专利名称：灯驱动方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及用于驱动灯的设备，尤其涉及用于驱动荧光气体
;改电灯的i殳备。
背景技术：
灯通常都具有额定值，即提供额定光输出的额定驱动电压和额定驱动电流。通常，需要能够以调光模式来操作灯，从而使得实际光输出小于额定光输出。
可通过减小灯电流进行调光，但在气体放电灯的情况下，也已知以具有可变占空系数的开关模式(交替0N/0FF)来对灯进行驱动。在0N(导通)阶段期间，灯接收额定功率；在0FF(关闭)阶段期间，灯不接收功率。如果0N/0FF状态的交替频率足够高(至少大于20赫兹)的话，由此产生的光输出为ON阶段期间的光输出和OFF阶段期间的光输出的时间平均。此平均值取决于占空系数A，该占空系数定
义为△ =Un/ (toN+toPF)。
在此提出了 LCD面板的背光作为应用的示例。对于用于LCD电视或LCD监视器的LCD面板的背光，已知的是，在LCD的后方布置水平的焚光灯。LCD驱动器接收图像信号，并控制LCD单元为透明、部分透明或不透明等，即控制是否通过灯光。因此，LCD单元定义了图像像素。在图像的明亮部分，LCD单元是透明的，从而使得灯光通过，并且对应的图像像素是明亮的。在图像的黑暗部分，LCD单元是不透明的，从而阻挡灯光，而且对应的图像像素是黑暗的。通过这种方法，可以实现约为1: 200至1: 5 00的对比度。然而，对于良好的画面质量，至少为1: 1200或优选甚至为1: 1800的对比度是所期望的。可通过对灯进行调光，来提供对比度的进一步增加。灯调光控制器基于图像信号来切换灯的导通(0N)和关闭(OFF)。因此，在LCD电视或LCD监视器的背光系统中，灯通常以等于帧频率的切换频率进行操作(所述帧频率通常在50 Hz到125 Hz之间，这取决于所关注设备的设置)，而且尽管占空比甚至可以设置为高达40%，但是该占空比在2%至20%的典型范围中变动。在上述情况下，ON (导通)时段可从0. 16毫秒 (125 Hz时2%的占空比)到4毫秒(50 Hz时20%的占空比)或更大 的值之间变化。
在0N阶段期间，荧光灯中的电流不是直流电流，而是该电流具 有来自振荡器的高频电流分量，其频率典型处于20-200 kHz的量级， 更典型地处于50 kHz的量级。相对于LF灯频率-帧频，这个频率应 当被指示为HF电流频率。因此，在0N阶段期间，灯接收有限数目个 HF电流周期。在占空比为2%的情况下，对于50 Hz的灯频率和50 kHz 的HF电流频率，HF电流周期的这个数目将为20;对于更高的灯频率， 这个数目会甚至更低。
典型地，生成HF电流周期的振荡器包括定时器控制器和变压器。 定时器控制器生成具有"高"和"低"两个信号值的对称方波信号。 实际的正弦曲线灯电流由变压器提供，但正弦曲线灯电流的时序由定 时器方波信号所控制。
典型地，灯驱动器还包括占空比控制器，该占空比控制器提供调 光命令信号(也指示为占空比命令信号)，所述占空比命令信号以 LF灯频率确定灯的ON/OFF切换。正常地，所述占空比命令信号与HF 方波信号相互独立。在这种情况下，在切换灯的ON或OFF时刻的灯 的电流状况事先是不知道的，并可能会随着灯周期的改变而改变。因 为可能出现明显的、会打搅用户的灯闪烁，所以这不是所期望的。占 空比越低，这种闪烁效果将会越明显。
还可以建立在灯切换信号与HF电流周期之间的固定时序关系。 例如，可以使用PLL提供振荡器输出频率与灯切换频率之间的同步。 在此情况下，切换灯至0N的时刻典型地将与HF电流周期的开始(也 就是HF方波信号的上升沿)相重合。
当方波信号为"高"时，变压器充电；当方波信号为"低"时， 变压器放电。因此，在完整的HF周期中，变压器的磁荷状况从零升 高到第一最大值(在"高"方波信号期间)，然后减少回到零(在"低，， 方波信号期间)。在下一个HF周期中，重复上述过程。因此，平均 磁荷状况大于零，而且磁荷状况的第一最大值相对较高。结果，可能 出现饱和，从而导致不稳定的光输出。为防止饱和效应，变压器的尺 寸必须做的相对较大，这将导致成本增加。此外，如果变压器为DC耦合并被直接驱动的话，则该变压器可能在一个灯周期内緩慢漂移至 饱和状态。
在现有技术中用以防止这种相对高的电荷状态的已知解决方案 是所谓的慢启动机制，其中占空比仅仅逐渐地改变。但是，在其中
ON时间相对较短的系统中，不能应用所述慢启动机制，或应用所述 慢启动机制存在很大困难。
一般而言，本发明旨在提供解决上述问题的方案。
发明内容
根据本发明的重要方面，在与HF方波信号(block signal)具 有90°的固定时序关系的第一时刻，将灯切换为0N，并且在与HF方 波信号也具有90°的固定时序关系的第二时刻，将灯驱动器切换为 0N。与HF方波信号的90°时序关系意味着HF方波信号的"高"部 分已持续了一半。在HF方波信号"高"部分的剩余一半期间，也就 是从相位90°至相位180°期间，变压器进行充电以到达磁荷状态的 第二最大值。在HF方波信号的"低"部分的前半部分期间，也就是 从相位180。至相位270。期间，变压器进行放电从而使得磁荷状况 达到零，而且在HF方波信号的"低，，部分的剩余一半期间，也就是 从相位270°至相位360。期间，变压器进一步进行;改电从而达到最 小值，或更准确地说是磁荷状况的第三最大值，所述第三最大值与第 二最大值方向相反。最后，在HF方波信号的下一个"高"部分的前 半部分期间，也就是从相位0。至相位90°期间，电荷状况上升至零， 在这之后重复上述过程。结果，电荷状况的平均值总是为零，而磁化 强度的峰值(也就是第二最大值和第三最大值)低于前述的第一最大 值。
在下列的描述中，将参考附图进一步阐述本发明的这些和其他方 面、特征和优点，在附图中相同的参考数字表示相同或相近的部分， 且在附图中
图1示意性地示出了根据本发明的灯驱动器的示范性实施例的 框6图2-4为示意性地图示出在根据图l的灯驱动器中的各种信号的
时序的图5为示意性地图示出灯驱动器的操作示例的流程图6为示意性地图示出根据本发明的灯驱动器的变体的框图。
优选实施方式
图1示意性示出了根据本发明的示例性灯驱动器1的框图，所述 灯驱动器具有与灯电路3相连的输出端2。在灯驱动器1的输出端2 处，灯驱动器1输出灯驱动信号L。灯电路3包括变压器4，所述变 压器的初级绕组与输出端2相耦合，而且其次级绕组与变压器输出端 5相耦合，灯6与所述变压器输出端5相连。如下文所述，灯驱动信 号L为方波信号，而灯6接收的变压器输出电流I为正弦曲线信号。 需要指出的是，变压器4可集成到灯驱动器1中，在这种情况下，输 出端5为驱动器输出端，而信号L为内部信号。
灯驱动器1包括灯调光控制器10,所述调光控制器具有输入端 11来接收图像信号Si,并且还具有输出端l2以输出调光控制信号 Sdcc。图像信号Si包含图像的水平和垂直时序信息，并且还包含像 素信息。根据这个图像信号Si，灯调光控制器IO计算出所驱动灯的 调光级别，从而计算出灯的占空比。根据这个占空比，调光控制信号 Sdcc包含了用于与图像信号Si同步地切换灯0N和OFF的时序信息。 在这个示范性实施例中，调光控制信号Sdcc为两级信号，其中HIGH 级别表示灯0N， L0W级别表示灯0FF。
图2图示了调光控制信号Sdcc包含时序信息，该时序信息确定 由灯驱动器1控制的灯在tl时刻应当切换为0N，在t2时刻应当切 换为0FF状态，在t3时刻应当再次切换为0N状态，从而形成占空比 a = (t2-U)/(t3-tl)。需要注意的是，这是灯调光控制器10想要 的时序，因此切换时刻tl和切换时刻t2也被指示为"目标"时刻； 如下文所述，实际切换可能在其他时刻发生。
灯驱动器1还包括振荡器40，所述振荡器具有输出端42以提供 也如图2所示的高频率振荡器信号Sv。这个输出端42与桥电路60 的输出端61相耦合。桥电路60可以是全桥的半桥部分。由于桥电路 本来是公知的，因此没必要非常详细地解释桥电路60的设计。指明以下内容就足够了桥电路60具有输出端62以提供输出电流SB，该 输出电流Sb取决于振蕩器信号Sv的电平而具有正方向或负方向(由 双箭头表示)。举例来说，假设当振荡器信号Sv为HIGH时桥输出电 流SB为正(从62流出)，而且当振荡器信号Sv为LOW时桥输出电 流SB为负(流入62 )。
桥输出端62连接至可控开关50的输入端51,所述可控开关的 输出端52连接至设备输出端2。可控开关50有两个可操作状态。在 第一个可操作状态CLOSED下，开关50可导通并将由其输入端51接 收的信号传送至其输出端52;在这种状态下，灯驱动信号L跟随交 流电SB，而且所驱动的灯处于ON。在第二个可操作状态OPEN下，开 关50未导通，并阻止所有在其输入端51所接收进来的信号；在这种 状态下，灯驱动信号L为零而且所驱动的灯处于OFF。因此，通过将 可控开关50分别切换至其CLOSED和OPEN状态来实践将所驱动的灯 切换为ON和OFF。
灯驱动器1还包括灯切换控制器20，所述控制器具有输入端21， 所述输入端21与灯调光控制器10的输出端12相耦合，从而可以接 收调光控制信号Sdcc，而且所述控制器具有与开关50的控制端53 相耦合的控制输出端22。灯切换控制器20被设计为在其控制输出端 22处产生切换控制输出信号Ss用于确定可控开关50的操作状态。 为方便起见，假定切换控制输出信号Ss为两级信号，其中相应地， 切换控制输出信号Ss的HIGH值确定所述开关的CLOSED状态，而切 换控制输出信号Ss的LOW值确定所述开关的OPEN状态。
需要注意的是，桥电路60和开关50可集成在一起以形成开关电桥。
在现有技术的设备中，调光命令信号Sdcc会直接与开关50的控 制端53相耦合。如图2所示，在这种情况下，所驱动的灯将在时刻 tl和t2切换至ON和OFF,而时刻tl和t2与振荡器输出信号Sv之 间具有随机的相位关系。在本发明中，灯切换控制器20布置于灯调 光控制器10和可控开关50之间。灯切换控制器20被设计为根据在 其第一输入端接收的调光命令信号Sdcc和在其第二输入端23接收的 振荡器输出信号Sv产生其输出控制信号Ss。更具体而言，如图2所 示，在调光命令信号Sdcc进行从LOW到HIGH的转换的时刻tl之后，灯切换控制器20等待直到振荡器输出信号Sv在tll具有第一预定相 位为止，并且然后才将其输出控制信号Ss设置为HIGH。因此，所驱 动的灯6总是以与振荡器信号Sv的预定相位关系切换为0N,而无需 在灯切换信号和振荡器信号之间的真正同步。
以类似的方式，在调光命令信号Sdcc进行从HIGH到LOW的转换 的时刻t2之后，灯切换控制器20可等待直到振荡器输出信号Sv在 U2具有第二个预定相位为止，并且然后才将其输出控制信号Ss设 置为L0W。因此，所驱动的灯总是以与振荡器信号Sv的预定相位关 系切换为OFF,而无需在灯切换信号和振荡器信号之间真正的同步。
图3为图示出在较长时间尺度上的几种信号的图。第一信号为开 关控制信号Ss，该信号定义了从时刻tll到时刻t12的灯的ON阶段。 第二信号是振荡器输出信号Sv,该信号在0和1之间交替。第三信 号是桥输出信号SB，该信号在分别表示为+1和-1的正电流和负电流 之间交替。需要注意的是，桥输出信号SB与振荡器输出信号Sv同相。 第四信号是灯驱动信号L，其从时刻tll到时刻t12与桥输出信号SB 相对应，而在这个时间范围之外为零。图3所示的第五信号表示变压 器4的磁荷M。
在如图3所示的情况下，振荡器输出信号Sv的第一预定相位为 从L0W至HIGH的转变，即0N间隔(tll到t12)的开始tll与振荡 器输出信号Sv的上升沿相一致；这将表示为0°相位角。同样地， 振荡器输出信号Sv的第二预定相位等于0° ，从而使得灯切换控制 器20的开关控制信号Ss的ON间隔(tll到U2)的持续时间总为振 荡器信号Sv的周期的整数倍。可以看出，从0°相位(tll)到180 °相位(tl2),磁荷M从零增至最大值(表示为"1")，并且从 180°相位(t21 )到360°相位(t22 )，磁荷返回至零。磁荷M具 有非零的平均伍Ma (在图3的符号表示中，此平均值应等于0. 5)。
图4为与图3类似的图，其中说明了根据本发明的设备中的几种 信号；在图4中省去了信号Sv和SB。在这种情况下，ON间隔的开始 tll与振荡器输出信号Sv的90°相位相一致。因此，当灯驱动信号 L在tll时刻升高时，该时间持续直到与振荡器输出信号Sv的周期 的25"/n相对应的振荡器输出信号Sv的下一个下降沿的时刻(t21时刻) 为止。在此时间期间，从90。相位(tll )到180°相位(t21 ),磁
9荷M从零增至约为0. 5的最大值。接着，从180。相位到360°相位 (t22)，电流方向反向，磁荷M降至约为-0. 5的最小值。在那之后， 磁荷M在上述最小值至上述最大值之间来回重复变化，直到到达0N 间隔的结束t12位置，其中t12也与振荡器输出信号Sv的90°相位 角相一致，从而使得磁荷M最终上升至零(tl2)。现在磁荷M具有 等于零的平均值。最大和最小磁荷的绝对值也总是比图3的情况要低 (在图3的符号表示中，上述绝对值等于0. 5 )。
图5为图示灯驱动器1的操作300的流程图。在第一步骤301中， 灯切换控制器20等待直到调光命令信号Sdcc变为HIGH为止。在第 二步骤302中，在调光命令信号Sdcc已经变为HIGH之后，灯切换控 制器20等待直到振荡器信号Sv达到90°相位为止。在第三步骤303 中，在当振荡器信号Sv到达90。相位的时刻，灯切换控制器20将 开关控制信号Ss设置为HIGH,以便使得所驱动的灯变为0N。在第四 步骤304中，灯切换控制器20等待直到调光命令信号Sdcc变为LOW 为止。在第五步骤305中，在占空比命令信号Sdcc已经变为LOW之 后，灯切换控制器20等待直到振荡器信号Sv达到90°相位为止。 在第六步骤306中，在当振荡器信号Sv达到90°相位的时刻，灯切 换控制器20将开关控制信号Ss设置为L0W，以便使得所驱动的灯变 为0FF。
本领域技术人员应该清楚的是，本发明不仅限于以上讨论的示范 性实施例，并且，在所附权利要求中所定义的本发明的保护范围内进 行一些改变和修改是可能的。
例如，代替用灯调光控制器10来确定灯的ON间隔(tl2-tll ), 可以根据对HF振荡器脉冲进行计数来由灯切换控制器20来确定开关 的OFF时刻t12。
另外，灯切换控制器20可以接收振荡器信号Sv，同时灯切换控 制器20具有90°移相器用于确定这些切换时刻。图6图示了一种变 体，其中驱动器601包括主振荡器602以产生主振荡器信号St， 该主振荡器信号St的占空比为50%,且其频率为振荡器信号Sv频率 的两倍。驱动器601还包括两个分频器603和604 (例如触发器)， 所述分频器在主振荡器信号St的特定相位上由HIGH变为L0W以及进 行相反的变化。第一分频器603可由主振荡器信号St的上升沿触发，而第二分频器604可由主振荡器信号St的下降沿触发。因此，虽然 就主振荡器信号St而言，两个分频器603和604的输出信号呈现出 180°相位差，而就输出信号的自身频率而言，它们呈现出90°的相 位差。第二分频器604的输出信号可用做振荡器信号Sv，而第一分 频器603的输出信号可用做辅助信号Sa，所述辅助信号Sa与灯切换 控制器20的输出端23相耦合。
在上文中，已经就其中开关控制信号Ss的上升沿与方形振荡器 输出信号Sv的90。相位相重合、并且相位-O。为振荡器输出信号Sv 的上升沿的理想情况对本发明进行了阐述。但是，需要指明的是，如 果开关控制信号Ss的上升沿与在O。到180°之间的方形振荡器输出 信号Sv相位(p相重合的话，本发明也已提供了改进。
在上文中，已经为其中当开关控制信号Ss为HIGH时开关50导 通、而当开关控制信号Ss为LOW时开关50不导通的情况对本发明进 行了阐述。但是应明确指出的是，当开关控制信号Ss为LOW时开关 50导通、而当开关控制信号Ss为HIGH时开关50不导通也是可能的。
在上文中，已经将桥输出信号SB引用为电流信号对本发明进行了 阐述。桥输出信号SB也可以是由开关50通过或阻止的电压信号，当 通过所述电压信号时会在灯电路中引入换向电流，而当阻止所述电压 信号时则在灯电路中产生零电流。
在上文中，已经参考框图对本发明进行了阐述，所述框图说明了 根据本发明的设备的功能块。应当理解的是，可以将以硬件的形式实 现一个或多个功能模块，其中这些功能模块的功能由独立的硬件部件 来执行，但是，也可以以软件的形式实现一个或多个功能模块，从而 使得这些功能模块的功能由计算机程序或诸如微处理器、微控制器或 数字信号处理器等之类的可编程设备的一个或多个程序行来执行。
权利要求
1. 一种利用具有帧周期(t13-t11)的周期性信号(L)驱动灯的方法，所述周期性信号(L)在所述帧周期内的ON间隔(t11至t12)期间为方波信号，而在所述帧周期内的OFF间隔(t12至t13)期间为零，其中所述方形信号的占空比为50％，且具有小于所述帧周期的方波周期(t22-t11)；其中所述帧周期的ON间隔(t11至t12)的持续时间(t12-t11)等于所述方波周期(t22-t11)的整数倍。其特征在于所述帧周期的ON间隔(t11至t12)的开始(t11)与所述方波信号之间的相位相重合，其中。
2. 根据权利要求l的方法，其中所述相位cp基本等于90° 。
3. 根据权利要求l的方法，所述方法包括步骤提供用以确定灯周期(t3-tl )和帧频率的周期性信号；产生高频振荡器信号(Sv);以与所述周期性信号的时序关系，产生调光命令信号(Sdcc)，所述调光控制信号确定灯的目标ON时刻(tl )并确定灯的目标OFF时刻(t2)，从而使得占空比(△= (t2 - tl) / (t3 - tl))具有期望值；根据目标ON时刻(tl)来确定与所述高频振荡器信号(Sv)的相位cp相重合的经修改的ON时刻(tll );根据目标OFF时刻(t2)来确定与所述高频振荡器信号(Sv)的相位(p相重合的经修改的OFF时刻(tl2);在所述经修改的ON时刻(tll)将灯切换为0N，并在所述经修改的OFF时刻(t12 )将灯切换为OFF。
4. 根据权利要求3的方法，其中所述经修改的ON时刻(tll)由下述步骤确定，所述步骤为首先等待直到所述调光命令信号(Sdcc)指示所述目标ON时刻(tl)为止，然后检测所述高频振荡器信号(Sv)的所述相位cp的第一次后续出现。
5. 根据权利要求3的方法置，其中所述经修改的OFF时刻(U2)由下述步骤确定，所述步骤为首先等待直到所述调光命令信号(Sdcc )指示所述目标OFF时刻(t2 )为止，然后检测所述高频振荡器信号(Sv)的所述相位cp的第一次后续出现。
6. 根据权利要求3的方法，还包括步骤与所述高频振荡器信号(Sv)同步地产生换向电流信号(L);阻止所述电流信号(L)直到所述经修改的0N时刻(tll)为止；在所述经f"改的0N时刻(tll )和所述经1务改的OFF时刻(t12 )之间，将所述电流信号(L)传送至灯电路(3);在所述经修改的OFF时刻(t12)之后阻止所述电流信号(L)。
7. 根据权利要求l的方法，包括步骤提供定时器信号(St)，所述定时器信号的频率为所述方波信号频率的两倍；与所述定时器信号(St)的第一类型边缘同步地产生所述方波信号(Sv);与所述定时器信号(St)的第二类型边缘同步地产生辅助信号(Sa)，其中所述第二类型(上升)与第一类型(下降)相反；其中所述帧周期的ON间隔(tll至t12 )的起始与辅助信号(Sa )同步地确定，而且其中所述ON间隔(tll至t12)的持续时间通过对所述辅助信号(Sa)的周期数进行计数而确定。
8. —种用于驱动灯的灯驱动器(1)，所述灯驱动器适用于执行任一前述的权利要求中的方法。
9. 一种用于LCD显示设备的背光设备，所述背光设备包括至少一个的背光灯和至少一个根据权利要求8的灯驱动器(1 )。
全文摘要
描述了用于利用具有帧周期(t13-t11)的周期性信号(L)驱动灯的方法，所述周期性信号(L)在所述帧周期内的ON间隔(t11至t12)期间为方波信号，而在所述帧周期内的OFF间隔(t12至t13)期间为零。所述方波信号的占空比为50％，且具有小于所述帧周期的方波周期(t22-t11)。所述帧周期的所述ON间隔(t11至t12)的持续时间(t12至t11)为方波周期(t22-t11)的整数倍。根据本发明，所述帧周期的ON间隔(t11至t12)的开始(t11)与所述方波信号的90°相位相重合。
文档编号H05B41/392GK101467497SQ200780021405
公开日2009年6月24日 申请日期2007年5月9日 优先权日2006年6月9日
发明者A·C·德里克, P·J·布雷默, W·埃特斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司