专利名称：荧光灯的驱动电路及方法
技术领域：
本发明有关一种荧光灯，尤其是有关一种荧光灯的驱动电路及方法。
背景技术：
近来，液晶显示器技术大幅进步，可望取代阴极射线管显示器成为新一代显示器主流，而该种显示器需要背光源的存在。于是各种背光源也就应运而生，其包含一般有汞及无汞荧光灯、发光显示元件及有汞及无汞平面荧光灯等，其中各式荧光灯的应用最为普遍。
荧光灯原理是利用激发气体产生离子或激态原子，当激态原子或离子回到稳态时会发射出特殊频率的光子(也就是紫外光)，并借助紫外光激发灯内体的荧光物质来产生可见光。在激发气体时需要高电压来解离气体，该高电压是以一种具有升降压功能的启动电路产生。为使荧光灯稳定运作，其启动电路必须严密设计。
平面荧光灯是一种具有外部电极的荧光灯，其提供的光源为平面形式，特别有利于作为平面液晶显示器的背光源，因如此得有效去除现有一般荧光灯及发光显示元件不能均匀照射的缺点。除照光均匀性佳外，平面荧光灯还具有成本不高；高、低温环境下性能佳；使用寿命长、提供较佳色彩饱和度及较易与背光组件整合的优点，无汞型平面荧光灯还具有无污染的特点。在今日电子产品的环保设计要求下，无汞平面荧光灯因不会有汞污染问题而显得格外具有竞争优势，然而因为具有外部电极及无汞的条件使得其启动电路的设计比传统有汞灯体较为困难。在无汞平面荧光灯未启动时，平面荧光灯具有高阻抗，故灯体电压需经驱动电路以共振升压方式升至点灯电压后始能开启平面荧光灯。传统平面荧光灯是以一共振网络作为启动电路，并以弦波信号形式驱动荧光灯，然而此种共振升压方式，虽可以提供平面荧光灯启动电压，经实验可知为具有大循环电流的缺点。此种循环电流流经平面荧光灯的驱动电路及灯体本身，造成无谓的功率损失，不仅使灯体的发光效率下降，其还会加热灯体而使灯体升温。此外，由于使用共振电路，驱动电路在启动状态时会形成高循环电流，有时持续时间过久，驱动电路易被烧毁，故需要加入一检测开路的保护机制，以防范灯体发生破裂或驱动电路未接至灯体的情况。除了上述的缺失，对于高循环电流，现有技术是以改变灯体电压的频率的方式来控制，然而单纯使用经改变频率的驱动电压易使驱动电路中的变压器或储能电感等磁性元件难以最佳化，甚至会使其饱和终至失效。上述情形皆会增加电路设计的困难度与成本。更进一步而言，由于无汞平面荧光灯具有大面积灯体，其启动时仍有不易使整面灯体快速均匀点亮的问题。为解决此一问题，OSRAM公司提出以改变切换频率及加以脉动式调光(burst mode dimming)的方式来均匀点亮平面灯，其实验结果可见于图1及图2，其中图1上部份为灯体电流的波形，下部份则为该上部份波形的放大图；而图2上部份为灯体电压的波形图，下部份则为该上部份波形的放大图。由图可知，此种启动方式为共振升压方式，除具有高启动时动电流、易使磁性元件饱和、高循环电流及负载不能开路等缺点，其启动时仍需要一段时间方能借助共振方式升至实际所需的点亮灯体的点灯电压，故无法精确快速起动。
因此，目前确实需有一种无汞平面荧光灯的驱动电路及其驱动方法的提出，借以改善现有技术的缺点，使无汞平面荧光灯等各式荧光灯能被快速精准起动，并能实际应用于液晶显示器及其它照明应用上。
发明内容
本发明的目的是提供一种无汞平面荧光灯的驱动电路及其驱动方法，借以改善现有技术的缺点，使无汞平面荧光灯等各式荧光灯能被快速精准起动，并能实际应用于液晶显示器及其它照明应用上。
本发明提供一种荧光灯的驱动方法，包含下列步骤产生一直流电压；根据一脉波电压输入调整该直流电压为一升压直流电压以作为一操作电压，并续成为一启动电压；待该操作电压达至该启动电压时，停止该脉波电压输入，并转变该操作电压为一方波电压；并以该方波电压点亮该荧光灯。
在较佳实施例中，该荧光灯为一般荧光灯或平面荧光灯，该平面荧光灯则为有汞平面荧光灯或无汞平面荧光灯？
本发明的另一方面一种荧光灯的驱动电路，包含一功率因数修正级，接收一交流电压，并将该交流电压调整为一直流电压；一启动级，接收该直流电压，并根据一脉波电压输入将该直流电压调整为一升压直流电压以作为一操作电压；一隔离级；一方波驱动级，在该操作电压达至一起动电压时，将该操作电压调整为一方波电压，并借助该隔离级而与该功率因数修正级隔离；及一方波驱动级，接收该方波电压，并将该方波电压调整为一升压方波电压，并利用该升压方波电压点亮该荧光灯，其中该方波驱动级在该启动电压达成时开始操作，且该启动级在该启动电压达成时停止操作。
在较佳实施例中，该启动级为一般升降压电路或返驰式升降压电路，该升降压电路为邱克(Cuk)转换器、单端主感抗(SEPIC)转换器或瑞塔(Zeta)转换器。该隔离级与该启动级并联。该方波驱动为半桥驱动电路、全桥驱动电路及推挽式电路之一。该荧光灯为一般荧光灯及平面荧光灯之一，该平面荧光灯又为有汞及无汞平面荧光灯之一。
在较佳实施例中，该升压电路为Cuk转换器、SEPIC转换器及Zeta转换器之一。该荧光灯为一般荧光灯及平面荧光灯之一，该平面荧光灯则又为有汞及无汞平面荧光灯之一。
借助上述方法的实施，现有技术中存在的大循环电流问题可被克服；又因启动级的处理时间短且处理所需能量少，故启动级中各零组件可具有较小体积，如此能达成轻薄短小的需求，并能节省零件成本。
图1为现有平面荧光灯加以脉动式调光技术时所得到的灯体电流实验图。
图2为现有平面荧光灯加以频率改变技术时所得到的灯体电压实验图。
图3为本发明的荧光灯的驱动电路的功能方块示意图。
图4为本发明的荧光灯的驱动电路的第一实施例图。
图5为图4的荧光灯的驱动电路的操作波形图。
图6为本发明的荧光灯的驱动电路的第二实施例图。
图7为本发明的荧光灯的驱动方法的流程图。
图8为利用本发明的驱动电路及方法配以脉动式调光技术所得到的荧光灯体电流实验图。
具体实施例方式
本发明揭示荧光灯的驱动电路及方法，其内容将借助较佳实施例说明如下，熟悉本领域的普通技术人员可以据由该技术内容而执行本发明，然而该实施例仅为其中的较佳者，本发明的实施并非仅限于该实施例。
图3所示为本发明荧光灯的驱动电路的功能方块图。如图所示，该驱动电路30包含一功率因数修正级31、一启动级32、一隔离级33、一方波驱动级34及一输出级35。功率因数修正级31接收一交流电压AC，并产生一直流电压VDC。启动级32用以将该直流电压VDC快速升压至一预定的启动电压VBoost，并提供一操作电压Vop。隔离级33位于功率因数修正级31及方波驱动级34之间，用以将该二级31，34隔离，以使起动级32不致干扰及驱动电路30的其它部份。方波驱动级34用以将该操作电压Vop转换为一方波电压。该输出级35接收该方波电压以驱动该荧光灯。
上述中，该功率因数修正级31具有一储能电容，用以储存该直流电压VDC。该启动级32的对直流电压VDC的升压可以一脉波电压输入触发而实现。该隔离级33为二极管、电容、电阻、电感及隔离变压器之一。该方波驱动级34接收该操作电压Vop，并将该操作电压Vop调整为一方波电压，并借助该隔离级而与该功率因数修正级隔离。在方波驱动级34及该输出级35之间有一电压调整耦合元件，该方波电压被调整为一升压方波电压并被耦合至荧光灯的内部电阻上，借以点亮该荧光灯。其中，方波驱动级34具有小型储能电容，在该操作电压Vop等于该起动电压VBoost后(即电容储能足够后)停止操作。此外，该荧光灯可为一般荧光灯或平面荧光灯，平面荧光灯则可为有汞及无汞式。
请参阅图4，其为本发明荧光灯的驱动电路的第一实施例。在该驱动电路40中，功率因数修正级41包含一储能电容C1，用以储存该级41产生的直流电压VDC。起动级42为一升降压电路，其包含一二极管DAux、一电感LAux及一NMOS晶体管QAux，其中该电感LAux的一端与该NMOS晶体管QAux的一端及该二极管DAux的一正端相接，该电感LAux另一端与该二极管DAux的该正端相接，该NMOS的另一端连接至地，该升降压电路因无隔离式元件而在此一般称作“升压电路”。方波驱动级44与启动级42串联，隔离级43电路介于该二级44，42之间，且基本上可为一阻隔二极管DB，并亦可为二极管、电容、电阻、电感或隔离变压器。方波驱动级34为一半桥驱动电路及一变压装置T的一次低压侧T1，且一次低压侧T1上的电压即为该方波电压。输出级45为一负载灯体(电容电阻串联单元RC)及该变压装置T的二次高压侧T2，该方波电压被耦合至该二次高压侧T2并产生一变压方波电压，其中该电容电阻串联单元RC具有互为串联连接的一负载电容组CL及一负载电阻RL，且该输出电阻RL为该荧光灯的内阻，其中该负载电容组包含一或复数个负载电容。
上述驱动电路的信号波形图可参见图5的说明。如图所示，当图4的起动级42的NMOS晶体管QAux有一脉波电压VGAux输入时，操作电压Vop随即往上跳升；当升至预定升压电压VBoost时，脉波电压VGAux即被关闭，而半桥电路44的二电容CB1及CB2则被充满电。接着，半桥电路44的二NMOS晶体管S1及S2的栅极电压VGS1及VGS2被输入方波电压，该方波电压经过一变压器T后被升至该升压方波电压，并被耦合至输出级45而于负载电阻RL上输出，故荧光灯上有灯体电压VLamp而被点亮，此时灯体ILamp的波形为尖波波形。由于启动级42在达到该起动电压时被关闭，故操作电压Vop不断往下降，直至降至储能电容C1上的电压VDC止。之后，若晶体管QAux再有另一脉波输入时，前述动作重复执行。
上述中，起动电压VBoost约为2.5仟伏特，灯体电压VLamp约为1.5至2仟伏特，NMOS晶体管VGaux的关闭时机与电容CB1与CB2的电容值彼此相关，NMOS晶体管VGux在电容CB1及CB2一经充饱时即将其脉波输入切断，故该二电容CB1及CB2的电容值须选用为对应该启动电压VBoost，且对应的NMOS晶体管VGAux的脉波电压关闭时间点亦需配合适当选定。或者，该脉波输入的切断亦可以自动方式实现，此时只需以简单电路令电容CB1及CB2在被充饱时即刻发出一触发信号停止该脉波电压的输入即可，此一电路为一般电路设计者所熟知，在此不加赘述。
请参阅图6，其为本发明荧光灯的驱动电路的第二实施例。在该驱动电路60中，功率因数修正级61、NMOS动级62、隔离级63、方波驱动级64及输出级65的设置与第一实施例者完全相同，唯独NMOS动级62与上述启动级42不同。启动级62亦为一升降压电路，其包含一变压器T’、一二极管DAux及一NMOS晶体管QAux，其中该变压器T’Aux的二侧高压侧T2’与该二极管DAux的一正端相接，该NMOS晶体管的一端与该变压器T’Aux的一侧低压侧T1’串接，另一端则连接至地。在此，该升降压电路因具有隔离元件变压器T’Aux而被称作“驰返式电路或隔离型升降压电路”。关于本实施例的操作波形，因其与图5所示的完全相同，故在此省略。
除上述实施例外，该启动级升降压电路亦可为邱克(Cuk)转换器、单端主感抗(SEPIC)转换器或瑞塔(Zeta)转换器等，只要其为可达成荧光灯所需的升压结果的升降压电路即可。此外，该方波驱动级的驱动电路亦可为半桥整流电路以外者，如全桥驱动电路及推挽式电路等，只要其能将本发明的直流操作电压调整成为一可驱动荧光灯的方波驱动电路即可。此外，本发明的荧光灯启动电路、驱动电路及其驱动方法还适于用在平面荧光灯上，特别是最难稳定驱动的无汞平面荧光灯上，故液晶显示器得以无汞平面荧光灯为背光源，以达均匀照射及无污染目的。
请参阅图7，其为本发明的荧光灯的驱动方法的流程图。如图所示，该驱动方法包含下列步骤产生一直流电压(S71)；根据一脉波电压输入调整该直流电压成为一升压直流电压以作为一操作电压，并续成为一启动电压(S72)；待该操作电压达至该启动电压时，停止该脉波电压输入，并转变该操作电压为一方波电压(S73)；并以该方波电压点亮该荧光灯(S74)。
其中，步骤S71可包含下列步骤接收一交流电压，及以一功率因数电路转变该交流电压为该直流电压；步骤S74包含下列步骤调整该方波电压成为一最终方波电压，及以该最终方波电压点亮该荧光灯。
此外，本发明的荧光灯驱动电路及方法亦可配合以脉动式调光技术，其实验结果如图8所示，其中在启动时使方波驱动级操作电压大于正常值的条件下，灯体易于被点亮，如此能使灯体闪烁程度降低。
由于本发明是以方波电压驱动荧光灯点亮，又启动级可快速升高至升压直流电压并即刻被关闭，故无现有技术中存在的大循环电流问题；又因启动级的处理时间短且处理所需能量少，故启动级中各零组件可具有较小体积，如此能达成轻薄短小的需求，并能节省零件成本。
上述实施例仅是列举性地但非限制性地用于说明本发明，本领域的普通技术人员还可作出种种的等同的改变或替换，这些等同的改变或替换均应包括在本发明专利申请的权利要求所限定的范围内。
权利要求
1.一种荧光灯的驱动方法，包含下列步骤产生一直流电压；根据一脉波电压输入调整该直流电压为一升压直流电压以作为一操作电压，并续成为一启动电压；待该操作电压达至该启动电压时，停止该脉波电压输入，并转变该操作电压为一方波电压；并以该方波电压点亮该荧光灯。
2.如权利要求1所述的起动荧光灯的方法，其特征在于该产生该直流电压的步骤包含下列步骤接收一交流电压；及以一功率因数电路转变该交流电压为该直流电压。
3.如权利要求1所述的启动荧光灯的方法，其特征在于该以该方波电压点亮该荧光灯的步骤包含下列步骤调整该方波电压为一最终方波电压；及以该最终方波电压点亮该荧光灯。
4.如权利要求1所述的起动荧光灯的方法，其特征在于该荧光灯为一般荧光灯及平面荧光灯之一，而该平面荧光灯为有汞平面荧光灯及无汞平面荧光灯之一。
5.一种荧光灯的驱动电路，包含一功率修正因数级，其接收一交流电压并将该交流电压调整为一直流电压；一启动级，其接收该直流电压并根据一脉波电压输入将该直流电压调整为一升压直流电压以作为一操作电压；一隔离级；一方波驱动级，其在该操作电压达至一启动电压时将该操作电压调整为一方波电压，并借助该隔离级而与该功率因数修正级隔离；及一输出级，接收该方波电压，并将该方波电压调整为一升压方波电压，并利用该升压方波电压点亮该荧光灯，其中该方波驱动级在该起动电压达成时开始操作，且该启动级在该启动电压达成时停止操作。
6.如权利要求5所述的荧光灯的驱动电路，其特征在于该功率因数修正级包含一储能电容，用以储存该直流电压；及/或该启动级为升压电路及返驰式升降压电路之一，而该升降压电路为邱克转换器、单端主感抗转换器及瑞塔转换器之一。
7.如权利要求5所述的荧光灯的驱动电路，其特征在于该方波驱动级与该起动级并联，而该隔离级为二极管、电容、电阻、电感及隔离变压器之一。
8.如权利要求5所述的荧光灯的驱动电路，其特征在于该方波驱动级为半桥驱动电路、全桥驱动电路及推挽式电路之一。
9.如权利要求5所述的荧光灯的驱动电路，其特征在于该方波驱动级具有一变压装置的一次低压侧，该方波电压位于该一次低压侧上，且该输出级包含一电容电阻串联单元及该变压装置的二次高压侧，该二次高压侧接收并耦合该方波电压为一变压方波电压，并借助该电容电阻串联单元点亮该荧光灯，而该电容电阻串联单元具有互为串联连接的一负载电容组及一负载电阻，且该输出电阻为该荧光灯的内阻。
10.如权利要求5所述的荧光灯的驱动电路，其特征在于该负载电容组包含一个负载电容或复数个负载电容。
全文摘要
本发明揭示一种荧光灯的驱动电路及方法。该驱动电路包含一功率因数修正级、一启动级、一方波驱动级、一隔离级及一输出级，其中该功率因数修正级将一输入交流电压转变为一直流电压，该启动级将该直流电压调整为一升压点灯直流电压，并与该方波驱动级并联，该方波驱动级与该隔离级相接，将该点灯直流电压转变并升压至成为一点灯方波电压，该输出级利用该方波电压连接至荧光灯灯体，并点亮该荧光灯灯体。
文档编号H05B41/295GK101064982SQ20061007766
公开日2007年10月31日 申请日期2006年4月25日 优先权日2006年4月25日
发明者洪金泉, 黄秋凯, 应建平, 樊雨心, 萧昌钧 申请人:翰立光电股份有限公司