专利名称：具有数字信号处理器的功率变换器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及上变频器。具体地但不排他地，本发明涉及用于灯驱动器例如驱动气体放电灯的驱动器的上变频器。下面，本发明将参照驱动气体放电灯的驱动器得到特别解释，但应当理解的是这仅是举例，没有限制本发明范围的意思。
背景技术：
一般而言，气体放电灯应该被供给基本恒定的灯电流，而电源可以看成是供给交变电压的电压源。灯驱动器应该设计成从电源接收交变电压，并用交变电压产生(以灯确定的电压)基本恒定的电流。而且，驱动器应该这样设计，使得它不使电源失真，至少任何失真应该维持在预定容限内。
为满足这些要求，灯驱动器包括第一级或输入级(也表示为预调节器或上变频器)，其中从电源接收的一般为230 VAC量级的输入交变电压被整流并转换成基本恒定的输出电压，一般为400 VDC的量级。从电源引出的输入电流基本是正弦形状。
现有技术的上变频器一般围绕一个功率因素控制器IC(PFC)设计，如
图1所示。因为这种现有技术设计对于本领域技术人员是共同知晓的，因此仅简要地讨论上变频器的设计和操作。
图1示意性地示出了现有技术的上变频器1，具有输入终端2用于连接电源，并具有输出终端3以提供基本恒定的输出电压V0。上变频器1包括整流器4、具有耦合到整流器4输出的第一终端5a的变频器线圈5、以及在第二线圈终端5b和输出终端3之间耦合的二极管6。输入滤波电容器4A并联耦合到整流器4的输出，并用来滤出整流器4的输出的高频波纹，即整流的电源。输出缓冲电容器8并联耦合到输出终端3，并用于缓冲输出终端3的电压以保证该电压基本恒定。上变频器1还包括连接在第二线圈终端5b和地之间的可控开关7，具有耦合到PFC 10的控制输出17的控制终端7c。变频器线圈5使用整流器4的能量充电。输出电压基本由输出缓冲电容器8提供。为了维持基本恒定的输出电压，即缓冲电容器8的电压，PFC10控制了开关7的打开和闭合。
设计PFC 10使变频器1工作在临界模式。为此，PFC 10具有与线圈5的感应绕组21耦合的线圈感应输入11。为了能使经过开关7的峰值电流用作控制参数，感应电阻器9与开关7串联，开关7和感应电阻器9之间的节点与PFC 10的峰值电流感应输入19相连。PFC 10还具有耦合的第一输入14，以从第一测量信号发生装置24接收输入测量信号Si，该第一测量信号发生装置24用来在滤波的整流电源电压(图1中以Vi示出)的基础上产生输入测量信号Si。PFC 10还包括耦合的第二输出18，以从第二测量信号发生装置28接收输出测量信号S0，该第二测量信号发生装置用来在输出3的输出电压V0的基础上产生输出测量信号S0，以能够为流经开关7的峰值电流计算调整点。
这种技术设计具有很多缺点。
感应绕组的要求增加了变频器线圈装置的成本。
流经开关7的电流由高频电流脉冲组成，这意味着既便工作条件仅相对缓慢地变化，测量峰值开关电流的测量电路必须非常快。
在为流经开关7的峰值电流计算调整点中，PFC 10需要将误差信号和电源电压相乘，以使变频器引出电源电流，该电源电流具有和电源电压基本相同的形状。然而，乘法器仅具有有限的范围。因此，变频器1不能处理大范围的输入电压。
响应输入电压和/或输出电压的变化，PFC 10改变开关7的开关频率。这限制了变频器1能够处理的输入电压的范围和输出功率的范围。如果变频器1要处理通用电源电压(例如，110到280VAC的范围内)，和/或如果变频器1要处理可变的输出功率，则需要高达1MHz的开关频率。这导致高的开关损耗。而且，这可能导致电磁干扰(EMI)的增加。
本发明的一般目标是提供一种上变频器，其中至少上述某些缺点可以消除或至少减小。
更具体而言，本发明的目标是提供一种上变频器，其中变频器线圈装置不需要感应绕组。
本发明的另一个特定目标是提供一种上变频器，它的输入电压具有大的动态范围。
本发明的另一个特定目标是提供一种上变频器，它能处理宽范围的输入电压和宽范围的输出功率。
发明简述根据本发明的第一重要方面，上变频器以恒定的频率和可变的脉冲宽度工作在不连续的模式。
根据本发明的第二重要方面，从输入电压和输出电压直接计算脉冲宽度。一个优点是可以省略用于测量峰值开关电流的与开关串联的电流感应电阻器。另一个优点是输入电压和输出电压是变化相对缓慢的信号，所以测量电路不需要是高速电路。
根据本发明的第三重要方面，变频器受数字控制器例如数字信号处理器的控制。更具体而言，开关由数字地产生的控制信号控制。数字地产生控制信号的一个优点是信号处理不需要任何其他外部部件。另一个优点是输入信号易于在相对宽的范围变化。
附图简述下面参考附图，通过根据本发明的上变频器的优选实施例的描述，本发明的这些和其他方面、特征和优点都将进一步得到解释，附图中相同的附图标记指示相同或相似的部分，其中图1的框图示意性地示出了现有技术的上变频器；图2的框图示意性地示出了根据本发明的上变频器；图3A和3B的框图示意性地示出了灯驱动器。
发明详述图2示意性地示出了根据本发明的上变频器100。具有和图1中部件相同的附图标记的部件具有与现有技术相同或相似的功能，所以没有必要重复上面的讨论。然而应当注意，根据本发明的上变频器100不需要具有感应绕组的线圈，也不需要与开关7串联的感应电阻器，所以在图2中不存在这些部件。
根据本发明的一个重要方面，上变频器100包括数字控制器110。数字控制器110可以方便地实现为数字信号处理器、或数字部件的可编程阵列等，这些对于本领域技术人员都是很清楚的。而且，尽管数字控制器110可能仅以硬件实现，优选地数字控制器110能够运行软件程序，使其能够易于适合专门应用。
数字控制器110具有第一输入114，耦合到第一信号发生装置124以接收代表滤波的整流的电源电压Vi的输入测量信号Si。第一信号发生装置124可以数字地工作，使得输入测量信号Si是数字信号，但数字控制器110可以具有与其第一输入114相关的模拟-数字转换器(ADC)；为简单起见，这种ADC在图2中没有示出。
同样，数字控制器110具有第二输入118，与第二信号发生装置128耦合以接收代表输出电压V0的输出测量信号S0。第二信号发生装置128可以数字地工作，使得输出测量信号S0是数字信号，但数字控制器110可以具有与其第二输入118相关的ADC，为清楚起见它没有示出。
数字控制器110用来在其控制输出117处产生用于开关7的控制信号SC，它是具有两个电平的数字控制信号，即，第一电平用于控制开关7到它的非导通状态，第二电平用于控制开关7到其导通状态。为便于讨论，假设第一电平是低电平“L”，第二电平是高电平“H”，也分别表示为“0”和“1”。数字控制器110用来以恒定的频率和可变的脉冲宽度在不连续的模式操作上变频器100。这意味着控制信号SC以基本恒定的频率产生，即，连续H-脉冲的重复周期是基本恒定的，此后表示为T。控制信号SC具有可变脉冲宽度TH，即，H-脉冲的周期TH可以变化。同样，根据下式，L-脉冲的周期TL是可变的。
TL＝T-TH本领域技术人员将很清楚，数字控制器110用来设置脉冲宽度TH，使得得出的输出电流具有所期望的特性。
实例1可以看出，在控制信号SC的一个重复周期T中，从电源引出的平均电流IAV可以由下面的公式(1)表达IAV=Vi·TH22L·T·VOVO-Vi---(1)]]>
只要满足条件TH/T＜1-Vi/V0，上变频器以不连续模式工作。
上变频器100的重要功能是功率因素控制器功能。这意味着上变频器100必须保证电源电流基本正比于电源电压。这种要求以公式(2)表达IAV＝Vi/R (2)其中R是具有电阻量纲的比例常数。
结合公式(2)和公式(1)，得出如果TH根据下面的公式(3)设置，则满足所述要求TH=2L·TR·Vo-ViVo---(3)]]>假设V0是恒定的，很容易看出由公式(3)表达的TH以电源频率周期性地变化。L、T和R是恒定的电路参数。
注意如果功率因素要求和公式(2)的要求不同，TH可以根据不同公式设置。
实例2图2的变频器在实验型的实施例中测试，其中开关控制信号SC的重复频率设置在50kHz。每个输入测量信号Si和输出测量信号S0都以6.7kHz的取样频率进行取样。数字控制环路处理数字化的测量信号Si和S0，并根据公式(3)计算脉冲宽度；该脉冲宽度每150μs更新一次。数字控制环路设计成具有7Hz的带宽。交变的电压电源与输入2相连。输入电压在100到280V的范围内变化。与输出3相连的电阻性负载在16W到80W的范围变化。
在所有的情况下，工作都是稳定的；总谐波失真总是低于14％。
应当注意整流的电源电压(在整流器4的输出)和输出电压V0可以包含例如对应于开关7的开关频率的高频信号部分。优选地，频率比整流的电源电压Vi和输出电压V0的取样频率高的信号部分被滤出。因此，优选地数字控制器110提供有与其第一和第二输入114和118相关的低通滤波器(未示出)。这些滤波器可以合并入数字控制器110本身，或者分别在相应的测量信号发生器124、128中。举一个非限制性的实例，这些低通滤波器的合适的截止频率在大约1kHz到大约4kHz的范围内。
图3的框图示意性地示出了用于驱动气体放电灯La的灯驱动器300A的第一实施例。灯驱动器300A包括上面讨论的上变频器100。下变频器301(基本用作产生灯电流的电流源)接收上变频器100的恒定输出电压，并将该电压转换成基本恒定的第二电压电平。换向器302连接下变频器301的输出到灯La，在预定的换向频率改变灯电流的方向。
在灯驱动器300A中，下变频器301和换向器302的操作分别受相应的控制器303控制。图3A中，示出的控制器303从上变频器100的数字控制器110分离。然而优选地，该控制器303是与上变频器100的数字控制器110集成的数字控制器。
图3B的框图示意性地示出了用于驱动气体放电灯La的灯驱动器300B的第二实施例。灯驱动器300B包括上面讨论的上变频器100。前向换向桥304(例如以半桥或完整的桥来实施)基本用作产生换向灯电流的换向电流源，接收上变频器100的恒定输出电压，以及提供换向灯电流到灯La，以预定的换向频率改变灯电流的方向。
灯驱动器300B中，前向换向桥304的工作由对应的控制器305控制。图3B中，示出的控制器305是与上变频器100的数字控制器110分离。然而优选地，该控制器305是与上变频器100的数字控制器110集成的数字控制器。
这样，本发明成功地提供了上变频器100，它包括与输出3串联的电感器5和二极管6；与所述输出3并联的电容器8；具有与电感器5和二极管6之间的节点耦合的一个开关终端的可控开关7。
上变频器100的控制方法包括以下步骤为电感器5输入整流的AC电压Vi；产生具有脉冲宽度TH的开关控制信号SC，以基本恒定的重复频率切换开关打开和闭合；其中开关控制信号SC在第一测量信号S0的基础上产生，第一测量信号S0代表所述输出3处的输出信号V0。
根据本发明，上变频器包括数字处理器110，它对第一测量信号S0进行取样，并数字地处理取样的第一测量信号S0以计算开关控制信号SC的脉冲宽度TH，使得输出电压V0保持基本恒定。
对于本领域技术人员来说很清楚的是，本发明不限于上面讨论的示例性实施例，可以在附加权利要求书定义的本发明的保护范围内做出多种变形和修改。
上面讨论中，本发明参考框图得以解释，框图阐述了根据本发明的设备的功能块。应当理解的是，一个或多个这些功能块可以在硬件中执行，其中这些功能块的功能由独立的硬件部件执行，但一个或多个这些功能块也可以以软件实现，使得这种功能块的功能由一个或多个计算机程序的程序行或可编程设备例如微处理器、微控制器、数字信号处理器等执行。
权利要求
1.用于控制上变频器(100)的方法，该上变频器具有用于接收交变输入电压(MAINS)的输入(2)，该上变频器(100)还具有输出(3)，该方法包括以下步骤提供与所述输出(3)串联的电感器(5)和二极管(6)；提供与所述输出(3)并联的电容器(8)；提供可控开关(7)，该可控开关具有与电感器(5)和二极管(6)之间的节点耦合的一个开关终端；输入整流的AC电压(Vi)到电感器(5)，该AC电压从所述交变输入电压(MAINS)得出；产生开关控制信号(SC)，该信号具有基本恒定的重复频率和变化的脉冲宽度(TH)，用于切换所述开关(7)打开和闭合；产生代表所述输出(3)处的输出电压(V0)的第一测量信号(S0)；在第一预定取样频率对第一测量信号(S0)进行取样；数字地处理所述取样的第一测量信号(S0)以计算开关控制信号(SC)的脉冲宽度(TH)，使得输出电压(V0)保持基本恒定；以及根据计算结果设置脉冲宽度(TH)。
2.根据权利要求1的方法，其中取样的第一测量信号(S0)的所述处理和脉冲宽度(TH)的所述计算由在适当编程的控制器(110)中运行的软件程序执行。
3.根据权利要求1的方法，其中脉冲宽度(TH)以预定的更新频率更新。
4.根据权利要求1的方法，进一步包括以下步骤产生代表所述整流的AC电压(Vi)的第二测量信号(Si)；在第二预定取样频率对第二测量信号(Si)进行取样，优选地第二预定取样频率等于第一预定取样频率，优选地同时对第二测量信号(Si)和第一测量信号(S0)进行取样；其中开关控制信号(SC)的脉冲宽度(TH)根据下面的公式计算TH=KVo-ViVo]]>其中K是取决于设备参数的倍增常数。
5.根据权利要求1的方法，其中第一预定取样频率基本等于控制信号(SC)的所述重复频率。
6.根据权利要求1的方法，其中上变频器(100)是用于气体放电灯的一个驱动器(300A；300B)的一部分。
7.根据权利要求1的方法，其中上变频器(100)的输入(2)与电源相连。
8.上变频器(110)，包括输入(2)，用于接收交变输入电压(MAINS)；输出(3)；整流器(4)，所述整流器的输入与所述输入(2)相连，所述整流器的输出提供整流的AC电压(Vi)；与输出(3)串联的电感器(5)和二极管(6)，该电感器具有与所述整流器(4)的所述输出耦合的第一终端(5a)，并具有与所述二极管(6)耦合的第二终端(5b)；电容器(8)，与输出(3)并联；开关(7)，具有与电感器(5)和二极管(6)之间节点耦合的一个开关终端；数字处理器(110)，具有耦合的第一输入(118)以接收代表所述输出(3)处的输出电压(V0)的第一测量信号(S0)，还具有耦合到所述开关(7)的控制终端的控制输出(117)；调整数字处理器(110)-用以在其控制输出(117)产生开关控制信号(SC)，该信号具有脉冲宽度(TH)和基本恒定的重复频率，用于切换开关(7)打开和闭合；-用以在第一预定取样频率对第一测量信号(S0)进行取样，优选地第一预定取样频率等于所述重复频率；-用以数字地处理被取样的第一测量信号(S0)以计算开关控制信号(SC)的脉冲宽度(TH)，使得输出电压(V0)维持基本恒定；-以及用以根据计算结果设置开关控制信号(SC)的脉冲宽度(TH)。
9.根据权利要求8的上变频器，其中数字处理器(110)包括软件程序，运行该软件程序以至少执行计算开关控制信号(SC)的脉冲宽度(TH)的步骤。
10.根据权利要求8的上变频器，其中数字处理器(110)还包括耦合的第二输入(114)以接收代表所述整流的AC电压(Vi)的第二测量信号(Si)；采用数字处理器(10)以在第二预定取样频率对第二测量信号(Si)进行取样，优选地第二预定取样频率等于所述第一取样频率，优选地数字处理器(110)同时对第二测量信号(Si)和第一测量信号(So)进行取样；调整数字处理器(110)以根据下面的公式计算开关控制信号(SC)的脉冲宽度(TH)TH=KVo-ViVo]]>其中K是取决于设备参数的倍增常数。
11.用于气体放电灯的驱动器(300A；300B)，包括根据权利要求8的上变频器(100)。
全文摘要
一种上变频器(100)，包括与输出(3)串联的电感器(5)和二极管(6)；与所述输出并联的电容器(8)；可控开关(7)，具有与电感器和二极管之间的节点耦合的一个开关终端。一种控制方法，包括以下步骤输入整流的AC电压(V
文档编号H02M1/00GK1857039SQ200480027574
公开日2006年11月1日 申请日期2004年9月9日 优先权日2003年9月24日
发明者K·L·曼德斯, A·W·布杰, E·M·J·阿恩德科克 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司