CN101263746A - 灯驱动电路 - Google Patents

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CN101263746A CNA200680033587XA CN200680033587A CN101263746A CN 101263746 A CN101263746 A CN 101263746A CN A200680033587X A CNA200680033587X A CN A200680033587XA CN 200680033587 A CN200680033587 A CN 200680033587A CN 101263746 A CN101263746 A CN 101263746A
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    • H05B41/14—Circuit arrangements
    • H05B41/26—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc
    • H05B41/28—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters

Abstract

本发明公开了一种灯驱动电路。灯驱动电路包括无源功率因数校正(PFC)电路。在运行中，无源PFC电路与交流(AC)电源耦接。灯驱动电路还包括与无源PFC电路耦接的直流到直流(DC－DC)功率转换器。DC－DC功率转换器与无源PFC电路协作，作为恒定能量恒定能量转换器运行。灯驱动电路还包括与DC－DC功率转换器耦接的灯电路。

Description

灯驱动电路
技术领域
本发明涉及为灯泡供电的供电电路。
背景技术
显示技术(例如，用于计算机和娱乐显示设备)通常根据消费者和商业电子设备的情况而持续发展。显示设备(例如数字显示投影仪、平板显示器、等离子体显示器、阴极射线管(CRT)显示器等)在所显示的图像的质量和分辨率上持续改进。这种显示系统的各种类型可以从本申请的委托人，美国俄勒冈州Wilsonville的InFocus公司(InFocus Corporation)获得。
投影仪显示设备，例如InFocus生产的投影仪显示设备，包括用于显示图像(例如静态图像或视频图像)的光学子系统。这种光学子系统通常包括用于产生光的照明光源(例如高压水银灯)以便投影这些图像。照明光源(灯)通过灯驱动电路来供电(驱动)。但是，当前的灯驱动电路具有一些缺点。
当前灯驱动电路的一个缺点是，部分地由于当前在显示设备中使用的大部分灯泡(灯)是短弧灯，因此，在它们的设计过程中进行了折衷(tradeoff)。为了提高这种灯的寿命，希望用于驱动灯的灯驱动电路的输出电容器相对小，以便减少从驱动电路传送到灯的瞬态电流量。但是，纹波电流(例如由交流电到直流电的转换而产生)的量也应该减少以防止弧跳(可能伤害灯)和闪烁(可能对投影图像的质量产生不利影响)。当前的方法使用无源和电感滤波来减少纹波电流。使用这种滤波与减少灯驱动电路的输出电容器大小的目的有冲突。因此，在这种方法中，通常在减少纹波电流与减少灯驱动电路输出电容器的大小之间进行折衷。
当前灯驱动电路的另一个缺点是这种电路的整体成本。用于实现灯驱动电路的当前方法使用两个有源转换器，即可称作功率因数转换器的前端转换器，以及将前端转换器提供的功率转换为可用于照明(驱动)灯的功率(通常为直流(DC)电)的后端转换器。当前灯驱动电路的典型配置包括用于前端转换器的升压转换器(boost converter)，升压转换器既整流来自交流(AC)电源的功率(例如120V住宅交流功率)又将已整流的功率逐步增加到高电压(例如400-500V)以便调整功率因数(例如，在AC电源上的应变)和/或调整灯驱动电路的有效功率消耗。
在这种结构中，后端转换器通常实现为降压转换器(buck converter)，将前端转换器产生的高电压逐步降低为灯可使用的电压(例如40-50V)。因为前端转换器和后端转换器都是包括有源元件和控制电路(例如脉宽调制控制器)的有源电路，这种方法可能很昂贵。而且，这种方法还具有要在减少输出电容器大小与减小纹波电流之间进行折衷的缺点。基于前述理由，需要一种用于实现灯驱动电路的替代方法。
相关技术的前述实施例及其局限性是说明性的而不是穷尽性的。在阅读本说明书和附图之后，本领域技术人员将会清楚相关技术的其它局限性。
附图说明
附图中示出了示例性实施例。这里公开的实施例和附图应该被理解为说明性的，而不是限制性的。
图1是灯驱动电路的框图。
图2是可以在图1的电路中实现的无源功率因数校正电路的框图/示意图。
图3是可以在图1的电路中实现的降压-升压直流到直流(DC-DC)转换器的示意图。
图4是可以在图1的电路中实现的逆向(flyback)DC-DC转换器的示意图。
图5是可以在图1的电路中实现的电磁干扰滤波器的示意图。
具体实施方式
现在参考图1，其示出了表明上述当前方法的至少部分缺点的灯驱动电路100的框图。灯驱动电路100包括电磁干扰(EMI)滤波器110，该电磁干扰(EMI)滤波器110在运行中与交流(AC)电源耦接，如图1所示。EMI滤波器110用于减少噪声，例如可能由灯驱动电路100生成的高频噪声。电磁干扰滤波器110防止这种噪声被传送到电线。需要进行这种滤波是因为上述噪声可能干扰与连接到相同电线的其它电子设备的操作。
AC电源可以是120V AC电源，如在美国普遍使用的电源。或者，AC电源可以是240V AC电源，如在欧洲国家普遍使用的电源。当然，可以使用任何合适的电源。
灯驱动电路100还包括与EMI滤波器110耦接的无源功率因数校正(PFC)电路120。取决于特定实施例，无源PFC电路120可以整流从EMI滤波器110接收的已滤波的AC功率信号，根据被整流的信号存储电能并将所存储的电能传送到灯驱动电路100的其它部分。而且，无源PFC电路120的电路元件被选择成，针对特定的应用进行合适的功率因数校正(例如适当调整电力耦接中的载荷和/或适当调整灯驱动电路的有效功率消耗)。
由于PFC电路120是无源电路(例如不包含有源元件和/或控制器)，所以通常比包含有源元件和/或控制器(例如脉宽调制控制器)的有源前端转换器(例如在当前灯驱动电路中使用)实现起来便宜得多。因此，使用无源PFC电路120可以提供优于当前方法的成本优点。
无源PFC电路120与DC-DC转换器130耦接。对于本实施例来说，DC-DC转换器130从无源PFC电路120接收已滤波、已整流的DC功率信号。然后，DC-DC转换器130将已滤波、已整流的DC功率信号转换为适合用于驱动(供电)灯泡的DC功率信号。根据特定的应用，DC-DC转换器可以逐步降低(例如作为降压转换器运行)或者逐步升高(例如作为升压转换器运行)来自无源PFC电路120的已滤波、已整流的DC功率信号。特定的方法取决于一些因素，例如但是不限于所使用的AC电源、想要的功率因数和/或正在使用的灯的功率要求。
DC-DC转换器130以固定频率不连续地运行，因此作为恒定能量转换器运行。例如对于电路100，在线路电压大于阈值电压时，DC-DC转换器130直接从AC线路提取AC输入波形周期的基本部分(例如从180度中取出150度)的功率。在这种情况下，DC-DC转换器再从无源PFC电路120提取AC输入波形周期的剩余部分(例如180度中的30度)的功率。在DC-DC转换器130的每个切换周期的末端(即在直接以AC线路电压或者以存储在无源PFC电路120内的电能来运行的时候)，本质上没有能量存储在DC-DC转换器。这种方法允许减少每个AC输入波形的线路周期中存储的电能。在这种安排中，例如可将阈值电压选择为AC电源的标称峰值线路电压的一半。
上述方法使得提供给具有相对大线路频率的元件的DC-DC转换器130的电压导致纹波电流。但是，由于与无源PFC转换器120协作的DC-DC转换器130是作为恒定能量转换器来运行的，所以线路频率纹波电流通过可称为“抑制(rejection)”的机制而减小。通过在灯驱动电路运行的周期的一部分中存储实质上固定的电量，以及在灯驱动电路周期的第二部分中发送该固定电量(用于每个周期)，就有效地“抑制”了纹波电流，使得纹波电流实际上没有传送到DC转换器的输出终端。因此，这种方法允许更大的线路频率纹波成分出现在转换器中，因为这种恒定能量转换方法具有固有的电压抑制特性。
灯驱动电路100还包括与DC-DC转换器130耦接的灯点火器140。点火器电路140在足够高电压中产生放电，以便将存在于短弧灯泡150中的气体离子化，该短弧灯泡150也与点火器140耦接。在灯泡初始接通时，点火器140运行从而将灯泡150中的气体离子化。一旦灯泡被点亮，DC-DC转换器提供必要功率(例如通过点火器电路)以维持灯泡的照明。这种点火器电路描述于美国专利号6624585中，该美国专利被转让给本发明的受让人。在此通过引用合并美国专利号为6624585的的全部公开内容。
灯驱动电路100还包括耦接灯泡150与DC-DC转换器130的灯返回信号线路160。灯返回信号电路160可以用于功率监控和/或功率调节。例如，灯返回信号线路160可以用于测量灯泡150上的电压降(灯电压)和/或在灯泡150中消耗的电流量(灯电流)。取决于特定实施例，可用额外的电路来确定灯电压和/或灯电流。
无源功率因数校正电路
现在参考图2，其示出了可作为灯驱动电路100中的无源PFC电路120实现的无源PFC电路200的框图/示意图。无源PFC电路200可称作填谷(valley-fill)电路，包括输入终端202和204。输入终端202和204在运行中接收AC功率信号(例如，来自EMI滤波器的已滤波功率信号)。然后，该AC功率信号被发送到将AC功率信号整流的桥式整流电路。这种电路是已知的并且为了简明的目的，在此不做详细描述。
无源PFC电路200还包括：电容器220和230；二极管240、250和260；电阻器270；以及输出终端280和290。运行无源PFC电路200使得在经过整流的DC电压高于输入终端202和204所接收的峰值AC电压的一半(例如大约AC电源的标称峰值线路电压的一半)时，电容器220和240通过二极管250和电阻器270串联充电。电阻器270用做限流器件以便限制通过电容器220和240的瞬态电流量，并且建立适当的充电时间常数。
然后，在经过整流的DC电压低于在输入终端202和204接收的峰值AC电压的一半时，将存储在电容器220和230(电容器220和230分别通过二极管240和260并联)中的电能通过输出终端280和290传送到DC-DC转换器。通常，还可以实现用于控制在灯驱动电路中的无源PFC电路200与DC-DC转换器之间的电流流动的合适电路。这种电路可包括晶体管开关、阻流二极管，或者任何其它合适用于在这种电路中指引电流流动的装置。
降压-升压DC-DC转换器
现在参考图3，其示出了可作为灯驱动电路100的DC-DC转换器130实现的降压-升压转换器300的示意图。如图3所示，无源PFC电路200的输出终端280和290用做降压-升压转换器300的输入终端。即，从无源PFC电路200传送的电能通过终端280和290发送到降压-升压转换器300。
降压-升压转换器300包括用做切换元件的n型场效应晶体管(FET)310以控制由降压-升压转换器300执行的DC-DC电能转换。应认识到，使用其它切换元件也是合适的，例如作为两个示例，使用双极晶体管或者绝缘栅极双极晶体管。晶体管(开关)310的栅极(例如控制终端)与控制器315(例如PWM控制器)耦接。在晶体管310导通时，电能被存储在电感器320中，结果电流从终端280通过电感器320且进而通过晶体管310流到终端290。在晶体管310截止(且以足够电位将电感器320充电)时，二极管330和360变成正向偏压，电能通过输出终端380传送到灯电路(例如点火器和灯泡)。利用输出电容器340和输出电感器350对该输出功率进行滤波。如同之前的讨论，通过不连续地运行无源功率因数校正控制电路200和DC-DC转换器300，来抑制纹波电流。这种方法与现有方法相比，能够减少输出电容器340的大小。
为了不连续地运行灯驱动电路，将DC-DC转换器300设计成，在切换周期的末端，没有存储在电感器320中的已存储电能留下。对于上述目的而言，不连续的运行涉及DC-DC转换器300而不涉及无源PFC。控制器315设定电感器中的峰值电流水平。由于存储在电感器320中的电能关系到其电感(L)乘以通过电感器320的电流(I)的平方，即L×I2，由控制器315建立的峰值电流还决定了在每个切换周期存储在电感器320中的电能。
为了控制DC-DC转换器300的每个切换周期所存储的能量，晶体管310“准时”通过控制器315达到峰值电流。因此，晶体管310在每个切换周期中的时间直接涉及所施加的电压。因此，为了使输入电压处于允许用于特定DC-DC转换器300配置的不连续运行的范围内，到转换器的输入电压的变化实际上被完全抑制。
降压-升压DC-DC转换器还包括灯返回终端380。如上所述，灯返回终端可用于确定正被驱动的灯泡的灯电压和/或灯电流。需要注意的是，对于降压-升压DC-DC转换器300，灯返回信号终端380耦接与终端280相同的电路节点，降压-升压DC-DC转换器300在终端280从无源PFC电路200接收DC电压。因此，在这种特定配置中，会用额外的电路和/或服务逻辑(例如软件)确定(例如结合其他信号)来自灯返回信号终端380的灯电压和/或灯电流。对于降压-升压DC-DC转换器中的电压测量来说，可使用简单的由电阻和PNP晶体管构成的电压到电流转换器作为电流源。在这种方法中，可利用具有高共模耐压的差分放大器。
逆向转换器
现参见图4，其示出了逆向DC-DC转换器400的示意图。如以上关于降压-升压DC-DC转换器300的描述，无源PFC电路200的输出终端280和290用作逆向转换器400的输入终端。从无源PFC电路200传送的功率通过终端280和290发送到逆向转换器400。
逆向转换器400以有些类似于降压-升压DC-DC转换器300的方式运行。例如，逆向转换器400包括与控制器415耦接的n型FET晶体管410，以控制何时逆向转换器400存储来自无源PFC电路200的电能以及何时它将电能传送给灯泡和/或点火器。当晶体管410导通时，电能被存储在变压器420的初级绕组。与降压-升压DC-DC转换器300相反，存储在变压器420的初级绕组中的电能被发送到变压器420的次级绕组，并且在晶体管410截止且变压器420的次级绕组两端存在足够的电位时传送该电能到正向偏压二极管430和460。此外，以类似于降压-升压DC-DC转换器300的方式，逆向转换器400包括输出电容器400和输出电感器450，用于滤波发送到逆向转换器400的输出终端470的DC功率。
逆向转换器400与无源功率因数校正电路200协作，以与降压-升压直流到直流转换器300实质上类似的方式作为恒定电源运行。例如，类似于以上结合图3所做描述，逆向转换器400可以以不连续的模式运行。
可以理解的是，在灯驱动电路100中，逆向转换器400与降压-升压DC-DC转换器300在运行中的一个差别是逆向转换器400在变压器420中具有分离的绕组，用于充电(存储电能)和放电(发送电能)。对于变压器420，初级绕组是充电绕组而次级绕组是放电绕组。相比之下，降压-升压直流到直流转换器300对电感器320的单个绕组充电和放电。变压器420的分离的充电绕组和放电绕组允许根据转换器的内部运行电压独立选择用于逆向转换器400的输出基准。
例如，逆向转换器400还包括灯返回信号终端480。与降压-升压DC-DC转换器300的灯返回信号终端380相反，变压器420将灯返回信号终端480与终端280分隔。因此，对于这种特定结构，灯电压和/或灯电流可基于灯返回信号(例如结合其他信号)直接确定。实际上，灯返回信号可与灯驱动电路(其中实现逆向转换器400)的剩余部分相同的电接地基准耦接。
EMI滤波器电路
图5是可作为如图1所示的灯驱动电路100中EMI滤波器110来实现的EMI滤波器电路500的示意图。在这种实施例中，EMI滤波器电路500的终端202和204与图2所示的无源PFC电路200耦接。如上所述，这种EMI滤波器电路防止电压转换器噪声(例如高频噪声)污染灯驱动电路100所连接的AC电源线路。作为额外的益处，EMI电路500还可防止出现在AC供电线路的噪声被发送到例如这种如图1-图4所示的功率转换器。通常，包含切换转换器的电路(例如灯驱动电路100)包括某种类型的EMI滤波装置，例如EMI滤波器500。由于这种电路是已知的，所以为了简明的目的，这里不进一步详细描述EMI滤波器500。
结论
尽管上面描述了一些观点和实施例，在阅读本说明之后，本领域技术人员将认识到对这些方案和实施例的一些修改、改变、补充和子组合。因此，所附权利要求和权利要求书应被解释为包括全部落入本发明真正的精神和范围内的修改、变化、补充和子组合。

Claims (20)

1、一种灯驱动电路，包括：
无源功率因数校正(PFC)电路，其中所述无源PFC电路在运行中与交流(AC)电源耦接；
直流到直流(DC-DC)功率转换器，与所述无源PFC电路耦接，其中所述DC-DC功率转换器与所述无源PFC电路协作而作为恒定能量转换器运行；以及
灯电路，与所述DC-DC功率转换器耦接。
2、如权利要求1所述的灯驱动电路，其中所述灯电路包括：
灯点火器电路，与所述DC-DC功率转换器耦接；以及
灯泡，与所述灯点火器耦接。
3、如权利要求2所述的灯驱动电路，其中所述灯泡包括高压短弧灯泡。
4、如权利要求1所述的灯驱动电路，其中所述无源PFC电路包括填谷电路。
5、如权利要求1所述的灯驱动电路，其中所述填谷电路包括：
桥式整流电路，与所述AC电源耦接；以及
充电存储器和传送电路，与所述桥式整流电路和所述DC-DC功率转换器耦接，并且位于所述桥式整流电路与所述DC-DC功率转换器之间。
6、如权利要求5所述的灯驱动电路，其中所述充电存储器和传送电路包括：
多个电容器；
多个二极管；以及
至少一个电阻器，
其中所述多个电容器、所述多个二极管和所述至少一个电阻器排列成，在运行中，在与所述AC电源相关联的线路电压大于阈值电平时所述多个电容器串联充电，且在所述线路电压小于所述阈值电平时所述多个电容器并联放电。
7、如权利要求6所述的灯驱动电路，其中所述阈值电平是所述线路电压的标称峰值的一半。
8、如权利要求1所述的灯驱动电路，还包括：
电磁干扰(EMI)滤波器，与所述无源PFC电路耦接，其中，在运行中，所述无源PFC电路经由所述EMI滤波器与所述AC电源耦接。
9、如权利要求8所述的灯驱动电路，其中所述EMI滤波器包括电阻性、电感性、电容性的电路。
10、如权利要求1所述的灯驱动电路，其中所述直流到直流功率转换器包括：逆向DC-DC功率转换器，其在运行中不连续地运行。
11、如权利要求1所述的灯驱动电路，其中所述DC-DC功率转换器包括：降压-升压转换器，其在运行中不连续地运行。
12、一种灯驱动电路，包括：
电磁干扰(EMI)滤波器，其中所述EMI滤波器在运行中与交流(AC)电源耦接；
无源功率因数校正(PFC)电路，与所述EMI滤波器耦接；
直流到直流(DC-DC)功率转换器，与所述无源PFC电路耦接，其中所述DC-DC功率转换器与所述无源PFC电路协作而作为恒定能量转换器运行；以及
灯电路，与所述DC-DC功率转换器耦接。
13、如权利要求12所述的灯驱动电路，其中所述无源PFC电路包括填谷电路。
14、如权利要求12所述的灯驱动电路，其中所述DC-DC转换器包括：逆向DC-DC转换器，其在运行中不连续地运行。
15、如权利要求12所述的灯驱动电路，其中所述DC-DC转换器包括：降压-升压DC-DC转换器，其在运行中不连续地运行。
16、一种灯驱动电路，包括：
无源功率因数校正(PFC)电路，其中所述无源PFC电路在运行中与交流(AC)电源耦接；
直流到直流(DC-DC)功率转换器，与所述无源PFC电路耦接，其中所述DC-DC功率转换器与所述无源PFC电路协作而作为恒定能量转换器运行，且其中所述DC-DC转换器不连续地运行；以及
灯电路，与所述DC-DC功率转换器耦接。
17、如权利要求16所述的灯驱动电路，其中所述无源PFC电路在运行中：
将所述AC电源生成的AC功率信号整流，以生成整流信号；以及
在所述AC功率信号的每个周期中，存储实质固定量的电能并且将该固定量的电能传送到所述DC-DC转换器，
其中在所述整流信号大于阈值电平时存储电能，而在所述整流信号小于所述阈值电平时将所存储的电能传送给所述DC-DC功率转换器。
18、如权利要求17所述的灯驱动电路，其中所述阈值电平大约是所述AC电源的线路电压的标称峰值的一半。
19、如权利要求16所述的灯驱动电路，其中所述DC-DC转换器包括逆向DC-DC转换器。
20、如权利要求16所述的灯驱动电路，其中所述DC-DC转换器包括降压-升压DC-DC转换器。
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