JP3769115B2 - Integrated circuit for closed loop / dimming stability control - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はMOSゲート・デバイス用のゲート駆動回路に関し、さらに詳しくはMOSゲート・デバイス用のモノリシック・ゲート駆動回路、特にランプ安定回路で使用する回路に関する。
【0002】
【関連技術の説明】
ガス放電回路用の電子安定器は、これまで使用されていた電力バイポーラ・スイッチング・デバイスに置き換わる電力MOSFETスイッチング・デバイスと絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ(IGBT)が利用可能になったため最近では広範に使用されるようになって来た。モノリシック・ゲート駆動回路、たとえばインターナショナル整流器コーポレーション(International Rectifier Corporation )で販売しており米国特許第5,545,955号に開示されているIR2155などは、電子安定器内の電力MOSFETまたはIGBTを駆動するように工夫されている。IR2155ゲート駆動ICは一般的なDIPまたはSOICパッケージにパッケージ化されており内部レベルシフト回路、過小電圧ロックアウト回路、デッドタイム遅延回路、および追加の論理回路および入力を含み、そのため駆動回路は外部抵抗RT およびCT によって決定される周波数で自己発振できる点で従来の回路に対して顕著な利点を提供する。
【0003】
IR2155は従来の安定制御回路に対して広範な改良を提供しているが、開ループ・システムである。更に、プログラム可能な予熱または寿命機能を有しておらず、ランプ・フォールト、過温保護、または調光制御も有していない。
【0004】
【発明の要約】
本発明は一方が「低位側スイッチ」と呼ばれ他方が「高位側スイッチ」と呼ばれる二つのスイッチがトーテムポールまたは半ブリッジ構造で接続されている電力MOSFETまたはIGBTなどの2個のMOSゲート電力半導体を駆動できるような新規なモノリシック電子安定制御ICを提供する。有利にも、本発明はプログラム可能な予熱時間および電流、プログラム可能な寿命保護、ランプ・フォールト保護、過温保護を提供する。
【0005】
本発明の第1の実施例は多ランプ構成を目的とした閉ループ安定制御ICで、3つの電流検出入力とプログラム可能なランプ電力を備える。本発明の本実施例の安定制御ICは1本、2本(並列または直列)、3本(並列)、または4本(直並列)のランプを駆動できる。本実施例では調光が可能だが、超低光量レベル(−10%)まで落すのはランプ製造上の許容範囲から推奨されない。
【0006】
本発明における閉ループ制御は位相制御により、または、さらに詳しくは、蛍光ランプを駆動する共振型出力段付近のフェーズ・ロック・ループ(PLL)により実現される。多数のランプを調整する場合、電力を多く消費するランプがマスターとなり、これにより寿命検出と安定器シャットダウンが簡単に出来る。
【0007】
本発明の第2の実施例は第1の実施例と同様のアーキテクチャを有しており、調光して低い光量レベルまで下げられるようにある程度の変更が行なわれている。第2の実施例はアナログ制御用調光インタフェース、ランプ輝度0から5VDC、最小および最大輝度設定を含む。これにより特定の種類のランプの調光範囲を、たとえば10%から100%輝度まで変更できるようになり、0ボルトが10%に対応し5Vが100%に対応する。本発明の第2の実施例は一つの電流検出入力だけ有し、これによって1本または2本(直列)のランプを駆動できる。
【0008】
第1と第2の実施例双方とも、VCO、プログラム可能な予熱時間、プログラム可能な予熱電流、過電流保護、追加のシャットダウン入力、および完全な高位側および低位側半ブリッジ駆動回路を含む。
【0009】
本発明のその他の特徴および利点は添付の図面を参照する本発明の以下の説明から明らかになろう。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下は本発明の安定IC制御装置の2つの実施例のアーキテクチャ全体の詳細な機能的説明である。
【0011】
第1の実施例は多ランプ構成に適した安定制御ICである。第2の実施例は低光量レベル調光に特に好適な安定制御ICである。
【0012】
まず図1および図2を参照すると、それぞれ本発明の第1と第2の実施例の閉ループ安定ICについて代表的な接続模式図が図示してある。各々の場合で、安定ICは「トーテムポール」すなわち半ブリッジ回路で接続された2個の電力MOSFETまたはIGBT20および21を制御する。電力MOSFET/IGBT20と21は、本発明の安定制御ICによって駆動され、後述するピンHOとLoからのゲート信号を介して交互に導通する。
【0013】
MOSFET/IGBT20および21によって供給される電力で駆動される出力回路は、少なくとも1本のガス放電管、代表的には蛍光ランプ24を含み、これはキャパシタ26と並列に、かつ、インダクタ28と直列に接続されて通常のランプ共振回路を形成する。
【0014】
本発明の2つの実施例の各々のアーキテクチャ全体の説明を以下に提供し、その後に各々の実施例における個々の回路ブロックの詳細な説明を行なう。
【0015】
アーキテクチャ全体 − 第1の実施例
図1において参照番号30で識別される本発明の第1の実施例の安定駆動ICは、16ピンDIPまたはSOICパッケージに内蔵され、以下のようなピン配置を有する:
VCC − 論理および内部ゲート駆動供給電圧。15.6V内部ツェナーダイオードがVCCとGNDの間の電圧をクランプする。公称立ち上がりおよび立ち下がり過小電圧ロックアウト閾値はそれぞれTBDとTBDである。ICが過小電圧ロックアウト・モードに入った場合、総静止電流は代表的には150μA未満で、高電圧スタートアップ抵抗の電力消費要件を減少させる。VCCは低ESR/ESLキャパシタで出来るだけIC端子に近くなるようにGNDへバイパスさせるべきである。このバイパス・キャパシタの値についての経験則としては、その最小値を駆動しようとする電力トランジスタの総入力キャパシタンス(Ciss)の値の少なくとも2500倍に保持する。
【0016】
IREF − 基準電流設定。外部抵抗がICのすべてのプログラム可能な入力について内部電流基準を設定する。
【0017】
TPH − 予熱タイミング・ピン。内部基準電流が4V閾値まで外部キャパシタを充電することで予熱時間を決定する。
【0018】
IPH − 予熱電流設定。外部抵抗を通る内部基準電流が閉ループ・ピーク予熱電流調整の基準を設定する。
【0019】
VCO − 電圧制御発振回路入力。外部キャパシタが予熱電流とランプ電力調整についての点灯ランプ時間およびループ補償を設定する。
【0020】
PLAMP − ランプ電力設定。外部抵抗を通る内部基準電流が閉ループ・ランプ電力調整の基準を設定する。
【0021】
EOL − 寿命設定。外部抵抗を通る内部基準電流が寿命時にランプ電圧において最大限許容される増分に対応する最大VCO周波数シャットダウン閾値を設定する。動作時間と共にランプ電圧が増加すると、調整ループは、最大設定を超えて半ブリッジ回路が停止するまで、周波数を増加させてランプにおける一定電力を維持する。
【0022】
COM IC − 電力および信号アース。低電力制御回路および低位側ゲート駆動回路出力段のアース双方がこのピンに戻る。COMピンは単一の独立した配線を用いて低位側電力MOSFETのソースに接続し検出タイミング・コンポーネント電流に干渉する大電流アース・ループの可能性を回避する。更に、タイミング・コンポーネントおよびVCCデカップリング・キャパシタのアース復帰パスは直接IC COMピンへ接続し、基板上のその他のアース線への独立した配線またはジャンパを経由しない。
【0023】
VB − 高位側ゲート駆動浮動給電。これは高位側レベルシフトおよびゲート駆動論理回路のための電力供給ピンである。通常の場合VCCからの簡単なチャージポンプを用いて高位側回路へ電力を供給する。高電圧高速復帰ダイオード(いわゆるブートストラップ・ダイオード)をVCC(アノード)とVB(カソード)の間に接続し、またキャパシタ(いわゆるブートストラップ・キャパシタ)をVBとVSピンの間に接続する。低位側電力MOSFETまたはIGBTがオンの時、ブートストラップ・キャパシタはブートストラップ・ダイオードを用いてVCCからCOMへのデカップリング・キャパシタから充電される。高位側電力MOSFETまたはIGBTがオンになると、ブートストラップ・ダイオードに逆バイアスがかかり、VBノードは高位側電力MOSFETまたはIGBTのソース電位以上に浮遊する。VBは低ESR/ESLキャパシタでICピンに出来るだけ近くなるようにVSへバイアスすべきである。このキャパシタの値についての経験値としては、その最小値を駆動しようとする電力トランジスタの総入力キャパシタンス(Ciss)の少なくとも50倍に維持する。
【0024】
HO − 高位側ゲート駆動出力。このピンは高位側電力MOSFETまたはIGBTのゲートへ接続される。半ブリッジの出力に存在する高dV/dt状態のため電力トランジスタ・ミラー電流が(即ちゲートからドレインへの電流が)0.5Aを超える場合、ゲート抵抗を使用して電力段からICをバッファすることが推奨される。
【0025】
VS − 高電圧浮動供給復帰。高位側ゲート駆動回路および論理回路がこのピンに戻る。VSピンは高位側電力MOSFETまたはIGBTのソースへ直接接続すべきである。さらに、半ブリッジ出力トランジスタは相互に出来るだけ近くなるように配置し、これらの間の直列インダクタンスを最小限に押えるべきである。
【0026】
LO − 低位側ゲート駆動出力。このピンは低位側電力MOSFETまたはIGBTのゲートへ接続される。半ブリッジの出力に存在する高dV/dt条件のため電力トランジスタ・ミラー電流が(即ちゲートからドレインへの電流が)0.5Aを超える場合、ゲート抵抗を使用して電力段からICをバッファすることが推奨される。
【0027】
CS1 − 汎用電流検出入力。外部検出抵抗を通って流れHOまたはLOゲート駆動出力のオン時間の間にプラスになっている負荷電流により発生する電圧を検出する。ランプの存在を検出するための低位閾値と電流限界を検出するための高位閾値を持つコンパレータも含む。また予熱電流調整のためとランプ電力調整のための電流検出も実行する。
【0028】
CS2 − 第2電流検出入力。外部検出抵抗を通って流れHOゲート駆動出力のオン時間の間にプラスになっている負荷電流により発生する電圧を検出する。ランプの存在を検出するための低位閾値と電流限界を検出するための高位閾値を持つウィンドウ・コンパレータを含む。
【0029】
CS3 − 第3電流検出入力。外部検出抵抗を通って流れHOゲート駆動出力のオン時間の間にプラスになっている負荷電流により発生する電圧を検出する。ランプの存在を検出するための低位閾値と電流限界のための高位閾値を持つウィンドウ・コンパレータを含む。
【0030】
SD − シャットダウン・ピン。このピンは半ブリッジ駆動回路を停止させ、またゲート駆動出力HOおよびLOを両方ともオフにし(アクティブ・ロー)、安定IC制御装置を省電力モードにするために使用される。立ち上がりシャットダウン・ピン閾値電圧は2.5Vであり、約0.1Vのヒステリシスを含んでおり耐雑音性を増加させている。シャットダウン機能はラッチされず、SDコンパレータの出力がCSラッチをリセットするので、SDピン電圧が入力閾値以下に復帰するとICは予熱シーケンスを再開する。
【0031】
ここで図3を参照すると、安定IC30のアーキテクチャ全体のブロック図が図示してある。動作において、電圧制御発振回路(VCO)32が半ブリッジ駆動回路の動作周波数を設定する。VCO32の入力にかかる電圧は「調整」ブロック34で調節され、このブロックは基準位相と共振ランプ出力段の一つのインダクタ電流の位相との間の誤差にしたがってVCO32の入力にあるキャパシタ(図示せず)へ電流を供給または分流する。インダクタ電流は、(図2の代表的な接続図に図示してあるように)電流検出入力の(CS1、CS2、またはCS3)の一つで、ランプ・フィラメントとアースの間、および/または低位側半ブリッジMOSFET21とアースの間に検出抵抗(RCS)36を挿入することにより発生する電圧によって検出される。この電圧のゼロ交差で位相を判定し、これが位相制御ブロック38へフィードバックされ、ここで基準位相から減算されて調整用にERRORパルスを発生する。
【0032】
予熱中(通常の予熱、点灯、および動作状態を示す図4タイミング図を参照のこと)、調整ブロック34はプログラム可能な予熱電流基準入力IPHに対してサイクル毎ピーク負荷電流を調整するために使用する。予熱論理はブロック40に含まれる―予熱時間はピンTPHで外部キャパシタを充電する内部電流により発生する線形ランピング電圧(linear ramping voltage)によって決定される。ランプが点灯しない場合、安定器は図5のタイミング図に図示してあるように動作停止する。
【0033】
ランプ電力は、ピンPLAMPで外部抵抗を通って流れる内部電流によって発生し、位相制御ブロック38での基準位相を設定する電圧で設定される。ピンEOLで外部抵抗を通る内部電流が電圧を発生し、これがVCO電圧と比較された場合に、最大周波数シャットダウンをプログラムする。ランプの1本または2本以上が保護論理40によって検出されるように寿命に達した場合、位相制御ブロック38が周波数を増加させて最大周波数FMAXに達し安定器が安全にシャットダウンされるまで電力を一定に保とうとする。
【0034】
シャットダウン・ピンSDは論理入力外部シャットダウン・オプションを提供する。このピンが2ボルト以上に引き上げられると、安定器は「ラッチされない」状態でオフに保持される。また2ボルト以下に引き下げられると、予熱シーケンスが予熱論理42を介してリセットされ、安定器がまた始動する。これによって、入力主電圧を安定器へリサイクルすることなく、ランプの着脱によりフォールト状態が発生した後で安定器の自動再起動が出来るようになる。
【0035】
図6〜図9は本発明の第1の実施例の安定制御ICでの各種多ランプ構成を示す―図6は2並列構成、図7は2直列構成、図8は3並列構成、図9は直並列構成である。多ランプ構成での検出抵抗RCS1〜RCS3はランプ・カソードとアースの間に配置される。同様に、図1の単ランプ構成でのRCS36をこの別の位置に挿入しても良い。
【0036】
多ランプ構成において、1本のランプを取り外すか、またはフィラメントが断線した場合、他のランプは動作し続ける。ランプを交換し動作中に挿入しなおした場合、安定器はシャットダウンして予熱シーケンスがリセットされ、全部のランプが予熱されて再点灯する。
【0037】
本発明の安定制御ICは、回路ブロック44に図示してあるように、省電力スタートアップ、ツェナー・クランプVCC、過温シャットダウン、過小電圧ロックアウトも含む。過小電圧ロックアウト(UVLO)は雑音ヒステリシスおよびオフライン給電を点灯および消灯閾値に提供する。
【0038】
アーキテクチャ全体 − 第2の実施例
本発明の安定IC制御装置の第2の実施例のアーキテクチャ全体は、調光して超低光量レベルまで下げる業務用に特に設計されている点で、第1の実施例と異なっている。
【0039】
図2に図示してあり参照番号50で識別される第2の実施例のチップは、第1の実施例と同一の多くのピン配置を有しており、調光機能に関連して次の点で異なっている。
【0040】
VCO − 電圧制御発振回路入力。外部キャパシタが点灯ランプ時間と予熱電流調整のループ補償だけでなく、調光のための位相制御も設定する。
【0041】
DIM − 調光制御入力。ランプ電力設定に対応する0〜5VDC外部制御電圧。
【0042】
MAX − 最大ランプ電力。外部抵抗を通る内部基準電流が5VDC調光制御入力電圧に対応する最大ランプ電力を設定する。
【0043】
MIN − 最小ランプ電力。外部抵抗を通る内部基準電流が0VDC調光制御入力電圧に対応する最小ランプ電力を設定する。
【0044】
CS − 電流検出入力。外部検出抵抗を通って流れ、LOゲート駆動出力のオン時間の間にプラスになっている負荷電流で発生する電圧を検出する。電流限界のための高位閾値のあるコンパレータを含む。また予熱電流調整のためと位相制御(調光)のために電流検出を行なう。
【0045】
FB − ループ補償。調光中の安定したフィードバックループのための外部補償ネットワーク。ピンFBとピンVCOの間の抵抗は500Ω〜10KΩの間の値を有する。
【0046】
図10に図示してある本発明の第2の実施例のブロック図をここで参照すると、最小および最大調節によるランプ輝度の0〜5VDCアナログ制御ができる調光インタフェース52が提供される。どの輝度設定でもランプ点灯をシミュレートするため、点灯検出ブロック54はランプ点灯を表わすインダクタ電流(ピンCSで低位側半ブリッジMOSFETのソースで測定する)の位相変化を検出する。これが調整ブロック16に対して、ランプがうまく点灯したことを伝え、ループを閉じ調光インタフェース52によって生成された基準位相に対するインダクタ電流の位相を調整させる。
【0047】
ランプのイオン化時間が一定である(−1ms)ため、ランプはループほど速く応答できず、そのためVCO電圧のオーバシュートが発生し、これによりランプが点灯直後に消灯することがある。これを防止するため、内部スイッチS1を設けてDIM入力をTPHピンに接続し、点灯中に4から5ボルトの間にランプアップさせる。
【0048】
図2の代表的な接続図ならびに図11,図12のタイミング図(それぞれ通常動作とランプが点灯に失敗した場合の動作を示す)を参照してさらに詳しく説明すると、ピンTPHに接続してあるキャパシタ58が予熱中に内部電流供給源を介して充電する。キャパシタ58にかかる電圧が4Vの内部閾値に達した時点で、予熱が終了する。図11の参照を続けると、キャパシタ58は4Vを超えて充電を続け、ランプが点灯し、点灯検出ブロック54が点灯を検出する。この時点で、チップの回路がスイッチS1(図10)を閉じ、DIMピンの電圧はユーザが設定した電圧までキャパシタ58と抵抗56の値で決定される指数関数レートで放電する。したがってキャパシタ58と抵抗56によって形成される時定数はプログラム可能であり、異なるランプ種類で点灯から調光設定までの「遷移」時間を設計者が調節できるようになる。キャパシタ58は代表的には最大値1μFを有しまた抵抗56は所望する遷移時間によって1KΩ〜100KΩの間の代表値を有する。
【0049】
図3および図10のブロック図に図示した顕著な回路ブロックの詳細な説明を以下に提供する。
【0050】
1.過電流保護回路
電子安定器ランプ共振出力段において過剰で危険な高電圧が蛍光ランプに現われるのを防止するため何らかの形の電流制限を有する必要がある。高電圧は動作停止したランプ(カソードは無傷だがガスがないか管体が破損した)を点灯させようとすることで発生する場合がある。これらの電圧と関連する電流は、器具のランプ・ソケットからランプを取り外すまたは挿入する際に蛍光ランプに触る人に対して有害で、また安定器のランプ共振出力段を含む電力コンポーネントの絶対最大電圧および電流定格を超過することもある。
【0051】
本発明の双方の実施例は保護論理ブロック40内部で生成される内部閾値によって定義される過電流保護を有している。保護はピンCS(第1の実施例ではピンCS1、CS2、CS3)を介して低抵抗外部電流検出抵抗の両端に発生する電圧と内部閾値とを比較する。外部電流検出抵抗RCSは(たとえば図1と図2に図示してあるように)低位側半ブリッジ・スイッチとアースの間に配置されるか、または(たとえば図6および図8に図示してあるように)低位側ランプ・フィラメントとアースの間に配置される。
【0052】
検出抵抗RCSの両端にかかる電圧が内部閾値を超える場合、ピーク出力電流は第1に、位相制御38への信号を介して閾値を超える度にVCOキャパシタへ電流パルスを注入することにより、閾値に調整または制限される。(VCOが動作するように設計されている方向が任意である、―即ち、VCOキャパシタが電流パルスによって充電されるのではなく、放電されるように回路が設計できることには注意する)。これはピンTPH電圧が5Vに充電されるまで続き、ランプを点灯させることができる。次に閾値を超えた時には、安定ICはラッチオフされ、半ブリッジ・スイッチが3状態になり、安定器をシャットダウンする。
【0053】
SDピンまたはVCCにかかる電圧のサイクリングでICをリセットし、予熱シーケンスをもう一度開始させる。動作中または調光中、過電流閾値を用いて、ランプを取り外した場合に発生することがあり、ランプ存在検出回路の後述の部分で更に詳細に説明するように、半ブリッジにおける非ゼロ電圧を検出することが出来る。
【0054】
本発明の過電流保護回路は、電流の検出、基準閾値に対する電流の調整、および半ブリッジ・スイッチの3状態化を坦務するもので、図15に図示してあり、これに対応するタイミング図が図14(A)の適当な負荷電流と整列させて図14(B)に図示してある。共振出力段(図13)の転移機能のボード線図は、電流限界と併せて、安定器の動作点を示す。図13に図示してあるように、電流は半ブリッジ・スイッチが3状態(両方ともオフ)になる前の一定時間にわたって閾値に制限される。安定器がシャットダウンするまでのある程度の時間にわたって電流を維持することでランプに点灯する時間を与えられる。
【0055】
図15をもう一度参照して、過電流保護回路についてここで詳細に説明する。本回路はRCS両端にかかる総負荷電流に比例した電圧と一定の閾値VIMAXを比較する。VRCS がVIMAXを超える場合、COMP1(FB)の出力は高値になりスイッチS1へパルスを送出する。これによってS1が閉じ、電流供給源IlからキャパシタCVCO へ電流を充電することが出来る。したがってCVCO にかかる電流は増加し、これによりランプ共振段(VS)を駆動する半ブリッジ信号の出力周波数も増加する。これによりQの高い伝達関数(図13)に沿って動作点は右に移動し、総負荷電流は最大限界以下に減少する。
【0056】
スイッチS1がもう一度開くと、電流供給源I2がCVCO を放電させることで周波数を減少させ、また限界を超えるまで負荷電流(Il)をもう一度増加させる。この、電流を制限させる「そっと押す(nudging )」効果は、CPH(VCPH )にかかる電圧が閾値VOCENに達するまで続き、COMP2(3状態)の出力が高値になり半ブリッジ駆動回路が停止して半ブリッジ・トランジスタ・スイッチ20および21が3状態となる(両方ともオフ)。
【0057】
同じ回路がランプ・フィラメントを通って流れるピーク予熱電流を調整するために用いられる。ピーク電流基準閾値はスイッチS2を介して最初にはVIPH (図15)へ接続されており、キャパシタCPHにかかる電圧が閾値電圧VOCP を超えるまでこの値に総ピーク負荷電流を調整している。この時点で、予熱期間が終了し(図14(A)および図14(B)を参照)、コンパレータCOMP3の出力がスイッチS2を「高位」ポジションへ(S2では「1」として示してある)動かし、調整閾値をもっと高い値VIMAXへシフトする。電流供給源I2は線形的にキャパシタCVCO を放電させ、ランプがうまく点灯するまで、またはVIMAXに達するまでのどちらかでQの高い共振出力段(図13)の共振周波数に向かって周波数をランプ状に減少させる。図16は図15の過電流制御回路のタイミング図である。
【0058】
本発明の第1の実施例は高位側閾値だけではなく、200mVの低位側閾値も含み、これを用いて共振動作付近またはそれ以下および動作中のランプ挿入を検出している。
【0059】
2.ランプ存在検出回路
本発明の両方の実施例は、(1)蛍光ランプ(または蛍光ランプ群)がスタートアップ前にランプ共振回路に挿入されたか、また(2)蛍光ランプが安定器動作中に取り外されたか、を検出するためのランプ存在検出回路を含む。この回路は安定器の損傷、特にランプがない状態で安定器が動作し続けた場合に発生することのあるMOSFET/IGBT20および21の損傷を防止する。損傷は緩衝キャパシタ(snubber capacitor) 64(図1および図2参照)の充電または放電から発生する大電流によって起こる。ランプがない場合、キャパシタ64の電流方向を反転する負荷電流がなく、また非ゼロ電圧切り替え状態がMOSFET/IGBT20および21に発生し、これによってMOSFET/IGBT20および21の最終的な熱破壊が発生する。
【0060】
本発明のランプ存在検出回路は、保護論理ブロック40内部に含まれており、半ブリッジの低位側MOSFET/IGBT21のソースと直列に配置されピーク電流検出に関連してすでに説明したのと同じ検出抵抗RCSを使用する。抵抗RCSを通って流れる電流は、MOSFET/IGBT21の投入時に発生する大電流「スパイク」("spikes")を除けば、ランプを挿入せずに半ブリッジが動作している場合にはゼロになる。
【0061】
半ブリッジが動作している間にランプが挿入された場合、電流はMOSFET/IGBT21がオンの時にだけ存在する抵抗RCSを通って流れ、総ランプ回路電流(IL1)の部分的に線形な部分であり、また総ランプ回路電流(IL1)から90度位相シフトしている(図18参照)。抵抗RCS両端に得られた電圧は直流閾値電圧「th」(COMP1)(図17)と比較され、RCSにかかる電圧が「Vth」より大きければ出力がデジタル「高値」になりRCSにかかる電圧が「Vth」より小さければデジタル「低値」になる。
【0062】
ゆっくりとした電流の立ち上がり端が測定されるため、抵抗RCS両端にかかる電圧が“Vth”を越えはじめる時にコンパレータ出力が「チャタリング」することが考えられる。この「チャタリング」またはその他の何らかの望ましくない信号、たとえば投入「スパイク」や測定点(RCSにかかる電圧)に存在し得る高周波大電流雑音などを防止するため、コンパレータCOMP1の出力をMOSFET/IGBT21のターンオフ縁と同期させる。これはD型フリップフロップ(DFF1、図17)で実現され、フリップフロップのクロック信号(CLK2)はプラスに向かう縁がMOSFET/IGBT21のゲートからソースへの電圧のマイナスに向かう縁を発生する駆動回路論理の制御信号(信号「LO」として図18に示してある)で、MOSFET/IGBT21のターンオフを表わす。言い換えれば、MOSFET/IGBT21が「オフ」になる直前に測定を行なう。CLK2信号から実際のMOSFET/IGBT21のターンオフまでの伝播遅延によってDFF1(またはCOMP1の出力)をクロックするのに必要とされる時間が得られ、一方で考えられるあらゆるターンオフ干渉から影響されない。
【0063】
DFF1の出力(LAMPIN)は、ランプが取り付けられているとデジタル「高値」に、ランプが外されているとデジタル「低値」になり、バースト論理ブロック(図17)への入力となる。バースト論理ブロックは更に詳細に図19に回路を図示してある。このバースト論理ブロックはタイマー・ブロックへ「スタート」および「リセット」信号を出力し、タイマー・ブロックがさらに駆動回路論理ブロックへ信号「イネーブル」('Enable')を出力する。バースト論理およびタイマーは、約16Hzのインターバルが達成されるまで
【0064】
【外1】

Figure 0003769115
【0065】
が5回分周されるように相互に機能する。この時点で、「イネーブル」は「高値」になり、駆動回路論理に半ブリッジ駆動回路を駆動させさらにはMOSFET/IGBT20および21を駆動することが出来るようになる。信号「CLK1」の次の縁(約250Hz後)で、「Setdet」が「高値」になり、バースト論理に「Lampin」を読み込むように指示する。「Lampin」が「高値」の場合、ランプ存在が検出されシステムは動作を続ける。「スタート」信号は「高値」になり「Setdet」と「イネーブル」信号を両方とも「高値」にラッチしてタイマー・ブロックの予熱インターバルが開始する(タイマー回路については図20参照)。「Setdet」信号が「高値」なる時に「Lampin」が逆に「低値」であれば、「リセット」信号が高値になってタイマーをリセットする。タイマーがリセットされると「イネーブル」が「低値」になり半ブリッジ駆動回路がオフになるので、MOSFET/IGBT20および21をオフにする。「イネーブル」が「低値」になると、「Setdet」のラッチも開放するので、これも低値になる。
【0066】
「Setdet」が低値になる場合、「リセット」も低値になり、16Hzのインターバルがもう一度達成され「Lampin」を読み込むまでタイマーはカウントをもう一度開始する。この、待機−イネーブル−測定−待機の「バースト」モード処理はランプが挿入されるまで続く。更に、ランプが検出された時には「Setdet」が「高値」にラッチされるため、動作中のどの時点でもランプを取り外して「Lampin」信号が「低値」になると「イネーブル」が「低値」になってMOSFET/IGBT20および21はオフになり、「バースト」モードが始まる。
【0067】
ランプ共振回路においてランプ・カソードが直列接続してあるため、カソードのどちらか(または両方)が動作中に断線した場合、ランプ存在検出回路は「Lampin」信号を「低値」として読み込み、新しいランプが挿入されるまでバーストモードに入る。更に、「整流作用」として知られているランプの寿命現象が発生し、一方のカソードが断線しているが他方のカソードが放射し続けている場合、抵抗「RCS」を流れる電流は非対称で「Vth」以下になるので、MOSFET/IGBT20および21がオフになりシステムはバーストモードに移行する。
【0068】
3.多ランプ存在検出回路
多蛍光ランプを駆動するのに適した本発明の安定駆動ICの第1の実施例は有利にも多ランプ存在検出回路を含む。
【0069】
多ランプ存在検出回路はここのランプ各々の存在を検出してそれらの一つにおけるランプ電力を調整する。調整済みランプが動作中に取り外された場合、回路は次に利用できるランプを探して調整する。取り外されたランプが動作中に再挿入された場合、安定制御回路は半ブリッジ・トランジスタ・スイッチ20および21を停止させ、再開する前に予熱シーケンスをリセットする。全てのランプがランプ共振出力回路から取り外された場合(図6〜図9参照)、半ブリッジ駆動回路30が停止し半ブリッジ・スイッチ20および21が両方ともオフになる。
【0070】
図22を参照すると(この図は図8の3並列ランプ構成に対応する)、検出抵抗(RCS1、RCS2、RCS3)は各々のランプ・フィラメントとアースの間に配置されて各々のランプ共振回路の総電流を検出する。いずれかのランプ・フィラメントが取り外された場合にはそのパスにある検出抵抗にかかる電圧VRCS1、VRCS2、VRCS3がゼロになる。各々の電流検出入力と低閾値電圧(Vth1 )をコンパレータ70,71,72で比較し、D型フリップフロップ73,74,75をHIN(図23の回路図と図24および図25のタイミング図を参照)でクロックすることによりゲート駆動信号HOが高位側半ブリッジ・スイッチ20をオフにする直前に測定することにより、各々のランプ共振回路の回路が完全であり、したがって全てのランプ・カソードが無傷であり回路に挿入されていることを表わす信号が生成される。
【0071】
上位側半ブリッジ・スイッチ20がオフになる時に各々の検出抵抗を通って電流が流れる方向がピークにあるので各々の電流検出入力はHINでクロックされる。これはスイッチング期間の間の他の時刻に存在するかも知れないその他の全ての望ましくない電流スパイクおよび/または雑音を抑圧する。
【0072】
D型フリップフロップ73,74,75からのQ出力は互いに(NORゲート76で)NORが取られて信号LMPNを形成し、この信号はすべてのランプ共振回路が完全な回路を有していない(すべてのランプが取り外されているか、または、すべてのランプが破損したカソードを有する)場合にのみ「高値」になり、安定制御は半ブリッジ・スイッチ20および21をオフにラッチする。単一のランプが取り外されて再挿入された場合、ランプが再挿入された時点で適当なパルス・ジェネレータがリセット・パルスLIDO(動作中ランプ挿入:Lamp Inserted During Operation)を与え安定制御は半ブリッジ・スイッチをオフにし、予熱シーケンスをリセットし、安定制御を再起動する。これは挿入されたランプの「ハード点灯」を防止するためと、ランプが再挿入された時に形成されたQの高い直列LC回路の共振周波数より動作周波数が低い結果として半ブリッジ・トランジスタ・スイッチ20および21が損傷する可能性を防止するためである。
【0073】
ランプ電力調整として、総負荷電流のゼロ交差(ZX)が良好なランプを挿入したランプ共振回路の一つから要求される。調整しつつあるランプが取り外された場合、ランプの存在を表わす信号によって(即ちD型フリップフロップ73,74によって)制御される電圧制御スイッチ(S1およびS2)が「ランプ検索回路」を形成し、この回路は排除処理を用いて調整するために次に利用可能なランプを見つけ出す。全てのランプが存在している場合には、CS1に接続されたランプが調整される。CS1にランプが接続されていない場合には、CS2のゼロ交差が調整される。CS1とCS2の両方にランプが接続されていない場合には、CS3のゼロ交差を調整する(以下の真理値表を参照):
【0074】
【表1】
Figure 0003769115
【0075】
スイッチS1とS2を図26(A)に図示したように3入力ORゲートで置き換えることが可能である。この構造では、半ブリッジ電圧に関して最小限の位相シフトによる共振出力段ランプの位相測定(ゼロ交差検出)は信号ZXのパルス幅を判定する(図26(B)参照)。これは、もっとも電力を多く消費するランプがマスターとなって調整される一方で、他のランプはスレーブとなってこれに従属することを表わしている。これによってマスター・ランプが取り外された場合に次に利用できるランプへジャンプする必要が排除され回路が簡略化される。
【0076】
4.予熱電流制御回路
蛍光ランプ寿命を長くする鍵がランプを点灯する前に正しい放射温度までランプ・カソードを正しく予熱することであることが周知になっている。これは通常、回路がランプ・カソードを通って流れる所望の電流に対応する周波数で駆動されるような在来の共振回路(図27)により実現されている。この電流は、
【0077】
【外2】
Figure 0003769115
【0078】
にわたって流れる。この周波数は他の回路コンポーネントたとえば共振インダクタ(L)または共振キャパシタ(C)での許容範囲とは無関係に固定されているのが普通である。そのため大量の安定器を製造する場合、コンポーネント許容範囲を考慮するようにまた全ての販売される安定器で長いランプ寿命が得られることを補償するように予熱周波数設定に微調整を行なわなければならない。
【0079】
微調整の時間のかかる手順を回避するには、予熱周波数を連続的に調整しつつ予熱電流を一定に維持する閉ループ方式を用いることができる。さらに、ループを閉じることで厳しい許容範囲仕様を要求する開ループ回路より大きな許容範囲で簡単な発振回路が出来る。
【0080】
ループを閉じるには、カソード電流の測定値を「フィードバック」しこれを電流設定または「基準」に対して比較することが必要である。結果は一般に「誤差」と呼ばれ、これを用いて基準がフィードバックと等しくなり誤差がゼロになるまでシステムを調節する。システムは外部的な影響たとえばコンポーネントの許容範囲、電圧変動や温度などに依存しなくなる。
【0081】
本発明の電子安定器用の閉ループ予熱電流制御回路(本発明の両方の実施例で使用されている)は前述した同一の古典的アプローチを使用しているが、本実施および制御回路は新規かつユニークである。予熱カソード電流はRCS両端の電圧降下(VFB)としてMOSFET/IGBT21のソースで検出される(図28参照)。この信号は総ランプ共振回路電流(IL )で、共振回路を通って流れる電流(IL )の方向に対する検出抵抗RCSを通って流れる電流の方向のために90度だけ位相がシフトしている(図29)。
【0082】
電圧VFBをコンパレータ「COMP1」を通る基準電圧「REF」と比較し、出力「ERROR」は「VFB」と「REF」の間の関連誤差である。得られた関連誤差「パルス」である「ERROR」は、定電流源CHARGEとIREF DISCHARGEによりキャパシタC2を充電または放電する(「VFB」が大きいかまたは小さいかによって変化する)でMOSFET78および79から構成される増幅器を駆動する。キャパシタC2に得られた電圧「VVCO 」は、一定のデューティ・サイクル(duty cycle)50%の時に「VFB」が「REF」より大きいかまたは小さいかによって、電圧制御発振回路をもっと高いまたはもっと低い周波数に調節する。
【0083】
得られた信号を用いて所望の周波数で「半ブリッジ駆動回路」を駆動し、この回路がMOSFET/IGBT20および21を駆動する。得られた高電圧方形波電圧「VS」(図29)はランプ共振出力回路への入力となり、この回路は電圧「VS」の周波数および振幅の関数である電流を出力する。
【0084】
注意すべき重要なことは、総ランプ共振回路電流(IL )がランプ・カソードおよびキャパシタC(図28)を流れる電流に等しいことである。これは、予熱中に、ランプがまだ点灯しておらず回路は低ダンプ直列RCL構成で、ランプ・カソードがLおよびCと直列に接続されていることによる。
【0085】
電流を調整するもっと古典的なアプローチはトランスで負荷における電流を検出し、出力を全波整流し、整流した電圧をローパスフィルタに通して電流の直流電圧表現を得ることであろう。限定されたバンド幅の誤差増幅器および任意の補償ネットワークを介して、この直流電圧を直流基準電圧に加算する。得られた誤差がVCOを調整する。しかしこの方法はコンポーネント点数が多く、トランス電圧の整流(ならびに整流ダイオード両端の電圧降下対温度)が誤差をもたらすことのあるような非線形動作である。本発明の電流制御回路は測定および加算動作を大幅に簡略化し、コンポーネントが少なく、線形である。
【0086】
要約すると、本発明の予熱電流制御回路は単純に基準誤差への電流を直接時間に変換する。この時間はどの程度長く定電流がキャパシタへまたはキャパシタから流れるかを制御する。キャパシタC2で得られた電圧はすでに積分された形を取っており、即ち:
【0087】
【数1】
Figure 0003769115
【0088】
この全てが、サンプル・コンパレータと、2個のMOSFETと、2個の電流供給源で実現され、本発明の集積回路へ容易に実装される。
【0089】
5.アナログ調光インタフェース回路
調光可能な電子安定器、たとえば本発明の第2の実施例などでは、複数安定器で均一な輝度が達成されるように最小および最大輝度設定を許容可能な許容範囲内にまでトリム(trim)する必要がある。これは、ランプどうしの小さな輝度偏差が人間の目で簡単に検出できる低い輝度レベルで特に必要なことである。
【0090】
本発明の調光インタフェース回路はアナログ入力制御電圧を微調整のためのプログラム可能なオフセットおよび利得調整でアナログ出力基準電圧へ変換する。ある種の蛍光ランプは用途によっては他の蛍光ランプより低い光量レベルに調光するため、本発明の調光インタフェースではあらゆる最小および最大輝度レベル(またはランプ電力)への汎用微調整を行なって全ての種類のランプに対応できる。
【0091】
本発明の調光インタフェース回路は有利にも、MINおよびMAX設定の独立制御を提供する。図30を参照すると、入力電圧はDIMノードにあってオペアンプ80がDIM入力電圧へのマイナス(−)端子を調整する。RMAX およびQ1がDIM電圧を電流IDIM =VDIM /RMAX に変換する。RMAX を調節することでVDIM からIDIM への変換の利得を調節することになる。
【0092】
第2の電圧制御電流源はオペアンプ81、Q2、RMIN およびVREF1で与えられる。ここでRMIN (VREF1一定として)がIMIN の利得を制御する。IDIM およびIMIN はノードΣで互いに加算されて、数式を得る:
【0093】
【数2】
Figure 0003769115
【0094】
したがって利得およびオフセットの独立制御が得られる(図31)。
【0095】
得られた電流はR3を通って流れる前に
【0096】
【外3】
Figure 0003769115
【0097】
集積回路に本発明の回路を実装する際に、R3が外部抵抗であれば回路は完成し温度の影響による許容範囲は受け入れられるものとなる。プログラム可能な抵抗RMAX およびRMIN を除いて電流が全てICに対して内部的なものであるとすれば、R3の抵抗は温度で劇的に変化する必要がなく、また、たとえば、追加の単位利得バッファ(オペアンプ83、Q5、R4)および電流ミラー(R5、R6、Q6、Q7、およびR7、R8、Q8、Q9)は更なる変換を実現するように実装できる(図2)。
【0098】
本発明の回路の新規性は各々が電圧と抵抗によって制御される2つの独立した電流を加算して、次の形の終端アナログ関数を形成することにある:
【0099】
【数3】
y=ms+b
R3がICの内部にあれば、ゼロ温度係数を有する必要があり終端基準は温度で変化しないことになる。
【0100】
本発明はこれの特定の実施例に関連して説明したが、その他多くの変化および変更ならびにその他の用途が当該技術の熟練者には明らかになるであろう。したがって本発明は本明細書の特定の開示によって制限されるべきではなく、むしろ添付の請求項によって制限されるのが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図1】単一ランプ構成における本発明の第1の実施例の安定IC駆動回路の代表的接続図である。
【図2】単一ランプ構成における本発明の第2の実施例の安定IC駆動回路の代表的接続図である。
【図3】本発明の第1の実施例のブロック図である。
【図4】本発明の第1の実施例について通常の予熱、点灯、および動作状態の間に、VCOピンにかかる電圧、TPHピンにかかる電圧、および負荷電流の包絡線を示すタイミング図である。
【図5】本発明の第1の実施例について非点灯状態の間にVCOピンにかかる電圧、TPHピンにかかる電圧、および負荷電流の包絡線を示すタイミング波形図である。
【図6】本発明の第1の実施例についての多ランプ・フックアップ構成図である。
【図7】本発明の第1の実施例についての多ランプ・フックアップ構成図である。
【図8】本発明の第1の実施例についての多ランプ・フックアップ構成図である。
【図9】本発明の第1の実施例についての多ランプ・フックアップ構成図である。
【図10】本発明の第2の実施例のブロック図である。
【図11】本発明の第2の実施例について通常の予熱、点灯、および調光状態の間に、VCOピンにかかる電圧、TPHピンにかかる電圧、および負荷電流の包絡線を示すタイミング図である。
【図12】本発明の第2の実施例について非点灯状態の間にVCOピンにかかる電圧、TPHピンにかかる電圧、および負荷電流の包絡線を示すタイミング波形図である。
【図13】予熱、点灯、および動作運転状態の間の安定器出力段の伝達関数のボード線図である。
【図14】図14(A)はランプが点灯しない間の負荷電流(IL )を示す図であり、図14(B)は本発明の制御回路の予熱中のタイミング図である。
【図15】本発明の閉ループ過電流制御回路を示す図である。
【図16】本発明の過電流制御回路のタイミング図である。
【図17】本発明のランプ存在検出回路のブロック図である。
【図18】ランプ存在検出回路のタイミング波形図である。
【図19】ランプ存在検出回路のバースト論理についての回路図と付随する真理値表である。
【図20】ランプ存在検出回路のタイマー回路図を示す。
【図21】ランプ存在検出回路のタイミング図である。
【図22】3並列ランプ構成と安定駆動回路に関連して多ランプ存在検出回路を示す模式図である。
【図23】多ランプ検出回路の詳細を示す図である。
【図24】多ランプ存在検出回路のタイミング図である。
【図25】多ランプ存在検出回路のタイミング図である(図24の続き)。
【図26】図26(A)および図26(B)は2個のスイッチがORゲートで置き換えられている多ランプ存在検出回路についての別の回路図とタイミング図を示す。
【図27】従来のランプ共振回路を示す図である。
【図28】本発明の閉ループ予熱電流制御回路を示す図である。
【図29】本発明の閉ループ予熱電流制御回路のタイミング図を示す。
【図30】本発明のアナログ調光インタフェース回路を示す図である。
【図31】本発明の調光インタフェース回路の伝達関数を示す図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to gate drive circuits for MOS gate devices, and more particularly to monolithic gate drive circuits for MOS gate devices, and more particularly to circuits used in lamp stabilization circuits.
[0002]
[Description of related technology]
Electronic ballasts for gas discharge circuits are now widely used due to the availability of power MOSFET switching devices and insulated gate bipolar transistors (IGBTs) that replace the power bipolar switching devices previously used Came to be. Monolithic gate drive circuits, such as IR2155 sold by International Rectifier Corporation and disclosed in US Pat. No. 5,545,955, drive power MOSFETs or IGBTs in electronic ballasts. It has been devised. The IR2155 gate drive IC is packaged in a typical DIP or SOIC package and includes an internal level shift circuit, an undervoltage lockout circuit, a dead time delay circuit, and additional logic circuitry and inputs so that the drive circuit is an external resistor RT And CT Provides a significant advantage over conventional circuits in that it can self oscillate at a frequency determined by.
[0003]
IR2155 offers an extensive improvement over conventional stable control circuits, but is an open loop system. In addition, it does not have a programmable preheat or life function, nor does it have a lamp fault, overtemperature protection, or dimming control.
[0004]
SUMMARY OF THE INVENTION
The present invention relates to two MOS gate power semiconductors, such as a power MOSFET or IGBT, in which two switches, one called a “low-side switch” and the other called a “high-side switch”, are connected in a totem pole or half-bridge structure. A novel monolithic electronic stability control IC that can drive the IC is provided. Advantageously, the present invention provides programmable preheat time and current, programmable lifetime protection, lamp fault protection, and overtemperature protection.
[0005]
The first embodiment of the present invention is a closed-loop stability control IC intended for a multi-lamp configuration, comprising three current sensing inputs and programmable lamp power. The stability control IC of this embodiment of the present invention can drive one, two (parallel or series), three (parallel), or four (series-parallel) lamps. Although dimming is possible in this embodiment, it is not recommended to reduce the light level to an extremely low light level (−10%) because of the allowable range in manufacturing the lamp.
[0006]
The closed-loop control in the present invention is realized by phase control, or more specifically, by a phase-locked loop (PLL) near the resonant output stage that drives the fluorescent lamp. When adjusting a large number of lamps, the lamp that consumes more power becomes the master, which makes life detection and ballast shutdown easier.
[0007]
The second embodiment of the present invention has the same architecture as that of the first embodiment, and is modified to some extent so that it can be dimmed and lowered to a low light level. The second embodiment includes a dimming interface for analog control, lamp brightness 0-5VDC, minimum and maximum brightness settings. This makes it possible to change the dimming range of a specific type of lamp, for example, from 10% to 100% brightness, with 0 volts corresponding to 10% and 5V corresponding to 100%. The second embodiment of the present invention has only one current sense input, which can drive one or two (series) lamps.
[0008]
Both the first and second embodiments include a VCO, programmable preheat time, programmable preheat current, overcurrent protection, additional shutdown inputs, and full high and low half bridge drive circuits.
[0009]
Other features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of the invention which refers to the accompanying drawings.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The following is a detailed functional description of the overall architecture of two embodiments of the ballast IC controller of the present invention.
[0011]
The first embodiment is a stable control IC suitable for a multi-lamp configuration. The second embodiment is a stable control IC particularly suitable for low light level control.
[0012]
Referring first to FIG. 1 and FIG. 2, representative connection schematic diagrams are shown for the closed-loop stabilization ICs of the first and second embodiments of the present invention, respectively. In each case, the ballast IC controls two power MOSFETs or IGBTs 20 and 21 connected in a “totem pole” or half-bridge circuit. The power MOSFETs / IGBTs 20 and 21 are driven by the stability control IC of the present invention, and are turned on alternately via gate signals from pins HO and Lo described later.
[0013]
The output circuit driven by the power supplied by MOSFET / IGBTs 20 and 21 includes at least one gas discharge tube, typically a fluorescent lamp 24, which is in parallel with capacitor 26 and in series with inductor 28. To form a normal lamp resonant circuit.
[0014]
A description of the overall architecture of each of the two embodiments of the present invention is provided below, followed by a detailed description of the individual circuit blocks in each embodiment.
[0015]
Overall architecture-first example
The stable drive IC of the first embodiment of the present invention identified by reference numeral 30 in FIG. 1 is built in a 16-pin DIP or SOIC package and has the following pin arrangement:
VCC-Logic and internal gate drive supply voltage. A 15.6V internal zener diode clamps the voltage between VCC and GND. The nominal rising and falling undervoltage lockout thresholds are TBD and TBD, respectively. When the IC enters an undervoltage lockout mode, the total quiescent current is typically less than 150 μA, reducing the power consumption requirements of the high voltage startup resistor. VCC should be bypassed to GND so that it is as close as possible to the IC terminal with a low ESR / ESL capacitor. As a rule of thumb for the value of this bypass capacitor, keep its minimum value at least 2500 times the value of the total input capacitance (Ciss) of the power transistor to be driven.
[0016]
IREF-Reference current setting. An external resistor sets the internal current reference for all programmable inputs of the IC.
[0017]
TPH-Preheat timing pin. The preheating time is determined by charging the external capacitor to an internal reference current of 4V threshold.
[0018]
IPH-Preheat current setting. The internal reference current through the external resistor sets the reference for closed loop peak preheating current adjustment.
[0019]
VCO-Voltage controlled oscillator input. An external capacitor sets the lamp duration and loop compensation for preheat current and lamp power regulation.
[0020]
PLAMP-Lamp power setting. The internal reference current through the external resistor sets the reference for closed-loop lamp power adjustment.
[0021]
EOL-Life setting. An internal reference current through an external resistor sets a maximum VCO frequency shutdown threshold that corresponds to the maximum allowable increment in lamp voltage during lifetime. As the lamp voltage increases with operating time, the regulation loop increases the frequency to maintain constant power in the lamp until the maximum setting is exceeded and the half-bridge circuit stops.
[0022]
COM IC-Power and signal ground. Both the low power control circuit and the low side gate drive circuit output stage ground return to this pin. The COM pin connects to the source of the lower power MOSFET using a single independent wire to avoid the possibility of a high current ground loop that interferes with the sense timing component current. In addition, the timing component and VCC decoupling capacitor ground return paths connect directly to the IC COM pins and do not go through independent wiring or jumpers to other ground wires on the board.
[0023]
VB-High side gate drive floating feed. This is the power supply pin for the high side level shift and gate drive logic. In a normal case, power is supplied to the high-order circuit using a simple charge pump from VCC. A high voltage fast recovery diode (so-called bootstrap diode) is connected between VCC (anode) and VB (cathode), and a capacitor (so-called bootstrap capacitor) is connected between the VB and VS pins. When the low side power MOSFET or IGBT is on, the bootstrap capacitor is charged from the VCC to COM decoupling capacitor using the bootstrap diode. When the high side power MOSFET or IGBT is turned on, the bootstrap diode is reverse biased and the VB node floats above the source potential of the high side power MOSFET or IGBT. VB should be biased to VS so that it is as close as possible to the IC pin with a low ESR / ESL capacitor. As an empirical value for the value of this capacitor, keep its minimum value at least 50 times the total input capacitance (Ciss) of the power transistor to be driven.
[0024]
HO-High side gate drive output. This pin is connected to the gate of the high side power MOSFET or IGBT. If the power transistor mirror current exceeds 0.5A (ie gate to drain current) due to the high dV / dt condition present at the output of the half bridge, the gate resistor is used to buffer the IC from the power stage. It is recommended.
[0025]
VS-High voltage floating supply recovery. The high side gate driver and logic return to this pin. The VS pin should be connected directly to the source of the high side power MOSFET or IGBT. In addition, the half-bridge output transistors should be placed as close as possible to each other to minimize the series inductance between them.
[0026]
LO-Low side gate drive output. This pin is connected to the gate of the low side power MOSFET or IGBT. If the power transistor mirror current exceeds 0.5A (ie, gate to drain current) due to the high dV / dt condition present at the output of the half bridge, the gate resistor is used to buffer the IC from the power stage. It is recommended.
[0027]
CS1-General-purpose current detection input. The voltage generated by the load current flowing through the external sense resistor and being positive during the on time of the HO or LO gate drive output is detected. Also included is a comparator having a low threshold for detecting the presence of the lamp and a high threshold for detecting the current limit. It also performs current detection for preheating current adjustment and lamp power adjustment.
[0028]
CS2-Second current detection input. The voltage generated by the load current flowing through the external detection resistor and being positive during the ON time of the HO gate drive output is detected. A window comparator with a low threshold for detecting the presence of the lamp and a high threshold for detecting the current limit is included.
[0029]
CS3-Third current detection input. The voltage generated by the load current flowing through the external detection resistor and being positive during the ON time of the HO gate drive output is detected. It includes a window comparator with a low threshold for detecting the presence of the lamp and a high threshold for the current limit.
[0030]
SD-Shutdown pin. This pin is used to stop the half-bridge drive circuit and turn off both gate drive outputs HO and LO (active low) and put the ballast IC controller into a power saving mode. The rising shutdown pin threshold voltage is 2.5V and includes about 0.1V of hysteresis to increase noise immunity. Since the shutdown function is not latched and the output of the SD comparator resets the CS latch, the IC resumes the preheat sequence when the SD pin voltage returns below the input threshold.
[0031]
Referring now to FIG. 3, a block diagram of the overall architecture of the ballast IC 30 is shown. In operation, a voltage controlled oscillator (VCO) 32 sets the operating frequency of the half bridge drive circuit. The voltage applied to the input of the VCO 32 is adjusted in an “adjust” block 34, which blocks a capacitor (not shown) at the input of the VCO 32 according to the error between the reference phase and the phase of one inductor current in the resonant lamp output stage. ) To supply or shunt current. The inductor current is one of the current sense inputs (CS1, CS2, or CS3) (as illustrated in the representative connection diagram of FIG. 2), between the lamp filament and ground and / or low. It is detected by a voltage generated by inserting a detection resistor (RCS) 36 between the side half-bridge MOSFET 21 and the ground. The phase is determined at the zero crossing of this voltage, which is fed back to the phase control block 38 where it is subtracted from the reference phase to generate an ERROR pulse for adjustment.
[0032]
During preheating (see FIG. 4 timing diagram showing normal preheating, lighting, and operating conditions), adjustment block 34 is used to adjust the cycle-by-cycle peak load current to programmable preheat current reference input IPH. To do. Preheat logic is included in block 40-preheat time is determined by a linear ramping voltage generated by an internal current charging an external capacitor at pin TPH. If the lamp is not lit, the ballast stops operating as illustrated in the timing diagram of FIG.
[0033]
The lamp power is generated by an internal current that flows through an external resistor at the pin PLAMP and is set by a voltage that sets the reference phase in the phase control block 38. An internal current through an external resistor at pin EOL generates a voltage that programs a maximum frequency shutdown when compared to the VCO voltage. If one or more of the lamps have reached their end of life as detected by protection logic 40, the phase control block 38 will increase the frequency to reach the maximum frequency FMAX and power off until the ballast is safely shut down. Try to keep it constant.
[0034]
The shutdown pin SD provides a logic input external shutdown option. When this pin is pulled above 2 volts, the ballast is held off in an “unlatched” state. If pulled below 2 volts, the preheat sequence is reset via preheat logic 42 and the ballast is started again. This allows the ballast to be automatically restarted after a fault condition has occurred due to the attachment / detachment of the lamp without recycling the input main voltage to the ballast.
[0035]
6-9 show various multi-lamp configurations in the stability control IC of the first embodiment of the present invention--FIG. 6 is a 2-parallel configuration, FIG. 7 is a 2-series configuration, FIG. 8 is a 3-parallel configuration, FIG. Is a series-parallel configuration. The detection resistors RCS1 to RCS3 in the multi-lamp configuration are arranged between the lamp cathode and the ground. Similarly, the RCS 36 in the single lamp configuration of FIG. 1 may be inserted at this other position.
[0036]
In a multiple lamp configuration, if one lamp is removed or the filament breaks, the other lamps will continue to operate. If the lamp is replaced and reinserted during operation, the ballast will shut down and the preheat sequence will be reset, and all lamps will be preheated and re-lighted.
[0037]
The stability control IC of the present invention also includes a power saving start-up, Zener clamp VCC, overtemperature shutdown, undervoltage lockout, as illustrated in circuit block 44. Undervoltage lockout (UVLO) provides noise hysteresis and off-line power supply for turn-on and turn-off thresholds.
[0038]
Overall architecture-second example
The overall architecture of the second embodiment of the stable IC control device of the present invention differs from the first embodiment in that it is specifically designed for business use in which light is dimmed and reduced to an ultra-low light level.
[0039]
The chip of the second embodiment shown in FIG. 2 and identified by reference numeral 50 has many pin arrangements identical to the first embodiment, and is related to the dimming function as follows: It is different in point.
[0040]
VCO-Voltage controlled oscillator input. The external capacitor sets the phase control for dimming as well as the lamp compensation and preheating current adjustment loop compensation.
[0041]
DIM-Dimming control input. 0-5VDC external control voltage corresponding to lamp power setting.
[0042]
MAX-Maximum lamp power. The internal reference current through the external resistor sets the maximum lamp power corresponding to the 5VDC dimming control input voltage.
[0043]
MIN-Minimum lamp power. An internal reference current through the external resistor sets the minimum lamp power corresponding to the 0VDC dimming control input voltage.
[0044]
CS-Current detection input. The voltage generated by the load current flowing through the external detection resistor and being positive during the ON time of the LO gate drive output is detected. Includes comparator with high threshold for current limit. Current detection is performed for preheating current adjustment and phase control (dimming).
[0045]
FB-Loop compensation. External compensation network for stable feedback loop during dimming. The resistance between pin FB and pin VCO has a value between 500Ω and 10KΩ.
[0046]
Referring now to the block diagram of the second embodiment of the present invention illustrated in FIG. 10, a dimming interface 52 is provided that allows 0-5 VDC analog control of lamp brightness with minimum and maximum adjustments. In order to simulate lamp lighting at any luminance setting, the lighting detection block 54 detects the phase change of the inductor current representing the lamp lighting (measured at the source of the lower half bridge MOSFET at pin CS). This tells the adjustment block 16 that the lamp has lit successfully, closing the loop and adjusting the phase of the inductor current relative to the reference phase generated by the dimming interface 52.
[0047]
Since the ionization time of the lamp is constant (-1 ms), the lamp cannot respond as fast as the loop, thus causing an overshoot of the VCO voltage, which can cause the lamp to turn off immediately after it is turned on. To prevent this, an internal switch S1 is provided to connect the DIM input to the TPH pin and ramp up between 4 and 5 volts during lighting.
[0048]
More detailed description will be given with reference to the typical connection diagram of FIG. 2 and the timing diagrams of FIGS. 11 and 12 (respectively showing the normal operation and the operation when the lamp fails to light), and is connected to the pin TPH. Capacitor 58 charges through an internal current supply during preheating. When the voltage applied to the capacitor 58 reaches the internal threshold value of 4V, the preheating is finished. If the reference of FIG. 11 is continued, the capacitor 58 continues to be charged exceeding 4V, the lamp is turned on, and the lighting detection block 54 detects lighting. At this point, the circuit of the chip closes switch S1 (FIG. 10) and the voltage on the DIM pin is discharged at an exponential rate determined by the value of capacitor 58 and resistor 56 to the voltage set by the user. Thus, the time constant formed by capacitor 58 and resistor 56 is programmable, allowing the designer to adjust the “transition” time from lighting to dimming setting for different lamp types. Capacitor 58 typically has a maximum value of 1 μF and resistor 56 has a typical value between 1 KΩ and 100 KΩ depending on the desired transition time.
[0049]
A detailed description of the salient circuit blocks illustrated in the block diagrams of FIGS. 3 and 10 is provided below.
[0050]
1. Overcurrent protection circuit
It is necessary to have some form of current limiting to prevent excessive and dangerous high voltages from appearing in the fluorescent lamp in the electronic ballast lamp resonant output stage. High voltage may be generated by trying to light a lamp that has stopped operating (the cathode is intact but there is no gas or the tube is broken). The currents associated with these voltages are detrimental to the person touching the fluorescent lamp when removing or inserting the lamp from the lamp socket of the fixture, and the absolute maximum voltage of the power component including the ballast lamp resonant output stage And current ratings may be exceeded.
[0051]
Both embodiments of the present invention have overcurrent protection defined by an internal threshold generated within the protection logic block 40. The protection compares the voltage generated at both ends of the low resistance external current detection resistor via the pin CS (pins CS1, CS2, CS3 in the first embodiment) with the internal threshold. The external current sense resistor RCS is placed between the lower half bridge switch and ground (eg, as shown in FIGS. 1 and 2) or (eg, as shown in FIGS. 6 and 8). As between) the lower lamp filament and ground.
[0052]
If the voltage across the sense resistor RCS exceeds the internal threshold, the peak output current will first be brought to the threshold by injecting a current pulse into the VCO capacitor whenever the threshold is exceeded via a signal to the phase control 38. Regulated or restricted. (Note that the direction in which the VCO is designed to operate is arbitrary--ie, the circuit can be designed so that the VCO capacitor is discharged rather than charged by a current pulse). This continues until the pin TPH voltage is charged to 5V and the lamp can be lit. The next time the threshold is exceeded, the ballast IC is latched off and the half-bridge switch is tri-stated, shutting down the ballast.
[0053]
A voltage cycling across the SD pin or VCC resets the IC and starts the preheat sequence again. During operation or dimming, it can occur when the lamp is removed using an overcurrent threshold, and the non-zero voltage at the half bridge is reduced as explained in more detail in the later section of the lamp presence detection circuit. Can be detected.
[0054]
The overcurrent protection circuit of the present invention is responsible for current detection, current adjustment with respect to a reference threshold, and tri-bridge switch tri-state, which is illustrated in FIG. 15 and corresponding timing diagrams. Is shown in FIG. 14 (B) in alignment with the appropriate load current of FIG. 14 (A). The Bode diagram of the transfer function of the resonant output stage (FIG. 13) shows the ballast operating point along with the current limit. As illustrated in FIG. 13, the current is limited to a threshold for a period of time before the half-bridge switch is tri-stated (both off). Maintaining the current for some time before the ballast shuts down gives the lamp time to turn on.
[0055]
Referring again to FIG. 15, the overcurrent protection circuit will now be described in detail. This circuit uses a voltage proportional to the total load current across RCS and a constant threshold VIMAXCompare VRCS Is VIMAXExceeds the value, the output of COMP1 (FB) becomes a high value, and a pulse is sent to the switch S1. As a result, S1 is closed and the current supply source Il supplies the capacitor C.VCO Can be charged with current. Therefore CVCO Is increased, which also increases the output frequency of the half-bridge signal that drives the lamp resonant stage (VS). This moves the operating point to the right along a high Q transfer function (FIG. 13), reducing the total load current below the maximum limit.
[0056]
When switch S1 is opened again, current source I2 is CVCO To reduce the frequency and increase the load current (Il) again until the limit is exceeded. This “nudging” effect to limit the current is CPH (VCPH ) Is the threshold voltage VOCENThe output of COMP2 (3 state) goes high and the half-bridge drive circuit stops and half-bridge transistor switches 20 and 21 are in 3 states (both off).
[0057]
The same circuit is used to regulate the peak preheat current flowing through the lamp filament. The peak current reference threshold is initially set to V via switch S2.IPH (FIG. 15), the voltage applied to the capacitor CPH is the threshold voltage VOCP The total peak load current is adjusted to this value until At this point, the preheating period is over (see FIGS. 14A and 14B) and the output of comparator COMP3 moves switch S2 to the “high” position (shown as “1” in S2). , Adjust threshold value to a higher value VIMAXShift to. The current source I2 is linearly connected to the capacitor CVCO Until the lamp is well lit or VIMAXThe frequency is reduced in a ramp shape toward the resonance frequency of the resonance output stage having a high Q (FIG. 13) until either of the above is reached. FIG. 16 is a timing chart of the overcurrent control circuit of FIG.
[0058]
The first embodiment of the present invention includes not only a high threshold value but also a low threshold value of 200 mV, which is used to detect near or below resonance operation and lamp insertion during operation.
[0059]
2. Lamp presence detection circuit
Both embodiments of the present invention detect whether (1) a fluorescent lamp (or group of fluorescent lamps) has been inserted into the lamp resonant circuit prior to startup, and (2) whether the fluorescent lamp has been removed during ballast operation. Including a lamp presence detection circuit. This circuit prevents damage to the ballast, particularly the MOSFET / IGBTs 20 and 21, which can occur if the ballast continues to operate without a lamp. The damage is caused by a large current generated from charging or discharging the snubber capacitor 64 (see FIGS. 1 and 2). Without the lamp, there is no load current that reverses the current direction of the capacitor 64, and a non-zero voltage switching condition occurs in the MOSFET / IGBTs 20 and 21, which causes the final thermal breakdown of the MOSFETs / IGBTs 20 and 21. .
[0060]
The lamp presence detection circuit of the present invention is contained within the protection logic block 40 and is arranged in series with the source of the half-bridge low-side MOSFET / IGBT 21 and is the same detection resistor as previously described in connection with peak current detection. Use RCS. The current flowing through resistor RCS is zero when the half-bridge is operating without a lamp, except for the large current “spikes” that occur when the MOSFET / IGBT 21 is turned on. .
[0061]
If the lamp is inserted while the half-bridge is operating, the current flows through the resistor RCS that exists only when the MOSFET / IGBT 21 is on, and the total lamp circuit current (IL1) Partly linear part and the total lamp circuit current (IL1) By 90 degrees (see FIG. 18). The voltage obtained across the resistor RCS is compared with the DC threshold voltage “th” (COMP1) (FIG. 17). If the voltage applied to the RCS is greater than “Vth”, the output becomes a digital “high value” and the voltage applied to the RCS is If it is smaller than “Vth”, it becomes a digital “low value”.
[0062]
Since the rising edge of the slow current is measured, it is conceivable that the comparator output “chatters” when the voltage applied across the resistor RCS begins to exceed “Vth”. In order to prevent this “chattering” or any other undesirable signal, such as an input “spike” or high frequency high current noise that may be present at the measurement point (voltage across RCS), the output of the comparator COMP1 is turned off of the MOSFET / IGBT21. Synchronize with the rim. This is realized by a D-type flip-flop (DFF1, FIG. 17), and a clock circuit (CLK2) of the flip-flop generates an edge in which a positive edge is directed to a negative voltage from the gate to the source of the MOSFET / IGBT 21. A logic control signal (shown in FIG. 18 as signal “LO”) represents the turn-off of MOSFET / IGBT 21. In other words, the measurement is performed immediately before the MOSFET / IGBT 21 is turned off. The propagation delay from the CLK2 signal to the actual MOSFET / IGBT 21 turn-off provides the time required to clock DFF1 (or the output of COMP1) while not being affected by any possible turn-off interference.
[0063]
The output (LAMPIN) of DFF1 becomes a digital “high value” when the lamp is attached and becomes a digital “low value” when the lamp is removed, and becomes an input to the burst logic block (FIG. 17). The burst logic block is illustrated in more detail in FIG. The burst logic block outputs “start” and “reset” signals to the timer block, and the timer block further outputs a signal “Enable” to the driver circuit logic block. Burst logic and timer until an interval of about 16 Hz is achieved
[0064]
[Outside 1]
Figure 0003769115
[0065]
Mutually function so as to be divided five times. At this point, “enable” becomes “high value”, and the drive circuit logic can drive the half-bridge drive circuit and drive the MOSFETs / IGBTs 20 and 21. At the next edge (after about 250 Hz) of the signal “CLK1”, “Setdet” becomes “high value” and instructs the burst logic to read “Lampin”. If “Lampin” is “high”, the presence of the lamp is detected and the system continues to operate. The “start” signal becomes “high”, and both the “Setdet” and “enable” signals are latched to “high” and the timer block preheat interval begins (see FIG. 20 for the timer circuit). If “Lampin” is “low value” when the “Setdet” signal becomes “high value”, the “reset” signal becomes high value and the timer is reset. When the timer is reset, “enable” becomes “low value” and the half-bridge driving circuit is turned off, so that the MOSFETs / IGBTs 20 and 21 are turned off. When “enable” becomes “low value”, the latch of “Setdet” is also released, so this also becomes low value.
[0066]
If “Setdet” goes low, “Reset” goes low, and the timer starts counting again until the 16 Hz interval is again reached and “Lampin” is read. This standby-enable-measure-standby "burst" mode process continues until the lamp is inserted. Furthermore, since “Setdet” is latched to “high value” when the lamp is detected, “enable” is set to “low value” when the lamp is removed at any time during operation and the “Lampin” signal becomes “low value”. MOSFET / IGBTs 20 and 21 are then turned off and the “burst” mode begins.
[0067]
Since the lamp and cathode are connected in series in the lamp resonance circuit, if either (or both) of the cathodes breaks during operation, the lamp presence detection circuit reads the “Lampin” signal as “low value” and a new lamp The burst mode is entered until is inserted. Furthermore, when a lamp life phenomenon known as “rectifying action” occurs and one of the cathodes is disconnected, but the other cathode continues to radiate, the current flowing through the resistor “RCS” is asymmetric and “ Therefore, MOSFET / IGBTs 20 and 21 are turned off and the system shifts to burst mode.
[0068]
3. Multi-lamp presence detection circuit
The first embodiment of the stable drive IC of the present invention suitable for driving a multi-fluorescent lamp advantageously includes a multi-lamp presence detection circuit.
[0069]
The multi-lamp presence detection circuit detects the presence of each of the lamps here and adjusts the lamp power in one of them. If the adjusted lamp is removed during operation, the circuit looks for and adjusts to the next available lamp. If the removed lamp is reinserted during operation, the stability control circuit stops half-bridge transistor switches 20 and 21 and resets the preheat sequence before restarting. When all lamps have been removed from the lamp resonant output circuit (see FIGS. 6-9), the half-bridge drive circuit 30 stops and both half-bridge switches 20 and 21 are turned off.
[0070]
Referring to FIG. 22 (this figure corresponds to the three parallel lamp configuration of FIG. 8), the sense resistors (RCS1, RCS2, RCS3) are placed between each lamp filament and ground to provide each lamp resonant circuit. Detect total current. If any lamp filament is removed, the voltage V across the sense resistor in that pathRCS1, VRCS2, VRCS3Becomes zero. Each current detection input and low threshold voltage (Vth1 ) Are compared by the comparators 70, 71, 72, and the D-type flip-flops 73, 74, 75 are clocked by HIN (see the circuit diagram of FIG. 23 and the timing diagrams of FIG. 24 and FIG. 25). Is measured immediately before turning off the high-side half-bridge switch 20, indicating that each lamp resonant circuit is complete, so that all lamp cathodes are intact and inserted into the circuit. A signal is generated.
[0071]
Each current sense input is clocked at HIN because the direction of current flow through each sense resistor is peaked when the upper half bridge switch 20 is turned off. This suppresses all other undesirable current spikes and / or noise that may exist at other times during the switching period.
[0072]
The Q outputs from D-type flip-flops 73, 74, 75 are NORed together (by NOR gate 76) to form signal LMPN, which isAllOnly when the lamp resonant circuit does not have a complete circuit (all lamps have been removed or all lamps have a broken cathode), stable control is a half-bridge switch Latches 20 and 21 off. If a single lamp is removed and reinserted, the appropriate pulse generator will provide a reset pulse LIDO (Lamp Inserted During Operation) when the lamp is reinserted and stability control is half-bridge -Turn off the switch, reset the preheating sequence, and restart the stable control. This is to prevent "hard lighting" of the inserted lamp and as a result of the operating frequency being lower than the resonant frequency of the high Q series LC circuit formed when the lamp is reinserted, the half-bridge transistor switch 20 This is to prevent the possibility of damaging and.
[0073]
As a lamp power adjustment, a zero crossing (ZX) of the total load current is required from one of the lamp resonance circuits in which a good lamp is inserted. When the lamp being adjusted is removed, the voltage control switches (S1 and S2) controlled by a signal indicating the presence of the lamp (ie by D flip-flops 73 and 74) form a “lamp search circuit”; This circuit finds the next available lamp to adjust using the exclusion process. If all lamps are present, the lamp connected to CS1 is adjusted. If no lamp is connected to CS1, the zero crossing of CS2 is adjusted. If no lamps are connected to both CS1 and CS2, adjust the zero crossing of CS3 (see truth table below):
[0074]
[Table 1]
Figure 0003769115
[0075]
The switches S1 and S2 can be replaced with a three-input OR gate as shown in FIG. In this structure, the phase measurement (zero-crossing detection) of the resonant output stage lamp with a minimum phase shift with respect to the half-bridge voltage determines the pulse width of the signal ZX (see FIG. 26B). This means that the lamp that consumes the most power is adjusted as a master while the other lamps are slaves and are subordinate to it. This simplifies the circuit by eliminating the need to jump to the next available lamp if the master lamp is removed.
[0076]
4). Preheating current control circuit
It is well known that the key to extending the life of a fluorescent lamp is to correctly preheat the lamp and cathode to the correct radiation temperature before the lamp is lit. This is typically accomplished by a conventional resonant circuit (FIG. 27) in which the circuit is driven at a frequency corresponding to the desired current flowing through the lamp cathode. This current is
[0077]
[Outside 2]
Figure 0003769115
[0078]
Flowing over. This frequency is usually fixed independently of the tolerances in other circuit components such as the resonant inductor (L) or the resonant capacitor (C). Therefore, when manufacturing a large number of ballasts, the preheating frequency setting must be fine-tuned to account for component tolerances and to compensate for the long lamp life obtained with all sold ballasts. .
[0079]
To avoid time-consuming procedures for fine adjustment, it is possible to use a closed loop system that keeps the preheating current constant while continuously adjusting the preheating frequency. Furthermore, by closing the loop, a simple oscillation circuit can be made with a larger tolerance than an open loop circuit requiring strict tolerance specifications.
[0080]
Closing the loop requires “feedback” the cathode current measurement and compare it against the current setting or “reference”. The result is commonly called “error” and is used to adjust the system until the reference is equal to the feedback and the error is zero. The system is independent of external influences such as component tolerances, voltage fluctuations and temperature.
[0081]
Although the closed loop preheat current control circuit for the electronic ballast of the present invention (used in both embodiments of the present invention) uses the same classic approach described above, the implementation and control circuit are new and unique. It is. The preheating cathode current is the voltage drop across the RCS (VFB) At the source of the MOSFET / IGBT 21 (see FIG. 28). This signal is the total lamp resonant circuit current (IL ), The current flowing through the resonant circuit (IL The phase is shifted by 90 degrees due to the direction of the current flowing through the detection resistor RCS with respect to the direction of) (FIG. 29).
[0082]
Voltage VFBIs compared with the reference voltage “REF” passing through the comparator “COMP1”, and the output “ERROR” is “V”.FB”And“ REF ”. The obtained related error “pulse”, “ERROR”, is obtained from the constant current sources CHARGE and IREF The capacitor C2 is charged or discharged by DISCHARGE (“VFB"Depends on whether" is large or small ") drives the amplifier consisting of MOSFET 78 and 79. The voltage “V” obtained on the capacitor C2VCO "Is at" V "when the duty cycle is 50%.FB"Is greater or smaller than" REF ", the voltage controlled oscillator circuit is adjusted to a higher or lower frequency.
[0083]
The resulting signal is used to drive a “half-bridge drive circuit” at the desired frequency, which drives MOSFET / IGBTs 20 and 21. The resulting high voltage square wave voltage “VS” (FIG. 29) is input to the lamp resonant output circuit, which outputs a current that is a function of the frequency and amplitude of the voltage “VS”.
[0084]
It is important to note that the total lamp resonant circuit current (IL ) Is equal to the current through the lamp cathode and capacitor C (FIG. 28). This is because during preheating, the lamp is not yet lit, the circuit is in a low dump series RCL configuration, and the lamp cathode is connected in series with L and C.
[0085]
A more classic approach to adjusting the current would be to detect the current in the load with a transformer, full-wave rectify the output, and pass the rectified voltage through a low-pass filter to obtain a DC voltage representation of the current. This DC voltage is added to the DC reference voltage via a limited bandwidth error amplifier and optional compensation network. The resulting error adjusts the VCO. However, this method is a non-linear operation where the number of components is large and the rectification of the transformer voltage (as well as the voltage drop across the rectifier diode vs. temperature) can introduce errors. The current control circuit of the present invention greatly simplifies the measurement and summing operations, has fewer components and is linear.
[0086]
In summary, the preheat current control circuit of the present invention simply converts the current to reference error directly into time. This time controls how long a constant current flows into or out of the capacitor. The voltage obtained at capacitor C2 is already in an integrated form, ie:
[0087]
[Expression 1]
Figure 0003769115
[0088]
All of this is realized with a sample comparator, two MOSFETs, and two current sources, and is easily implemented in the integrated circuit of the present invention.
[0089]
5. Analog dimming interface circuit
In a dimmable electronic ballast, such as the second embodiment of the present invention, the minimum and maximum brightness settings are trimmed to an acceptable tolerance so that uniform brightness is achieved with multiple ballasts. )There is a need to. This is especially necessary at low brightness levels where small lamp-to-lamp brightness deviations can be easily detected by the human eye.
[0090]
The dimming interface circuit of the present invention converts the analog input control voltage to an analog output reference voltage with programmable offset and gain adjustment for fine adjustment. Some fluorescent lamps are dimmed to lower light levels than other fluorescent lamps in some applications, so the dimming interface of the present invention provides a general fine-tuning to all minimum and maximum brightness levels (or lamp power). It can correspond to the kind of lamp.
[0091]
The dimming interface circuit of the present invention advantageously provides independent control of MIN and MAX settings. Referring to FIG. 30, the input voltage is at the DIM node and the operational amplifier 80 adjusts the minus (−) terminal to the DIM input voltage. RMAX And Q1 sets the DIM voltage to current IDIM = VDIM / RMAX Convert to RMAX By adjusting VDIM To IDIM Will adjust the gain of conversion to.
[0092]
The second voltage controlled current sources are operational amplifiers 81, Q2, RMIN And VREF1Given in. Where RMIN (VREF1As constant) IMIN To control the gain. IDIM And IMIN Are added together at the node Σ to get the formula:
[0093]
[Expression 2]
Figure 0003769115
[0094]
Therefore, independent control of gain and offset is obtained (FIG. 31).
[0095]
Before the resulting current flows through R3
[0096]
[Outside 3]
Figure 0003769115
[0097]
When the circuit of the present invention is mounted on an integrated circuit, if R3 is an external resistor, the circuit is completed and an allowable range due to the influence of temperature is acceptable. Programmable resistance RMAX And RMIN If the currents are all internal to the IC except for, the resistance of R3 does not need to change dramatically with temperature and, for example, an additional unity gain buffer (opamp 83, Q5, R4) and current mirrors (R5, R6, Q6, Q7, and R7, R8, Q8, Q9) can be implemented to achieve further conversion (FIG. 2).
[0098]
The novelty of the circuit of the present invention is to add two independent currents, each controlled by voltage and resistance, to form a termination analog function of the form:
[0099]
[Equation 3]
y = ms + b
If R3 is inside the IC, it must have a zero temperature coefficient and the termination criterion will not change with temperature.
[0100]
Although the invention has been described with reference to specific embodiments thereof, many other variations and modifications and other uses will become apparent to those skilled in the art. Accordingly, the invention should not be limited by the specific disclosure herein, but rather by the appended claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a typical connection diagram of a ballast IC drive circuit of a first embodiment of the present invention in a single lamp configuration.
FIG. 2 is a typical connection diagram of a ballast IC drive circuit of a second embodiment of the present invention in a single lamp configuration.
FIG. 3 is a block diagram of a first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a timing diagram showing the voltage on the VCO pin, the voltage on the TPH pin, and the envelope of the load current during normal preheating, lighting, and operating conditions for the first embodiment of the present invention. .
FIG. 5 is a timing waveform diagram showing an envelope of a voltage applied to a VCO pin, a voltage applied to a TPH pin, and a load current during a non-lighting state in the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a multi-lamp hookup configuration diagram for the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a multi-lamp hookup configuration diagram for the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a multi-lamp hookup configuration diagram for the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a multi-lamp hookup configuration diagram for the first embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a block diagram of a second exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a timing diagram showing envelopes of the voltage on the VCO pin, the voltage on the TPH pin, and the load current during normal preheating, lighting, and dimming states for the second embodiment of the present invention. is there.
FIG. 12 is a timing waveform diagram showing envelopes of the voltage applied to the VCO pin, the voltage applied to the TPH pin, and the load current during the non-lighting state in the second embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a Bode plot of the ballast output stage transfer function during preheating, lighting, and operating states of operation.
FIG. 14A shows a load current (I when the lamp is not lit).L FIG. 14B is a timing chart during preheating of the control circuit of the present invention.
FIG. 15 is a diagram showing a closed loop overcurrent control circuit of the present invention.
FIG. 16 is a timing chart of the overcurrent control circuit of the present invention.
FIG. 17 is a block diagram of a lamp presence detection circuit according to the present invention.
FIG. 18 is a timing waveform diagram of a lamp presence detection circuit.
FIG. 19 is a circuit diagram of burst logic of the lamp presence detection circuit and an accompanying truth table.
FIG. 20 shows a timer circuit diagram of a lamp presence detection circuit.
FIG. 21 is a timing chart of the lamp presence detection circuit.
FIG. 22 is a schematic diagram showing a multi-lamp presence detection circuit in relation to a three-parallel lamp configuration and a stable drive circuit.
FIG. 23 is a diagram showing details of a multi-lamp detection circuit.
FIG. 24 is a timing chart of the multi-lamp presence detection circuit.
FIG. 25 is a timing chart of the multi-lamp presence detection circuit (continuation of FIG. 24).
FIGS. 26A and 26B show another circuit diagram and timing diagram for a multi-lamp presence detection circuit in which two switches are replaced with OR gates.
FIG. 27 is a diagram showing a conventional lamp resonance circuit.
FIG. 28 is a diagram showing a closed-loop preheating current control circuit of the present invention.
FIG. 29 shows a timing diagram of the closed loop preheat current control circuit of the present invention.
FIG. 30 is a diagram showing an analog dimming interface circuit of the present invention.
FIG. 31 is a diagram showing a transfer function of the dimming interface circuit of the present invention.

Claims (1)

ランプ共振回路が結合された蛍光ランプに電力を供給するための半ブリッジ構造に接続してある第1と第2のMOSゲート電力トランジスタを駆動するための集積回路であって、前記第1と第2のMOSゲート電力トランジスタの半ブリッジ構造は、発振入力電圧を前記ランプ共振回路に供給し、前記発振入力電圧は位相を有し、前記共振回路は該共振回路を流れる電流を有し、前記共振回路を流れる電流は位相を有し、前記集積回路は、
前記ランプ共振回路を流れる電流の位相を決定するための手段と、
前記発振入力電圧の位相と、前記ランプ共振回路の電流の位相との位相差を実質的に一定に維持することにより、前記ランプの電力を調整するための手段とを備え、
前記集積回路は、プログラム可能な調光制御回路を含み、
前記プログラム可能な調光制御回路は、前記発振入力電圧の位相と、前記ランプ共振回路の電流の位相との前記位相差を決定する基準yを設定するための電圧値である調光レベル入力sを有し、前記ランプの調光レベルは、当該位相差が決定されることにより設定され、
前記プログラム可能な調光制御回路は、それぞれが電圧と抵抗によって制御される2種類の独立した電流を加算して、y=ms+bの形の終端アナログ関数を形成し、前記プログラム可能な調光制御回路により、最小蛍光ランプ電力設定のための抵抗R MIN および最大蛍光ランプ電力設定のための抵抗R MAX の独立した調節ができるようにしてあり、m=C /R MAX であり、b=C REF1 /R MIN であり、C およびC は定数であり、V REF1 は基準電圧値であることを特徴とする集積回路。
An integrated circuit for driving first and second MOS gate power transistors connected to a half-bridge structure for supplying power to a fluorescent lamp to which a lamp resonant circuit is coupled, comprising: A half-bridge structure of the MOS gate power transistor of 2 supplies an oscillation input voltage to the ramp resonance circuit, the oscillation input voltage has a phase, the resonance circuit has a current flowing through the resonance circuit, and the resonance The current flowing through the circuit has a phase, and the integrated circuit is
Means for determining the phase of the current flowing through the lamp resonant circuit;
Means for adjusting the power of the lamp by maintaining a substantially constant phase difference between the phase of the oscillation input voltage and the phase of the current of the lamp resonant circuit;
The integrated circuit includes a programmable dimming control circuit;
The programmable dimming control circuit includes a dimming level input s that is a voltage value for setting a reference y that determines the phase difference between the phase of the oscillation input voltage and the phase of the current of the lamp resonant circuit. And the dimming level of the lamp is set by determining the phase difference,
The programmable dimming control circuit adds two independent currents, each controlled by voltage and resistance, to form a termination analog function of the form y = ms + b , and the programmable dimming control The circuit allows independent adjustment of the resistance R MIN for setting the minimum fluorescent lamp power and the resistance R MAX for setting the maximum fluorescent lamp power , m = C 1 / R MAX , b = C 2 V REF1 / R MIN , C 1 and C 2 are constants, and V REF1 is a reference voltage value .
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JP2002141181A (en) * 2000-10-31 2002-05-17 Mitsubishi Electric Corp Discharge lamp lighting device
JP4313658B2 (en) 2003-11-28 2009-08-12 三菱電機株式会社 Inverter circuit
US7098605B2 (en) * 2004-01-15 2006-08-29 Fairchild Semiconductor Corporation Full digital dimming ballast for a fluorescent lamp
KR100647845B1 (en) 2004-04-27 2006-11-23 (주)기술이야기 Phase adjustment circuit of dimming apparatus
JP4635535B2 (en) * 2004-09-17 2011-02-23 パナソニック株式会社 Brushless motor drive device
JP4619167B2 (en) * 2005-03-28 2011-01-26 三菱電機株式会社 Discharge lamp lighting device
CN1956615B (en) * 2005-10-25 2010-08-25 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司 Drive device and method of discharge lamp
US7489531B2 (en) * 2006-09-28 2009-02-10 Osram Sylvania, Inc. Inverter with improved overcurrent protection circuit, and power supply and electronic ballast therefor
WO2011096164A1 (en) * 2010-02-03 2011-08-11 本田技研工業株式会社 Semiconductor device
CN106885563B (en) * 2017-03-14 2023-05-05 宁波大学 Micro-mechanical gyroscope closed-loop driving circuit capable of preventing electric oscillation
CN111935874B (en) * 2018-04-20 2023-09-05 上海路傲电子科技有限公司 Linear constant current driving chip and multi-chip parallel LED lighting circuit
CN113115495A (en) * 2021-05-14 2021-07-13 东莞芯成电子科技有限公司 LED illumination color temperature adjusting and discharging integrated control system

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