专利名称：高效率谐振镇流器的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及一种切换电路，且更明确地说涉及一种镇流器(ballast)切换电路。
背景技术：
荧光灯是我们日常生活中最普及的光源。改进荧光灯的效率会显着节省能量。因此，在最近的发展中，密切关注例如针对荧光灯的镇流器的效率改进和功率节省的问题。图1示出了具有谐振电路的常规电子镇流器电路。半桥式逆变器(half-bridge inverter)由两个开关10和15组成，所述开关10和15在所需的切换频率下以50％的工作周期互补地接通/断开。谐振电路包括电感器75、电容器70以操作荧光灯50。与荧光灯50并联连接的电容器55操作为启动电路。一旦荧光灯50启动，则控制切换频率以产生需要的灯电压。这种电路的缺点是开关10和15有较高的切换损失。荧光灯的寄生装置(例如，等效电容)响应于荧光灯50的温度变化和使用年限而变化。此外，电感器75的电感和电容器70的电容也在量产期间而有所变化。
发明内容
本发明的目的是提供一种镇流器电路，其能够自动实现软切换操作以便减少切换损失并改进效率。
本发明的另一目的是开发一种具有高效率性能的低成本镇流器电路。
本发明提供一种用于荧光灯的镇流器电路。由电容器和变压器形成的谐振电路与荧光灯并联连接。第一晶体管和第二晶体管耦合到谐振电路以切换谐振电路。具有第一绕组(winding)的变压器与荧光灯串联连接。变压器的第二绕组和第三绕组用于响应于谐振电路的切换电流而产生控制信号。
一旦第一控制信号高于第一阈值，则第一晶体管接通。谐振电路的四分之一谐振周期之后，一旦第一控制信号低于第二阈值，则第一晶体管断开。一旦第二控制信号高于第一阈值，则第二晶体管接通。谐振电路的四分之一谐振周期之后，一旦第二控制信号低于第二阈值，则第二晶体管断开。因此，实现了第一晶体管和第二晶体管的软切换操作(soft switching operation)。
本文包含附图以提供对本发明的进一步理解，且附图并入本说明书中并组成其一部分。
本发明的实施例，并与描述内容一起用于解释本发明的原理。
图1示出了常规电子镇流器电路。
图2示出了根据本发明实施例的镇流器电路。
图3到图6分别示出了根据本发明实施例的镇流器电路的四个操作阶段。
图7示出了根据本发明实施例的镇流器电路的信号波形。
图8示出了根据本发明实施例的第一控制电路。
图9示出了根据本发明实施例的第二控制电路。
图10示出了根据本发明实施例的检测电路。
图11示出了根据本发明实施例的单触发电路。
图12示出了根据本发明另一实施例的镇流器电路。
具体实施例方式
图2示出了根据本发明实施例的镇流器电路。由电容器70与变压器80串联连接所形成的谐振电路用以操作荧光灯50。谐振电路产生正弦波电流以驱动荧光灯50。第一晶体管20经耦合以切换谐振电路。第一电阻器25与第一晶体管20串联连接以检测切换电流以便产生第一电流信号VA。第一晶体管20由第一切换信号S1控制。第二晶体管30耦合到谐振电路以将输入电压V+供应到谐振电路。第二电阻器35与第二晶体管30串联连接以检测切换电流以便产生第二电流信号VB。第二晶体管30由第二切换信号S2控制。
变压器80的第一绕组N1与荧光灯50串联连接。变压器80的第二绕组N2和第三绕组N3用于响应于谐振电路的切换电流来产生第一控制信号V1和第二控制信号V2。第一二极管21与第一晶体管20并联连接。第二二极管31与第二晶体管30并联连接。第一控制电路100响应于第一控制信号V1而产生第一切换信号S1以接通/断开第一晶体管20。第二控制电路200响应于第二控制信号V2而产生第二切换信号S2以控制第二晶体管30。第三电阻器45从输入电压V+(其从电容器40供应)耦合到电容器65，从而一旦电力施加于镇流器电路，就对电容器65充电。电容器65进一步连接到第二控制电路200以提供第二电源电压VCC2。当电容器65两端的电压高于起动阈值时，第二控制电路200将开始操作。第四二极管60从变压器80的第三绕组N3耦合到电容器65，以进一步对控制电路提供电力以便切换谐振电路。第三二极管90和电容器95形成电荷泵电路(charge pump circuit)以将第一电源电压VCC1提供到第一控制电路100。第三二极管90从电容器65连接到电容器95。电容器95连接到第一控制电路100。
图3到图6分别示出了所述切换电路的四个操作阶段。当第二晶体管30接通(第一操作阶段T1)时，灯电流IM将流经变压器80以产生第二控制电压V2。同时，电容器95经由第三二极管90和第二晶体管30而被电容器65所充电。一旦灯电流IM减小且第二控制电压V2低于第二阈值VT2，则第二晶体管30将断开。之后，谐振电路的环电流(circular current)将接通第一二极管21。环电流由存储在变压器80中的能量所产生。谐振电路的能量将被循环(第二操作阶段T2)。流经变压器80的灯电流IM产生第一控制信号V1。如果第一控制信号V1高于第一阈值VT1，那么第一控制电路100将使能(enable)第一切换信号S1以接通第一晶体管20。由于在第一二极管21正导通的时刻第一晶体管20接通，因此实现了第一晶体管20的软切换操作(第三操作阶段T3)。当灯电流IM减小且第一控制电压V1低于第二阈值VT2时，第一晶体管20将断开。同时，谐振电路的环电流将接通第二二极管31，且谐振电路的能量将反向馈充到电容器40(第四操作阶段T4)。因此，在第二二极管31正导通的时刻第二晶体管30接通。实现了第二晶体管30的软切换操作。
图7示出了四个操作阶段中的波形，其中VX表示第一控制信号V1或第二控制信号V2。一旦第一控制信号V1高于第一阈值VT1，则使能(enable)第一切换信号S1。谐振电路的四分之一谐振周期之后，一旦第一控制信号V1低于第二阈值VT2，则禁用(disable)第一切换信号S1。谐振电路的谐振频率fR由下式给定fR=12πLC---(1)]]>其中，L是变压器80的第一绕组N1的电感；C是荧光灯50和电容器70的等效电容。
一旦第二控制信号V2高于第一阈值VT1，则使能第二切换信号S2。同样，谐振电路的四分之一谐振周期之后，一旦第二控制信号V2低于第二阈值VT2，则禁用第二切换信号S2。
图8示出了根据本发明实施例的第一控制电路100。第一检测电路110耦合到变压器80的第二绕组N2以检测第一控制信号V1以便产生第一使能信号O1和第一相位信号P1。一旦第一控制信号V1高于第一阈值VT1，则使能第一使能信号O1。检测第一控制信号V1的波形产生第一相位信号P1以指示谐振电路的四分之一谐振周期。第一比较器130经耦合以检测第一电流信号VA以便产生第一重设信号。一旦切换电流高于第一过电流(over-current)阈值VR1，就产生第一重设信号(reset signal)。第一使能信号O1被供应到与门(ANDgate)122的输入和与门123的输入。第一相位信号P1经由反相器121而被供应到与门122的另一输入。第一比较器130的输出连接到与门123的另一输入。与门122的输出连接到触发器125的设定输入(set-input)。与门123的输出连接到触发器125的重设输入(reset-input)。触发器(flip-flop)125的输出连接到与门127的输入。与门127的另一输入供应有第一使能信号O1。与门127的输出产生第一切换信号S1。因此，第一切换信号S1是响应于第一使能信号O1、第一相位信号P1和第一重设信号而产生的。
图9示出了根据本发明实施例的第二控制电路200。第二检测电路210耦合到变压器80的第三绕组N3以检测第二控制信号V2以便产生第二使能信号O2和第二相位信号P2。一旦第一控制信号V1高于第一阈值VT1，则使能第二使能信号O2。检测第二控制信号V2的波形产生第二相位信号P2以指示谐振电路的四分之一谐振周期。第二比较器230经耦合以检测第二电流信号VB以便产生第二重设信号。一旦切换电流高于第二过电流阈值VR2，就产生第二重设信号。第二使能信号O2被供应到与门212的输入和与门213的输入。第二相位信号P2经由反相器211而被供应到与门212的另一输入。比较器230的输出连接到与门213的另一输入。与门212的输出连接到触发器215的设定输入。与门213的输出连接到触发器215的重设输入。触发器215的输出连接到与门217的输入。与门217的另一输入供应有第二使能信号O2。
与门217的输出进一步连接到或门(OR gate)219。或门219的另一输入耦合到单触发电路(one-shot circuit)400的输出以接收单触发信号(one-shot signal)。或门219的输出产生第二切换信号S2。单触发电路400的输入经由反相器280接收启动信号。两个齐纳二极管(zener diode)251、252、两个晶体管255、256和两个电阻器253、254形成启动电路250以响应于第二电源电压VCC2而产生启动信号。齐纳二极管251和252确定起动阈值。当第二电源电压VCC2高于起动阈值时，启动电路使能(逻辑低)启动信号。同时，逻辑低的启动信号将接通晶体管255以使齐纳二极管251短路并产生断开阈值。断开阈值由齐纳二极管252确定。因此，一旦第二电源电压VCC2低于断开阈值，就禁用(逻辑高)启动信号。因此，第一切换信号S1是响应于单触发信号、第二使能信号O2、第二相位信号P2和第二重设信号而产生的。
图10示出了检测电路110和210的电路示意图。控制信号VX表示第一控制信号V1或第二控制信号V2。第一输入电阻器330和第二输入电阻器340耦合到变压器80以接收控制信号VX(V1或V2)。第一电流源310和第二电流源320分别耦合到第一输入电阻器330和第二输入电阻器340。输入电阻器330、340和电流源310、320提供电平移位(level shifting)以检测控制信号VX的信号波形。输入电阻器330与340的电阻相等。第二电流源320的电流高于第一电流源310的电流。因此，在第二输入电阻器340处产生的电压高于在第一输入电阻器330处产生的电压。
第一输入电阻器330与第二输入电阻器340之间的差分电压确定第一阈值VT1。第三电流源315经由控制开关316耦合到第二输入电阻器340。比较器370具有耦合到第一输入电阻器330的一输入。比较器370的另一输入经由延迟电路连接到第一输入电阻器330。延迟电路由电阻器350和电容器355形成。比较器370的输出产生相位信号PX，相位信号PX表示第一相位信号P1或第二相位信号P2。进一步利用相位信号PX来接通/断开控制开关316。当控制信号VX的量值减小时，比较器370将输出逻辑高信号以接通开关316并将第三电流源315与第二输入电阻器340相连接。因此，第二电流源320联同第三电流源315，在第二输入电阻器340处产生较高电压，其确定第二阈值VT2。因此，第二阈值VT2高于第一阈值VT1。
比较器380具有耦合到第一输入电阻器330的输入。比较器380的另一输入连接到第二输入电阻器340。表示第一使能信号O1或第二使能信号O2的使能信号OX在比较器380的输出处产生。图11示出了根据本发明实施例的单触发电路400。电流源410和电容器430确定单触发信号的使能周期。
图12示出了根据本发明另一实施例的镇流器电路。由于在谐振电路的能量完全释放之前，第一晶体管20和第二晶体管30断开，因此能量能够产生环电流以接通二极管21和31。此外，晶体管20和30的切换操作可通过来自控制信号V1和V2的极性改变来检测。在二极管导通之后，晶体管可立即接通。因此，本发明实现了软切换操作并改进了镇流器电路的效率。
虽然已参照本发明的优选实施例特定展示并描述了本发明，但所属领域的技术人员将了解，可在不脱离随附权利要求书所界定的本发明的精神和范围的情况下对本发明做出形式和细节上的各种改变。
权利要求
1.一种用于镇流器的切换电路，其包括谐振电路，其具有串联连接的电容器和变压器以操作灯；其中，所述变压器具有与所述灯串联连接的第一绕组；所述变压器的第二绕组和第三绕组响应于所述谐振电路的切换电流而产生第一控制信号和第二控制信号；第一晶体管，其经耦合以响应于第一切换信号而切换所述谐振电路；第二晶体管，其经耦合以响应于第二切换信号而切换所述谐振电路；第一控制电路，其经耦合以响应于所述第一控制信号而产生所述第一切换信号；第二控制电路，其经耦合以响应于所述第二控制信号而产生所述第二切换信号；以及电荷泵电路，其耦合到所述第一控制电路以将第一电源电压提供到所述第一控制电路；其中，所述变压器的所述第三绕组经耦合以将第二电源电压提供到所述第二控制电路；其中，所述电荷泵电路进一步耦合到所述第二控制电路。
2.根据权利要求1所述的切换电路，其中，一旦所述第一控制信号高于第一阈值，则使能所述第一切换信号；在所述谐振电路的四分之一谐振周期之后，一旦所述第一控制信号低于第二阈值，则禁用所述第一切换信号；其中，一旦所述第二控制信号高于所述第一阈值，则使能所述第二切换信号；在所述谐振电路的四分之一谐振周期之后，一旦所述第二控制信号低于所述第二阈值，则禁用所述第二切换信号。
3.根据权利要求1所述的切换电路，其中，所述第一控制电路包括第一检测电路，其耦合到所述变压器的所述第二绕组以检测所述第一控制信号以便产生第一使能信号和第一相位信号；其中，一旦所述第一控制信号高于第一阈值，则使能所述第一使能信号；通过检测所述第一控制信号的波形产生所述第一相位信号，以指示所述谐振电路的四分之一谐振周期；以及第一比较器，其经耦合以检测所述切换电流以便产生第一重设信号；一旦所述切换电流高于第一过电流阈值，则产生所述第一重设信号；其中，所述第一切换信号是响应于所述第一使能信号、所述第一相位信号和所述第一重设信号而产生的。
4.根据权利要求1所述的切换电路，其中，所述第二控制电路包括第二检测电路，其耦合到所述变压器的所述第三绕组以检测所述第二控制信号以便产生第二使能信号和第二相位信号；其中，一旦所述第二控制信号高于第一阈值，则使能所述第二使能信号；通过检测所述第二控制信号的波形产生所述第二相位信号，以指示所述谐振电路的四分之一谐振周期；第二比较器，其经耦合以检测所述切换电流以便产生第二重设信号；一旦所述切换电流高于第二过电流阈值，则产生所述第二重设信号；启动电路，其用以在所述第二电源电压高于起动阈值时产生启动信号；以及单触发电路，其用以响应于所述启动信号而产生单触发信号；其中，所述第二切换信号是响应于所述单触发信号、所述第二使能信号、所述第二相位信号和所述第二重设信号而产生的。
5.根据权利要求3所述的切换电路，其中，所述第一检测电路包括第一输入电阻器和第二输入电阻器，其耦合到所述变压器；第一电流源和第二电流源，其分别耦合到所述第一输入电阻器和所述第二输入电阻器；第三电流源，其经由第一控制开关耦合到所述第二输入电阻器；所述第一控制开关由所述第一相位信号接通/断开；第三比较器，其用于产生所述第一相位信号；其中，所述第三比较器具有耦合到所述第一输入电阻器的输入；所述第三比较器的另一输入经由第一延迟电路连接到所述第一输入电阻器；以及第四比较器，其用于产生所述第一使能信号；其中，所述第四比较器具有耦合到所述第一输入电阻器的输入；所述第四比较器的另一输入连接到所述第二输入电阻器。
6.根据权利要求4所述的切换电路，其中，所述第二检测电路包括第三输入电阻器和第四输入电阻器，其耦合到所述变压器；第四电流源和第五电流源，其分别耦合到所述第三输入电阻器和所述第四输入电阻器；第六电流源，其经由第二控制开关耦合到所述第四输入电阻器；所述第二控制开关由所述第二相位信号接通/断开；第五比较器，其用于产生所述第二相位信号；其中，所述第五比较器具有耦合到所述第三输入电阻器的输入；所述第五比较器的另一输入经由第二延迟电路连接到所述第三输入电阻器；以及第六比较器，其用于产生所述第二使能信号；其中，所述第六比较器具有耦合到所述第三输入电阻器的输入；所述第六比较器的另一输入连接到所述第四输入电阻器。
7.一种镇流器电路，其包括谐振电路，其具有串联连接的电容器和变压器以操作灯；其中，所述变压器响应于所述谐振电路的切换而产生第一控制信号和第二控制信号；第一晶体管，其经耦合以响应于第一切换信号而切换所述谐振电路；第二晶体管，其经耦合以响应于第二切换信号而切换所述谐振电路；第一控制电路，其经耦合以响应于所述第一控制信号而产生所述第一切换信号；第二控制电路，其经耦合以响应于所述第二控制信号而产生所述第二切换信号；以及电荷泵电路，其经耦合以产生用于所述谐振电路的电源电压。
8.根据权利要求7所述的镇流器电路，其中，一旦所述第一控制信号高于第一阈值，则使能所述第一切换信号；在所述谐振电路的四分之一谐振周期之后，一旦所述第一控制信号低于第二阈值，则禁用所述第一切换信号；其中，一旦所述第二控制信号高于所述第一阈值，则使能所述第二切换信号；在所述谐振电路的四分之一谐振周期之后，一旦所述第二控制信号低于所述第二阈值，则禁用所述第二切换信号。
9.根据权利要求7所述的镇流器电路，其中，所述第一控制电路包括第一检测电路，其耦合到所述变压器以检测所述第一控制信号以便产生第一使能信号和第一相位信号；其中，一旦所述第一控制信号高于第一阈值，则使能所述第一使能信号；响应于所述第一控制信号的波形而产生所述第一相位信号；其中，所述第一切换信号是响应于所述第一使能信号和所述第一相位信号而产生的。
10.根据权利要求7所述的镇流器电路，其中，所述第二控制电路包括第二检测电路，其耦合到所述变压器以检测所述第二控制信号以便产生第二使能信号和第二相位信号；其中，一旦所述第二控制信号高于第一阈值，则使能所述第二使能信号；响应于所述第二控制信号的波形而产生所述第二相位信号；其中，所述第二切换信号是响应于所述第二使能信号和所述第二相位信号而产生的。
11.根据权利要求9所述的镇流器电路，其中，所述第一检测电路包括第一输入电阻器和第二输入电阻器，其耦合到所述变压器；第一电流源和第二电流源，其分别耦合到所述第一输入电阻器和所述第二输入电阻器；第三电流源，其经由第一控制开关耦合到所述第二输入电阻器；所述第一控制开关由所述第一相位信号接通/断开；第三比较器，其用于产生所述第一相位信号；其中，所述第三比较器具有耦合到所述第一输入电阻器的输入；所述第三比较器的另一输入经由第一延迟电路连接到所述第一输入电阻器；以及第四比较器，其用于产生所述第一使能信号；其中，所述第四比较器具有耦合到所述第一输入电阻器的输入；所述第四比较器的另一输入连接到所述第二输入电阻器。
12.根据权利要求10所述的镇流器电路，其中，所述第二检测电路包括第三输入电阻器和第四输入电阻器，其耦合到所述变压器；第四电流源和第五电流源，其分别耦合到所述第三输入电阻器和所述第四输入电阻器；第六电流源，其经由第二控制开关耦合到所述第四输入电阻器；所述第二控制开关由所述第二相位信号接通/断开；第五比较器，其用于产生所述第二相位信号；其中，所述第五比较器具有耦合到所述第三输入电阻器的输入；所述第五比较器的另一输入经由第二延迟电路连接到所述第三输入电阻器；以及第六比较器，其用于产生所述第二使能信号；其中，所述第六比较器具有耦合到所述第三输入电阻器的输入；所述第六比较器的另一输入连接到所述第四输入电阻器。
13.一种切换电路，其包括谐振电路，其具有与灯串联连接的变压器以操作所述灯；其中，所述变压器响应于所述谐振电路的切换电流而产生第一控制信号和第二控制信号；第一晶体管，其经耦合以响应于第一切换信号而切换所述谐振电路；第二晶体管，其经耦合以响应于第二切换信号而切换所述谐振电路；第一控制电路，其经耦合以响应于所述第一控制信号而产生所述第一切换信号；以及第二控制电路，其经耦合以响应于所述第二控制信号而产生所述第二切换信号；其中，所述变压器经耦合以提供用于所述谐振电路的电源电压。
14.根据权利要求13所述的切换电路，其中，一旦所述第一控制信号高于第一阈值，则使能所述第一切换信号；在所述谐振电路的四分之一谐振周期之后，一旦所述第一控制信号低于第二阈值，则禁用所述第一切换信号；其中，一旦所述第二控制信号高于所述第一阈值，则使能所述第二切换信号；在所述谐振电路的四分之一谐振周期之后，一旦所述第二控制信号低于所述第二阈值，则禁用所述第二切换信号。
15.根据权利要求13所述的切换电路，其中，所述第一控制电路包括第一检测电路，其耦合到所述变压器的第二绕组以检测所述第一控制信号以便产生第一使能信号和第一相位信号；其中，一旦所述第一控制信号高于第一阈值，则使能所述第一使能信号；响应于所述第一控制信号的波形而产生所述第一相位信号；以及第一比较器，其经耦合以检测所述切换电流以便产生第一重设信号；一旦所述切换电流高于第一过电流阈值，则产生所述第一重设信号；其中，所述第一切换信号是响应于所述第一使能信号、所述第一相位信号和所述第一重设信号而产生的。
16.根据权利要求13所述的切换电路，其中，所述第二控制电路包括第二检测电路，其耦合到所述变压器的第三绕组以检测所述第二控制信号以便产生第二使能信号和第二相位信号；其中，一旦所述第二控制信号高于第一阈值，则使能所述第二使能信号；响应于所述第二控制信号的波形而产生所述第二相位信号；第二比较器，其经耦合以检测所述切换电流以便产生第二重设信号；一旦所述切换电流高于第二过电流阈值，则产生所述第二重设信号；启动电路，其用以在所述电源电压高于起动阈值时产生启动信号；以及单触发电路，其用以响应于所述启动信号而产生单触发信号；其中，所述第二切换信号是响应于所述单触发信号、所述第二使能信号、所述第二相位信号和所述第二重设信号而产生的。
17.根据权利要求15所述的切换电路，其中，所述第一检测电路包括第一输入电阻器和第二输入电阻器，其耦合到所述变压器；第一电流源和第二电流源，其分别耦合到所述第一输入电阻器和所述第二输入电阻器；第三电流源，其经由第一控制开关耦合到所述第二输入电阻器；所述第一控制开关由所述第一相位信号接通/断开；第三比较器，其用于产生所述第一相位信号；其中，所述第三比较器具有耦合到所述第一输入电阻器的输入；所述第三比较器的另一输入经由第一延迟电路连接到所述第一输入电阻器；以及第四比较器，其用于产生所述第一使能信号；其中，所述第四比较器具有耦合到所述第一输入电阻器的输入；所述第四比较器的另一输入连接到所述第二输入电阻器。
18.根据权利要求16所述的切换电路，其中，所述第二检测电路包括第三输入电阻器和第四输入电阻器，其耦合到所述变压器；第四电流源和第五电流源，其分别耦合到所述第三输入电阻器和所述第四输入电阻器；第六电流源，其经由第二控制开关耦合到所述第四输入电阻器；所述第二控制开关由所述第二相位信号接通/断开；第五比较器，其用于产生所述第二相位信号；其中，所述第五比较器具有耦合到所述第三输入电阻器的输入；所述第五比较器的另一输入经由第二延迟电路连接到所述第三输入电阻器；以及第六比较器，其用于产生所述第二使能信号；其中，所述第六比较器具有耦合到所述第三输入电阻器的输入；所述第六比较器的另一输入连接到所述第四输入电阻器。
全文摘要
本发明提供一种用于荧光灯的低成本镇流器电路。谐振电路具有变压器以操作荧光灯。荧光灯与变压器的第一绕组串联连接。第一晶体管和第二晶体管经耦合以切换谐振电路。变压器的第二绕组和第三绕组用于响应于谐振电路的切换电流而产生控制信号。另外，本发明实现了第一晶体管和第二晶体管的软切操作。
文档编号H05B41/14GK101060747SQ200710111820
公开日2007年10月24日 申请日期2007年6月15日 优先权日2006年12月7日
发明者杨大勇 申请人:崇贸科技股份有限公司