DE10392956T5

DE10392956T5 - Einzelchip-Ballast-Steuerung mit Leistungsfaktor-Korrektur

Info

Publication number: DE10392956T5
Application number: DE10392956T
Authority: DE
Inventors: Thomas J. Laguna Beach Ribarich
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 2002-07-22
Filing date: 2003-07-22
Publication date: 2006-06-22
Also published as: WO2004010238A3; AU2003254101A8; CN100392546C; AU2003254101A1; JP2005534277A; CN1672109A; WO2004010238A2; TW200421060A; US20040012347A1; JP4249749B2; US6956336B2; TWI288866B

Abstract

Eine integrierte Schaltung für eine elektronische Ballast-Steuerung, umfassend:
einen Halbbrücken-Steuerungsschaltkreis zum Treiben einer Leistungs-Halbbrücke in dem elektronischen Ballast;
einen Ballast-Steuerungsschaltkreis, gekoppelt mit dem Halbbrücken-Steuerungsschaltkreis und betreibbar zur Bereitstellung von Signalen an den Halbbrücken-Steuerungsschaltkreis zur Steuerung des Betriebs des Halbbrücken-Steuerungsschaltkreises;
einen Eingang, der mit dem Ballast-gesteuerten Schaltkreis gekoppelt ist und Indikativ ist für zumindest einen Zustand einer Leistung, die dem elektronischen Ballast bereitgestellt ist, und einen Zustand einer elektronischen Ballast-Last;
wobei der Ballast-Steuerungsschaltkreis den Halbbrücken-Steuerungsschaltkreis basierend auf dem Eingang steuert;
einen Leistungsfaktor-Steuerungsschaltkreis, gekoppelt mit dem Ballast-Steuerungsschaltkreis und betreibbar zur Regelung der Ballast-Leistung, um eine verbesserte Leistungsfaktor-Korrektur für den Ballast zu erreichen.

Description

VERWANDTE ANMELDUNG
Die Anmeldung basiert auf und beansprucht die Priorität der US Provisional Application Nr. 60/398,208, welche am 22. Juli 2002 eingereicht wurde, mit dem Titel „Single Chip Ballast Control with Power Factor Correction", deren Priorität hiermit beansprucht wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Ballast-Steuerungen und betrifft insbesondere eine Ballast-Steuerung für Gasentladungslampen mit Leistungsfaktor-Korrektur.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Ballaste (ballasts) sind seit vielen Jahren als Bestandteil von Beleuchtungssystemen und Gasentladungslampen, und insbesondere für fluoreszierende Lampen verwendet worden. Fluoreszierende Lampen führen zu einem Laststeuerungsproblem der Leitungen zur Leistungsversorgung, welche die Lampenleistung bereitstellen, weil die Last der Lampe nicht linear ist. Der Strom, der durch die Lampe fließt, ist Null, bis eine angelegte Spannung einen Startwert erreicht, an welchem Punkt die Lampe beginnt zu leiten. Während die Lampe zu leiten beginnt, stellt der Ballast sicher, dass der Strom, welcher von der Lampe gezogen wird, nicht rapide ansteigt, wodurch ein Schaden und andere Betriebsprobleme verhindert werden.
Ein Typ eines elektronischen Ballasts, welcher typischerweise bereitgestellt wird, umfasst einen Gleichrichter, um den Wechselstrom (AC), der von einer Stromleitung bereitgestellt wird, in einen Gleichstrom (DC) umzuwandeln. Der Ausgang des Gleichrichters ist typischerweise an einen Inverter angeschlossen, um den Gleichstrom in ein Hochfrequenz-Wechselstrom-Signal abzuändern, typischerweise im Bereich von 25 bis 60 kHz. Der Hochfrequenz-Inverterausgang zur Leistungsversorgung der Lampe ermöglicht die Verwendung von Induktivitäten mit viel kleineren Auslegungen als dies ansonsten möglich wäre, wodurch die Größe und die Kosten des elektronischen Ballasts vermindert werden.
Oft wird eine Schaltung zur Leistungsfaktor-Korrektur zwischen dem Gleichrichter und dem Inverter eingefügt, um den Leistungsfaktor der Lampenschaltung einzustellen. Idealerweise sollte die Last, die an der Wechselstromschaltung anliegt, äquivalent sein zu dem reinen Widerstand, um die effizienteste Leistungsbereitstellung für die Schaltung zu erreichen. Die Leistungsfaktor-Korrekturschaltung ist typischerweise eine geschaltete Schaltung (switched circuit), die gespeicherte Energie zwischen Speicherkapazitäten und der Schaltungslast transferiert. Die typische Leistungsinverterschaltung verwendet auch Schaltschemata, um eine Hochfrequenz-Wechselstrom-Signalausgabe aus dem Niedrigfrequenz-Gleichstromeingang zu erzeugen. Ein Schalten innerhalb der Leistungsfaktor-Korrekturschaltung und der Gleichrichtungsschaltung kann mit einer digitalen Steuerungseinrichtung bewerkstelligt werden.
Indem das Schalten in der Leistungsinverterschaltung gesteuert wird, können Betriebsparameter der Lampe, wie Starten, Lichtstärkenregulierung und Dimmen zuverlässig gesteuert werden. Weiterhin können Lampenbetriebsparameter überwacht werden, um der Steuerung zur Feststellung von Lampenfehlern und angemessenen Betriebsbereichen ein Feedback bereitzustellen.
In 1 wird ein Diagramm einer konventionellen elektronischen Ballastschaltung allgemein als Schaltung 18 gezeigt. Eine Leistungsfaktoren-Korrektur (PFC) Schaltung 20 nimmt einen Leitungseingang entgegen und stellt einer Ausgangsstufe 22 geregelte Leistung bereit. Die PFC-Schaltung 20 stellt der Ausgangsstufe 22 einen sinusförmigen Eingangsstrom bereit, während sie auch eine geregelte Gleichstrom-Bus-Spannung bereitstellt. Die Ausgangsstufe 22 empfängt das geregelte Leistungssignal von PFC-Schaltung 20 und stellt eine angemessene Steuerung zur Energieversorgung der Lampe 26 bereit. Die Ausgangsstufe 22 umfasst die Komponenten und Betriebsmöglichkeit zum Vorheizen, Zünden und der Leistungsregelung der Lampe 26.
Die PFC-Schaltung 20 ist typischerweise als ein Boost-Typ Konverter ausgeführt, der einen Hochspannungsschalter, eine Induktivität, eine Diode, eine Hochspannungs-Gleichstrom-Bus-Kapazität und einen entsprechenden Steuerkreis erfordert, um die gewünschten Leistungssignale mit den bereitgestellten Komponenten zu erzeugen. Die Ausgangsstufe 22 ist typischerweise mit einer resonanten Last realisiert, die mit einer Halbbrücke getrieben wird, um der Lampe 26 eine angemessene Leistung bereitzustellen. Die Ausgangsstufe 22 erfordert typischerweise zwei Hochspannungsschalter, eine resonante Induktivität, eine resonante Kapazität, eine Gleichspannungs-blockierende Kapazität und eine zugeordnete Steuerschaltung zur Regelung einer Schaltkreisresonanz und Leistungsbereitstellung. Ein Block 24 stellt ein repräsentatives Diagramm für eine derartige konventionelle Steuerung dar.
In der konventionellen Konfiguration, die in 1 gezeigt ist, sind ein Schalter Mpfc, eine Diode Dpfc und eine Induktivität Lpfc in einer Boost-Typ Anordnung verschaltet. Die PFC Schaltungskomponenten Lpfc, Mpfc und Dpfc werden betrieben, um während einer Initialstufe Cbus zu laden, wie beispielsweise während einem Anschalt-Zustand. Wenn sie geladen ist, liefert die Bus-Kapazität Cbus der resonanten Halbbrücken-Ausgangsstufe 22 Leistung für den Rest des Betriebs der Schaltung. Durch die Leistungsbereitstellung an die Ausgangsstufe 22 wird die Bus-Kapazität Cbus für hohe Kapazität und hohen Spannungsbetrieb eingestuft, wodurch die Kosten und die Größe der elektronischen Ballast-Schaltung ansteigen. Zusätzlich werden die Schalter M1, M2 auch für den Hochspannungsbetrieb eingestuft und tragen somit auch zum Anstieg von Kosten und Größe bei.
In dem konventionellen elektronischen Ballast-Schaltkreis, der in 1 gezeigt ist, können eine Anzahl an Fehlern auftreten. Zum Beispiel können Überstrom-Bedingungen an der Eingangs-Leistungsleitung und an dem Ausgang zur Lampe 26 auftreten. Zusätzlich können an dem Gleichstrom-Bus Unterspannungs-Bedingungen auftreten. Hinsichtlich Lampe 26 können verschiedene Störungen, einschließlich ein Misslingen der Zündung, eine physikalische Entfernung der Lampe 26 oder, wenn die Lampe 26 sich dem Ende ihrer nutzbaren Lebenszeit nähert, auftreten.
Neben den oben erwähnten Störungen kann die Ballast-Schaltung der 1 verschiedene Betriebs-Charakteristika aufweisen, basierend auf den Toleranzen der Komponenten, die die Schaltung ausbilden. Die Toleranzen der Komponenten können sich auch über die Zeit ändern, wodurch es schwierig wird, eine stabile Ballast-Steuerung mit gutem PFC Charakteristika zur Verfügung zu stellen.
Zusätzlich zu den oben dargestellten Nachteilen verwendet die Ballast-Schaltung der 1 drei SteuerungsICs 21, 23 und 24. SteuerungsIC 21 steuert das Schalten in der PFC Stufe 20, um den Eingangsstrom richtig zu modulieren, um gute Leistungsfaktor-Charakteristika bereitzustellen. SteuerungsIC 23 stellt eine Gesamtsteuerung des Ballasts bereit, einschließlich der Bereitstellung von Steuerungssignalen an den SteuerungsIC 24. Der SteuerungsIC 24 stellt Schaltsignale für die Halbbrücke bereit, welche aus M1 und M2 gebildet ist, um die Leistung, welche an die Lampe 26 geliefert wird, zu regeln. Die Verwendung von 3 separaten SteuerungsICs, um den Ballast zu steuern, erhöht die Komplexität der Schaltung und die Kosten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine flexible Ballast-Steuerung mit Leistungsfaktor-Korrektur und eine Anzahl an Schaltungs- und Lampenschutzeinrichtungen auf einem einzelnen IC bereit. Zum Beispiel werden Unterspannungs-Bedingungen detektiert und die Ballast-Steuerung wird in einen sicheren Modus gebracht, der die Funktionalität aufrechterhält, während die Aktivierung von Ballast-Treibern verhindert wird. Die Ballast-Steuerung stellt einen Vorheiz-Modus und einen Zündungs-Modus zum Starten der Lampe bereit, genauso wie einen Betriebs-Modus zum Betreiben der Lampe in einem ON-Zustand.
Die Steuerung beinhaltet eine Feedback-Detektion und schützt gegen eine Niedrigspannung an dem Gleichstrom-Bus, und detektiert und schützt gegen Fehler, die mit der Lampe zusammenhängen, wenn sie das Ende ihres Lebens erreicht. Die Steuerung nimmt auch Strom wahr und schützt gegen Überstrom-Bedingungen.
Ein Leistungsfaktor-Korrekturbereich in der Steuerung ist betrieben, um einen sinusförmigen Leitungseingangsstrom in Phase mit der Eingangsspannung für hohen Leistungsfaktor bereitzustellen, wie von der Eingangsleistungsquelle aus gesehen. Die Leistungsfaktor-Schaltung ist programmierbar, basierend auf einer Auswahl an Komponenten, und kann detektieren und gegen eine Anzahl von Leistungsfehlern schützen. Die Leistungsfaktor-Korrekturschaltung hält auch die gesamte harmonische Verzerrung auf niedrigen Levels, insbesondere in der Nähe von Nulldurchgängen der Eingangsspannung.
Die Ballast-Steuerung ist voll integriert und kann alle Arten von fluoreszierenden Lampen treiben. Die PFC-Schaltung arbeitet in einem kritischen Leitungsmodus und stellt einen hohen Leistungsfaktor, niedrige gesamte harmonische Verzerrung, als auch eine Wechselstrom-Bus-Regelung bereit. Die Ballast-Steuerung ist programmierbar und umfasst programmierbare Eigenschaften, einschließlich programmierbare Vorheizungs- und Lauffrequenzen, Vorheizzeit, Totzeit, Überstrom-Schutz und Lebenszeitende-Schutz. Sicherheits- und Schutzmerkmale umfassen den Schutz vor dem Fehlschlag einer Lampenzündung, Defekten des Filaments, den Lebenszeitende-Schutz, den Gleichstrom-Bus-Unterspannungs-Reset und den automatischen Neustart. Die Steuerung vereinfacht das Design des Ballasts und vermindert die Kosten des gesamten Ballastsystems.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die vorliegende Erfindung wird zum besseren Verständnis nachfolgend in Verbindung mit den Figuren detailliert beschrieben.
1 zeigt eine konventionelle elektronische Ballast-Schaltung mit Leistungsfaktor-Korrektur;
2 zeigt ein Schaltbild, das die Verschaltung der Komponenten für den Betrieb einer Lampe gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 zeigt ein Schaltungs-Blockdiagramm des elektronischen Ballasts gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt ein Zustandsmaschine-Diagramm für den Betrieb der Ballast-Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt ein Schaltungs-Diagramm zur Illustration des Start-Vorgangs der Lampe;
6 ist ein Graphen, der die Kapazitäts-Spannung über die Zeit während einer Start-Sequenz zeigt;
7 zeigt ein Schaltungs-Diagramm zur Illustration eines Vorheiz-Betriebs der Lampe;
8 zeigt ein Schaltungs-Diagramm zur Illustration eines Zündungs-Betriebs der Lampe;
9 zeigt ein schematisches Schaltbild zur Illustration einer Leistungsfaktor-Korrektur;
10 ist ein Graph, der Eingangsspannung und Stroms mit Leistungsfaktor-Korrektur zeigt;
11 zeigt ein Schaltungs-Diagramm zur Illustration einer Leistungsfaktor-Korrektursteuerungsschaltung;
12 zeigt ein schematisches Block-Diagramm zur Leistungsfaktor-Korrektursteuerung und Verschaltung; und
13 ist ein Graph, der Leistungsfaktor-Korrektursteuerung zur Reduzierung der totalen harmonischen Verzerrung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Unter Bezugnahme auf 1 ist eine konventionelle Lampen-Ballast-Steuerungsschaltung 18 gezeigt. Ballast-Schaltung 18 ist aus zwei Stufen gebildet, einer Leistungsfaktor-Korrektur (PFC) Stufe 20 und einer Lampentreiber-Schaltungsstufe 22. PFC Stufe 20 wird durch einen integrierten Schaltkreis 21 gesteuert und erzeugt Steuerungssignale zur Leistungsfaktor-Korrektur. Ballast-Ausgangsstufe 22 wird von einer integrierten Schaltung 24 mit einem Halbbrücken-Treiber gesteuert. Der Treiber 24 stellt Steuerungssignale an Komponenten in der Ballast-Ausgangsstufe 22 bereit, um den Ballast zu treiben, um eine angemessene Lampenlicht-Steuerung bereitzustellen. Der Treiber 24 empfängt auch Signale von einer integrierten Schaltung 23 mit Ballast-Steuerung. Status- und Überwachungssignale von der Ballast-Ausgangsstufe 22 werden an die Ballast-Steuerung 23 geleitet. Mit den Feedback-Signalen von der Ballast-Ausgangsstufe 22 leitet die Ballast-Steuerung 23 Steuerungssignale ab, um sie dem Treiber 24 zuzuführen, um die Ballast-Stufe 22 zu steuern. In dieser konventionellen Anordnung sind PFC-Steuerung, Ballast-Steuerung und die Steuerung des Halbbrücken-Treibers in drei getrennten integrierten Schaltkreisen angeordnet.
Unter Bezugnahme auf 2 ist ein Schaltbild für eine Ballast-Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, welche eine Leistungsfaktor-Korrektur umfasst, welches allgemein als Schaltung 25 dargestellt ist. Schaltung 25 weist drei MOSFET-Schalter auf, M1, M2 und M3, zum Treiben der verschiedenen Stufen der Ballast-Steuerung. Die Schalter M1 und M2 umfassen die Halbbrücke, welche zum Treiben des Ballast-Ausgangs und zur Steuerung der Lampenleistung verwendet wird. Der Schalter M3 steuert die Leistungsfaktor-Korrektur für den Ballast-Steuerschaltkreis 25. Der PFC-Schaltkreis wird im Modus kritischer Leitung betrieben, um einen hohen Leistungsfaktor mit einer niedrigen gesamten harmonischen Verzerrung bereitzustellen. Während jedem Schaltzyklus wird der Schalter M3 betrieben, so dass er anschaltet, wenn der Strom der Induktivität in Richtung Null entladen ist, wodurch eine schnelle Antwort und eine gute Gleichstrom-Bus-Regelung für den PFC-Schaltkreis erzielt wird. Der integrierte Schaltkreis (IC) U1 ist, z. B., als ein Produkt der International Rectifier Corporation illustriert, wobei Details hierzu aus Datenblatt IR-2166 ersichtlich sind, dessen Inhalt hiermit in seiner Gesamtheit mittels Bezugnahme eingefügt wird. Der IC U1 stellt eine programmierbare Steuerung für den Lampen-Ballast bereit und kann derart programmiert werden, dass er bestimmte Frequenzen für die Vorerwärmung und für den Normalbetrieb bereitstellt. Die Vorerwärmungszeit kann programmiert werden, zusätzlich zur Totzeit für die Schaltkreis-Schaltung, den Überstrom-Schutzbetrieb und den Lebenszeitende-Schutz und Störungs-Schutz. Der IC U1 stellt auch andere Schutzmaßnahmen bereit, wie einen Schutz gegen einen Defekt der Lampe hinsichtlich ihrer Zündung, einen Defekt des Lampenfilaments, einen Lampen-Lebenszeitende-Schutz, einen Gleichstrom-Bus-Unterspannungs-Reset-Betrieb als auch eine automatische Neustartfunktion.
Unter Bezugnahme auf 3 ist ein Blockdiagramm des IC U1 allgemein als Diagramm 30 gezeigt. Die verschiedenen Teile des Diagramms 30 stellen die Merkmale der vorliegenden Erfindung bereit und werden unten hinsichtlich ihrer verschiedenen Funktionen erklärt. Der Steuerungs-Betrieb und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden hinsichtlich des Betriebs der Zustandsmaschine erklärt, abhängig von dem Status des Ballasts und der Lampe.
Unter Bezugnahme auf 4 wird ein Zustandsmaschine-Diagramm gezeigt, welches den Betrieb der Ballast-Steuerung mit einer gegebenen fluoreszierenden Lampe darstellt. In einem Zustand 32 wird an den IC U1 Leistung angelegt, wobei der IC U1, wie in 2 gezeigt, in dem Ballast-Steuerschaltkreis 25 verdrahtet werden kann. Schaltkreis 25 kann auch auf einer Ballast-Steuerungskarte bereitgestellt werden, wie in U. S. Anmeldung Nr. 10/309,359, eingereicht am 2. Dezember 2002, beschrieben. Wenn der integrierten Schaltung U1 Leistung bereitgestellt wird, bewegt sich die Zustandsmaschine, wie in 4 illustriert, zu Zustand 33, welcher verschiedene Initialisierungs- und Start-Überprüfungen und Operationen bereitstellt. In Zustand 33 wird ein Unterstrom-Lock Out-Modus etabliert, wenn VCC unterhalb der Anschalte-Schwelle des IC U1 liegt. In diesem Modus sind die Ausgangs-Treiber für die Schalter M1 und M2 deaktiviert. Wenn der IC U1 im UVLO-Modus ist, hält der Schaltkreis einen sehr niedrigen Versorgungsstrom aufrecht, z. B. weniger als 400 μA. Der niedrige Versorgungsstrom erlaubt es dem IC U1, mehrere Schaltkreisbedingungen zu betätigen und zu verifizieren, bevor sie die Schalter M1 und M2 betreiben. Zusätzlich zeigt Zustand 33 das deaktivierte Vorheiz-Zeitsignal, und der Oszillator ist ausgeschaltet. Der IC U1 verlässt den Zustand 33, sobald VCC den angemessenen Schwellwert erreicht hat, z. B. 11,5 V, und keine Lampenstörungen detektiert werden.
Der IC U1 bewegt sich von Zustand 33 zu Zustand 34, sobald der Schaltkreis den UVLO-Modus angeregt hat. Der IC U1 betritt den Vorheiz-Modus in Zustand 34, in welchem der Oszillator aktiviert wird, um die Schalter M1 und M2 bei der Vorheiz-Frequenz zu schalten. Die Leistungsfaktor-Korrektur ist eingeschaltet, wie auch Überstrom-Schutz, um gegen ein Nicht-Zünden der Lampe oder eine Lampenstörung aufgrund eines offenen Filaments zu schützen. Z.B. sobald die Vorheiz-Kapazität CPH auf über 10 V auflädt, bewegt sich der IC U1 in Zustand 35.
In Zustand 35 wird die Lampe gezündet und der Schaltkreis betritt den Lauf-Modus. Die Lampe wird durch die Oszillation der Schalter M1 und M2, jenseits der Oszillationsfrequenz und für die Vorheizung, auf einem gegebenen Leistungs-Level getrieben. Der Widerstand RPH zum Vorheizen wird gleichmäßig getrennt, und sobald die Kapazität CPH auf über 12 V geladen ist, bewegt sich der IC U1 zu Zustand 36. Die verschiedenen Störungs-Schutzeinrichtungen sind angeschaltet, wie in Zustand 36 dargestellt, und der Leistungsfaktor-Korrekturschaltkreis wird bei einer niedrigeren Verstärkung betrieben, um einen höheren Leistungsfaktor aufrechtzuerhalten, während eine niedrige gesamte harmonische Verzerrung bewahrt wird. Der Widerstand RPH ist in Zustand 36 vollständig abgeklemmt, und die Schalter M1 und M2 werden mit einer Lauf-Frequenz oszilliert, um eine spezifizierte Leistungsausgabe zu erzielen.
In dem Fall, dass ein Fehler auftritt, entweder während dem Zündungszustand 35 oder dem Lauf-Modus-Zustand 36, wird der Fehler-Modus-Zustand 37 betreten, der verschiedene Sicherheits- und Schutz-Merkmale für die Ballast-Schaltung bereitstellt. Fehler, welche dazu führen können, dass die Steuerung den Fehler-Modus in Zustand 37 betritt, umfassen eine Fehlzündung der Lampe, einen Fehler der Lampe oder das Erreichen des Endes der brauchbaren Lebenszeit der Lampe. Im Fehler-Modus wird die Halbbrücke, welche aus den Schaltern M1 und M2 gebildet ist, ausgeschaltet, ebenso wie der Oszillator zur Steuerung der Schalter. Der Leistungsfaktor-Korrekturschalter M3 wird auch ausgeschaltet, und der Schaltkreis betritt einen Zustand mit niedrigem Stromzug, z. B. von 180 μA. Auch ist ein Fehler-Latch gesetzt, um zu verkünden, dass ein Fehler aufgetreten ist. Wenn der Fehler korrigiert ist, z. B. nachdem die Leistung einen Zyklus durchlaufen hat und kein Fehler aufgetreten ist oder die Lampe ausgetauscht worden ist, kehrt die Steuerung zu Zustand 33 zurück und initiiert ein Reset und Neustart. Andere Fehler, die eine Änderung im Zustand hervorrufen, umfassen ein Fallen der Bus-Spannung unterhalb 3,0 V, wodurch die Steuerung dazu gebracht wird, einen Reset-Zustand in Zustand 38 zu betreten. Zusätzlich, wenn die Versorgungsspannung des Chips unterhalb 9,5 V sinkt oder wenn der Lampen-Schaltkreis unstetig wird, wie z. B. wenn die Lampe entfernt oder ausgetauscht wird, führt die Steuerung ein Reset aus und betritt den Unterspannungs-Modus in Zustand 33.
Unter Bezugnahme nun auf 5 ist ein Schaltkreis dargestellt, der zur Verwendung der Start- und Versorgungs-Merkmale des vorliegenden Schaltkreises ausgeführt ist, der allgemein als Schaltkreis 27 gezeigt ist. Schaltkreis 27 zeigt eine effiziente Versorgungsspannung unter Verwendung des niedrigen Start-Stroms von IC U1, zusammen mit einer Lade-Pumpe von der Ballast-Ausgangsstufe, gebildet aus den Komponenten R_SUPPLY, C_VCC, D_CP1 und D_CP2. Die Start-Kapazität C_VCC wird über den Strom durch den Versorgungswiderstand R_SUPPLY minus den Start-Strom, der von dem IC U1 gezogen wird, geladen. Der Widerstand R_SUPPLY ist ausgewählt, um den Anschalte-Schwellwert der Leitungseingangsspannung für den Ballast einzustellen. Sobald die Kapazitäts-Spannung an der Kapazität C_VCC den Start-Schwellwert erreicht und der Pin SD des IC U1 niedriger ist als 4,5 V, schaltet der IC U1 an und beginnt, die Schalter M1 und M2 durch oszillierende Ausgaben HO und LO zu schalten. Die Kapazität C_VCC beginnt mit der Entladung, während der Betriebsstrom des IC U1 ansteigt.
Unter Bezugnahme auf 6 ist ein Graph der Start-Spannung an der Kapazität C_VCC gezeigt. Wenn der IC U1 angeschaltet wird, beginnt die Kapazität C_VCC zu laden und führt die Ladung fort, bis die Spannung an dem VCC den Start-Schwellwert erreicht, z. B. 11,5 V. An diesem Punkt schaltet sich der IC U1 an und beginnt in Abwesenheit jeglicher Lampen-Störungen, die Schalter M1 und M2 während des Vorheiz-Modus zu treiben. Wenn VCC den Start-Schwellwert erreicht und die Schalter M1 und M2 mit dem Oszillieren beginnen, fängt die Kapazität C_VCC an zu entladen, aufgrund des damit zusammenhängenden Anstiegs im Betriebsstrom für den IC U1. Die Ladungspumpen-Ausgangsstufe stellt eine Ladung auf der Kapazität C_VCC ein, die von dem gleichgerichteten Strom aus der Ladungspumpe geladen wird. Die Ladungspumpe lädt die Kapazität über den Ausschalte-Schwellwert für den IC U1, wie in 6 dargestellt. Der IC U1 enthält eine interne 15,6 V Zener-Diodenklammer, welche es der Ladungspumpe ermöglicht, als die Versorgungsspannung für den IC U1 zu fungieren. Die Start-Kapazität C_VCC und die Löschkapazität C_SNUS (snubber capacitor) sind ausgewählt, um genügend Strom für alle Betriebsbedingungen des Ballastes zur Verfügung zu stellen. Eine Boot-Strap-Diode D_BOOT und eine Boot-Strap-Kapazität C_BOOT umfassen die Versorgungsspannung mit einer hochseitigen Treiber-Schaltung.
Die Versorgung der hohen Seite (high side supply) wird aufgeladen, bevor der erste Puls an Pin HO geliefert wird, um den Schalter M1 zu aktivieren. Um die geeignete Versorgungsladung der hohen Seite sicherzustellen, wird der erste Puls von den Ausgangstreibern eingestellt, um an dem Pin LO bereitgestellt zu werden, um den Schalter M2 zu aktivieren. Während des Unterspannungs-Lock-Out-Modus sind die Treiberausgänge HO und LO der hohen und niedrigen Seite beide ausgeschaltet, und der Oszillator ist ausgeschaltet, während die Vorheiz-Zeit zurückgesetzt wird, indem der Pin CPH mit dem Pin COM verbunden wird.
Unter Bezugnahme auf 7 wird ein Diagramm zum Betrieb der Vorheiz-Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein als Schaltung 28 gezeigt. Der Vorheiz-Modus ist als der Zustand definiert, in dem der IC U1 ist, wenn die Lampenfilamente auf ihre richtige Emissionstemperatur erhitzt werden. Das Erhitzen der Lampenfilamente sorgt für eine Maximierung des Lampenlebens und für eine Verringerung der erforderlichen Zündspannung. Der Schaltkreis 28 betritt den Vorheiz-Modus, wenn die Versorgungsspannung an dem Pin VCC den UVLO+ Schwellwert übersteigt. Im Vorheiz-Modus beginnen HO und LO bei der Vorheiz-Frequenz zu oszillieren, mit einem 50 % Arbeitszyklus und einer Totzeit, welche durch den Wert der externen Timing-Kapazität C_R und des internen Totzeit-Widerstands R_DT eingestellt ist. Der Pin CPH ist von COM getrennt, und eine interne 1 μA Stromquelle lädt die externe Vorheiz-Timing-Kapazität C_CPH an Pin CPH. Der Überstrom-Schutz an Pin CS und der Fehler-Zähler sind beide während des Vorheiz-Modus angeschaltet.
Die Vorheiz-Frequenz wird durch die parallele Kombination der Widerstände R_T und R_PH bestimmt, zusammen mit der Timingf-Kapazität C_T. Die Kapazität C_T lädt und entlädt zwischen 1/3 und 3/5 von VCC während dem Betrieb. Die Kapazität C_T wird exponentiell durch die parallele Kombination der Widerstände RT und RPH geladen, welche intern an VCC durch den Schalter S1 angeschlossen sind (8). Die Ladezeit der Kapazität C_T von 1/3 bis 3/5 der Spannung VCC ist die ON-Zeit des entsprechenden Ausgangs-Gate-Treibers, HO oder LO. Sobald die Spannung an der Kapazität C_T 3/5 von VCC übertrifft, wird der Schalter S1 ausgeschaltet, wobei der Widerstand R_T und R_PH von der Spannung VCC abgekoppelt wird. Dann wird die Kapazität C_T exponentiell durch einen internen Widerstand R_DT durch den Schalter S3 entladen (3). Die Entladezeit der Kapazität C_T von 3/5 bis 1/3 der Spannung VCC ist die Totzeit der Ausgangs-Gate-Treiber HO und LO. Der ausgewählte Wert der Kapazität C_T bestimmt, zusammen mit dem internen Widerstand R_DT, die gewünschte Totzeit für das Schalten der Ausgangstreiber. Sobald die Kapazität C_T unterhalb 1/3 der Spannung VCC entlädt, wird der Schalter S3 ausgeschaltet, wobei der Widerstand R_DT von COM abgekoppelt wird und der Schalter S1 angeschaltet wird, wobei der Widerstand R_T und R_PH wieder mit der Spannung VCC verbunden wird. Die Frequenz verbleibt bei der Vorheiz-Frequenz, bis die Spannung an dem Pin CPH z.B. 10 V übertrifft, und der IC U1 den Zündungs-Modus betritt. Während des Vorheiz-Modus sind sowohl der Überstrom-Schutz als auch der Fehler-Zähler angeschaltet.
Unter Bezugnahme auf 8 ist der Zündungs-Modus-Schaltkreis gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein als Schaltkreis 29 dargestellt. Der Zündungs-Modus ist als der Zustand definiert, in dem sich der IC U1 befindet, wenn eine hohe Spannung über der Lampenelektrode anliegt, um die Lampe zu zünden. Der Zündungs-Modus wird betreten, wenn der Pin CPH intern mit dem Gate eines Schalters S4 verbunden wird, um den Pin RPH mit dem Pin RT zu verbinden, wodurch der Widerstand R_T und der Widerstand R_PH parallel angeordnet werden. Wenn die Spannung am Pin CPH 10V übersteigt, beginnt die Gate-Source-Spannung von Schalter S4 unter den Anschalte-Schwellwert für Schalter S4 zu fallen. Während der Anschluss CPH damit fortfährt, in Richtung VCC zu laufen, schaltet der Schalter S4 langsam aus. Dies führt dazu, dass der Widerstand R_PH gleichmäßig von dem Widerstand R_T abgekoppelt wird, was dazu führt, dass die Betriebsfrequenz gleichmäßig von der Vorheiz-Frequenz, durch die Zündungs-Frequenz, zu der finalen Lauf-Frequenz läuft. Der Überstrom-Schwellwert an dem Pin CS schützt den Ballast gegen eine Lampen-Störungsbedingung einer Nicht-Zündung oder eines offenen Filaments. Die Spannung am Pin CS wird durch den Strom des unteren Halbbrücken-Schalters definiert, der durch einen externen stromerfassenden Widerstand R_CS fließt. Der Widerstand R_CS programmiert somit den maximal ermöglichten Spitzenzündungsstrom und somit die Spitzenzündungsspannung der Ballast-Ausgangsstufe. Der Spitzenzündungsstrom darf die maximal erlaubbaren Strombemessungen der Ausgangsstufen-Schalter M1 und M2 nicht übertreffen. Wenn die Spitzenzündungsspannung den internen Schwellwert von 1,3 V übersteigt, beginnt der interne Fehler-Zähler, die sequenziellen Überstromfehler zu zählen. Wenn die Anzahl an Überstromfehlern 60 übersteigt, betritt der IC U1 den Fehler-Modus, und die Gate-Treiberausgänge für die Schalter M1, M2 und M3 werden ausgeschaltet.
Sobald die Lampe erfolgreich gezündet wurde, betritt der Ballast den Lauf-Modus. Der Lauf-Modus ist definiert als der Zustand, in dem der IC U1 ist, wenn der Lampenbogen eingestellt ist und die Lampe auf einem gegebenen Leistungs-Level getrieben wird. Die Oszillationsfrequenz des Lauf-Modus wird bestimmt durch den Timing-Widerstand R_T und die Takt-Kapazität C_T, angeschlossen an die Pins mit derselben Bezeichnung.
Während der IC U1 im Lauf-Modus betrieben wird, ist es möglich, dass die Lampe mit einem offenen Filament ausfällt oder dass die Lampe entfernt wird. In diesen Fehlersituationen kann es in den Schaltern M1 oder M2 zu einem harten Schalten kommen. Um diese Situation zu vermeiden, wird ein Fehler durch den stromerfassenden Widerstand R_CS registriert. Die Spannung über dem stromerfassenden Widerstand R_CS übertrifft den internen Schwellwert von 1,3 V bei jeder dieser Fehler-Bedingungen, und der interne Fehler-Zähler beginnt mit dem Zählen. Wenn die Anzahl an aufeinanderfolgenden Überstromfehlern 60 übersteigt, betritt der IC U1 den Fehler-Modus, und die Gate-Treiberausgänge für die Schalter M1, M2 und M3 werden ausgeschaltet.
Eine andere Eigenschaft, die durch den Schaltkreis der vorliegenden Erfindung zur Verfügung gestellt wird, verhindert potentiell schädigende Situationen, welche sich einstellen können, wenn die Gleichstrom-Bus-Spannung zu klein wird. Wenn die Gleichstrom-Bus-Spannung abnimmt, z. B. weil sich ein Brown-Out Leitungszustand oder ein Überlastzustand eingestellt hat, kann die resonante Ausgangsstufe der Lampe nahe oder unterhalb der Resonanzfrequenz arbeiten. Dieser Betrieb kann ein hartes Schalten bei der Halbbrücke mit den Schaltern M1 und M2 hervorrufen, wodurch Schaden an den Schaltern M1 oder M2 hervorgerufen werden kann. Zusätzlich kann die Spannung an dem Gleichstrom-Bus bis zu dem Punkt abnehmen, an dem der Lampen-Lichtbogen nicht länger aufrechterhalten werden kann, und die Lampe gelöscht wird. Um die Ballast-Schaltung gegen diese Arten von Fehlern zu schützen, stellt der Pin VBUS (dargestellt in 2, 3) einen 3,0 V Unterspannungs-Schwellwert bereit. Wenn die Spannung an dem Pin VBUS unterhalb von 3,0 V fällt, wird VCC durch einen internen Schalter durch den UVLO Spannungsschwellwert entladen, und alle Gate-Treiber für die Schalter M1, M2 und M3 werden ausgeschaltet, also niedrig gelatcht.
Dieses Unterspannungs-Reset-Merkmal der vorliegenden Erfindung ermöglicht es einem Lampen-Ballast, eine minimal bemessene Eingangsspannung zu haben. Sobald die Eingangsspannung der Wechselstromleitung unter die bemessene Eingangsspannung für den Ballast fällt, fällt die Gleichstrom-Bus-Spannung auf ein Level, an dem die Spannung an dem Pin VBUS unter den internen 3,0 V Schwellwert fällt. Sobald die Spannung der Wechselstrom-Eingangsleitung zu der minimal bemessenen Eingangsspannung zurückgesetzt ist, führt der Pull-Up Widerstand R_SUPPLY die Spannung VCC wieder ein, um es dem Ballast zu ermöglichen, wieder anzuschalten. Der angemessene Anschalt-Punkt für den Ballast ist dann erreicht, wenn die Eingangsspannung der Wechselstrom-Leitung hoch genug ist, um dazu zu führen, dass die Spannung VCC UVLO+ übertrifft (s. 6).
Der Widerstand R_SUPPLY ist ausgewählt, um den Lampen-Ballast bei der spezifizierten minimal bemessenen Ballast-Eingangsspannung anzuschalten. Die Leistungsfaktor-Korrekturschaltung ist auch dazu ausgeführt, es dem Ballast zu ermöglichen, betrieben zu werden, bis die Gleichstrom-Bus-Spannung abnimmt, wenn die Spannung der Eingangsleitung niedriger ist als die minimal spezifizierte Ballast-Eingangsspannungsbemessung. Die Hysterese, die durch diese Überlegungen bereitgestellt wird, resultiert in einem sauberen An- und Abschalten des Ballasts.
Unter Bezugnahme nun auf 9 wird ein Boost-Typ Leistungfaktor-Korrekturschaltkreis allgemein als Schaltung 40 dargestellt. Normalerweise ist es wünschenswert, einen elektronischen Ballast zu haben, der, von der Wechselstrom-Eingangsleitungsspannung aus betrachtet, als eine rein resistive Last fungiert. Der Grad, bis zu dem die Schaltung als rein resistive Last erscheint, wird durch die Phasenverschiebung zwischen der Eingangsspannung und dem Eingangsstrom gemessen. Gute Leistungsfaktorresultate werden erreicht, wenn die Wellenform des Eingangsstroms die Form der sinusförmigen Eingangsspannung aufweist. Der Kosinus des Phasenwinkels zwischen der Eingangsspannung und dem Eingangsstrom ist als der Leistungsfaktor definiert. Der Grad, mit dem die Gestalt der Wellenform des Eingangsstroms der Gestalt der Wellenform der Eingangsspannung entspricht, wird durch die totale harmonische Verzerrung bestimmt. Ein Leistungsfaktor von 1,0 korrespondiert mit einer Phasenverschiebung von Null oder einer rein resistiven Last. Die totale harmonische Verzerrung von 0 % repräsentiert eine rein sinusförmige Welle ohne Verzerrung der Wellenform. Dementsprechend versucht das Design des Ballasts diese Merkmale zu optimieren, indem ein hoher Leistungsfaktor mit einer niedrigen totalen harmonischen Verzerrung bereitgestellt wird. Die Leistungsfaktor-Korrekturschaltung, die in den IC U1 eingefügt ist, modifiziert den Eingangsleitungswechselstrom gemäß der Eingangsleitungswechselspannung, um einen hohen Leistungsfaktor zu erzeugen und um eine niedrige totale harmonische Verzerrung zu erzeugen. Die Schaltung 40 ist eine Boost-Typ Leistungsfaktor-Korrekturschaltung, die in einem kritischen Leitungs-Modus betrieben wird, um es der Induktivität LPFC zu ermöglichen, sich in jedem Schaltzyklus auf Null zu entladen.
Der Schalter MPFC wird geschaltet, um die Ziele der Leistungsfaktor-Korrektur in der Boost-Typ Konverter-Schaltung 40 zu erreichen. Der Schalter MPFC schaltet typischerweise bei einer viel höheren Frequenz, d. h. 100 kHz, als die Frequenz der Eingangsleitung, die typischerweise bei 50 bis 60 Hz liegt. In jedem Schaltzyklus ist der Schalter MPFC aus, bis die Induktivität LPFC sich auf Null-Strom entlädt, an welchem Punkt der Schalter MPFC wieder angeschalten wird, was zu einem kritischen Leitungsbetrieb führt. Wenn der Schalter MPFC angeschalten wird, ist die Induktivität LPFC zwischen dem gleichgerichteten Leitungseingang verbunden, was dazu führt, dass der Strom in der Induktivität LPFC linear auflädt. Wenn der Schalter MPFC ausgeschaltet ist, ist die Induktivität LPFC zwischen dem gleichgerichteten Leitungseingang und der Gleichstrom-Bus-Kapazität CBUS durch die Diode DPFC angeschlossen. Der in der Induktivität LPFC gespeicherte Strom fließt dann in die Kapazität CBUS. Wenn der Schalter MPFC mit hoher Frequenz an- und ausgeschaltet wird, lädt sich die Spannung an der Kapazität OBUS zu einer spezifizierten Spannung auf. Die Feedback-Schleife in der Schaltung in IC U1 reguliert die Spannung zu einem spezifizierten festen Wert, indem die Gleichstrom-Spannung kontinuierlich überwacht wird und die ON-Zeit des Schalters MPFC entsprechend eingestellt wird. Um die Gleichstrom-Bus-Spannung zu erhöhen, wird die ON-Zeit des Schalters MPFC erhöht, und umgekehrt. Diese negative Feedback-Steuerung wird mit einer niedrigen Schleifengeschwindigkeit und einer niedrigen Schleifenverstärkung ausgeführt, so dass der durchschnittliche Induktorstrom der niederfrequenten Leitungseingangsspannung folgt, um einen hohen Leistungsfaktor und eine niedrige totale harmonische Verzerrung zu erzielen. Die ON-Zeit des Schalters MPFC erscheint somit über mehrere Zyklen der Leitungsspannung fixiert (siehe 13). Mit einer fixierten ON-Zeit und einer OFF-Zeit, die durch den Induktorstrom bestimmt ist, der sich auf Null entlädt, ist das Resultat ein System, in dem die Schaltfrequenz frei läuft und sich von einer hohen Frequenz nahe dem Nulldurchgang der Wechselspannung der Eingangsleitung zu einer niedrigeren Frequenz an den Spitzen der Wechselstromspannung der Eingangsleitung konstant ändert.
Dieser Zusammenhang ist in 10 dargestellt, in der die sinusförmige Spannung des Leitungseingangs mit einer durchgezogenen Linie gezeigt ist. Der Strom, der durch die Induktivität LPFC fließt, weist eine dreieckige Form mit Spitzen auf, die mit der sinusförmigen Spannung des Leitungseingangs koinzidieren. Der gleichmäßige sinusförmige Eingangsleitungsstrom ist als gestrichelte Linie gezeigt. In 10 ist ein Halbzyklus der Eingangsleitungsspannung gezeigt, wobei der Leitungseingangsstrom mit einer sinusförmigen Form erscheint und dieselbe Frequenz aufweist, wie die Leitungseingangsspannung.
Wenn die Leitungseingangsspannung niedrig ist, d. h. nahe dem Nulldurchgang, lädt der Strom durch die Induktivität LPFC nur einen kleinen Teil und entlädt somit schnell, was zu einer hohen Schaltfrequenz führt. Wenn die Eingangsleitungsspannung hoch ist, d. h. nahe der Spitze der sinusartigen Form, dann lädt der Strom durch die Induktivität LPFC hoch zu einer höheren Menge, was zu einer entsprechend längeren Entladezeit und einer niedrigeren Schaltfrequenz führt. Der dreiecksförmige Induktivitätenstrom durch die Induktivität LPFC wird durch einen Filter geglättet, um den sinusartigen Leitungseingangsstrom zu erzeugen, der als gestrichelte Linie in dem Graph von 10 gezeigt ist.
Unter Bezugnahme auf 11 wird ein Leistungsfaktor-Korrektur-Steuerschaltkreis allgemein als Schaltkreis 42 gezeigt. Es sind vier Verbindungen mit dem Schaltkreis, der im IC U1 ausgeführt ist, in der Leistungsfaktor-Korrektur-Steuerungsschaltung der 11 gezeigt. Der Pin VBUS fühlt die Gleichstrom-Bus-Spannung durch die externe Widerstands-Spannungs-Trennung ab, gebildet aus Widerstand RVBUS1 und Widerstand RVBUS. Der Pin COMP erhält die auswählbare ON-Zeit für den Schalter MPFC und die Geschwindigkeit der Feedback-Schleife. Diese Merkmale werden durch die Dimensionen der Komponenten Zener-Diode DCOMP und Kapazität CCOMP ausgewählt. Der Pin ZX detektiert den Nulldurchgang des Induktionsstroms durch die Induktivität LPFC, wodurch indiziert wird, dass die Induktivität LPFC vollkommen entladen ist. Wie in 11 dargestellt, weist die Induktivität LPFC eine Sekundärwindung auf, welche dazu verwendet wird, den Nulldurchgang zu bestimmen, wie gekoppelt mit dem Widerstand RZX. Der Pin PFC stellt den Gate-Treiberausgang für den Schalter MPFC durch den Widerstand RPFC bereit.
Unter Bezugnahme auf 12 ist ein internes Diagramm der Leistungsfaktor-Korrektursteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein als Schaltkreis 44 gezeigt. Der Pin VBUS wird mit einer 4,0 V Referenzspannung reguliert, um die Schaltfrequenz, welche dem Schalter MPFC zugeführt wird, zu regulieren und somit die Gleichstrom-Bus-Spannung zu regulieren. Die Feedback-Schleife arbeitet durch einen Transkonduktanz-Verstärker (OTA), der einen Strom zu der externen Kapazität, die an den Pin COMP angeschlossen ist, hinleitet oder von ihr wegleitet. Die resultierende Spannung an dem Pin COMP stellt den Schwellwert zum Laden der internen Timing-Kapazität C1 ein. Die Spannung an dem Pin COMP programmiert somit die ON-Zeit des Schalters MPFC. Während der Vorheiz- und Zündungs-Moden des Ballastbetriebs ist die Verstärkung des OTA auf einen hohen Wert eingestellt, um den Level der Gleichstrom-Bus-Spannung schnell zu erhöhen und Übergänge auf dem Gleichstrom-Bus zu minimieren, die während des Zündvorgangs auftreten können. Während dem Lauf-Modus wird die Verstärkung des OTA auf ein niedrigeres Level abgesenkt, um einen höheren Leistungsfaktor mit niedriger totaler harmonischer Verzerrung zu erzielen.
Die OFF-Zeit des Schalters MPFC wird durch die Zeit bestimmt, die es braucht, damit die Induktivität LPFC den Strom auf Null entlädt. Das Nullstrom-Level wird durch die Sekundärwindung an der Induktivität LPFC (11) detektiert, die mit dem Pin ZX verbunden ist. Eine positive Anschaltekante (going edge), die die interne 2,0 V Referenz an dem Pin ZX übertrifft, signalisiert den Beginn der OFF-Zeit. Eine negative Anschaltekante an dem Pin ZX, die unter das Level von 1,7 V fällt, tritt auf, wenn die Induktivität LPFC ihren Strom auf Null entlädt, was das Ende der OFF-Zeit signalisiert, und der Schalter MPFC wird wieder angeschaltet. Der Schaltzyklus wiederholt sich unbefristet, während die Ballast-Steuerung im normalen Lauf-Modus betrieben wird. Die PFC-Steuerung kann ausgeschaltet werden, weil ein Fehler detektiert wurde, aufgrund einer Über- oder Unterspannungs-Bedingung an dem Wechselstrom-Bus, oder wenn kein negativer Übergang an den Pin ZX stattfindet. Wenn kein negativer Übergang an den Pin ZX stattfindet, bleibt der Schalter MPFC aus, bis der Watch-Dog Timer, der im Schaltkreis 44 dargestellt ist, den Schalter MPFC dazu zwingt, für eine ON-Zeitdauer, die von der Spannung bestimmt wird, welche an dem Pin COMP anliegt, anzuschalten. Der Watch-Dog Timer pulst alle 400 Mikrosekunden unbestimmt, bis ein korrektes positives und negatives Anschaltsignal an dem Pin ZX detektiert wird und der normale PFC-Steuerungsbetrieb wieder aufgenommen wird.
Eine fixierte ON-Zeit des Schalters MPFC über einen gesamten Zyklus der Leitungseingangsspannung erzeugt einen Spitzeninduktivitätsstrom, der natürlich der sinusartigen Form der Leitungseingangsspannung folgt. Der gleichmäßige gemittelte Leitungseingangsstrom ist in Phase mit der Leitungseingangsspannung, um einen hohen Leistungsfaktor zu erzielen. Allerdings können die totale harmonische Verzerrung wie auch die individuellen hohen Harmonischen des Stroms noch immer zu hoch sein. Die hohe Verzerrung wird hauptsächlich durch die Übernahmeverzerrung des Leitungsstroms nahe der Nulldurchgänge der Leitungseingangsspannung bedingt. Um die Harmonischen auf ein Level zu reduzieren, das hinsichtlich internationaler Standards akzeptierbar ist, und um allgemeinen Marktanforderungen zu genügen, wird ein zusätzlicher ON-Zeit-Modulationsschaltkreis mit der PFC-Steuerung bereitgestellt. Dieser Schaltkreis steigert die ON-Zeit des Schalters MPFC dynamisch, während die Leitungseingangsspannung sich einem Nulldurchgang nähert. Die ON-Zeit-Modulation des Schalters MPFC ist in dem Graph der 13 dargestellt. Durch eine dynamische Steigerung der ON-Zeit des Schalters MPFC steigt der Spitzenstrom durch die Induktivität LPFC leicht in der Nähe der Nulldurchgänge der Leitungseingangsspannung an. Der gleichmäßige Leitungseingangsstrom erfährt durch dieses Verfahren einen entsprechenden leichten Anstieg. Indem es dem Spitzenstrom durch die Induktivität LPFC erlaubt wird, leicht anzusteigen, wird die Menge an Übernahmeverzerrung im Leitungseingangsstrom reduziert, wodurch die gesamte harmonische Verzerrung wie auch die höheren Harmonischen auf gewünschte oder akzeptable Levels reduziert werden.
Unter Bezugnahme wieder auf 12 stellt die Leistungsfaktor-Korrektur-Steuerungsschaltung 44 einen Überspannungs-Schutz für den Gleichstrom-Bus bereit. Wenn die Spannung an VBUS den Schwellwert übertrifft, der intern auf 4,3 V eingestellt worden ist, wird beispielsweise der Ausgang auf den Schalter MPFC abgeschaltet oder auf einen niedrigen Zustand gelatcht. Sobald die Gleichstrom-Bus-Spannung abnimmt, so dass die Spannung an dem Pin VBUS unterhalb des internen Schwellwerts von 4,0 V liegt, wird ein Watch-Dog Timer-Puls auf den Pin PFC gezwungen, und der normale PFC-Betrieb wird wieder aufgenommen.
Die Schaltung 44 stellt auch den Schutz vor einem Unterspannungs-Reset bereit, wenn die Leitungseingangsspannung abnimmt. Spannungsabnahmen aufgrund von unterbrochenen oder „Brown-out" Bedingungen führt zu einem Anstieg der ON-Zeit des Schalters MPFC durch die PFC Feedback-Schleife, um die Spannung an dem DC-Bus konstant zu halten. Wenn die ON-Zeit des Schalters MPFC zu sehr ansteigt, kann der Spitzenstrom in der Induktivität LPFC das Sättigungsstromlimit der Induktivität LPFC übersteigen. Die Induktivität LPFC kann dann saturieren, um sehr hohe Spitzenströme und hohe di/dt Level zu erzeugen.
Um das Auftreten einer solchen Sättigung zu verhindern, wird die maximale ON-Zeit für den Schalter MPFC limitiert, indem ein Limit für die maximale Spannung am Pin COMP mit einer externen Zener-Diode DCOMP bereitgestellt wird. Wenn die Leitungseingangsspannung abnimmt, kann die Spannung an dem Pin COMP und somit die ON-Zeit des Schalters MPFC evtl. limitiert werden. Die PFC-Steuerung kann nicht länger genug Strom liefern, um die Spannung an dem Gleichstrom-Bus für die gegebene Lastleistung, welche von der Lampe gezogen wird, konstant zu halten, und die Spannung an dem Wechselstrom-Bus wird anfangen zu sinken.
Während die Leitungseingangsspannung weiterhin sinkt, kann die Spannung an dem Anschluss VBUS evtl. unterhalb den internen Schwellwert von zum Beispiel 3,0V abnehmen. Wenn die Spannung an dem Pin VBUS unterhalb diesem Schwellwert-Level abnimmt, wird VCC durch einen internen Schalter auf Masse gelegt und entladen, so dass die Spannung an VCC auf oder unter UVLO- liegt. Wenn VCC dieses Level erreicht, ändert der IC U1 den Zustand zu UVLO-Modus, und die Ausgangstreiber für die Schalter M1, M2 und M3, die in Schaltung 30 in 3 gezeigt sind, werden abgeschaltet oder auf einen niedrigen Zustand gelatcht.
Der Start-Versorgungswiderstand R_SPUPPLY, der an VCC angeschlossen ist, etabliert zusammen mit dem Mikroampere-Start-Strom, der von dem IC U1 verwendet wird, die Spannung zum Anschalten einer gegebenen angemessenen Leitungseingangsspannung. Die Leitungseingangs-Anschaltspannung wird derart bestimmt, dass der Ballast bei einem Leitungseingangsspannungs-Level angeschaltet wird, das über dem Unterspannungs-Ausschalt-Level liegt. Durch Einstellen einer unterschiedlichen Leitungseingangs-Anschaltspannung und Unterspannung-Ausschalt-Level stellt der Ballast eine Betriebshysterese für gleichmäßige Übergänge zwischen ON- und OFF-Zuständen bereit. Durch Auswahl des Widerstandswertes von R_SUPPLY an dem Pin VCC und dem Spannungs-Level der Zener-Diode DCOMP, die an den Pin COMP angeschlossen ist, können die Leitungseingangsspannungs-Level für ON- und OFF-Schwellwerte für den Ballast angemessen eingestellt werden. Mit diesen Schwellwerten schaltet der Ballast aus, wenn die Spannung an dem Anschluss VBUS niedriger ist, als der exemplarische 3,0 V interne Schwellwert, und der Ballast schaltet bei einer höheren Leitungseingangsspannung durch die Auswahl des Versorgungswiderstands R_SUPPLY wieder an. Diese Hysterese resultiert in einem gleichmäßigen Reset des Ballasts und vermeidet ein Flickern der Lampe, ein Prellen des Gleichstrom-Bus oder ein Auslöschen der Lampe, wenn die Gleichstrom-Bus-Spannung zu niedrig wird.
Der IC U1, der in 2 dargestellt ist, ist ein Package aus 16 Anschlüssen, welches drei diskrete IC-Packages in einer Einheit aufnimmt. Durch diese Herangehensweise werden eine Anzahl von Vorteilen realisiert, umfassend eine Verminderung an Herstellungskosten und der begleitenden Test- und Qualifikationsprozesse, die für einen IC notwendig sind anstatt für drei. Mit diesem Ansatz wird nur eine Versorgungsspannung VCC verwendet anstatt von dreien, mit einer einhergehenden Verringerung an externen Komponenten, welche mit den drei IC-Konfigurationen bereitgestellt werden würden. Zusätzlich eliminiert die vereinfachte PFC-Stufe den Bedarf an externen Komponenten, welche andererseits verwendet werden würden, um die Wechselstrom-Leitungsspannung im Strom zu messen. Z. B. wird kein teurer Stromabfühlwiderstand mehr benötigt, aufgrund der Verwendung einer vereinfachten PFC-Bereichs, während Schutzwiderstände und Ladungspumpenkomponenten ebenso eliminiert werden.
Unter Bezugnahme auf 11 und 12 verwendet die vereinfachte PFC-Schaltung nur vier Pins auf dem IC U1. Es ist kein Stromabfühleingang von dem PFC-Schalter erforderlich. Die Verstärker-Fehlerschleifenverstärkung, die an Pin COMP repräsentiert wird, kann eine hohe oder niedrige Verstärkung aufweisen, um verschiedene Betriebssituationen bereitzustellen, wie oben beschrieben. Die ON-Zeit des PFC-Schalters wird gesteigert, wenn die Leitungsspannung sich einem Nulldurchgangspunkt annähert, um eine Übernahmeverzerrung zu verringern. Die ON-Zeit des PFC-Schalters wird von dem Fehlerverstärker bestimmt, der die Bus-Spannung an dem VBUS Pin fühlt. Die OFF-Zeit des PFC-Schalters wird mit dem Strom an Induktivität LPFC durch den Eingang an dem Pin ZX bestimmt. Die Verstärkung des Fehlerschleifenverstärkers wird derart eingestellt, dass sie hoch ist, wenn die Schaltung initialisiert, um es der Gleichstrom-Bus-Spannung zu ermöglichen, schnell anzusteigen. Die Verstärkung ist auch hoch, wenn die Lampe gezündet wird, so dass der damit zusammenhängende hohe Stromanstieg nur einen kleinen Übergang in der Gleichspannungs-Bus-Spannung erzeugt.
Die resultierende Ballast-Steuerung auf einem einzelnen integrierten Schaltkreis verringert Herstellungs- und Designkosten, während ein stabiler Betrieb bereitgestellt wird. Leistungsfaktor-Korrektur wird im Zusammenhang mit Ballast-Steuerung bereitgestellt und weist eine variable Verstärkung abhängig von dem Betriebszustand der Ballast-Steuerung auf. Der PFC-Bereich wird in bestimmten Fehler-Moden ausgeschaltet, um den PFC-Bereich und den elektronischen Ballast zu schützen. Die Verringerung an Schaltungsbestandteilen, Versorgungsspannung, Komponenten und ein empfindlicher Design-Betrieb hilft bei der Vereinfachung des Gesamtdesigns, während eine hohe Performance mit höchster Zuverlässigkeit erzielt wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung hinsichtlich bestimmter Ausführungsformen beschrieben wurde, sind für den Fachmann viele andere Varianten und Modifikationen und andere Verwendungen offensichtlich. Es wird somit vorgezogen, die vorliegende Erfindung nicht auf die hierin dargelegte bestimmte Offenbarung zu limitieren, sondern nur durch die beigefügten Ansprüche.
Zusammenfassung:
Eine integrierte Schaltung stellt eine vollständige elektronische Ballast-Steuerung mit Leistungsfaktor-Korrektur für fluoreszente Lampen bereit. Die integrierte Schaltung umfasst eine vereinfachte Leistungsfaktor-Korrektur-(Power Factor Correction, PFC) Schaltung, um die Anzahl an Komponenten und die Anforderungen an die Spannungsversorgung zu reduzieren, um Herstellungskosten zu reduzieren, während eine stabile Steuerung bereitgestellt wird. Die PFC-Schaltung weist eine variable Verstärkung zur schnellen Antwort bei hoher Verstärkung und optimierter Leistungsfaktorsteuerung bei geringer Verstärkung auf. Eine gesteigerte ON-Time für den PFC Schalter, wenn die Spannung der Eingangsleitung sich dem Wert Null nähert, reduziert eine Übernahmeverzerrung dynamisch, wodurch eine gesamte harmonische Verzerrung reduziert wird. Die integrierte Schaltung beinhaltet eine Anzahl an Fehlerschutzeinrichtungen, umfassend Unterspannungs-Gleichstrom-Bus, Überstrom, Lebenszeitende-Fehlfunktion, Entzündungsschutz und Schutz vor einer Fehlfunktion des Drahtes. Der IC stellt Eingänge für eine programmierbare Steuerung einer Anzahl an Funktionen bereit, umfassend eine Vorheiz-Frequenz und Zeit, Lauffrequenz und Totzeit. Die vereinfachte integrierte Schaltung stellt eine kosteneffiziente und umfassende elektronische Ballast-Steuerung in einem einfachen Package bereit.

Claims

Eine integrierte Schaltung für eine elektronische Ballast-Steuerung, umfassend: einen Halbbrücken-Steuerungsschaltkreis zum Treiben einer Leistungs-Halbbrücke in dem elektronischen Ballast; einen Ballast-Steuerungsschaltkreis, gekoppelt mit dem Halbbrücken-Steuerungsschaltkreis und betreibbar zur Bereitstellung von Signalen an den Halbbrücken-Steuerungsschaltkreis zur Steuerung des Betriebs des Halbbrücken-Steuerungsschaltkreises; einen Eingang, der mit dem Ballast-gesteuerten Schaltkreis gekoppelt ist und Indikativ ist für zumindest einen Zustand einer Leistung, die dem elektronischen Ballast bereitgestellt ist, und einen Zustand einer elektronischen Ballast-Last; wobei der Ballast-Steuerungsschaltkreis den Halbbrücken-Steuerungsschaltkreis basierend auf dem Eingang steuert; einen Leistungsfaktor-Steuerungsschaltkreis, gekoppelt mit dem Ballast-Steuerungsschaltkreis und betreibbar zur Regelung der Ballast-Leistung, um eine verbesserte Leistungsfaktor-Korrektur für den Ballast zu erreichen.
Die integrierte Schaltung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Fehlerdetektionsschaltung zum Erfassen eines Fehlers und zum Reagieren entsprechend eines erfassten Fehlers.
Die integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Leistungsfaktor-Steuerungsschaltung einen Boost-Typ Leistungskonverter umfasst.
Die integrierte Schaltung nach Anspruch 3, wobei die Leistungsfaktor-Steuerungsschaltung in einem kritischen Leitungs-Modus betrieben ist.
Die integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Leistungsfaktor-Steuerungsschaltung eine hohe Verstärkung aufweist, um eine schnelle Antwort zu erreichen, und zur Optimierung der Leistungsfaktor-Korrektur eine niedrige Verstärkung aufweist.
Die integrierte Schaltung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen Schalter in dem Leistungsfaktor-Steuerungsschaltkreis, wobei eine ON-Zeit des Schalters vergrößert wird, wenn eine Spannung der Eingangsleistung sich dem Wert Null nähert.
Die integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei: der Halbbrücken-Steuerungsschaltkreis einen Ausgang für einen hohen und einen niedrigen Halbbrücken-Schalter aufweist; und der Ausgang der niedrigen Seite auf eine Spannung, die der integrierten Schaltung gemein ist, bezogen ist.
Ein Verfahren zum Steuern eines elektronischen Ballasts, umfassend: Erfassen eines Nulldurchgangs einer Eingangsspannung; Vergrößern einer Einschaltzeit während die Eingangsspannung sich dem Nulldurchgang nähert, um eine Leistungsfaktor-Korrektur mit einer verringerten Übernahmeverzerrung bereitzustellen; Erhöhen einer Verstärkung einer Leistungsfaktor-Korrekturschleife, um eine schnelle Antwort zu erlangen; Verringern einer Verstärkung einer Leistungsfaktor-Korrekturschleife, um einen Ballast-Leistungsfaktor zu optimieren; und Steuern einer Induktivität durch Aktivierung eines Schalters in einer Boost-Typ Leistungsfaktor-Korrekturschaltung.
Das Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin umfassend ein Ausschalten des Leistungsfaktor-Korrekturschaltkreises, wenn ein Fehler in dem elektronischen Ballast detektiert wird.
Eine Steuerungsschaltung zur Steuerung eines elektronischen Ballasts zum Versorgen einer Lampe, wobei die Steuerungsschaltung eine Mehrzahl an Zuständen aufweist, umfassend: einen Unterspannungs-Steuerungszustand zum Ausschalten des elektronischen Ballasts; einen Vorheiz-Steuerungszustand zum Schalten einer Halbbrücke in dem elektronischen Ballast bei einer ersten Frequenz und Bereitstellen einer Leistungsfaktor-Korrektur mit einer schnellen Antwortzeit; einen Zündungsrampen-Steuerungszustand zum Starten der Lampe, angeschlossen an den elektronischen Ballast, wobei die Halbbrücke bei einer zweiten Frequenz schaltet; einen Lauf-Steuerungszustand, wobei die Leistungsfaktor-Korrektur in niedriger Verstärkung mit einer optimierten Leistungsfaktor-Korrektur betrieben ist; und einen Fehler-Steuerungszustand zum Schützen des elektronischen Ballasts, basierend auf einem Satz an Fehlerkriterien.
Eine Leistungsfaktor-Korrekturschaltung, integriert in einen elektronischen Ballast, wobei die Leistungsfaktor-Korrekturschaltung umfasst: einen Eingangsspannungserfassungsbereich zum Erfassen einer Eingangsspannung zu dem elektronischen Ballast; einen Induktionsstromerfassungsbereich zur Detektion eines Nullstromdurchgangs einer Induktivität; einen Steuerungsbereich variabler Verstärkung, gekoppelt mit dem Eingangsspannungserfassungsbereich und betreibbar, um eine variable Close Loop-Feedback-Verstärkung in der Leistungsfaktor-Korrekturschaltung bereitzustellen; eine Kompensationsindikationseinrichtung, gekoppelt mit dem Steuerungsbereich mit variabler Verstärkung, zur Einflussnahme auf eine Closed Loop-Verstärkung des Steuerungsbereichs mit variabler Verstärkung; einen Ausgangsbereich, gekoppelt mit dem Steuerungsbereich mit variabler Verstärkung und dem Induktionserfassungsbereich, zum Treiben eines Leistungsfaktor-Korrekturschalters, wobei eine ON-Zeit des Ausgangsbereichs auf die Eingangsspannung, die Closed Loop-Verstärkung und dem Nullstromdurchgang bezogen ist.
Die Schaltung nach Anspruch 10, weiterhin umfassend einen Fehlersignaleingang zum Ausschalten des Ausgangsbereichs, wenn ein Fehler detektiert wird.
Die Schaltung nach Anspruch 11, wobei der Schaltungsausgang mit einem Schalter gekoppelt ist, der mit der Induktivität gekoppelt ist und das Laden und Entladen der Induktivität steuert.
Eine Einzelchip-integrierte Ballast-Steuerung, umfassend: eine Halbbrücken-Treiberschaltung zum Treiben einer Halbbrückenschalterkonfiguration; eine Steuerungsschaltung, gekoppelt mit dem Halbbrücken-Treiber, zur Steuerung der Halbbrücken-Treiberschaltung; und eine Leistungsfaktor-Korrekturschaltung, gekoppelt mit der Steuerungsschaltung und betreibbar, um eine Eingangsleistung zu steuern, um einen Ballast-Leistungsfaktor zu verbessern.