CN1856201B

CN1856201B - 驱动放电灯的高频电源装置及其频率设置方法

Info

Publication number: CN1856201B
Application number: CN2005100689782A
Authority: CN
Inventors: 陈伟
Original assignee: AMERICAN MONOLITHIC POWER Inc
Current assignee: AMERICAN MONOLITHIC POWER Inc; Monolithic Power Systems Inc
Priority date: 2005-04-26
Filing date: 2005-04-26
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2025-04-26
Also published as: CN1856201A

Abstract

本发明涉及一种驱动放电灯的高频电源装置及其频率设置方法，特别涉及一种用来驱动CCFL、EEFL、FFL及其他放电灯的高频电源装置。为了实现调光和提高电能转换效率的双重目的，并提供一种灵敏度最高的断灯保护电路，本发明采用一鉴相器，同时控制一锁相环和一断灯保护电路，对电源正常工作过程中的工作频率以及出现断灯故障后的监测保护实现闭环调控。

Description

驱动放电灯的高频电源装置及其频率设置方法

技术领域

本发明涉及一种驱动放电灯的高频电源装置及其频率设置方法，特别涉及一种用来驱动CCFL、EEFL、FFL及其他放电灯的高频电源装置。

背景技术

液晶显示器技术已广泛应用于各类电子设备中，小屏的如手机，中屏的如手提电脑，大屏的如电子广告牌。放电灯，尤其是冷阴极荧光灯(Coldcathode fluorescent lamp，CCFL)，由于发光效率高且灯管寿命长，多用作液晶显示屏的背光系统。此时，放电灯由电源变换器(Inverter)所驱动。电源变换器将直流或低频电源转换为高频电源。

放电灯电源变换器通常由控制电路、开关网络和滤波回路组成，控制电路控制开关元件周期性或非周期性地断开或闭合，将直流或低频电源信号转换成高频电源信号，再通过由电容、电感、变压器或以上元件不同形式组合而成的滤波回路驱动放电管。

检验并评价放电灯电源变换器的质量标准，一是要求电能转换效率高；二是要求调光系统可靠，放电灯工作稳定；三是一旦出现断灯故障，系统能及时监测判断，并自动采取保护措施。

现有技术多采用脉冲宽度调制器(PWM)来调整控制电路的脉冲占空比(duty cycle)达到调光的目的，也有采用调频方法调光。例如，公开号CN1387394A专利申请案，公开了一种调光电路：取灯流信号输至一反馈电路，依据灯流值产生一反馈信号输至一控制电路，最后输至开关网络控制电路。当灯流超过一参考值时，使频率控制电路升高(或降低)PWM频率，从而使输出灯流降低，从而达到调光目的。

现有技术中的断灯保护电路(Open lamp protection logic)，都依据断灯后，灯压升高、灯流减少的公知原理，采用取灯压、灯流为监测对比信号，输至断灯保护电路，启动断灯保护。

以上现有技术，存在以下不足：

第一，作为放电灯的驱动电源，尤其是在采用机内电池供电的条件下 (如手提电脑)，电能转换效率是极其重要的质量指标。而提高电能转换效率最为有效的途径是确保系统的工作频率与滤波回路的谐振频率一致，这样可避免滤波回路中电抗元件所产生的无功功率损耗。但是，采用PWM技术调整脉冲占空比的调光方案，不可能改变系统工作频率，也不可能控制滤波回路的自然谐振频率，这无疑不能兼顾在系统正常工作过程中调光和提高用电效率的双重目的。

第二，为了确保系统安全，断灯保护系统必须反应迅速。而在现有的断灯保护电路中，由于滤波回路中电抗元件中的电压、电流不能突变，灯压上升，灯流下降需要一个过渡过程，对系统安全不利。

第三，放电灯高频电源装置中的滤波回路，为降低电源成本，一般由普通的电抗元件组合而成，其频率稳定度较低，需要实施频率跟踪及频率锁定。

发明内容

本发明要解决的技术问题首先是在驱动放电灯的高频电源装置中，提供一种闭环控制电路，达到调光和提高电能转换效率的双重目的；同时提供一种断灯保护的闭环控制电路，使断灯保护更为有效、更为灵敏；

本发明要解决的另一问题是提供一种监测放电灯灯压变化最为可靠的取样电路；

本发明要解决的另一技术问题是在驱动长灯管放电灯时，确保灯管各部位发光均匀；

本发明要解决的另一技术问题是在驱动多灯管并联工作时，确保各条灯管亮度一致。

为解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种驱动放电灯的高频电源装置，包括

一开关网络，一滤波回路，一驱动控制电路；

驱动控制电路输出端与开关网络中开关元件的控制电极电耦接；开关网络输入端与输入电源电耦接，开关网络输出端与滤波回路输入端电耦接，滤波回路输出端与放电灯电耦接；该电路将直流或低频输入信号转换为高频输出信号；

一频率控制回路，包括一鉴相器及一锁相环，滤波回路输入端的电压信号和电流信号分别输至鉴相器，鉴相器比较检测该电压信号与该电流信号之间的相位差，并将相位误差信号反馈给锁相环，实现对锁相环另一端电耦接的驱动控制电路的工作频率的闭环调控；

一断灯保护电路，上述鉴相器输出的相位误差信号同时送至该断灯保护电路，使断灯保护电路及时检测到断灯发生后引起的异常相位误差信号，并驱动控制电路，启动断灯保护程序。

另外，在断灯保护电路输入端还电耦接一高灯压监测器，高灯压监测器包括一电压比较器，电压比较器同相端与并联在放电灯两端的两只串联电容器的中间连结点电耦接；电压比较器反相端电耦接一基准电压；断灯时，灯压上升，电压比较器输出电压升高，触发断电保护电路，启动驱动控制电路实施断电保护；在电压比较器输入端与接地端并联一电阻器，以保证电压比较器输入电压信号中无直流分量。

另外，当应用于驱动长灯管时，滤波回路中的耦合变压器采用双高压驱动，当负载为多灯并联，每只灯管串联一小容量电容器或串联一电感，且电感之间相互耦合。

根据上述本发明所提供的一种驱动放电灯的高频电源装置，还可以采用以下技术方案来实现：

一种驱动灯的高频电源装置，包括：

一开关网络，一滤波回路，一驱动控制器；

驱动控制器控制开关网络的导通与闭合，将输入电压转换成高频脉冲信号，而滤波回路将高频脉冲转换成高频交流信号来驱动灯管；

该驱动控制器接受灯管电流、电压的反馈来调制合适的占空比以及工作频率。该驱动控制器通过检测滤波回路的工作阻抗来调整工作频率。

该工作频率可以设置在阻性或稍微感性的区间以达到稳定的工作状态及恒频工作，并且在点灯前与点灯后或断灯前与亮灯时都可以是不一样的。

另外，该驱动控制器还可通过检测滤波回路的工作阻抗来调整工作频率，其主要体现在可以检测滤波回路中的电压与电流的相位差或通过检测滤波电路的阻抗幅值来实现频率调制。

根据上述两种技术方案，本发明还提供一种驱动灯的高频电源的频率设置方法，包括以下几个步骤：

预设点灯前的起始工作频率在一数值，控制回路调制灯管的电压幅值以达到点灯的目的；

根据电流调制的需求来预设点灯后的工作频率，灯亮之后控制回路将频率调制到该预设值；

在非正常工作状态下，控制器改变频率从而达到保护电路及灯管的目的。

其中，点灯前的工作频率可以是恒定的，控制回路通过调制占空比来调制灯压；该工作频率也可以是变化的，控制回路可以根据灯未亮时的谐振电路状态来调制频率。

附图说明

图1为本发明驱动放电灯的高频电源装置电路结构图。

图2为本发明基本电路方块图。

图3为滤波回路的等效电路图及频率增益曲线。

图4为滤波回路输入端电压与电流波形图。

图5为锁相环电路示意图。

图6为灯压检测比较电路结构图。

图7为双高压驱动电原理图。

图8为放电灯并联使用时的电路结构图。

图9为开关网络常见拓朴结构图。

具体实施方式

参见图1及图2，驱动放电灯的高频电源装置由输入电源01、开关网络10、滤波回路20、控制回路30以及放电灯管40组成。控制回路控制开关网络中的开关元件断开和闭合，将与开关网络输入端电耦接的直流或低频电源V_IN转换为开关网络输出的高频脉冲信号，此信号输至由电容、电感或变压器组成的滤波回路后，进一步转换为高频交流信号，驱动放电灯点火发光，高频交流信号的频率与开关网络产生的高频脉冲信号的频率相同。

高频交流信号的频率取决于灯管特性、系统的配备以及电磁干扰 (EMI)的要求。通常，放电灯管点灯所需的电压要比当灯点亮之后正常工作时的电压高，为此，点灯时电路工作频率应调得比正常工作频率高，以达到点灯所需的高电压；而当灯点亮之后，预设一个较低的工作频率以达到灯管的驱动电流与电压的要求。图3为滤波回路的等效电路图，图中A、B两端即为开关网络与滤波回路的电耦接点，V₁即为回路两端的输入电压，为高频脉冲波形，C、D两端电压V₂即为灯管电压，图3(a)、(b)、(c)分别为三种不同的电容和电感的连接方法。图3(d)则为图3(a)中点灯前与点灯后灯压与工作频率的关系曲线，由图可知，点灯前电路工作频率较点灯后工作频率要高。

比较图3与图1、图2，图3中的E、F可以直接是图2中的A与B，图1采用变压器耦合，原边接在E、F，副边接在C、D，CS1可为反射到副边的等效串联电容，Lr可制成副边的漏感。

从图1及图2可以看出，从滤波回路输入端分别取电压信号V_AB及电流信号i_t输至一鉴相器(Phase detector)303，鉴相器输出的相位误差信号又分别输至锁相环(Phase lock loop)302和断灯保护电路(Open lampprotection logic)304，最终输至驱动控制电路301，实现调整系统工作频率及实施断灯保护的两个闭环控制，这是本发明与现有技术之间最重要的区别特征。为此，通过图4和图5作进一步说明。

图4以图3(a)所示的滤波回路的等效谐振电路为例，其他电路的控制方案及工作原理相类似。

图4(a)表示滤波回路输入电压V_t为正负半周对称的脉冲方波，频率为fs；图4(b)显示回路i_t在回路阻抗呈阻性，感性，容性三种条件下的三种不同的波形，由图可知：三种电流波形的频率与电压方波频率fs完全相同；但i_t相位有三种不同的状况：当回路阻抗呈纯阻性时，i_t与V_t同相，即相位差

Figure DEST_PATH_GA20182429200510068978201D00021

当回路阻抗呈感性时，i_t滞后V_t，其相位差

Figure DEST_PATH_GA20182429200510068978201D00022

当回路阻抗呈容性时，i_t超前于V_t，其相位差

进一步参看图5，图5(a)显示该反馈控制电路的方块图。众所周知，在开关网络前的驱动控制电路中，通常由一三角波发生器(triangular-wave oscillator)产生的三角波信号触发门极脉冲去驱动控制开关元件的导通与闭合，从而形成高频方波信号。也就是说，V_t的相位与门极脉冲中的时钟信号的相位一致。比较V_t与i_t之间的相位差也就是比较时钟信号与i_t之间的相位差。由锁相环的工作原理可知时钟信号与i_t之间的相位误差，实质上反映了系统工作频率与滤波回路谐振频率之间的频率误差。因此可以用锁相环技术来纠正该频率误差，图5(b)则反映了上述结论。

通常，为提高电源转换效率和控制回路的稳定性，电路设计时都将系统工作频率及滤波回路的参数(Lr，Cs，Cp)调整在接近阻性的工作区间。这也就是说，在正常工作过程中，系统工作频率与滤波回路谐振频率之间的误差并不是很大。这就使得锁相环实现电路变得十分容易。

正是由于经鉴相器303取得了工作频率信号与滤波回路谐振频率信号之间的相位误差信号，而且两者之间的频率误差值已被控制在一个合理的范围内，在此前提下，才使采用锁相环经频率牵引后将工作频率锁定在与滤波回路谐振频率相同的技术方案成为可能。例如当i_t超前于时钟信号(也即超前于V_t)，

Figure DEST_PATH_GA20182429200510068978201D00031

谐振电路呈容性，此时锁相环回路可以提高系统工作频率从而使滤波回路阻抗向感性方向移动，直到达到谐振状态，阻抗呈阻性为止。这就是采用鉴相器和锁相环实现工作频率闭环控制的工作原理。

然而，一旦出现断灯故障，滤波回路总阻抗剧变，回路电流i_t与V_t之间的相位误差以及滤波回路的自然谐振频率都将远离正常值，超出锁相环的正常控制范围。此时，这些异常信号将会触发断电保护电路，进而使系统启动断电保护程序。

再参见图1，本发明在断灯保护电路(open lamp protection logic)304的输入端，还电耦接一高灯压监测器(high lamp voltage detection)305。请进一步参见图6(a)，高灯压监测器包括一电压比较器，比较器同相端与并联在灯管两端的电容器C1、C2的中间连结点电耦接；比较器反相端串接一基准V_R，为保证比较器输入电压中无直流成份，C2两端并联一电阻器R。图6(b)、图6(c)是其他两种改进型电路。放电灯正常工作时，灯压处于正常值，电压比较器输出处于低电压，但断灯后，灯压明显上升，电压比较器将输出一高电压，触发断电保护电路，进而使系统启动断电保护程序。

再参见图1，本发明在断灯保护电路304输入端，还电耦接一低灯流监测器(low lamp current detection)306，取放电灯输出电流信号输入该低灯流监测器，与基准电流比较放大后输至断电保护电路。放电灯正常工作时，灯流正常，低灯流监测器不启动；一旦断灯，灯流迅速变小，经低灯流监测器比较放大后，触发断电保护电路，启动系统断电保护程序。

除了采用鉴相器控制锁相环调整系统工作频率外，本发明还可通过调整脉冲占空比(Duty cycle)达到调光之目的。参看图1，在驱动控制电路301输入端，电耦接一脉冲宽度调制器(PWM Control)307，脉冲宽度调制器分别有一灯压误差放大器(Lamp voltage error amp)308和灯流误差放大器(Lamp current error amp)309的信号输入，而灯压误差放大器对取样灯压比较放大，灯流误差放大器对取样灯流比较放大，实现脉宽占空比的闭环调控。一般情况下，灯压误差放大器在灯管正常点亮之后不对占空比的调制有影响。

在驱动长灯管给大尺寸显示屏背光时，灯管所需工作电压一般较高，所需变压器较大且副边耐压要求很难达到，同时长灯管寄生电容分流效应增加造成灯管发光不均匀。在这种情况下，应采用双高压驱动。见图7，图7(b)是一个用全桥电路实现的方案，类似方案可用半桥式或推换式或拓朴结构的电路来实现。

在大显示屏背光中，多灯管并联方案可应用于该电源中，并联灯管的均流可通过外加感抗或容抗来实现。图8显示两种常用方案。图8(a)中的电容值越小，均流效果越好。图8(b)中，L1和L2耦合在一起，从而实现均流作用，耦合后互感越高，均流效果越好。

本发明前述的控制与保护方案均可应用于长灯管和多灯管并联的所有场合。

在本发明中，图1所示的开关网络为四管全桥式，但开关网络也可以是双管半桥式，也可以是双管推挽式和单管式，图9是上述几种常见开关网络的拓朴结构。

开关网络断开或闭合方式可以周期性的或定期的控制，也可以是非周期的控制。

另外，根据上述本发明所提供的一种驱动放电灯的高频电源装置，还可以采用以下技术方案来实现：

一种驱动灯的高频电源装置，包括：

一开关网络，一滤波回路，一驱动控制器；

采用本发明公开的鉴相器控制锁相环和断电保护电路，实现工作频率和断电保护程序的两个闭环控制，其具体电路设计无论作何种变化，都将落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种驱动放电灯的高频电源装置，包括

一开关网络，一滤波回路，一驱动控制电路；

驱动控制电路控制开关网络的导通与闭合，将直流或低频电源信号转换成高频脉冲信号，而滤波回路将高频脉冲信号最终转换为高频交流信号驱动放电灯；

其特征在于：

2.如权利要求1所述的驱动放电灯的高频电源装置，其特征在于：

在断灯保护电路输入端还电耦接一高灯压监测器。

3.如权利要求2所述的驱动放电灯的高频电源装置，其特征在于：高灯压监测器包括一电压比较器，电压比较器同相端与并联在放电灯两端的两只串联电容器的中间连结点电耦接；电压比较器反相端电耦接一基准电压；断灯时，灯压升高，电压比较器输出电压升高，触发断灯保护电路，启动驱动控制电路实施断灯保护。

4.如权利要求3所述的驱动放电灯的高频电源装置，其特征在于：在电压比较器输入端与接地端并联一电阻器，以保证电压比较器输入电压信号中无直流分量。

5.如权利要求4所述的驱动放电灯的高频电源装置，其特征在于：在上述电阻器两端，并联电耦接一稳压二极管。

6.如权利要求2所述的驱动放电灯的高频电源装置，其特征在于：高灯压监测器包括电压比较器，其反相端直接接地，同相端反接一基准电压后再与两只并联在放电灯两端的电容器的中间连结点电耦接，再并联一电阻器和一稳压管。

7.如权利要求2所述的驱动放电灯的高频电源装置，其特征在于：在断灯保护电路输入端，电耦接一低灯流监测器，取放电灯输出电流信号输至该低灯流监测器，断灯时，灯流减少，低灯流监测器触发断灯保护电路，启动驱动控制电路实施断灯保护。

8.如权利要求1所述的驱动放电灯的高频电源装置，其特征在于：驱动控制电路输入端，电耦接一脉冲宽度调制电路，脉冲宽度调制电路输入端电耦接一灯压误差放大器和一灯流误差放大器，灯压误差放大器对取样灯压比较放大，灯流误差放大器对取样灯流比较放大。

9.如权利要求1所述的驱动放电灯的高频电源装置，其特征在于：当应用于驱动长灯管时，滤波回路中的耦合变压器采用双高压驱动。

10.如权利要求1所述的驱动放电灯的高频电源装置，其特征在于：当负载为多灯并联，每只灯管串联一小容量电容器。

11.如权利要求1所述的驱动放电灯的高频电源装置，其特征在于：当负载为多灯并联，每只灯管串联一电感，且电感之间相互耦合。

12.如权利要求1所述的驱动放电灯的高频电源装置，其中，开关网络为四管全桥结构。

13.如权利要求1所述的驱动放电灯的高频电源装置，其中，开关网络为双管推挽结构。

14.如权利要求1所述的驱动放电灯的高频电源装置，其中，开关网络为双管半桥结构。

15.如权利要求1所述的驱动放电灯的高频电源装置，其中，开关网络为单管结构。

16.如权利要求1所述的驱动放电灯的高频电源装置，滤波回路是电容、电感、变压器或以上元件的不同组合。

17.如权利要求1所述的驱动放电灯的高频电源装置，其中，为提高驱动控制电路的稳定性，其工作频率以及滤波回路中的电容、电感参数均调整在纯阻性或微感性的工作区间。