专利名称：电路布置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于操作HID灯的电路布置。这种电路布置也被称为镇流器。新型镇流器是配备控制单元的电子电路布置。本发明还涉及一种方法以及执行所述方法的系统。
在稳态下，高强度放电(HID)灯一般在交流(AC)模式下工作。更具体地说，这些灯一般由在正和负电压之间交替变换的方波来驱动，因此在稳态下，电流在一个方向上流动不超过几毫秒。这种装置可在其上工作的示例频率为60Hz。由于这些装置的物理特性和设计，如果电流在一个方向流动的时间过长，会产生对装置的损坏。
美国专利No.5917290(“‘290专利”)描述了用于驱动HID灯的技术。在本文中，
图1表示与‘290专利的电路类似的电路。图1的电路包括开关103-108，它们在最佳实施例中常规上可以晶体管来实现。控制器165最好通过设置适当的选通电压来控制开关103-108的接通和断开状态。为清楚起见，未在图1中示出从控制器165到开关103-108的所有连接。
在图1的布置中，由控制器165产生两个相对较高频率(如200kHz)的方波。利用这些高频方波之一，根据交流输入电压VAC是正还是负、在不同时间驱动开关103和104的选通极。其它来自控制器165的高频信号被用于根据灯115两端的交流电压的极性来驱动晶体管107-108的栅极。在VAC的频率下操作开关105-106，该频率与灯115两端电压的频率相同。这个频率一般是低的，低于100Hz。
可以理解，驱动HID灯115的信号的频率与输入电压VAC的频率相同，它对应于开关105和106的工作频率。尽管前述内容在许多应用中都是可接受的，但是如果输入电压VAC的线路频率太低，则是不可接受的。这种情况可能发生在比如欧洲，那里的线路频率只有50Hz，略低于HID灯115为了提供令人满意的工作而需要被驱动的最低频率。因此，当在欧洲市场工作时，诸如图1所示的电路可能引起闪烁。其它情况也可能需要操作采用频率不同于输入电压的频率的AC信号的灯。
考虑到上述情况，在本领域中存在着对如下系统的需要，该系统设计简单，而且可以在不同于线路频率的频率下驱动HID灯或其它装置。
根据本发明的理论克服了现有技术的上述和其它问题，本发明涉及产生驱动HID灯的电压的技术，该电压的频率不同于输入电压的频率。为了说明，本文中参考脉宽调制(PWM)开关或高频开关。这些在最佳实施例中以晶体管来实现的开关一般用方波来驱动，方波的频率(如200kHz)远远高于灯两端的AC电压的频率(如50Hz)。
同样为了说明，本文中涉及升压功能和降压功能。这些术语在本领域中是已知的。升压功能一般指的是电力从低电压向高电压的转换，而降压功能指的是电压从高电压向低电压的转换。在诸如本文所描述的镇流器中，通常输入电压首先经过升压阶段，然后在加到灯上之前被“降压”。因此，输入电压首先被升高然后被降低。
根据本发明，以这样的方式配置驱动开关、如图1的那些开关的控制电路，使得所述布置具有同相和异相模式。在同相模式期间，两个不同的开关在高频下工作、但是同步，从而产生PWM信号。两个开关之一工作以执行降压功能，而另一个工作以执行升压功能。在异相模式中，单个开关在高频PWM模式下工作，并用于实现升压和降压功能。
对于输入电压的每个正部分，可以有同相和异相灯电压，因此，灯电压的频率可以是输入电压频率的两倍。一般来说，灯电压可以在可能与电路的输入电压不同的任何频率下工作。
本发明一般包括在以下两种状态之间周期性地改变的控制功能，一种状态是利用单个PWM开关实现升压和降压功能，另一种状态是利用两个同步的PWM开关，一个用于升压功能，一个用于降压功能。
图1表示用于实现本发明的电路中的示例实施例；图2表示由先有技术的电路产生的、用于驱动高强度放电灯的信号的时序图；图3表示由本发明的示例实施例产生的最佳信号组；图4表示用于实现本发明的电路的第一工作模式；图5表示用于实现本发明的电路的第二工作模式；图6表示用于实现本发明的电路的第三工作模式；图7表示用于实现本发明的电路的第四工作模式；图8表示用于实现本发明的电路的第五工作模式；图9表示用于实现本发明的电路的第六工作模式；图10表示用于实现本发明的电路的第七工作模式；图11表示用于实现本发明的电路的第八工作模式；以及图12表示指明HID灯两端电压与电路的输入电压之间的关系的状态表。
图2是由先有技术的电路布置产生的信号的时序图。在垂直方向上表示输入电压VAC、各个开关103、104、105、106、107、108上的电压V以及灯电压Vla。
图3示出把电路的输入电压VAC与HID灯115两端的电压Vla相比较的时序图。在图3所示的示例中，驱动灯的频率大约是VAC的频率的两倍。可以利用图1所示电路产生图3的时序图。应该利用以下讨论的特定控制序列和新颖的控制器、如下所述地操作这种电路。
图4-11描述了结合本发明使用的示例电路的八种可能的状态。为简化起见，未在图4-11中示出的是控制电路。更具体地说，开关103-108表示一些开关，如本领域中众所周知的，它们可以通过施加适当的电压而被接通和断开。这些开关103-108可以是比如MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)器件或者任何其它类型的开关器件。一般，计算机控制器会被连接到这些器件的选通电压并控制选通电压的激活和去活，以便接通和断开所述开关。为了清楚起见，未示出这种控制器。
各个开关103-108还以并联方式与二极管连接，以便于在开关处于开路状态时电流只在一个方向流动。应当指出，MOSFET器件和二极管的应用仅仅作为示例，可使用实现相同功能性的其它器件。
现在描述图4-11所示的电路的各种状态的操作，以便从如图3所示的输入电压信号309产生HID灯115两端的电压信号307。应当指出，与先有技术系统不同的是，输入电压波形309与灯的驱动电压307不是相同频率的。根据本发明的新颖方面，由高频PWM信号控制以产生升压和降压功能的开关在镇流器的整个工作周期中并不一样。更具体地说，正如以下参考图4-11更详细地描述的，高频脉冲首先被用于控制同步工作的开关104和107。接着，PWM脉冲仅被用于控制开关105。在第三阶段，PWM脉冲被用于控制独立地工作的开关106，而在第四阶段，用PWM脉冲作为同步工作的开关103和108的控制信号。
在附图4-11中，带箭头的虚线表示通常所说的升压电流，而带箭头的实线表示降压功能。如以下更充分地描述的，升压和降压功能可以彼此同相或异相。当同相时，不同组的开关被用于实现升压和降压功能，而当异相时，相同组的开关被用于实现升压和降压功能。
下文的PWM开关指的是在特定时间由PWM信号控制的开关。而且，这里还涉及到产生PWM信号的开关之一，PWM信号意味着从由PWM控制信号驱动的开关输出的信号。
如图4所示的开关107接通时，电容器118通过电感器150放电，而电感器160通过闭合的开关104充电。接着，断开开关107和开关104。但是，由于电流往往仍然会流经电感器160，因此如图所示，该电流现在被改道而流经二极管156，从而对电容器118充电。在电容器118充电的同时，来自电感器150的能量使电流即使在开关107断开之后仍保持流经HID灯115。图5中也示出这个电流通路。
因此，总括地说，图4和图5表示图3的灯电压307的部分320。图4和图5表示在部分320期间、图3所示的通-断脉动311。在图4中，能量从输入源VAC传递到电感器160，而以前储存的能量从电容器118传递到电感器150并通过灯115。在图5中，以前储存在电感器160中的能量被用于对电容器118充电，而以前储存在电感器150中的能量被用于维持流过HID灯115的电流。图4和5表示图12的行1201。在图12中，PWM意味着该开关正在以相对较高的开关频率(如100kHz)工作。它的接通时间由反馈回路确定。
图6和7表示信号307的部分322。在图6和7中，从输入源VAC到电容器118、以及从电容器118通过电感器150到HID灯115的能量传递都是同一个开关105控制的。更具体地说，在部分322期间，开关105以PWM模式工作，其中接通时期在图6中表示而断开时期在图7中表示。在接通期间，从电容器118通过电感器150释放能量，从而向HID灯115提供负电压。
信号307的部分322表示图12的行1203，其中如图所示，输入电压VAC为正而灯115两端电压为负。图6和7分别表示PWM调制开关105的通-断状态。在图6中，开关105接通而开关106断开，实现如图所示的流经开关105的电流通路。更具体地说，在PWM信号的接通时间期间，电流如图所示流经电感器160和开关103，使得能量储存在电感器160中。同时，从电容器118通过如图所示的开关105和通过电感器150释放能量。因此，在能量被储存到电感器160中的时候，电容器118的能量被提供给灯115。
当PWM开关105断开时，流经电感器160的电流倾向于保持流动，并且现在被引向电容器118，以便于对其充电，如图7所示。当电容器118充电时，由于储存在电感器150中的能量往往会保持电流流动，因此维持了流经灯115的反方向上的电流。
因此，图6和图7之间的差异可以认为如下所述在图6中，能量从电容器118传递给灯，电容器118也向电感器150传递能量。同时，能量传递给电感器160。在图7中，当PWM开关105断开时，以前在图6中传递给电感器160的能量现在从电感器160传递给电容器118。同时，以前传递给电感器150的能量现在被传递给HID灯115。因此，从原始输入电压源传递的能量首先被储存在电感器160中，接着被传递给电容器118，然后从电容器118通过电感器150传递给灯115。PWM开关105因此被用于升压和降压两种功能的高频PWM模式，而不是为升压和降压提供分开的开关。
在图3的信号307的整个部分322期间保持开关105上的PWM信号，直到部分324开始。在部分324期间PWM开关的动作表示图12的行1204。在信号307的部分324中，开关106作为PWM开关将功率传递到灯115并且便于电容器118的充电和放电。开关106处于接通位置时，如图8所示，电流利用图8所示通路通过电感器160传递。这个通路使能量被储存在电感器160中，供如稍后参考图9描述的那样使用。同时，利用也在图8中示出的经过开关106的通路，电荷从电容器118通过电感器150传递给灯115。当开关106转到断开位置时，通过这个开关的通路被切断，而利用图9所示的新通路，流经电感器160的电流继续流动。这引起储存在电感器160中的能量被传递到电容器118中储存并供稍后的周期中使用。同时，流经电感器150的电流也往往会继续流动并且在图示方向流经二极管，该二极管是开关105的一部分。
因此，储存在电感器150中的能量被传递到灯115，以保持灯点亮。图3所示的作为信号311的交替脉冲在信号307的部分324持续期间在图8和9之间变换电路状态。因此，在图8和9中，升压和降压功能都是利用开关106实现的。
在部分324的结尾，电路切换到这样的状态灯115两端电压变为负，而输入电压保持为负，如图3的部分326所示。在这个部分326期间信号311中的通-断脉动分别由图10和图11表示。这种状态对应于图12的行1202。这部分的电路工作类似于部分320期间的工作(图3)，但不同之处是，升压和降压功能现在由同步的开关103和108完成、而不是由同步的开关104和107完成。
当开关103和108都在接通位置时，电流从输入电压通过开关105流到103并使能量储存在电感器160中。同时，能量从电容器118通过灯115和电感器150以及通过图10所示的开关108释放。当PWM信号被断开时，储存在电感器160中的能量维持该电流流动。但是，流经电感器160的电流不能再流经开关103。因此，通路如图11所示被改变，储存在电感器160中的能量现在被用于利用能量对电容器118充电。同时，流经电感器150的能量继续流动以保持灯115点亮。
如从上述内容中可以理解的，本发明设想一种电路，其中PWM开关被用于向高强度放电灯传递能量。用于升压和降压功能的PWM信号传送在装置的工作周期的某些部分期间是利用一个开关实现的。在装置的工作周期的其它部分期间，利用同步工作的两个不同开关实现PWM信号传送。在最佳实施例中，控制信号被用于周期性地在两种状态之间切换，一种状态是利用分开的开关实现升压和降压功能，另一种状态是利用同一开关实现升压和降压功能。
一般来说，在PWM信号接通的部分期间，来自输入电压源的能量被传递到第一能量储存器件(电感器160)，而来自第二能量储存器件(电容器118)的能量被传递到第三能量储存器件(电感器150)。在PWM开关断开的时间里，以前传递到所述第一能量储存器件(电感器160)的能量被传递到所述第二能量储存器件，而储存在所述第三能量储存器件中的能量被传递到HID灯。
因此，本系统的基本操作可以被更一般地认为是简单的三个能量储存器件电感器160、电容器118和电感器150。在一种工作模式期间，一组开关103和108被用于提供同步的PWM信号，以便于在第一能量储存器件和第二能量储存器件之间、以及在第二能量储存器件和第三能量储存器件之间进行能量传递。在第二种工作模式期间，只有一个开关被用于在PWM周期中、在第一能量储存器件和第二能量储存器件之间、以及在第二能量储存器件和第三能量储存器件之间传递能量。
在所示的六个开关之中，实际有四种总的电路工作模式。第一种方式利用开关103和108提供上述PWM能量传递功能。第二种工作模式利用以PWM同步方式工作的开关104和107在如上所述的能量储存器件之间传递能量。第三种工作模式利用单个开关105实现第一和第二能量储存器件之间、以及第二和第三能量储存器件之间的能量传递，而第四种工作模式将开关106用作单个开关以产生如上所述的三个能量储存器件之间的能量传递。如还可以理解的，当使用单个开关时，不管是105还是106，输入电压和灯115两端电压是异相的，而在使用两个开关时，输入电压和灯115两端电压是同相的。
尽管以上描述了本发明的最佳实施例，但是各种修改或添加对本领域的技术人员是显而易见的。所附权利要求书意在涵盖这些修改。
权利要求
1.一种电路布置，它用于通过向高强度放电(HID)灯传送功率来操作所述灯(115)，所述电路包括控制器(165)，用于周期性地断开和接通至少一个开关(103-108)，从而产生脉宽调制(PWM)信号，所述信号的占空度表明传递到所述灯的功率电平；以及用于在所述灯(115)的工作周期的第一部分期间用PWM信号控制一个开关、以及用于在所述灯(115)的所述工作周期的其它部分期间用PWM信号控制多个开关的装置。
2.如权利要求1所述的电路布置，其特征在于在所述其它部分期间，所述多个开关(103-108)彼此同步地工作。
3.如权利要求2所述的电路布置，其特征在于在所述其它部分期间，所述开关组包括两个开关(103-108)。
4.如权利要求2所述的电路布置，其特征在于所述第一和第二开关组(103-108)不包括共同的开关。
5.如权利要求4所述的电路布置，其特征在于在所述第一部分期间，所述第二组开关以低于所述第一组开关的频率被切换。
6.一种电路布置，它具有升压和降压功能，所述电路布置包括多个开关(103-108)；以及控制器(165)，用于以下述方式控制所述开关，使得在工作期间，执行所述升压和降压功能的各部分在工作周期的第一部分期间利用分开的PWM开关组(103、104、107、108)，而在工作周期的第二部分期间利用公共的PWM开关组(105、106)。
7.如权利要求6所述的电路布置，其特征在于所述开关是晶体管(103-108)。
8.如权利要求7所述的电路布置，其特征在于所述开关中的每一个开关均与二极管(156)并联连接。
9.一种电路布置，它包括连接到电感器(150)和多个开关(103-108)的HID灯(115)以及用于提供PWM信号以接通和断开所述各开关的控制器(165)，所述PWM信号在一些时间被传送到两个开关(103-108)以便于所述两个开关的同步切换，而在其它时间传送到一个开关(105)。
10.如权利要求9所述的电路布置，其特征在于所述控制器(165)在具有周期的循环上工作，并且在所述周期的第一部分期间，用所述PWM信号控制一个开关(105)，而在所述周期的第二部分期间，用所述PWM信号控制至少两个开关(107、104)。
11.如权利要求10所述的电路布置，其特征在于在所述第一部分期间，在所述第一部分的一些时候用所述PWM信号控制第一开关(105)，而在所述第一部分的剩余时间用所述PWM信号控制第二开关(106)，以及在所述第二部分期间，在所述第二部分的一部分时间用所述PWM信号控制第一对开关(104、107)，而在所述第二部分的剩余时间用所述PWM信号控制第二对开关(103、108)。
12.一种电路布置，它具有第一开关组(103、104)、第二开关组(105、106)和第三开关组(107、108)，所述第一、第二和第三开关组彼此并联连接；控制器(165)，用于使所述第二组开关在周期的第一部分期间接通和断开，从而形成PWM信号，以及用于使第三和第一组开关在所述周期的第二部分期间接通和断开而形成PWM信号；以及高强度放电(HID)灯(115)，灯(115)被连接到由所述PWM信号的占空度控制的电压来驱动的所述开关。
13.如权利要求13所述的电路布置，其特征在于它被连接到电源并且还包括至少两个电感器(150、160)和电容器(118)，所述电感器中至少一个(150)连接在所述灯(115)和所述开关中至少一个(107)之间，而所述电感器中另一个连接在所述开关中另一个(103)和所述电源之间，并且所述电容器与所述第一、第二和第三开关组并联连接。
14.一种为HID灯(115)驱动电路执行升压和降压功能的方法，它包括以下步骤提供电源，在利用同一组开关(105、106)产生用于所述升压和降压功能的PWM信号与利用不同组开关(103、104、107、108)产生用于所述升压和降压功能中每种功能的PWM信号之间周期性地切换。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于所述提供电源的步骤包括提供具有交流(AC)功率的电源，所述功率具有第一周期，而所述周期性切换的步骤包括采用第二周期来进行切换，而且所述第一周期是所述第二周期的整数倍。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于在使用所述不同组开关的时间里，所述不同组开关以互相同步的方式进行切换。
17.一种用于驱动高强度放电(HID)灯(115)的系统，它包括电源，第一电感器(160)、电容器(118)和第二电感器(150)；多个开关，配置这些开关以便于从所述电源到所述第一电感器(160)、从所述第一电感器到所述电容器(118)、从所述电容器(118)到所述第二电感器(150)以及从所述第二电感器(150)到所述灯(115)的能量传递；以及控制器(165)，它周期性地改变为了便于在所述系统的至少两个部分之间的能量传递而使用的特定开关，所述系统是由所述电源、所述第一电感器(150)、所述电容器(118)、所述第二电感器(160)以及所述灯(115)构成的。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于所述控制器(165)在工作期间在高频模式中利用所述开关(103-108)中不同的开关，从而产生PWM信号。
19.如权利要求18所述的系统，其特征在于所述电源和所述控制器(165)中各自产生单独的周期信号，并且与所述控制器(165)的信号相关的周期等分与所述电源的信号相关的周期。
全文摘要
公开一种用于驱动高强度放电(HID)灯的新颖电路。系统使用脉宽调制(PWM)开关产生要传递到HID灯的信号。在工作周期的不同部分中，系统用一个开关实现所有PWM信号发送，而在工作周期的其它部分中，系统用两个切换开关产生PWM信号发送。
文档编号H05B41/282GK1906979SQ01805657
公开日2007年1月31日 申请日期2001年10月31日 优先权日2000年11月1日
发明者F·李 申请人:皇家菲利浦电子有限公司