时，通过将计数器使用的脉冲宽度数据的信号源从软件控制改变为存储在多个寄存器中的预定最小值，改变由多个计数器控制的的电路的输出。

Description

为电路提供过载保护的设备

本发明总体涉及为电路提供过载保护的方法和设备。本发明更具体的应用在于保护用于控制电灯的数字镇流器。

荧光高亮度放电(HID)灯通常由电子镇流器控制。镇流器用特定频率的交流方波驱动灯。这样做的原因在于这种灯的物理性质，即电流单一方向连续地通过会对灯产生不好的影响或损坏灯。同样，由于驱动灯的电子镇流器的物理性质和组成，对于能够存在于镇流器和灯两端的电压和能够流过镇流器和灯的电流也有固有的限制。电压超过灯的最大额定电压以及电流超过灯的最大额定电流将损坏灯。这些额定值随着灯的具体类型和耐压而变化。因此，在照明系统的设计中，对过电压和过电流情况的保护是非常重要的。同样，应急保护(即，对极其快速产生的瞬态浪涌的保护)以及灯驱动电路自动关断，或动态减小灯两端的电压以及通过灯的电流的有关性能也是必要的。在镇流器系统中的这些现有的保护措施能够潜在地保护灯和镇流器，以及外部设备。

一般来说，电子镇流器的过载保护是用模拟比较器实现的，其中，包括模拟比较器的过载保护电路与灯硬连接，并且被设计为连续检测灯电压和电流。如果电压或电流值大于设置在比较器中的参考值，比较器将输出信号，从而关断由镇流器产生的开关脉冲，并将不再驱动灯。某些镇流器是以微处理器为基础的。这些基于微处理器的镇流器也可以用模拟比较器检测灯电压或灯电流，并且当出现过载时关断开关信号。

或者，可以将模拟比较器的输出发送到用脉宽调制(PWM)信号驱动灯的微处理器的中央处理单元(CPU)。比较器的输出将激活一个软件程序，该程序将改变PWM模块的设置，关断开关脉冲或减少脉冲切换，以便保证传递到灯的功率足够低，从而消除过流或过压条件。

因此，在本领域目前的情况下，电子镇流器的过载保护是通过模拟电路单独运行或者通过模拟电路作为微处理器的辅助设备运行来实现的；在这两种情况下，检测是通过模拟比较器进行的；在前一种情况下，比较器通过硬件电路产生关断开关脉冲的信号。在后一种情况下，比较器给CPU发出信号，CPU关断驱动灯的开关脉冲或者减小脉冲宽度。

在目前用于为电子镇流器提供过载保护的这两种方法有一些固有的问题。首先将讨论的是使用模拟比较器的纯硬件措施。对镇流器的故障保护来说，使用模拟比较器既不稳定也不可靠。在第一种情况下，保护电路的参数对温度的变化和处理工艺很敏感，其保护所参考的最大电流和最大电压的正常值会变化，因此会有很多麻烦。此外，即使假设可以为使用比较器的电路适当地或者可以接受地校准比较器中的参考电压和参考电流，所得到的保护电路也不是可编程的或者不能在任何其它电路中使用。因此，在模拟纯硬件保护电路中，它将只能用于保护一个特定电压和一个特定电流的限制值。这样的保护电路既不是通用的，在检测中也不是可调的，并且不能用作设计为控制各种灯和灯驱动电路的镇流器的标准部件。

另一方面，使用纯软件措施确实得到了灵活性方面的优点，优点在于保护电路保护的最大电流和最大电压是可编程的。因此，这样的电路可以与各种灯和灯驱动电路一起使用，并且提供了随干扰和可以保护的其它条件改变过载最大值的灵活性。所需要的是根据出现的具体情况(例如，最大电压)对CPU重新编程，从而改变PWM信号，例如，如果在电压过低时过载电路跳闸，则可以方便地改变这些有软件使用的值。硬件措施则需要各种部件变化。

一般在纯软件措施中可以进行的过载判定处理的速度太慢，以至不能在紧急或接近紧急的情况下保护电路。紧急情况指的是在灯的运行中出现严重的电流过载或严重的电压过载，如果要防止损坏灯，保护电路必须立即做出反应。CPU和软件一般占用的时间太长，以至来不及反应。

一般来说，通过模拟硬线路提供的过载保护是不准确的并且是不可改变的。由于必须进行调节且生成新的PWM信号，因此在CPU的软件中提供保护意味着任何过载情况都必须通过CPU进行处理。这样占用的时间太长。

按照以上讨论的结果，在本领域中明显地非常需要这样的用于电灯的过载保护电路，它既可以直接提供软件措施的可编程适应性，又可以提供目前只能通过硬连接的过载保护电路得到的速度。

按照涉及利用软件和硬件的混合措施为电路提供过载保护的设备和方法的思路的本发明，能够克服现有技术的上述不足。在优选实施例中，这种电路被用在通常被用于控制荧光灯的使用半桥功率变换器控制电照明的数字镇流器中。可以将本发明方便地推广到用于控制HID灯的全桥功率变换器中。在这两种情况下，驱动输出都是交流脉冲链。

在优选实施例中，PWM信号由存储在两个寄存器之一中的值来确定。在正常运行期间，使用第一个寄存器中的值。在过载的情况下，不向CPU软件发出调节PWM的信号，而利用硬件数字传感器直接使系统使用第二个寄存器中的值来调节PWM信号。这样，调节PWM信号处理过载，没有CPU处理过载所需要的延时。虽然如此，由于通过改变控制PWM信号的数字值来处理过载情况，软件措施的适应性依然保持，因为情况改变只需要在过载寄存器或数字传感器中存储不同的值。

实际上，在过载运行期间通过硬件逻辑门和存储的数据指定并且生成脉冲链，其它情况通过软件指令处理。

以下将利用附图描述本发明的实施例。在附图中：

图1示出了示范性的用于控制电灯的标准数字镇流器系统的结构；

图2描述了示范性的，按照增加了本发明的附加过压和过流保护部件和电路的镇流器系统的PWM和DLSP模块的框图；以及

图3示出了按照本发明的方法消除电灯中的电流/电压过载情况。

为了说明起见，我们在这里引入脉宽调制(PWM)开关，或者高频开关。这些开关在用于驱动荧光以及HID灯的领域是众所周知的。像本领域众所周知的那样，它们通过产生交流电流方波进行工作，该电流方波用于在稳态运行期间驱动灯。在这些镇流器中，实际的驱动脉冲由单个脉冲发生器、半桥功率变换器、或者全桥功率变换器电路产生，驱动脉冲的占空比和频率影响灯的亮度或流明。在后两种情况下(在理论上，还可以是在电路中具有任意数量脉冲发生器的电路)，多重脉冲在相位上彼此不同相并且被组合起来产生灯的驱动脉冲。这样的电路在本领域是广为人知的。

也为了说明起见，我们引入数字镇流器系统结构的数字灯信号处理器(DLSP)模块。通过对用于电灯的数字镇流器系统结构的DLSP和PWM模块进行某些添加和修改来实现本发明的方法和设备。

图1提供了数字镇流器系统结构技术的情况。如可以在图中见到的那样，PWM的输出是两个脉冲链，它们被送过电平转换器1003，并且被组合为驱动灯1005的电容C1 1004的输入。镇流器可以通过通信接口(标记为“通信协议控制模块”，或CPCM)1007与中央照明网络1006通信。以下参照图2，对本发明的电路进行描述。

按照本发明的优选实施例，通过包含被示为Rmin的寄存器，也称为过载寄存器，使数字镇流器系统结构的PWM模块扩大了。一般来说，由于在过载的情况下其值被用于控制被控制的灯，因此Rmin也被看做过载寄存器。通过添加被命名为Maxv_s 2020、Maxv_r 2021、Maxi_s 2022、Maxi_r 2023的四个新寄存器和两个数字比较器COMPV 2024和COMPI2025，使图2中的2001和DLSP模块扩大了。

如本领域已知的，脉冲链2015和2016的占空比控制灯的亮度。在本发明中，思路大体上是根据通过负载频率电路2017接收的指令，将数据调入特定的寄存器，从而控制这些脉冲链的占空比。但是，当系统经历过载情况，或者其它紧急情况时，发生快速开关切换，将指定的预定值调入控制灯亮度的寄存器。这个切换到指定值的快速切换使脉冲链的持续时间为使灯可以保持最小的照明，而不是被关断。但是，切换到预定过载值的切换不是通过微处理器或软件发生的，而是通过直接连接的含有适当逻辑的硬件电路发生的。

翻到图2，其中示出了本发明示范性的实施例。在正常运行中，根据常规技术，如已知的那样，线2015和2016上的脉冲链的占空比共同控制灯的照明参数。存储的计数器2003和2005中的值确定这个占空比，并且由此控制灯的亮度。在正常运行中，可以用计算机或手动方式控制这个亮度。

在这两种情况下，负载频率电路2017利用由处理器读取的信号，将适当的值调入寄存器2006和2004。因此，如果照明设备是手动控制的，将对调光器开关的转动进行检测，使之数字化并且按照δ信号将其发送到负载频率电路2017。然后，负载频率电路2017向寄存器2006和2004发送新的适当值。还是在正常运行中，选择器2007和2008将分别将寄存器2006和2004中的值传送到与它们有关的计数器2003和2005。然后，已经改变的计数器值将使控制照明设备的脉冲的占空比变化，以便增加或者减少照明设备的亮度。

同时，随着正常运行，将电流和/或电压的样本输入到线205和206上。这些样本被模数转换器(ADC)227数字化。部件205、206和227的组合，以及图2的220-226项可以被看做数字传感器，在这个数字传感器中，这些部件以数字方式在线205和206上对过载进行连续检测。

从细节上说，寄存器220和222分别存储电压和电流的设定最大值。这些值对应于这些参数的最大值，超过这些值则希望产生过载保护。寄存器221和223实时地存储来自灯的，在线205和206上被监控的，并且通过ADC 227以数字形式被接收的电压和电流值。本发明的意图在于不断地并且连续地更新存储在寄存器221和223中的值，因此系统能够对过载情况迅速做出反应。

本发明的过载保护机构背后的基本思想是，当检测到过载时，迅速改变由选择器2007和2008做出的选择。具体来说，这些选择器应该立即改变，以便从过载寄存器2001而不是分别从寄存器2006和2004接收它们的值。以这种方式，由于过载寄存器2001含有将使照明的灯保持在最低水平的值，因此灯的亮度将被控制在最低水平。

当在线205或206上检测到过载时，由ADC 227输出并且送入寄存器221和223的值将超过预先指定的最大值。这里为了示范起见，我们假定在线205上已经出现了过载电流。这样的情况将意味着寄存器223中的值将超过寄存器222中的值，使得比较器225的输出为真。这样的情况或者甚至线206上的电压过载将使线290上的输出为真。

或门2002将来自线290上的真输出与模拟比较器2010进行或运算。该模拟比较器可以连接到任意系统，当其它任意模拟信号超过预定值时，该系统输出为真。例如，温度传感器或其它设备也可以被包含在产生过载的情况中。如果来自线205和206的电流和电压只是用于对过载情况进行监控的值，则模拟比较器2010，它实际上是数字输出，可以被简单地限制为逻辑真。或者，可以简单地忽略或门2002，将线290直接连接到点291。

在任何情况下，假设线290变为真，将立刻有信号使得选择器2007和2008进行转换操作，以便使加载到寄存器2003和2005的计数器值来自过载寄存器2001，而不是像正常运行那样来自寄存器2006和2004。寄存器2001包含系统预先存储的值，以保证将灯维持在指定的并且较好的最小值功率。

根据上述可以理解，通过少数逻辑门和寄存器，可以使所有逻辑门和寄存器在微秒内或者更快的范围内运行，可以发生迅速的开关切换并且可以对用来控制照明设备的脉冲链进行适当的调节。更准确地说，刚一过载就立即将调入计数器2003和2005的值切换到新信号源，新信号源被预先编程，以便能够维持不适当的最少量的光线，直到过载情况被纠正。

根据前述可以理解，本发明具有现有技术的硬件和软件解决方案的双重优点。更准确地说，本发明具有硬件措施的优点，并且不需要由CPU中的软件处理过载情况而导致的延时。反之，系统立即通过硬件逻辑门给选择器2007和2008发出信号，并且使开关切换到适当的信号源，用于进行控制。

虽然如此，本发明还具有现有技术的软件措施的优点。更准确地说，对不管是传感部件的变化还是出现不同的情况来说，都可以通过简单地改变寄存器220和222中的值以及改变过载寄存器2001中的值来调节由电路提供的过载保护。

图3描述了示范性的，出现在如图2所示电路中的过载情况以及利用本发明的方法使其消除的情况。上面的曲线为电压和电流(归一化为相同的振幅)，下图为计数器T1和T2的输出，即，信号G1 300和G2 310。注意，G1信号的脉冲300在周期开始的时候变高，G2信号310与G1信号的相位错开，并且在周期的中间变高。G1和G2信号之间的这种关系一般被为对称脉冲。有各种交变方式，在这些方式下可以产生信号G1和G2的相位、极性、和频率属性，这是本领域众所周知的。为了简单起见，这里将用对称脉冲方式作为例子。

图3的电压/电流曲线中的水平虚线为阈值，超过它将由比较器(图2中的COMPV 224和COPMI 225)发出过载情况的信号。在第三个周期开始时，G1脉冲303触发过载情况，此时垂直线TT′穿过时间轴。这使得发生两件事。第一，此时脉冲303中断，不管该脉冲是否已经到达所存储的最小脉冲宽度。这确保了通过在一段预定的时间间隔里完全不向灯传送功率来消除过载情况。如所能见到的那样，电压/电流因此下降到零。在本例中，使用了对称脉冲，所述时间间隔将至少是半个周期。借助于在软件中，或者在硬件逻辑中，即在图2中的模式、频率、非重叠时间控制电路2017中处理的锁存器实现中断所有脉冲，并且消除了提供给灯的电压中的任何振荡(由于一旦电压/电流低于阈值，过载信号就会变低，并且提供给灯的电压重新升高)。图2说明了过载信号在295点被送入所述控制电路2017。虚线的脉冲308的后一半示出了如果过载保护没有起作用的情况。

其次，由于过载情况，比较器选择Rmin寄存器2001(图2)的输出信号作为由计数器使用的脉冲宽度信息的信号源并且因此(在预定的无脉冲时间间隔已经过去之后)输出最小脉冲305，立刻减小灯中的功率以及电压/电流。

作为现在是最小宽度的脉冲的结果，在灯中的电压/电流现在为最小值307。图3中的电压/电流曲线的虚线306说明了在不进行过载保护的情况下这些值的情况。该最小脉冲被连续输出直到已经过了某个预定的时间(图3中没有示出)，参照图2，此时控制电路2017重新将寄存器R1 2006和R2 2004选择为计数器T1 2003和T2 2005的脉冲宽度数据的信号源。在微控制器的控制之下，这个时间间隔由控制电路2017本身控制，并且可以以软件或硬件实现。

尽管前面描述了本发明的优选实施例，但是本领域技术人员应该理解，各种修改和变化都是可以利用的，举例来说，在将任意的交流和直流波形作为驱动输出的电路中使用本发明，以及将优选实施例的电路扩展到任意数量的输出信号，每个输出信号具有一个或多个硬件和软件数据源。意图是使这些修改包括在后面的权利要求中。

Claims (10)

1.一种用于控制照明设备的电路，该电路包括：

用于连接供电电压源的输入端子

耦合到输入端子的电路部分P，用于产生由供电电压源提供的供电电压的灯电流，所述电路部分P包括至少一个开关元件，

耦合到所述开关元件控制极的控制电路，给所述开关元件提供脉冲链(2015，2016)，用于控制所述开关元件交替导通和关断，脉冲链的形状确定照明设备的光输出；

仅包括硬件的过载保护电路，用于在所述照明设备正常运行期间，使脉冲链的形状受第一寄存器(2006，2004)中的第一值控制，在过载情况期间，受第二寄存器(2001)中的第二值控制。

2.如权利要求1所述的电路，其中，所述电路部分P还包括另一个开关元件，还有一个控制电路连接到所述另一个开关元件的控制极，给所述另一个开关元件提供另一个脉冲链(2015，2016)，用于控制所述另一个开关元件交替地导通和关断，所述脉冲链和所述另一个脉冲链的形状确定所述照明设备的光线输出；其中，在所述照明设备正常运行期间，过载保护电路使所述另一个脉冲链的形状受第一寄存器(2006，2004)中的第一值的控制，在过载情况期间，受第二寄存器(2001)中的第二值控制。

3.如权利要求1或2所述的电路，其中，所述过载保护电路包括一个选择器，用于在正常运行期间将第一值从第一寄存器调入计数器，在过载情况期间将第二值从第二寄存器调入该计数器，出现在计数器中的值控制脉冲链的形状。

4.如权利要求1所述的电路，其中，所述过载保护电路包括至少一个逻辑门。

5.如权利要求1所述的电路，其中，所述所述过载保护电路包括至少一个比较器。

6.如权利要求1所述的电路，包括一个处理器，用于控制将那个值存储在第一寄存器中。

7.如权利要求6所述的电路，其中，控制微处理器的软件设置定义过载情况的预定阈值并且将所述阈值存储在至少一个存储元件中。

8.如权利要求7所述的电路，其中，所述电路包括一个或多个硬件传感器，它们为定义过载情况的预定阈值进行测试。

9.如权利要求8所述的电路，包括一个阻止器，用于在过载情况开始时，在一段预定的时间间隔里阻止生成脉冲。

10.如权利要求9所述的电路，其中，所述阻止器包括一个锁存器电路。

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