CN1953630A - 用于驱动放电灯的装置和方法 - Google Patents

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CN1953630A CNA2006101373387A CN200610137338A CN1953630A CN 1953630 A CN1953630 A CN 1953630A CN A2006101373387 A CNA2006101373387 A CN A2006101373387A CN 200610137338 A CN200610137338 A CN 200610137338A CN 1953630 A CN1953630 A CN 1953630A
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Abstract

本发明公开了用于将直流电转换为交流电并用于驱动多个放电灯的方法和装置，所述放电灯例如为冷阴极荧光灯(CCFL)、外置电极荧光灯(EEFL)和平面荧光灯(FFL)。该装置包括：脉宽调制控制器，用于控制开关驱动器；至少6个开关，每对开关叠置成图腾柱电路结构；至少3个开关驱动器，用于产生脉宽调制信号；至少一个变压器，该变压器的初级线圈连接在至少2个图腾柱电路的输出端之间，该变压器的次级线圈为放电灯供电，如果存在一个以上的变压器和两个以上的图腾柱电路，则至少一个图腾柱电路被两个变压器的初级线圈所共用。本发明公开的装置和方法可以实现灯之间的精确电流分配、功率开关总数的最小化以及控制系统复杂性的总体简化。

Description

用于驱动放电灯的装置和方法
技术领域
本发明总体上涉及荧光灯，尤其涉及用于驱动多个放电灯的方法和装置，所述放电灯例如为：冷阴极荧光灯(CCFL)、外置电极荧光灯(EEFL)和平面荧光灯(FFL)。
背景技术
在液晶显示器电视中使用很多放电灯来提供明亮的背光和高质量的图像。在液晶显示器面板的背光中最受欢迎的放电灯包括：CCFL、EEFL和FFL。一般来说，直流-交流开关逆变器使用很高的交流电压来给这些灯供电。
将相对较低的直流输入电压转换成较高的交流输出电压的通用技术如下：利用功率开关对直流输入信号进行斩波并滤去由此产生的谐波信号，然后输出近似于正弦波的交流信号。由于工作条件一般是500V的电压和0.5-6mA范围内的电流，因此还要利用变压器将交流信号的电压升高到相对较高的电压。用于驱动CCFL的交流信号频率范围一般是50到100kHz。
为了确保均匀的背光亮度以及最大化灯的寿命，这些灯需要具有完全相同的电流。因此，需要精确地调节灯的电流。虽然每一个逆变器可以驱动一对相串联的灯来获得两个灯之间较好的电流匹配，但大尺寸的液晶显示器面板至少需要20个灯，因此至少需要10个逆变器。这就大大增加了显示系统的成本和体积。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种用于驱动一个或多个放电灯的装置，包括：脉宽调制控制器，用于控制开关驱动器；至少6个开关，其中每对开关叠置成图腾柱电路结构，从而形成至少3个图腾柱电路；至少3个开关驱动器，用于产生脉宽调制信号，每个开关驱动器导通或关断一个图腾柱电路的两个开关；至少一个变压器，包含初级线圈和次级线圈，其中该变压器的初级线圈连接在至少2个图腾柱电路的输出端之间，该变压器的次级线圈为一个放电灯或多个串联的放电灯供电，如果存在一个以上的变压器和两个以上的对应图腾柱电路，则至少一个图腾柱电路被两个变压器的初级线圈所共用；以及一个用于使该脉宽调制控制器接收从所述变压器的次级侧反馈的电流和电压的电路结构。
优选地，根据所述的装置，其中该装置用于驱动2N个放电灯，所述开关为2N+2个，从而构成N+1个图腾柱电路；所述开关驱动器为N+1个；以及所述变压器为N个，其中N-1个图腾柱电路被多对变压器所共用。
优选地，根据所述的装置，其中所述开关是金属氧化物半导体场效应晶体管，而所述开关驱动器是栅极驱动器。
优选地，根据所述的装置，还包括：第一电容，与每个变压器的初级线圈串联连接；以及第二电容，与每个变压器的次级线圈并联连接。
优选地，根据所述的装置，其中至少一个初级线圈替换成两个替换变压器的至少两个串联连接的初级线圈，替换的串联初级线圈支持至少两个替换次级线圈，并且每个替换次级线圈为一个或两个放电灯供电。
优选地，根据所述的装置，其中由变压器形成的逆变器配置为半桥或全桥结构，并且图腾柱电路的占空比、图腾柱电路之间的相位差、或者两者能够被调节。
本发明还提供一种用于以均衡的电流驱动多个灯的装置，包括：方波交流电压信号发生器，用于产生方波交流电压信号；控制器，用于控制方波交流电压信号发生器；变压器，用于将方波交流电压信号转变为其它交流信号以为一个或多个灯供电，其中所述变压器的初级线圈的每一端连接到一个方波交流电压信号发生器，至少一个方波交流电压信号发生器被两个初级线圈所共用；以及反馈电路，用于从所述变压器的次级侧反馈电压或电流，以控制方波交流电压信号发生器。
优选地，根据所述的装置，其中该装置用于驱动2N个放电灯，所述方波交流电压信号发生器为N+1个；以及所述变压器为N个，其中N-1个方波交流电压信号发生器被多对初级线圈所共用。
优选地，根据所述的装置，其中方波交流电压信号发生器包括具有图腾柱电路结构的两个开关，并且所述开关为场效应晶体管。
优选地，根据所述的装置，还包括：第一电容，与每个变压器的初级线圈串联连接；以及第二电容，与每个变压器的次级线圈并联连接。
优选地，根据所述的装置，其中由变压器形成的逆变器配置为半桥或全桥结构，并且方波信号的占空比能够被调节。
优选地，根据所述的装置，其中至少一个初级线圈替换成两个替换变压器的至少两个串联连接的初级线圈，并且替换的串联初级线圈支持所述两个替换变压器的至少两个替换次级线圈，所述两个替换变压器的每个替换次级线圈为至少一个放电灯供电。
本发明还提供一种用于驱动多个放电灯以及均衡灯电流的方法，包括：将一个灯或多个串联的灯与变压器的次级线圈连接，所述变压器包括初级线圈和次级线圈；将该变压器的初级线圈的每一端连接到独立的已调节方波交流电压信号，如果有一个以上的变压器，则至少一个方波交流电压信号连接到两个变压器的初级线圈，每个方波交流电压信号是利用具有图腾柱电路结构的两个开关产生的；以及利用从次级线圈反馈的电压和电流调节方波交流电压信号，其中图腾柱电路的开关根据反馈信号导通或关断。
优选地，根据所述的方法，其中为2N个放电灯供电，并且一个方波控制器调节2N+2个开关，所述2N+2个开关为N个变压器的初级线圈提供已调节方波交流电压信号，并且在所述N个变压器的次级线圈中感生交流信号来驱动2N个灯。
优选地，根据所述的方法，其中所述开关为场效应晶体管，并且通过控制晶体管的栅极来调节。
优选地，根据所述的方法，其中至少一个容性元件与每个变压器的初级线圈串联连接；以及至少一个容性元件与每个变压器的次级线圈并联连接。
优选地，根据所述的方法，其中至少一个连接在两个已调节方波信号之间的初级线圈替换成两个替换变压器的至少两个串联连接的初级线圈，并且替换的串联初级线圈支持所述两个替换变压器的至少两个次级线圈，所述两个替换变压器的每个次级线圈为一个或多个放电灯供电。
优选地，根据所述的方法，由变压器形成的逆变器配置为半桥或全桥结构，并且方波占空比、方波信号之间的相位差、或者两者能够被调节。
本发明还提供一种用于驱动多个放电灯以及均衡电流的装置，包括：脉宽调制控制器，用于控制开关驱动器；开关网络，用于将直流电压转换成至少两个交流电压，该开关网络包括：第一组开关器件，用于产生第一交流电压；以及第二组开关器件，用于产生第二交流电压，其中至少一个开关器件被第一组和第二组开关器件所共用；至少两个变压器，包含单独接收每个交流电压的初级线圈和连接到所述放电灯的次级线圈；以及一个用于使脉宽调制控制器接收从所述变压器的次级侧反馈的电压和电流的电路结构。
优选地，根据所述的装置，其中至少一个连接在两个脉宽调制信号之间的初级线圈替换成两个替换变压器的至少两个串联连接的初级线圈，并且替换的串联初级线圈支持所述两个替换变压器的至少两个次级线圈，两个替换变压器的每个次级线圈为一个或多个放电灯供电。
本发明提供的装置和方法可以实现灯之间的精确电流分配、功率开关总数的最小化以及控制系统复杂性的总体简化。
附图说明
图1显示了利用多个逆变器来驱动多个灯的现有技术电路。
图2显示了根据本发明实施例的基于全桥逆变器技术的矩阵逆变器的简化原理图。
图3A显示了用于对单个灯的电流进行精确控制的简化电路图。
图3B显示了图3A所示电路中的电流、电压和相位差关系的详图。
图4显示了用于实现图3A所示控制部分的简化电路图。
图5显示了用于与变压器相结合的实例。
具体实施方式
下面将说明本发明的多种实施例。为了全面理解这些实施例并对这些实施例进行描述，随后的说明提供了具体细节。但是，本领域的技术人员应当理解，在不具有一些细节的情况下也可以实施本发明。此外，本文可能不会示出或者详细说明一些公知的结构和功能，以免不必要地使多种实施例的相关说明不清楚。
下文中所使用的术语即使是与本发明某些具体实施例的详细说明结合使用，也要以其最宽的合理方式解释该术语。某些术语可能会在下面给予强调；但是，任何准备以某种受限的方式进行解释的术语将会在具体实施方式部分给予公开和明确的定义。
本文所述的有关本发明实施例及其应用的说明是示例性的，不用以限制本发明的范围。对于这些实施例可以进行多种变化和改型，且这里所公开的实施例中各种元件的实际替代物或等同物对于本领域的普通技术人员而言是公知的。可以对所公开的实施例进行这些变化和改型，而不背离本发明的范围和精神。
本文所提出的实施例涉及将直流电转换为交流电的电路和方法，尤其涉及用于驱动放电灯的电路和方法，所述放电灯例如为：CCFL、EEFL和FFL。除其它优点外，本文所提出的电路和方法还可以提供基本对称的电压波形来驱动多个放电灯，并可以精确控制灯的电流来确保良好的可靠性和电流匹配。这些实施例提出了一种矩阵逆变器，这种逆变器在保持电流分配精度不变的同时，将成本减少了至少30％。这些逆变器具有更少的元件数、更小的体积和更低的成本。
在随后的说明中提供了一些具体细节，以帮助全面理解本发明的实施例。尽管采用全桥逆变器拓扑进行说明，但本领域的技术人员将认识到：在不具有一个或多个具体细节、与其它元件相结合或者采用其它逆变器拓扑的情况下也可以实施本发明。在某些情况下，没有示出或者详细说明公知的执行和操作方法，以免使本发明各种实施例的一些方案不清楚。
图1显示了利用多个逆变器来驱动多个灯的现有技术电路。如果灯的电压不是非常高，一般会同时驱动两个串联成浮地结构的灯，以使完全一致的电流流过两个灯。然而，为了在2N个灯之间确保良好的电流匹配，在现有技术的配置中必须使用N个逆变器。每个逆变器根据亮度要求，接收灯的电流反馈并调节灯的电流。
为了尽量减少电磁干扰，这些逆变器必须与中央时钟同步。这就可能需要一个中央控制芯片(IC)来管理时钟，并需要故障保护器。这些需要会增加系统的复杂度和成本。另外，如果采用全桥逆变器拓扑，则需要共4N个开关(优选为金属氧化物半导体场效应晶体管，MOSFET)和相应的共4N个MOSFET驱动器。
图2显示了所提出的基于全桥逆变器拓扑的矩阵逆变器的一个实施例。在这个实施例中，为了给具有浮地结构的2N个灯供电，逆变器仅仅需要2N+2个功率开关(这降低了控制器的成本和复杂度)，并且在这种结构中，所有的开关将以同一频率或在同一时刻导通和关断。
图3A描述了用于实现对单个灯的电流进行独立和精确控制的简单控制方案。图3A所示的实例驱动4个灯。为了简化说明，假定每个图腾柱电路(totem-pole)中的上部开关和下部开关均工作在50％的占空比；然而，为了获得更高的调节灵活度，可以改变每个图腾柱电路的占空比。
在这个实例中，相邻两个图腾柱电路的相位差是受控的。如果相邻两个图腾柱电路的相位差为180度，则连接这两个图腾柱电路的变压器在变压器初级侧接收最大驱动伏秒(volt-second)，从而在变压器次级侧产生最大灯电流。如果相邻两个图腾柱电路的相位差为0度，则连接这两个图腾柱电路的变压器将无法产生灯电流。因此，相邻两个图腾柱电路的相位差可用来调整单个灯的电流。
图3B显示了图3A所示电路中的电流、电压和相位差关系的详图。相位差1调整灯电流LI1，而相位差2调整灯电流LI2。因此，可将4个灯的电流精确地调节在同一水平上。图1所示的现有技术需要8个功率开关，而这种方案仅仅需要6个功率开关。同样如图3A所示，中间的图腾柱电路将会传输两个相邻变压器的初级线圈电流。因为存在相移，所以这些开关的电流有效值应力将会小于把两个初级线圈中的电流直接相加后所得的值，从而降低了功率开关的导通损耗。
图4显示了用于实现图3A所示控制功能的原理图。同样，在这个实例中，图腾柱电路开关的占空比也固定为大约50％。晶振模块OSC产生时钟信号CLK0，并传给D触发器Q0。D触发器Q0的输出信号为信号PWM0，该信号驱动由MOSFET开关S1和S2所组成的第一图腾柱电路。在比较器CMP1中，比较第一灯电流反馈放大器EA1的输出信号与从信号CLK0获得的斜波信号(RAMP1)，从而产生第一时钟信号CLK1。时钟信号CLK1和信号PWM0相结合后驱动D触发器Q1而产生信号PWM1，该信号将驱动第二图腾柱电路的开关S3和S4。同理，时钟信号CLK2是通过在比较器CMP2中比较第二误差放大器EA2的输出信号与信号RAMP2获得的，其中信号RAMP2是从信号CLK1产生的。时钟信号CLK2和信号PWM1相结合后产生驱动第三图腾柱电路的开关S5和S6的信号PWM2。
图5显示了与变压器相结合的实例。在这个实施例中，通过把矩阵逆变器与无源电流分配方案相结合，矩阵逆变器可以驱动更多数量的灯，同时获得良好的均流效果。通过使两个变压器的初级线圈相串联，具有全桥逆变器结构的矩阵逆变器仅仅需要2N+2个开关就可以驱动4N个灯。
图5所示的电路结构还具有其它优点，例如可以实现灯的可靠点亮。例如，如果与变压器T1A的次级线圈相连的灯被点亮，则流过初级线圈的大电流将会在变压器T1B的次级线圈上反映出来。如果这两个灯没有被点亮，那么将会有大电流流入谐振电容并产生高电压从而触发灯。
结论
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”等类似词语应当解释为包含的含义，而不是排它或者穷举的含义；也就是说，是“包含，但不局限于”的含义。如这里所使用的，术语“连接”、“耦合”或者其变型意味着在两个或者更多元件之间直接或者间接的连接或耦合；这种两个元件之间的连接或耦合可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。
此外，本申请中所使用的词语“这里”、“上述”、“下文”以及含有类似含义的词语应指本申请的全部内容，而不是本申请的任何特定部分。在上下文允许时，上述具体实施方式中使用单数或者复数的词语也可以分别包括复数或者单数。关于两个或者更多选项的列表，词语“或者”覆盖了该词语的所有下述解释：列表中的任意选项、列表中的所有选项以及列表中选项的任意组合。
上文关于本发明实施例的详细说明不是排它的或者用于将本发明限制为上文公开的明确形式。尽管上文出于示意性目的对本发明的具体实施例和实例进行了说明，但本领域的技术人员将认识到在本发明的范围内可以进行各种等效的改动。
本发明在这里提供的启示并非必须应用到上述系统中，还可以应用到其它系统中。可将上述各种实施例的元件和功能相结合以提供更多的实施例。
根据上述具体实施方式可以对本发明进行修改。在上述说明中描述了本发明的特定实施例且描述了预期的最佳模式，但无论在上文中出现了如何详细的说明，其实是可以用许多方式来实施本发明的。上述补偿系统的细节在其执行细节上可以进行相当多的改变，然而其仍然包含在这里公开的本发明中。
如上述一样应当注意，在说明本发明的某些特征或者方案时所使用的特殊术语不应当用于表示在这里重新定义该术语以限制与该术语相关的本发明的某些特定特点、特征或者方案。总之，不应当将随附的权利要求书中使用的术语解释为将本发明限定为说明书公开的特定实施例，除非上述具体实施方式部分明确限定了这些术语。因此，本发明的实际范围不仅包括所公开的实施例，还包括在权利要求书之下实施或者执行本发明的所有等效方案。
尽管下面以特定权利要求的形式来提供本发明的特定方案，但发明人预期本发明各种方案的许多权利要求形式。因此，发明人保留在提交本申请后增加附加权利要求的权利，从而以这些附加权利要求的形式追述本发明的其它方案。

Claims (20)

1.一种用于驱动一个或多个放电灯的装置，包括：
脉宽调制控制器，用于控制开关驱动器；
至少6个开关，其中每对开关叠置成图腾柱电路结构，从而形成至少3个图腾柱电路；
至少3个开关驱动器，用于产生脉宽调制信号，每个开关驱动器导通或关断一个图腾柱电路的两个开关；
至少一个变压器，包含初级线圈和次级线圈，其中该变压器的初级线圈连接在至少2个图腾柱电路的输出端之间，该变压器的次级线圈为一个放电灯或多个串联的放电灯供电，如果存在一个以上的变压器和两个以上的对应图腾柱电路，则至少一个图腾柱电路被两个变压器的初级线圈所共用；以及
一个用于使该脉宽调制控制器接收从所述变压器的次级侧反馈的电流和电压的电路结构。
2.如权利要求1所述的装置，其中该装置用于驱动2N个放电灯，
所述开关为2N+2个，从而构成N+1个图腾柱电路；
所述开关驱动器为N+1个；以及
所述变压器为N个，其中N-1个图腾柱电路被多对变压器所共用。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述开关是金属氧化物半导体场效应晶体管，而所述开关驱动器是栅极驱动器。
4.如权利要求1所述的装置，还包括：
第一电容，与每个变压器的初级线圈串联连接；以及
第二电容，与每个变压器的次级线圈并联连接。
5.如权利要求1所述的装置，其中至少一个初级线圈替换成两个替换变压器的至少两个串联连接的初级线圈，替换的串联初级线圈支持至少两个替换次级线圈，并且每个替换次级线圈为一个或两个放电灯供电。
6.如权利要求1所述的装置，其中由变压器形成的逆变器配置为半桥或全桥结构，并且图腾柱电路的占空比、图腾柱电路之间的相位差、或者两者能够被调节。
7.一种用于以均衡的电流驱动多个灯的装置，包括：
方波交流电压信号发生器，用于产生方波交流电压信号；
控制器，用于控制方波交流电压信号发生器；
变压器，用于将方波交流电压信号转变为其它交流信号以为一个或多个灯供电，其中所述变压器的初级线圈的每一端连接到一个方波交流电压信号发生器，至少一个方波交流电压信号发生器被两个初级线圈所共用；以及
反馈电路，用于从所述变压器的次级侧反馈电压或电流，以控制方波交流电压信号发生器。
8.如权利要求7所述的装置，其中该装置用于驱动2N个放电灯，
所述方波交流电压信号发生器为N+1个；以及
所述变压器为N个，其中N-1个方波交流电压信号发生器被多对初级线圈所共用。
9.如权利要求7所述的装置，其中方波交流电压信号发生器包括具有图腾柱电路结构的两个开关，并且所述开关为场效应晶体管。
10.如权利要求7所述的装置，还包括：
第一电容，与每个变压器的初级线圈串联连接；以及
第二电容，与每个变压器的次级线圈并联连接。
11.如权利要求7所述的装置，其中由变压器形成的逆变器配置为半桥或全桥结构，并且方波信号的占空比能够被调节。
12.如权利要求7所述的装置，其中至少一个初级线圈替换成两个替换变压器的至少两个串联连接的初级线圈，并且替换的串联初级线圈支持所述两个替换变压器的至少两个替换次级线圈，所述两个替换变压器的每个替换次级线圈为至少一个放电灯供电。
13.一种用于驱动多个放电灯以及均衡灯电流的方法，包括：
将一个灯或多个串联的灯与变压器的次级线圈连接，所述变压器包括初级线圈和次级线圈；
将该变压器的初级线圈的每一端连接到独立的已调节方波交流电压信号，如果有一个以上的变压器，则至少一个方波交流电压信号连接到两个变压器的初级线圈，每个方波交流电压信号是利用具有图腾柱电路结构的两个开关产生的；以及
利用从次级线圈反馈的电压和电流调节方波交流电压信号，其中图腾柱电路的开关根据反馈信号导通或关断。
14.如权利要求13所述的方法，其中为2N个放电灯供电，并且一个方波控制器调节2N+2个开关，所述2N+2个开关为N个变压器的初级线圈提供已调节方波交流电压信号，并且在所述N个变压器的次级线圈中感生交流信号来驱动2N个灯。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述开关为场效应晶体管，并且通过控制晶体管的栅极来调节。
16.如权利要求13所述的方法，其中：
至少一个容性元件与每个变压器的初级线圈串联连接；以及
至少一个容性元件与每个变压器的次级线圈并联连接。
17.如权利要求13所述的方法，其中至少一个连接在两个已调节方波信号之间的初级线圈替换成两个替换变压器的至少两个串联连接的初级线圈，并且替换的串联初级线圈支持所述两个替换变压器的至少两个次级线圈，所述两个替换变压器的每个次级线圈为一个或多个放电灯供电。
18.如权利要求13所述的方法，由变压器形成的逆变器配置为半桥或全桥结构，并且方波占空比、方波信号之间的相位差、或者两者能够被调节。
19.一种用于驱动多个放电灯以及均衡电流的装置，包括：
脉宽调制控制器，用于控制开关驱动器；
开关网络，用于将直流电压转换成至少两个交流电压，该开关网络包括：
第一组开关器件，用于产生第一交流电压；以及
第二组开关器件，用于产生第二交流电压，其中至少一个开关器件被
第一组和第二组开关器件所共用；
至少两个变压器，包含单独接收每个交流电压的初级线圈和连接到所述放电灯的次级线圈；以及
一个用于使脉宽调制控制器接收从所述变压器的次级侧反馈的电压和电流的电路结构。
20.如权利要求19所述的装置，其中至少一个连接在两个脉宽调制信号之间的初级线圈替换成两个替换变压器的至少两个串联连接的初级线圈，并且替换的串联初级线圈支持所述两个替换变压器的至少两个次级线圈，两个替换变压器的每个次级线圈为一个或多个放电灯供电。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20070425