DE10392904T5

DE10392904T5 - Adaptiver Ballastregel-IC

Info

Publication number: DE10392904T5
Application number: DE10392904T
Authority: DE
Inventors: Thomas J. Laguna Beach Ribarich
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 2002-07-09
Filing date: 2003-07-09
Publication date: 2005-08-25
Also published as: US6879115B2; CN1682575A; JP4256346B2; WO2004006630A1; AU2003248938A1; JP2005533362A; US20040007992A1

Abstract

Ein integrierter Schaltkreis zur Regelung eines Stromversorgungskreises, der einen Lastkreis mit Strom versorgt, der eine Fluoreszenzlampe beinhaltet, mit
einem Ballastregel- und Steuerkreis, der den Stromversorgungskreis mit Steuersignalen versorgt, der Meßsignale erhält, die Betriebszustände von wenigstens einem des Stromversorgungskreis und Lastkreis anzeigen, und der auf die Meßsignale reagiert, indem die Steuersignale modifiziert werden; und mit
einem adaptiven Null-Spannungs-Schalten. und Minimum-Strom-Schalten (ZVMCS)-Schaltkreis, wobei dieser ZVMCS-Schaltkreis ein Ausgangssignal des Stromversorgungskreises mißt und abhängig davon den Steuerkreis regelt, um den Stromversorgungskreis unter ZVMCS-Bedingungen zu halten.

Description

Querverweis zu verwandten Anmeldungen
Die vorliegende Erfindung basiert auf und beansprucht die Priorität der provisorischen US-Anmeldungen 60/395 093 und 60/395 473, die am 09. Juli 2002 bzw. am 10. Juli 2002 (IR-1809 PROV und IR-1809 PROV II, entsprechend) eingereicht wurden und deren Offenbarung hiermit durch Verweis eingeschlossen wird.
Sie ist verwandt zur provisorischen US-Anmeldung 60/___, die am 24. Juni 2003 (Anwaltsakte IR-2199 PROV) eingereicht wurde und die ebenfalls durch Verweis einbezogen wird.

Hintergrund der Erfindung

Viele lineare elektronische Ballaste (Vorschaltgeräte) für fluoreszierende Lichtanwendungen, die derzeit am Markt verkauft werden, beinhalten ein Standardballastregel-IC, ASIC oder Mikrocontroler. Diese Regel-ICs leisten eine Reihe von Funktionen, die von der Korrektur des Leistungsfaktors bis zur Lampen/Ballastregelung reichen und die geholfen haben, die technischen Erfordernisse neuer Lampentypen zu erfüllen, während die Anzahl an Komponenten und die Kosten reduziert werden konnten. In eigenstabilisierten kompakten Fluoreszenzlampen (compact fluorescent lamps = CFLs) ist die Lösung des selbstoszillierenden bipolaren Transistors wegen geringerer Kosten, geringer Anzahl von Komponenten und geringerer Größe gegenüber der äquivalenten IC+FET basierenden Lösung beliebt.

Diese Methode ist sehr einfach in ihrer Natur, hat aber die folgenden Nachteile:

– nicht selbststartend (benötigt einen Diac und zusätzliche Schaltkreise);
– benötigt zusätzliche Freilaufdioden;
– die Betriebsfrequenz wird durch die Speicherzeit des bipolaren Transistors und die Torussättigung bestimmt;
– ein unzuverlässiger "immer heißer" Positiv-Temperatur-Koeffizient-(PTC)-Thermistor, der zum Vorheizen benutzt wird;
– kein allmählicher Frequenzanstieg während der Zündung;
– kein Schutz gegen Nichtzündung der Lampe oder offene Leuchtfaden (Glühfaden)-Zustände;
– Betrieb im kapazitiven Modus; und
– Basissteuerbeschränkungen bei höherer Leistung.

Diese Nachteile können zu Toleranzen bei den Komponenten und der Last führen und/oder zu katastrophalem Versagen der Komponenten der Ballastausgangsstufe, was zu schlechter Leistung, schlechter Qualität und/oder Fehlversagen führt.

Zusammenfassung der Erfindung

Zur Lösung dieser Schwierigkeiten gibt die vorliegende Erfindung einen integrierten Schaltkreis zur Regelung eines Stromversorgungskreises an, der Strom an einen Lastkreis abgibt, der eine fluoreszierende Lampe beinhaltet, mit einem Ballastregel- und Steuerkreis, der Steuersignale für den Stromversorgungskreis liefert, Messsignale empfängt, die die Betriebszustände von wenigstens einem des Stromversorgungskreis oder des Lastkreis indizieren und der auf die Messsignale antwortet, indem die Steuersignale modifiziert werden; und mit einem adaptiven Null-Spannungs-Schalten und Minimum-Strom-Schalten (ZVMCS) Schaltkreis, wobei der ZVMCS-Kreis die Ausgangsleistung des Stromversorgungskreises mißt und in Abhängigkeit davon den Steuerkreis regelt, um den Stromversorgungskreis unter ZVMCS-Bedingungen zu halten.

In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Stromversorgungskreis einen Halbbrückenkreis mit niederseitigen und hochseitigen Leistungsvorrichtungen auf, wobei die Steuersignale niederseitige Steuersignale zum Regeln der niederseitigen Leistungsvorrichtung und hochseitige Steuersignale zum Regeln der hochseitigen Leistungsvorrichtung aufweisen; der Ballastregel- und Steuerkreis weist einen niederseitigen Steuerausgang auf, um die niederseitigen Steuersignale für die niederseitige Leistungsvorrichtung zu liefern und einen hochseitigen Steuerausgang, um die hochseitigen Steuersignale für die hochseitige Leistungsvorrichtung zu liefern (high side power device = hochseitige Leistungsvorrichtung und low side power device = niederseitige Leistungsvorrichtung). Der ZVMCS-Kreis detektiert eine Ausgangsspannung und/oder einen Ausgangsstrom an der Halbbrückenschaltung zwischen den genannten hochseitigen und niederseitigen Leistungsvorrichtungen zu einem Schaltzeitpunkt einer der Leistungsvorrichtungen und regelt die Steuersignale derart, daß die Ausgangsspannung und/oder der Ausgangsstrom in der Nähe von oder bei Null während der Schaltzeit gehalten wird.

Der Steuerkreis regelt den Stromversorgungskreis, um Strom bei einer bestimmten Betriebsfrequenz zu liefern; und der ZVMCS-Kreis regelt den Steuerkreis, um die Betriebsfrequenz bei. oder in der Nähe einer Resonanzfrequenz des Lastkreises zu halten und bevorzugt über, aber in der Nähe der genannten Resonanzfrequenz.

Mit Vorteil wird die Betriebsfrequenz des Steuerkreises durch einen spannungsgeregelten Oszillator (VCO) bestimmt und der ZVMCS-Kreis bestimmt eine Regelspannung, die den VCO versorgt. Der ZVMCS-Kreis kann die Regelspannung erhöhen, um die Betriebsfrequenz zu erhöhen. Mit Vorteil wird die Regelspannung durch eine Eingangskapazität des VCO geliefert und der ZVMCS-Kreis lädt die Kapazität auf eine höhere Spannung auf, um die Betriebsfrequenz zu erhöhen. Der ZVMCS-Kreis kann die Kapazität aufladen, indem eine Schaltvorrichtung eingeschaltet wird, um einen Ladestrom zu der Kapazität zu liefern.

Der integrierte Schaltkreis hat mit Vorteil eine Anzahl von Zuständen, wobei dieser in jedem der Zustände operieren kann, wobei der Ballastregel- und Steuerkreis Übergänge zwischen diesen Zuständen abhängig von den Messsignalen erzeugt, und weist einen adaptive Null-Spannungs-Schalten und Minimum-Strom-Schalten-Kreise (ZVMCS) auf, wobei der ZVMCS-Kreis die Ausgangsleistung des Stromversorgungskreises mißt und in Abhängigkeit davon den Steuerkreis regelt, um den Strom versorgungskreis unter ZVMCS-Bedingungen zu halten. Mit Vorteil umfassen die Zustände einen Unterspannungs-Sperrzustand, einen Frequenzgleitzustand (Frequenzwobbelzustand), einen adaptiven Zustand und einen Fehlerzustand.

Nach einem anderen Aspekt der Erfindung weist der integrierte Schaltkreis acht Pins auf; vier Pins sind mit dem Steuerkreis verbunden; zwei Pins sind mit einer Stromversorgung und einer Rücklauf verbunden; und zwei Pins werden benutzt, um eine Betriebsfrequenz für den Steuerkreis einzustellen. Wenn die Betriebsfrequenz durch einen spannungsgeregelten Oszillator (VCO) bestimmt wird, kann eine Regelspannung an den VCO mittels einer Eingangskapazität gelegt werden, die mit einem der zwei Pins verbunden ist, um eine Betriebsfrequenz festzulegen; und der andere der zwei Pins kann benutzt werden, um eine Minimalfrequenz des VCO festzulegen. Der ZVMCS-Kreis kann die Regelspannung durch die Steuerung einer Ladung an der einen Eingangskapazität des VCO festlegen.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Verfahren zur Regelung eines Stromversorgungskreises, der einen Lastkreis mit Strom versorgt, der eine fluoreszierenden Lampe aufweist, die Schritte auf den Stromversorgungskreis mit Steuersignalen zu versorgen, Messsignale aufzunehmen, die die Betriebszustände wenigstens eines des Stromversorgungskreises und des Lastkreises indizieren, auf die Messsignale durch Modifizieren der Steuersignale zu antworten; und adaptiv Null-Spannungs-Schalten und Minimum-Strom-Schalten (ZVMCS) zu erhalten, indem eine Ausgangsleistung des Stromversorgungskreises gemessen und dementsprechend die Steuersignale geregelt werden, um den Stromversorgungskreis unter ZVMCS-Bedingung zu halten.

Mit Vorteil weist der Stromversorgungskreis einen Halbbrückenkreis mit niederseitigen und hochseitigen Leistungsvorrichtungen auf, wobei die Steuersignale niederseitige Steuersignale zum Regeln der niederseitigen Leistungsvorrichtung und hochseitige Steuersignale zum Regeln der hochseitigen Leistungsvorrichtung aufweisen; und die ZVMCS-Zustände werden dadurch erhalten, daß eine Ausgangsspannung und/oder ein Ausgangsstrom des Halbbrückenkreises zwischen der hochseitigen Leistungsvorrichtung und der niederseitigen Leistungsvorrichtung zu einem Schaltzeitpunkt eines der Leistungsvorrichtungen gemessen wird und indem die Steuersignale derart geregelt werden, daß die Ausgangsspannung und/oder der Ausgangsstrom in der Nähe von oder bei Null während dieser Schaltzeit gehalten werden. Mit Vorteil liefert der Stromversorgungskreis Strom bei einer bestimmten Betriebsfrequenz; und die Betriebsfrequenz wird bei oder in der Nähe einer Resonanzfrequenz der Last gehalten; und bevorzugter über, aber in der Nähe der Resonanzfrequenz.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Betriebsfrequenz durch einen spannungsgeregelten Oszillator (VCO) bestimmt und die Erfindung umfasst den Schritt des Regelns einer Regelfrequenz, die an den VCO gelegt wird. Die Regelspannung wird bevorzugt durch eine Eingangskapazität des VCO geliefert und die Erfindung weist den Schritt des Regelns einer Ladung an der Eingangskapazität auf, um die Betriebsfrequenz festzulegen.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Ballastregler und 600 V Halbbrückentreiber auf einem Chip für eine kompakte fluoreszierende Lampenanwendung integriert. Der IC beinhaltet adaptives Null-Spannungs-Minimum-Stromschalten (ZVMCS) ebenso wie eine Urladediode (bootstrap diode). Ein Teil dieses IC ist ein spannungsgeregelter Oszillator mit extern programmierbarer Minimalfrequenz. Alle Eigenschaften des Vorschaltgeräts (Ballastes) sind in einer kleinen Acht-Pin-DIP oder SOIC-Packung integriert.

Einige Eigenschaften dieser Ausführungsform sind:

– 600 V-Halbbrückentreiber
– adaptives Null-Spannungs-Minimum-Stromschalten (ZVMCS)
– integrierte Urladediode (bootstrap diode)
– 0 bis 5 VDC-spannungsgeregelter Oszillator (analoger (Eingang)
– Mikrostrom-Anlasser (150 μA)
– 15,6 V Zenerklemme an Vcc
– programmierbare Minimalfrequenz
– kleine DIP8/SO8-Packung

Der beschriebene 8-Pin adaptive ZVS und MCS Ballastregel-IC ist besonders gut an CFL-Anwendungen angepaßt. Neue Regel- und Abtasttechniken wurden entwickelt, um wichtige Funktionen des Vorschaltgeräts zu realisieren, ohne Kompromisse hinsichtlich der Anzahl der IC-Pins einzugehen. Die sich ergebende Systemlösung hat eine bessere Leistung als vergleichbare selbstoszillierende Lösungen, benötigt weniger Komponenten und ist hinsichtlich der Kosten wettbewerbsfähig. Diese IC-Lösung bietet eine höhere Immunität gegen Systemtoleranzen und -variationen und kann leicht größer oder kleiner gestaltet werden für kleinere oder höhere Leistungsstufen. Schließlich trifft die Einfachheit dieses neuen IC die Wünsche des Markts.

Andere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung ersichtlich, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt:
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm, das die Schaltkreise des IC zeigt;
2 ist eine Tabelle, die die Pinzuweisung des IC zeigt;
3 ist ein schematisches Diagramm, das die Anwendung des IC in einem CSL-Kreis zeigt;
4 ist ein Graph, der die Lampenspannung (obere Spur, 250 V/div) und VCO-Pinspannung (2 V/div) während Vorheizen, Zündung und Betrieb (Zeitmaßstab = 200 ms/div) zeigt;
5 ist ein Graph, der die Halbbrückenspannung VS (untere Spur, 50 V/div) und niederseitigen MOSFET Strom (mittig) während adaptivem Betrieb bei 120 VAC (Zeitmaßstab = 5 μs/div, Frequenz = 41,7 kHz);
6 ist ein Graph, der die Halbbrückenspannung VS (untere Spur, 50 V/div) und niederseitigen MOSFET Strom (mittig) während adaptivem Betrieb bei 90 VAC (Zeitmaßstab = 2 μs/div, Frequenz = 66,5 kHz);
7 ist ein schematisches Diagramm von Elementen des Schaltkreises in Unterspannungs-Sperr (UVLO)-Zustand;
8 ist ein schematisches Diagramm von Elementen des Schaltkreises in dem Frequenzgleitzustand;
9 ist ein schematisches Diagramm von Schaltkreis elementen im adaptiven ZVMCS-Zustand und
10 ist ein Zustandsdiagramm, das die Schritte beim Betrieb des IC illustriert.
Detaillierte Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung
Eine einfache kostengünstige IC-Lösung wurde entwickelt, die eine Mehrzahl von CFL-Funktionen integriert, einschließlich der hochseitigen und niederseitigen Halbbrückensteuerung (1). Um die Verpackungskosten zu minimieren wurde der IC auf acht Pins beschränkt, so daß dieser in eine Standard SO8 oder DIP8-Verpackung paßt. Die Halbbrückensteuerung benötigt vier Pins 8, 7, 6 und 5 (VB, HO, HS und LO), die Stromversorgung und der Rücklauf benötigt zwei Pins 1 und 2 (VCC und COM) und ein Pin 4 wird zur Programmierung der Minimalfrequenz (FMIN) benutzt.
Daraus resultiert lediglich ein Steuerpin 3, der für die Ballastfunktionen zur Verfügung steht. Um dies zu gewährleisten, wird ein mit spannungsgeregeltem Oszillator ausgestatteter analoger Eingangspin (VCO) zusammen mit einem internen adaptiven Regelsystem und -verfahren benutzt, und eine Halbbrückenspannungsmeßmethode, um alle der Vorheiz-, Zündungs-, Betriebs- und Fehlerschutz-Funktionen zu realisieren.
1 zeigt ein Blockdiagramm des IC, und 2 ist eine Tabelle der Pinzuweisungen des IC. Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 hat der IC 100 eine integrierte Urlade- (boot strap diode) Diode 11, die zwischen dem VCC-Eingangspin 1 und dem VB-Versorgungspin 8 angeschlossen ist. Ein bekannter hochseitiger und niederseitiger Halbbrückensteuerkreis 13 weist die konventionellen VB, HO, VS und LO-Pins 8, 7, 6 und 5 auf. Die hochseitige erdfreie Rücklaufspannung VS wird durch eine Schaltung 15 gemessen, die ihr Ausgangssignal an eine Fehlerlogikschaltung 17 und eine adaptive ZVS/MCS-Regelschaltung 19 leitet. Das Ausgangssignal der ZVS/MCS-Schaltung 19 wird an ein VCO 21 gelegt, die ein weiteres Eingangssignal von dem FMIN-Pin 4 erhält. Beispiele empfohlener Betriebszustände, absoluter Maximalwerte und elektrischer Charakteristika für diese Ausführungsform sind in den Tabellen 1, 2 und 3 ausgeführt, die beigefügt sind.
Unterspannungs-Sperrzustand
Unter Bezugnahme nun auf das Zustandsdiagramm wie in 10 dargestellt, wird der Unterspannungs-Sperrzustand (UVLO) S2 als Zustand des IC 100 definiert, wenn VCC unterhalb der Einschaltschwelle des IC ist. Der Unterspannungs-Sperrzustand ist derart gestaltet, daß ein ultraniedriger Versorgungsstrom (< 200 μA) aufrechterhalten wird um zu gewährleisten, daß der IC voll funktionsfähig ist, bevor die hochseitige und niederseitige Ausgangssteuerung 13 aktiviert wird.
3 zeigt die Anwendung des IC 100 in einem kompakten Schaltkreis 200 für eine Fluoreszenzlampe (CFL) und 7 zeigt die Komponenten, die den UVLO-Zustand ausführen. Die Einschaltkapazität CVCC wird mittels Strom durch den Versorgungswiderstand R_Supply aufgeladen, abzüglich des Einschaltstroms, der durch den IC 100 abgezogen wird. Dieser Widerstand wird derart ausgewählt, daß ausreichend Strom für die Versorgung des IC 100 über den DC-Bus zur Verfügung gestellt wird. CVCC sollte groß genug sein, um die Spannung am VCC oberhalb der UVLO-Schwelle für einen halben Zyklus der Leitungsspannung zu halten, da dieser lediglich am Gipfel aufgeladen wird. Sobald die Kondensatorspannung am VCC die Einschaltschwelle erreicht, schaltet der IC 100 ein und HO und LO beginnen zu oszillieren.
Eine interne Urladediode (boot strap diode) 11 zwischen VCC und VB und eine externe Versorgungskapazität CBOOT bestimmen die Versorgungsspannung VB für den hochseitigen Steuerkreis. Ein Ladungspumpenschaltkreis mit einer Kapazität CCP und zwei Dioden DCP 1 und DCP 2 liefert die Spannung für den niederseitigen Steuerkreis. Um zu gewährleisten, daß die hochseitige Versorgung aufgeladen wird bevor der erste Puls am Pin HO anliegt, kommt der erste Puls der Ausgangssteuerungen von dem LO-Pin.
Während des UVLO-Zustands sind die hochseitigen und niederseitigen Steuerausgänge HO und LO beide niedrig und Pin VCO wird auf 5 Volt hochgezogen, um die Startfrequenz auf das Maximum zurückzusetzen.
Frequenzgleitmodus (Wobbelbetrieb)
Sobald VCC die UVLO-Positivschwelle überschreitet (Schritt S3 in 10), beginnt der IC 100 den Frequenzgleitmodus (Frequenz-Wobbelbetrieb). Eine interne Stromquelle 31 entlädt die externe Kapazität CVCO am Pin VCO und die Spannung am VCO 21 beginnt exponentiell abzunehmen. Dies vermindert die Frequenz am VCO 21, die in Richtung der Resonanzfrequenz der Hoch-Q-Ballastausgangsstufe abnimmt, wodurch die Lampenspannung und der Laststrom ansteigen. Die Frequenz vermindert sich weiter bis die Lampe 33 zündet oder das Stromlimit des IC 100 erreicht wird. Falls der Strom die Grenze überschreitet, schaltet der IC 100 in den Fehlerzustand (der nachfolgend beschrieben wird). Die interne Strommeßschwelle VCSTH bestimmt den möglichen Spitzenzündstrom der Ballastausgangsstufe. Auf der anderen Seite, falls die Lampe erfolgreich zündet, nimmt die Spannung am VCO 21 weiterhin ab, bis sie 0,5 V erreicht und der IC tritt in den adaptiven Zustand (der ebenfalls nachfolgend beschrieben wird), um das Null-Spannungs-Minimumstromschalten (ZVMCS) aufrechtzuerhalten.
Vorwärmen und Zünden
Während der Vorwärmung und der Zündung beginnt der VCO-Pin 3 bei 5 V (wodurch die Ausgangsfrequenz auf das Maximum gesetzt wird) und nimmt dann exponentiell bis 0 V ab, hin zur Minimalfrequenz (4). Dies wird durch eine externe Kapazität (CVCO) erreicht, die durch eine interne, nicht lineare Stromquelle 31 entladen wird. Während die Frequenz in Richtung der Hoch-Q-Resonanzfrequenz der Ausgangsstufe hin abnimmt, werden die Heizfäden der Lampe 33 vorgewärmt, bis die Lampenspannung hoch genug wird und die Lampe zündet. Die Minimalfrequenz wird durch einen externen Widerstand RFMIN am FMIN-Pin 4 programmiert und sollte unterhalb der Resonanzfrequenz des Hoch-Q-Ausgangskreises eingestellt werden, um zu gewährleisten, daß die Frequenz zur Lampenzündung durch die Resonanz hindurchläuft. Die Maximalfrequenz wird dann intern auf eine bestimmte Schwelle höher als die Minimalfrequenz eingestellt, um zu gewährleisten, daß beim ersten Einschalten die Lampenspannung niedrig ist und kein unerwünschter "Flash" über die Lampe hinweg auftritt. Die Menge an Vorwärmung und der Zeit bis zum Leuchten wird durch eine externe Kapazität CVCO und einem Widerstand am VCO-Pin 3 programmiert. Die exponentielle Form des Abnehmens führt dazu, daß der VCO 21 schnell durch die höheren Frequenzen hindurch abfällt, in denen die Verstärkung über die resonante Ausgangsstufe gering ist und weniger Strom für die Vorwärmung vorhanden ist und dann langsamer durch die niedrigeren Frequenzen, so daß die Ausgangsstufe sich der Resonanz nähert, wo die Verstärkung höher ist und höhere Ströme für die Vorwärmung zur Verfügung stehen.
Adaptive CVMCS-Regelung
Der CVMCS-Schaltkreis (9) wird aktiviert, wenn die Spannung am VCO 21 auf 0,5 V oder darunter abfällt, wodurch die Frequenz durch die Resonanz hindurchgleitet und die Lampe 33 zündet. Sobald die Lampe zündet, wird die Ausgangsstufe eine Niedrig-Q RCL-Schaltung und die Frequenz nimmt ab, bis der Betriebspunkt leicht über der Resonanz liegt.
Während des Betriebs ist es wünschenswert, die Betriebsfrequenz so nahe wie möglich an die Resonanzfrequenz der übergedämpften RCL-Ausgangsstufe zu setzen, während Null-Spannungsschalten (ZVS) an der Halbbrücke M1, M2 (Schritt S4 in 10) aufrechterhalten wird. Das liegt daran, daß der Ausgangsstrom fast in Phase mit der Ausgangsspannung der Halbbrücke sein wird, wodurch ein Minimumstromschalten (MCS) ebenfalls erreicht wird. Der Betrieb in diesem Zustand wird die Schaltverluste der Halbbrücke-MOSFETs M1, M2 minimieren. Die geschlossene Regelung dieses Betriebspunkts wird auch ZVS und MCS trotz Komponenten- und Lampentoleranzen während der Produktion, Leitungsspannungsänderungen und Lampenänderungen über die Zeit erhalten.
Diese adaptive ZVS und MCS-Regelung wird dadurch erreicht, daß die Ausgangsspannung der Halbbrücke am VS-Pin 6 während der nicht überlappenden Todzeit der Halbbrückenschalter M1, M2 gemessen wird. Während jedem Schaltzyklus der Halbbrücke schwenkt die Spannung der Halbbrücke während der Todzeit auf die andere Seite. Falls die Spannung nicht vollständig auf die andere Seite geschwenkt ist, so daß eine Null-Spannung über dem entsprechenden Schalter vor dem Einschalten liegt, dann ist die Betriebsfrequenz zu weit von der Resonanz entfernt und die Frequenz schaltet hoch.
Diese Messung wird beim Einschalten des niederseitigen MOSFET M2 abzüglich einer kleinen Verzögerung (100 ns) zur frühen Detektion und mit einem sicheren Abstand durchgeführt. Falls die Spannung zu dieser Zeit nicht auf Null geschwenkt ist, wird ein Stromimpuls durch einen internen MOSFET 35 an den VCO-Pin 3 geliefert, wodurch die externe Kapazität DVCO leicht aufgeladen wird und wodurch die Frequenz leicht ansteigt. Die VCO-Kapazität CVCO entlädt sich dann leicht über COM während des Rests des Zyklus wegen der internen Stromquelle 31. Die Frequenz wird dadurch gezwungen, in Richtung der Resonanz abzunehmen, wegen eines parallelen Widerstands, der die VCO-Kapazität CVCO entlädt und der adaptive CVC-Schaltkreis 19 (9) zwingt die Frequenz, leicht über die Resonanz zurückzukehren, wenn kein ZVS anfällt.
Der Schaltkreis verbleibt dann während des Betriebs in diesem geschlossenen adaptiven Fast-Resonanz-Zustand, und gewährleistet einen ZVS und MCS-Betrieb mit sich ändernden Leistungszuständen, Änderungen der Komponententoleranzen und Lampen-/Laständerungen (5 und 6).
Insbesondere wenn die Leitungsspannung abnimmt, wird die übergedämpfte Resonanzfrequenz erhöht und die Betriebsfrequenz wird dadurch durch den Schaltkreis erhöht, um ZVS und MCS zu erhalten.
Der 600 V-Herstellungsprozeß, der bei der Entwicklung dieses IC angewendet wurde, erlaubt es, daß der VS-Pin 6 mit einem internen Hochspannungs-MOSFET während der nicht überlappenden Todzeit gemessen wird, wobei der hohen DC-Busspannung während anderer Teile des Schaltzyklus widerstanden wird, wenn der hochseitige MOSFET M1 angeschaltet wird und VS dann auf dem DC Buspotential liegt.
Fehlerschutz
Der Fehlermodus (Schritt S5 in 10) wird nun beschrieben. Sollte ein Zustand der Lampe auftreten, in der diese nicht zündet, wobei die Glühdrähte intakt sind, aber die Lampe nicht zündet, werden die Lampenspannung und der Strom der Ausgangsstufe während des Zündungsanstiegs ansteigen, bis übermäßige Ströme auftreten oder die Resonanzdrosselspule LRES gesättigt ist. Um dies zu detektieren, führt der IC eine zusätzliche Messung des VS-Pins 6 während der gesamten Einschaltzeit des niederseitigen MOSFET 2 durch. Die Spannung am VS-Pin während der An-Zeit des LO wird durch den Strom des niederseitigen MOSFET geliefert und daher durch den Strom der Ausgangsstufe, der durch den Einschaltwiderstand (RDSon) des niederseitigen MOSFET M2 fließt. Indem der Strom der Halbbrücke auf diesem Weg gemessen wird, benötigt man keinen externen Strom messenden Widerstand und keinen zusätzlichen Strom messenden Pin am IC. Der RDSon des niederseitigen MOSFET M2 dient als Strom messender Widerstand und der VS-Pin 6 dient als Strom messender Pin am IC 100. Ein interner Hochspannungs-MOSFET wird angeschaltet, wenn VS niedrig ist (der niederseitige MOSFET M2 ist "an"), um die Spannung durch den niederseitigen Schaltkreis zur Durchführung der Strommessung zu messen und wird für den Rest des Schaltzyklus ausgeschaltet, um der Hochspannung zu widerstehen, wenn VS auf DC-Busspannungsniveau liegt (hochseitiger MOSFET M1 ist "an"). Da der RDSon einen positiven Temperaturkoeffizient hat, wird die interne Überspannungsschwelle auf einen höheren Wert (etwa 5 V) gesetzt, so daß lediglich übermäßig gefährliche Ströme oder die Sättigung der Drosselspule die Schwelle überschreiten, nicht aber die normale Zündung. Sollte die Spannung des VS-Pins die interne 5 V-Schwelle während der Ein-Zeit des LO überschreiten, dann wird der IC in den Fehlerzustand eintreten und beide Gattersteuerungsausgänge 5, 7 werden auf "niedrig" verriegeln. Um den IC zurück auf den Vorwärmmodus zu setzen, wird VCC unterhalb und überhalb der internen UVLO-Schwellen recycelt.
Sollt ein offener Glühfadenlampenfehler auftreten, wird der adaptive ZVS/MCS-Schaltkreis 19 die Frequenz auf das Maximum schalten, um zu versuchen, ZVS und MCS aufrechtzuerhalten. Falls die Frequenz das Maximum erreicht und 5 V, die am VCO-Pin 3 gemessen werden, überschritten werden, so wechselt der Schaltkreis in den Fehlermodus und beide Gattersteuerausgänge 5, 7 werden auf "niedrig" verriegelt. Um den IC zurück auf den Vorwärmmodus zu setzen, wird VCC unterhalb und überhalb der internen UVLO-Schwellen recycelt.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen beschrieben wurde, sind viele Variationen und Modifikationen sowie andere Anwendungsgebiete möglich, so wie dies der Fachmann ohne weiteres erkennt.
Deshalb ist die vorliegende Erfindung nicht auf die speziellen Ausführungsformen, die hier beschrieben wurden, beschränkt.
Tabelle 1
Empfohlene Betriebszustände
Für den sicheren Betrieb sollte die Vorrichtung innerhalb der empfohlenen Zustände benutzt werden.
Tabelle 2
Absolute Maximalwerte
Die absoluten Maximalwerte indizieren geprüfte Grenzen, über denen die die Vorrichtung beschädigt werden könnte. Alle Spannungsparameter sind Absolutspannungen mit Bezug zu COM. Alle Ströme sind in jeder Leitung positiv definiert. Der thermische Widerstand und die Verlustleistungswerte wurden in einem auf der Schalttafel montierten Zustand und in ruhiger Luft gemessen.
Bemerkung 1:
Dieser IC beinhaltet eine Zener-Clamp-Struktur zwischen dem VCC und COM-Chip, die eine nominelle Abbruchspannung von 15,6 V hat. Bitte beachten sie, dass diese Versorgungs-PIN nicht durch eine DC-Stromquelle mit geringer Impendanz betrieben werden sollte, die größer ist als die VCLAMP, die in dem Kapitel der elektrischen Eigenschaften beschrieben ist.
Tabelle 3
Elektrische Eigenschaften
VCC = VBS = VBIAS = 14 V +/– 0,25 V, CLO=CHO=1000 pF, TA = 25C, falls nicht anders spezifiziert.
Zusammenfassung
Ein integrierter Schaltkreis (100) zur Regelung eines Stromversorgungskreises, der Strom für einen Lastkreis liefert, der eine fluoreszierende Lampe (33) beinhaltet, mit einem Ballastregel- und Steuerkreis, der Steuersignale für den Stromversorgungskreis liefert, der Meßsignale empfängt, die Betriebszustände von wenigstens einem des Stromversorgungskreis und Lastkreis anzeigen, und der abhängig von den Meßsignalen die Steuersignale modifiziert; mit einem adaptiven Null-Spannungs-Schalten und Minimum-Strom-Schalten (ZVMCS) Schaltkreis, wobei der ZVMCS-Schaltkreis ein Ausgangssignal des Stromversorgungskreises mißt und in Abhängigkeit davon den Steuerkreis regelt, um den Stromversorgungskreis unter ZVMCS-Bedingungen zu halten. Der Stromversorgungskreis beinhaltet eine Halbbrückenschaltung mit niederseitigen und hochseitigen Leistungsvorrichtungen, wobei die Steuersignale niederseitige Steuersignale zur Regelung der niederseitigen Leistungsvorrichtung und hochseitige Steuersignale zur Regelung der hochseitigen Leistungsvorrichtung aufweisen: und wobei der Ballastregel- und Steuerkreis einen niederseitigen Steuerausgang aufweist, um die niederseitigen Steuersignale für die niederseitige Leistungsvorrichtung zu liefern und einen hochseitigen Steuerausgang, um die hochseitigen Steuersignale für die hochseitige Leistungsvorrichtung zu liefern. Der ZVMCS-Schaltkreis mißt eine Ausgangsspannung und/oder -strom an der Halbbrückenschaltung zwischen den hochseitigen und niederseitigen Leistungsvorrichtungen zu einem Schaltzeitpunkt einer der Leistungsvorrichtungen und regelt die Steuersignale derart, daß die Ausgangsspannung und/oder -strom während der Schaltzeit in der Nähe von oder auf Null gehalten werden.
[8]

Claims

Ein integrierter Schaltkreis zur Regelung eines Stromversorgungskreises, der einen Lastkreis mit Strom versorgt, der eine Fluoreszenzlampe beinhaltet, mit einem Ballastregel- und Steuerkreis, der den Stromversorgungskreis mit Steuersignalen versorgt, der Meßsignale erhält, die Betriebszustände von wenigstens einem des Stromversorgungskreis und Lastkreis anzeigen, und der auf die Meßsignale reagiert, indem die Steuersignale modifiziert werden; und mit einem adaptiven Null-Spannungs-Schalten. und Minimum-Strom-Schalten (ZVMCS)-Schaltkreis, wobei dieser ZVMCS-Schaltkreis ein Ausgangssignal des Stromversorgungskreises mißt und abhängig davon den Steuerkreis regelt, um den Stromversorgungskreis unter ZVMCS-Bedingungen zu halten.
Der integrierte Schaltkreis nach Anspruch 1, wobei der Stromversorgungskreis eine Halbbrückenschaltung niederseitiger und hochseitiger Leistungsvorrichtungen beinhaltet, die Steuersignale niederseitige Steuersignale zur Regelung der niederseitigen Leistungsvorrichtung und hochseitige Steuersignale zur Regelung der hochseitigen Leistungsvorrichtung beinhalten; und wobei der Ballastregel- und Steuerkreis einen niederseitigen Steuerausgang beinhaltet, um die niederseitigen Steuersignale an die niederseitige Leistungsvorrichtung zu legen und einen hochseitigen Steuerausgang, um die hochseitigen Steuersignale an die hochseitige Leistungsvorrichtung zu legen.
Der integrierte Schaltkreis nach Anspruch 2, wobei der ZVMCS-Schaltkreis eine Ausgangsspannung der Halbbrückenschaltung zwischen der hochseitigen und niederseitigen Leistungsvorrichtung zu einem Schaltzeitpunkt eines der Leistungsvorrichtungen mißt, und die Steuersignale derart regelt, daß die Ausgangsspannung während der Schaltzeit in der Nähe von oder bei Null gehalten wird.
Der integrierte Schaltkreis nach Anspruch 2, wobei der ZVMCS-Schaltkreis einen Ausgangsstrom der Halbbrückenschaltung zwischen der hochseitigen und niederseitgen Leistungsvorrichtung zu einem Schaltzeitpunkt der Leistungsvorrichtungen mißt und die Steuersignale derart regelt, daß der Ausgangsstrom während der Schaltzeit in der Nähe von oder bei Null gehalten wird.
Der integrierte Schaltkreis nach Anspruch 1, wobei der Lastkreis eine Resonanzfrequenz hat; der Steuerkreis den Stromversorgungskreis regelt, um Strom bei einer Betriebsfrequenz zu liefern; und der ZVMCS-Schaltkreis den Steuerkreis regelt, um die Betriebsfrequenz in der Nähe von oder auf der Resonanzfrequenz zu halten.
Der integrierte Schaltkreis nach Anspruch 5, wobei die Betriebsfrequenz überhalb, aber in der Nähe von der Resonanzfrequenz gehalten wird.
Der integrierte Schaltkreis nach Anspruch 5, wobei der Stromversorgungskreis eine Halbbrückenschaltung beinhaltet, die hochseitige und niederseitige Leistungsvorrichtungen aufweist und wobei die Steuersignale niederseitige Steuersignale zur Regelung der niederseitigen Leistungsvorrichtung und hochseitige Steuersignale zur Regelung der hochseitigen Leistungsvorrichtung aufweisen, wobei der Ballastregel- und Steuerkreis einen niederseitigen Steuerausgang aufweist, um die niederseitigen Steuersignale für die niederseitigen Leistungsvorrichtungen zu liefern und einen hochseitigen Steuerausgang, um die hochseitigen Steuersignale für die hochseitige Leistungsvorrichtung zu liefern; und wobei der ZVMCS-Schaltkreis eine Ausgangsspannung der Halbbrückenschaltung zwischen der hochseitigen und niederseitigen Leistungsvorrichtung während einer Schaltzeit einer der Leistungsvorrichtungen mißt und die Steuersignale derart regelt, daß die Ausgangsspannung während der Schaltzeit in der Nähe von oder bei Null gehalten wird.
Der integrierte Schaltkreis nach Anspruch 7, wobei der ZVMCS-Schaltkreis einen Ausgangsstrom der Halbbrückenschaltung zwischen der hochseitigen und niederseitigen Leistungsvorrichtung während einer Schaltzeit einer der Leistungsvorrichtungen mißt und die Steuersignale derart regelt, daß der Ausgangsstrom während dieser Schaltzeit in der Nähe von oder bei Null gehalten wird.
Der integrierte Schaltkreis nach Anspruch 5, wobei die Betriebsfrequenz des Steuerkreises durch einen spannungsgeregelten Oszillator (VCO) bestimmt wird und der ZVMCS-Schaltkreis die Regelspannung bestimmt, die an den VCO angelegt wird.
Der integrierte Schaltkreis nach Anspruch 9, wobei der ZVMCS-Schaltkreis die Regelspannung erhöht, um die Betriebsfrequenz zu erhöhen.
Der integrierte Schaltkreis nach Anspruch 10, wobei die Regelspannung durch eine Eingangskapazität des VCO geliefert wird und der ZVMCS-Schaltkreis die Kapazität auf eine höhere Spannung auflädt, um die Betriebsfrequenz zu erhöhen.
Der integrierte Schaltkreis nach Anspruch 11, wobei der ZVMCS-Schaltkreis die Kapazität dadurch auflädt, daß eine Schaltvorrichtung angeschaltet wird, um einen Ladestrom für die Kapazität zu liefern.
Ein integrierter Schaltkreis zur Regelung einer Stromversorgung, die Strom an einen Lastkreis liefert, der eine fluoreszierende Lampe beinhaltet, mit einem Ballastregel- und Steuerkreis, der Steuersignale für den Stromversorgungskreis liefert, der Meßsignale erhält, die Betriebszustände von wenigstens einem des Stromversorgungskreis oder Lastkreis anzeigen und der auf die Meßsignale durch Verändern der Steuersignale reagiert; wobei der Ballastregel- und Steuerkreis darüber hinaus einen Satz von Zuständen aufweist, in denen er betrieben werden kann, wobei der Ballastregel- und Steuerkreis abhängig von den Meßsignalen zwischen diesen Zuständen wechselt; und einem adaptiven Null-Spannungs-Schalten und Minimum-Strom-Schalten (ZVMCS) Schaltkreis, wobei der ZVMCS-Schaltkreis ein Ausgangssignal des Stromversorgungskreises mißt und in Abhängigkeit davon den Steuerkreis regelt, um den Stromversorgungskreis unter ZVMCS-Bedingungen zu halten.
Der integrierte Schaltkreis nach Anspruch 13, wobei die Zustände einen Unterspannungs-Sperrzustand, einen Frequenzgleitzustand (Frequenzwobbelzustand), einen adaptiven Zustand und einen Fehlerzustand aufweisen.
Der integrierte Schaltkreis nach Anspruch 13, wobei der integrierte Schaltkreis acht Pins aufweist; wobei vier Pins mit dem Steuerkreis verbunden sind, zwei Pins mit der Stromversorgung und einem Rücklauf verbunden sind; und zwei Pins zum Setzen der Betriebsfrequenz des Steuerkreises benutzt werden.
Der integrierte Schaltkreis nach Anspruch 15, wobei die Betriebsfrequenz des Steuerkreises durch einen spannungsgeregelten Oszillator (VCO) bestimmt wird und eine Regelspannung an den VCO mittels einer Eingangskapazität gelegt wird, die mit einem der zwei Pins zum Setzen der Betriebsfrequenz verbunden ist.
Der integrierte Schaltkreis nach Anspruch 16, wobei der andere der zwei Pins benutzt wird, um eine Minimalfrequenz des VCO einzustellen.
Der integrierte Schaltkreis nach Anspruch 16, wobei der ZVMCS-Schaltkreis die Regelspannung einstellt, indem die Ladung auf der Eingangskapazität des VCO geregelt wird.
Verfahren zur Regelung eines Stromversorgungskreises, der Strom an einen Lastkreis liefert, der eine fluoreszierende Lampe aufweist, mit Liefern von Steuersignalen für den Stromversorgungskreis, Empfangen von Meßsignalen, die Betriebszustände von wenigstens einem des Stromversorgungskreis und Lastkreis anzeigen, Reagieren auf diese Meßsignale durch Modifizieren der Regelsignale; und adaptives Aufrechterhalten von Null-Spannungs-Schalten und Minimum-Strom-Schalten (ZVMCS) durch Messen eines Ausgangssignals des Stromversorgungskreises und durch Antworten darauf, indem die Steuersignale derart geregelt werden, daß der Stromversorgungskreis unter ZVMCS-Bedingungen gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 19, in dem der Stromversorgungskreis eine Halbbrückenschaltung mit niederseitigen und hochseitigen Leistungsvorrichtungen beinhaltet und wobei die Steuersignale niederseitige Steuersignale zur Regelung der niederseitigen Leistungsvorrichtung und hochseitige Steuersignale zur Regelung der hochseitigen Leistungsvorrichtung beinhalten, wobei die ZVMCS-Zustände durch Messen einer Ausgangsspannung der Halbbrückenschaltung zwischen den hochseitigen und niederseitigen Leistungsvorrichtungen zu einem Schaltzeitpunkt einer der Leistungsvorrichtungen gemessen wird und durch Regeln der Steuersignale, um die Ausgangsspannung während der Schaltzeit in der Nähe von oder bei Null zu halten.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die ZVMCS-Bedingungen durch Messung eines Ausgangstroms der Halbbrückenschaltung zwischen den hochseitigen und niederseitigen Leistungsvorrichtungen zu einer Schaltzeit eines der Leistungsvorrichtungen gehalten werden und indem die Steuersignale derart geregelt werden, daß der Ausgangsstrom während der Schaltzeit in der Nähe von oder auf Null gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Lastkreis eine Resonanzfrequenz aufweist; der Stromversorgungskreis Strom mit einer Betriebsfrequenz abgibt; und die Betriebsfrequenz in der Nähe von oder auf der Resonanzfrequenz gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Betriebsfrequenz überhalb, aber in der Nähe von der Resonanzfrequenz gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Stromversorgungskreis eine Halbbrückenschaltung mit niederseitigen und hochseitigen Leistungsvorrichtungen aufweist, die Steuersignale niederseitige Steuersignale zur Regelung der niederseitigen Leistungsvorrichtung und hochseitige Steuersignale zur Regelung der hochseitigen Leistungsvorrichtung beinhalten; wobei die ZVMCS-Bedingungen durch Messung einer Ausgangsspannung der Halbbrückenschaltung zwischen den hochseitigen und niederseitigen Leistungsvorrichtungen zu einem Schaltzeitpunkt einer der Leistungsvorrichtungen aufrechterhalten werden, und wobei die Steuersignale derart geregelt werden, daß die Ausgangsspannung während der Schaltzeit in der Nähe von oder bei Null gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die ZVMCS-Bedingungen durch Messung eines Ausgangsstroms der Halbbrückenschaltung zwischen den hochseitigen und niederseitigen Leistungsvorrichtungen zu einer Schaltzeit der Leistungsvorrichtungen aufrechterhalten wird und wobei die Steuersignale derart geregelt werden, daß der Ausgangsstrom zu der Schaltzeit in der Nähe von oder bei Null aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Betriebsfrequenz durch einen spannungsgeregelten Oszillator (VCO) bestimmt wird und wobei der Schritt des Regelns der Regelspannung beinhaltet ist, die an den VCO gelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei die Regelspannung durch eine Eingangskapazität des VCO geliefert wird und der Schritt des Regelns einer Ladung auf der Kapazität beinhaltet ist, um die Betriebsfrequenz festzusetzen.