TWI381772B - 具調整氣體放電燈管電壓之預熱控制裝置 - Google Patents

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Description

具調整氣體放電燈管電壓之預熱控制裝置
本發明係有關一種具調整氣體放電燈管電壓之預熱控制裝置，尤指一種利用脈衝寬度調整(PWM)技術控制氣體放電燈在預熱期間的燈管電壓，可以有效地降低燈管電壓，避免預熱期間產生的熾光電流，並且仍維持所需要的燈絲預熱電流。在穩態時恢復為脈波頻率調整(PFM)控制，穩定燈管電流。本專利所提之控制方法不需要更改現有產品的半橋驅動器架構和諧振槽網路，即可實現需求的結果。本專利所提之控制方法可以輕易地利用類比積體電路或數位控制器實現，將可以加速導入產品應用。
按，目前現有電子安定器產品中的半橋驅動器大多採用半橋架構，而且為了方便控制積體電路(IC)的設計，半橋架構都以Class－D型式實現，其中Class－D型式具有維持標準半橋的特性和系統共地的優點，其最大的優勢在於輸入端的直流鏈電容也只需要一顆即可，即可有效降低電子安定器之成本，然而採用Class－D型式的安定器在預熱期間，如圖一所示，係為傳統電子安定器之預熱、點火至穩態之燈管電壓與電流波形圖，該傳統電子安定器之預熱、點火及穩態之所有過程，皆採取脈波頻率調整(PFM)，自傳統Class－D型式的預熱、點火到穩態的波形，從圖中可以看出在預熱期間燈管電壓載有一半的直流鏈電壓，由於負載(Load)暫時呈現空載狀態，會造成預熱期間燈管電壓(VL A M P )會跨壓一半的直流鏈電壓，而燈絲電流(IF )進一步於點火期間產生熾光電流，若是經常作點、滅動作，將使燈頭提早黑化，亦降低燈管壽命。要解決預熱期間的燈管電壓問題。
目前有二種解決之道，一為改回標準半橋架構，另一為增加一外部開關來強迫燈管電壓為零電壓(0V)，但是二者皆存在其缺失，前者會影響電路原本的設計參數，並且增加直流鏈電容，以及系統共地問題；後者所置入額外的電路和外部開關會增加元件成本。二者所存在之缺失皆使得習知電子安定器不利於商場上的競爭，因此若能以現有的架構來改善，不僅可以減少重新設計的時程，亦可加速導入市場。
基於解決以上所述習知技藝的缺失，本發明為一種具調整氣體放電燈管電壓之預熱控制裝置，主要目的為利用脈衝寬度調整(PWM)技術控制氣體放電燈管在預熱期間的燈管電壓(VL A M P )，可以有效地降低燈管電壓，避免預熱期間產生的熾光電流，並且仍維持所需要的燈絲預熱電流，在穩態時恢復為脈波頻率調整(PFM)控制，穩定燈管電流，本專利所提之控制方法不需要更改現有產品的半橋換流器架構和諧振槽網路，即可實現需求的結果，本專利所提之控制方法可以輕易地利用類比積體電路或數位控制器實現，將可以加速導入產品應用。
為達上述之目的，本發明電子安定器之電路，係應用於氣體放電燈管之控制，其包含有：一脈波寬度調整電路，用以控制燈管於預熱期間之燈管電壓；一脈波頻率調整電路，用以控制燈管於穩態時燈管頻率，以穩定燈管電流；以及一個計時裝置，用以決定燈管預熱時間。
為進一步對本發明有更深入的說明，乃藉由以下圖示、圖號說明及發明詳細說明，冀能對 貴審查委員於審查工作有所助益。
茲配合下列之圖式說明本發明之詳細結構，及其連結關係，以利於 貴審委做一瞭解，本發明主要為提出一項新的控制模式，可以有效地降低在預熱期間的燈管電壓(VL A M P )，並且維持燈管所需要的預熱電流。
如圖二、三所示，係為本發明氣體放電燈管模組與其電子安定器之電路架構圖，以及電子安定器之電路架構圖，其中該燈管模組2係為習知之架構(包括有：直流鏈電容21、第一電晶體22、第二電晶體23、變壓器24及燈管25)，故不在此做一贅述，本發明電子安定器1包含以下幾個部份：參考電壓(Vr e f )產生器11、燈管電壓調整電路12、50%責任週期參考值13、脈波頻率調整電路(Pulse Frequency Modulation，P.F.M.)14、脈波寬度調整電路(Pulse Width Modulation，PWM)15、半橋驅動器16、半橋功率晶體驅動器(Half－bridge driver)17(包含有一高壓側驅動器(High side Driving、HD)171及一低壓側驅動器(Low side Driving、LD)172)、充電電路18(包括有：電流源IPH 、電阻RT和電容TPH )、第一主動開關19及由外部電路產生的計時器。
請參閱圖四所示，係為圖三各電路方塊揭露較為詳細元件電路圖，其中各功能方塊內部揭露實際元件之設計，例如：燈管電壓調整電路12係由一運算放大器121所構成，且該放大器之一端輸入為10%責任週期參考值，另一端輸入為第二燈管電壓取樣值VLAMP2 ；而脈波頻率調整電路14係由一三角波產生器141及第二主動開關142所構成；而脈波寬度調整電路15係為一比較器151所構成。再者，外部電路產生的計時器可以由充電電路18形成的計時電路組成。
請參閱圖五所示，係為本發明於啟動及預熱階段所應用之電子安定器架構圖，控制模式處於脈波寬度調整(PWM)階段，並應用Z1、Z2(R、C組成電路)來做為補償器，其中整個點燈流程包含：啟動、預熱和掃頻點火三個部份，本發明強調的部份是在啟動和預熱期間，電路系統的表現為一降壓型轉換器(BUCK mode)模式，所謂降壓型轉換器模式即為輸出電壓值小於輸入電壓值之模式。透過式(1)的公式可以計算出一責任週期D，本實施例責任週期為10%，恰可使原本為三角波之參考電壓(Vref )，被切成方波，而得到所需要輸出電壓，也就是等效空載時的燈管電壓(VLAMP )：V LAMP =V DC ．D ………(1)
請參閱圖六所示，係為本發明應用脈波寬度調整時，電晶體驅動訊號、燈管電壓和燈絲電流之波形圖，其中圖五電路的二顆電晶體開關(22、23)的工作週期相同，但責任週期為非對稱的互補波形如圖六，稱為脈波寬度調整(PWM)，由脈波寬度調整電路15執行該動作，輸出電壓會包含電感電容(L－C)諧振網路所形成的交流成份以及經過脈波寬度調整的直流成份。其中，直流成份可以透過式(1)的計算得到開迴路電壓值，若是將輸出電壓經過取樣，加上由運算放大器121組成的燈管電壓調整電路12，可以進行閉迴路控制，維持輸出電壓的電壓調整率，運算放大器的輸出結果可以從公式(2)得出。v c ＝1/2．V ref ．G V ．v err ………(2)其中v err ＝(1/2．V ref －v LAMP )………(3)
請同時參閱圖十一所示，係為本發明電子安定器於預熱期間，脈波調頻控制工作處於固定頻率的狀態表示圖，在預熱期間，脈波調頻控制的部份是工作在固定頻率的狀態，而不會改變頻率，此固定頻率fP H 必須大於點火頻率fo s 。fP H 的設計可以由透過RT 電阻決定。
請參閱圖七所示，係為本發明於穩態階段所應用之電子安定器架構圖，當預熱結束時，電路系統由半橋驅動器(Inverter)所作動，控制模式會變成脈波頻率調整(PFM)。此時會由原本的燈管電壓調整轉為50% duty參考值13，而脈波頻率調整則由一放電電阻(RI G )來決定，該放電電阻(RI G )會讓三角波產生器141內部的電容作放電動作，因此三角波的頻率會由一高頻fL 3 往諧振頻率fo s 逼近，直到燈管電流產生後，改由取樣的IL A M P 決定工作頻率，其應用脈波頻率調整之波形圖如圖八所示。Fo s 可以由式(5)決定，其中Cs 和Cf 分別是諧振電容值和諧振電感值。
請參閱圖九所示，係為本發明電子安定器之預熱、點火至穩態之燈管電壓與電流波形圖，其中採用本發明之PWM－PFM控制方式，即可有效地在預熱期間降低燈管電壓(VL A M P )，與圖二相較，舉例而言，原先燈管電壓為1/2VD C ，電壓平均值(Vr m s )約為200V；但圖九所揭露燈管電壓平均值(Vr m s )約為35V，由上述數據即可看出本案所提出電路架構可有效降低預熱期間降低燈管電壓，並且維持所需求的預熱電流，此外，此控制方法不需要改變既有的Class－D型式的電路架構即可實現。
請參閱圖十所示，係為本發明應用脈波頻率調整控制方式後，其頻率自預熱(I)、暫態(II)及穩態(III)之頻率關係圖。
上述圖二至圖十一可整理出，本發明之電子安定器之電路，係應用於氣體放電燈管之控制，其包含有：一脈波寬度調整電路，用以控制燈管於預熱期間之燈管電壓，該脈波寬度調整電路更包含有：一個運算放大器作為取樣電壓用途，該運算放大器可以由外部電路設計補償器；一個比較器作為產生脈波寬度調整(PWM)波形；一個1/10參考電壓(0.1Vref )作為參考值；一脈波頻率調整電路，用以控制燈管於穩態時燈管頻率，以穩定燈管電流，該脈波頻率調整電路更包含有：一個三角波產生器，該三角波產生器的頻率可變，且峰值等於參考電壓(Vref )；由電阻電容產生的振盪源及一個參考電壓作為電壓參考，該電容係為外部元件及與內建於三角波產生器之其中一者；一個計時裝置，用以決定燈管預熱時間，其中該計時裝置更係包含：二個主動開關，該主動開關會將電路系統由脈衝寬度調整，切換到50%責任週期的頻率調整，且該二主動開關係為金屬氧化半導體場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)所構成；一充電電路，係由電流源IPH 、電阻RT和電容TPH 所組成，該主動開關係由充電電路所驅動。
上述電子安定器之電路採用降壓型轉換器係操作於安定器預熱期間，且決定預熱期間的燈管電壓直流成份，並可由外部電路決定是否為開迴路控制及閉迴路控制之其中一狀態來執行，且可配合一半橋驅動器之操作，該半橋驅動器係操作於點火和穩態期間。
再者，藉由上述圖二至圖十一之揭露，即可瞭解本發明具調整氣體放電燈管電壓之預熱控制裝置，主要為利用脈衝寬度調整(PWM)技術控制氣體放電燈管在預熱期間的燈管電壓(VLAMP )，可以有效地降低燈管電壓，避免預熱期間產生的熾光電流，並且仍維持所需要的燈絲預熱電流，在穩態時恢復為脈波頻率調整(PFM)控制，穩定燈管電流，本專利所提之控制方法不需要更改現有產品的半橋驅動器架構和諧振槽網路，即可實現需求的結果，本專利所提之控制方法可以輕易地利用類比積體電路或數位控制器實現，將可以加速導入產品應用，於市場上具有極高之價值，故提出專利申請以尋求專利權之保護。
綜上所述，本發明之結構特徵及各實施例皆已詳細揭示，而可充分顯示出本發明案在目的及功效上均深富實施之進步性，極具產業之利用價值，且為目前市面上前所未見之運用，依專利法之精神所述，本發明案完全符合發明專利之要件。
唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。
GND．．．接地端
IL A M P ．．．燈管電流
IP H ．．．電流源
RT、RI G ．．．電阻
TP H ．．．電容
VC C ．．．電壓源
VL A M P ．．．燈管電壓
VL A M P 1 ．．．第一燈管電壓
VL A M P 2 ．．．第二燈管電壓
Vr e f ．．．參考電壓
Z1、Z2．．．補償器
1．．．電子安定器
11．．．參考電壓產生器
12．．．燈管電壓調整電路
121．．．運算放大器
13~50%．．．責任週期參考值
14．．．脈波頻率調整電路
141．．．三角波產生器
142．．．第二主動開關
15．．．脈波電壓調整電路
151．．．比較器
16．．．半橋驅動器
17．．．半橋功率晶體驅動器
171．．．高壓側驅動器
172．．．低壓側驅動器
18．．．充電電路
19．．．第一主動開關
2．．．燈管模組
21．．．直流鏈電容
22．．．第一電晶體
23．．．第二電晶體
24．．．變壓器
25．．．燈管
圖一係為傳統電子安定器之預熱、點火至穩態之燈管電壓與電流波形圖；圖二係為本發明氣體放電燈管模組與其電子安定器之電路架構圖；圖三係為本發明電子安定器之電路架構圖；圖四係為圖三各電路方塊揭露較為詳細元件電路圖；圖五係為本發明於啟動及預熱階段所應用之電子安定器架構圖；圖六係為本發明應用脈波寬度調整之波形圖；圖七係為本發明於穩態階段所應用之電子安定器架構圖；圖八係為本發明應用脈波頻率調整之波形圖；圖九係為本發明電子安定器之預熱、點火至穩態之燈管電壓與電流波形圖；圖十係為本發明應用脈波頻率調整控制後頻率自預熱、暫態及穩態之頻率關係圖；圖十一係為本發明電子安定器於預熱期間，脈波調頻控制工作處於固定頻率的狀態表示圖。
GND．．．接地端
IL A M P ．．．燈管電流
IP H ．．．電流源
RT、RI G ．．．電阻
TP H ．．．電容
VC C ．．．電壓源
VL A M P ．．．燈管電壓
VL A M P 1 ．．．第一燈管電壓
VL A M P 2 ．．．第二燈管電壓
Vr e f ．．．參考電壓
Z1、Z2．．．補償器
1．．．電子安定器
11．．．參考電壓產生器
12．．．燈管電壓調整電路
121．．．運算放大器
13．．．50%責任週期參考值
14．．．脈波頻率調整電路
141．．．三角波產生器
142．．．第二主動開關
15．．．脈波電壓調整電路
151．．．比較器
16．．．半橋驅動器
17．．．半橋功率晶體驅動器
171．．．高壓側驅動器
172．．．低壓側驅動器
18．．．充電電路
19．．．第一主動開關
2．．．燈管模組
21．．．直流鏈電容
22．．．第一電晶體
23．．．第二電晶體
24．．．變壓器
25．．．燈管

Claims (6)

  1. 一種具調整氣體放電燈管電壓之預熱控制裝置，係應用於氣體放電燈管之控制，其包含有：一脈波寬度調整電路，用以控制燈管於預熱期間之燈管電壓，該脈波寬度調整電路更包含有：一個運算放大器作為取樣電壓用途、一個比較器作為產生脈波寬度調整波形、一個1/10參考電壓作為參考值；一脈波頻率調整電路，用以控制燈管於穩態時燈管頻率，以穩定燈管電流，該脈波頻率調整電路更包含有：一個三角波產生器、由電阻電容產生的振盪源及一個參考電壓作為電壓參考；以及一個計時裝置，用以決定燈管預熱時間，該計時裝置更係包含有二個主動開關及一充電電路，且該充電電路係由電流源、電阻和電容所組成，該二主動開關會將電路系統由脈衝寬度調整，切換到50%責任週期的頻率調整。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具調整氣體放電燈管電壓之預熱控制裝置，其中該運算放大器可以由外部電路設計補償器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之具調整氣體放電燈管電壓之預熱控制裝置，其中該三角波產生器的頻率可變，且峰值等於參考電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之具調整氣體放電燈管電壓之預熱控制裝置，其中該電容係為外部元件及與內建於三角波產生器之其中一者。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之具調整氣體放電燈管電壓 之預熱控制裝置，其中該主動開關係由充電電路所驅動。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之具調整氣體放電燈管電壓之預熱控制裝置，其中該二主動開關係為金屬氧化半導體場效電晶體所構成。
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