專利名稱：使用自激柵極電路的調光控制技術的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于提供低成本熒光燈調光控制的裝置，并特別涉及對由自激柵極電路驅動的對熒光燈進行調光。本發明擴展到從非調光燈到調光燈的反向(retroactive)轉換，以及擴展到用于低成本熒光可調燈的新設計。
背景技術：
自激柵極/基極電路已經被提出且通常用作驅動整流器中的圖騰柱(totem pole switch)開關的低成本解決方法，尤其用在非可調的電子鎮流器的應用方面。基于低成本模擬自振蕩電路，能夠產生互補開關信號而不使用雙電源(power)電子開關的集成電路。通常，使用自激柵極/基極驅動電路的非可調電子鎮流器由標稱為恒定DC電壓源或僅具有有限波動的DC電壓進行供電。
圖1表示線性和小型熒光燈的典型的“低成本”非可調電子鎮流器的示意圖。其由包括如下(i)輸入額電磁干擾(EMI)濾波器，(ii)用于低功率應用(通常＜25W)的AC-DC電源轉換級，其通常可以是由輸出大容量電容器跟隨的二極管整流器，以及(iii)負載為放電燈的半橋電源轉換器電路。對于更高的電源應用(通常高于25W)而言，第二AC-DC電源級也可以是河谷堆積(valley fill)和/或提供功率因數校正[8，9]的電荷泵電路。在一些情況下，第二級和轉換器“集成”在一起，以形成所謂的單級電源電路。
供給半橋轉換器的DC鏈電壓(link voltage)是具有一定電壓波動的標稱常量，或具有有限的電壓變化，或者如果河谷堆積型電路被用于無源AC-DC電源轉換級，用于功率因數校正。
對于低成本應用，由于用于柵極/基極驅動的集成電路的去除能夠顯著地減少鎮流器的成本，所以自激的柵極/基極驅動電路已經普遍用于非可調的電子鎮流器中。圖2示出用于驅動熒光燈的電子鎮流器的非可調自激基極驅動電路的示意圖。該設計是廣泛用于線性和小型熒光燈的低成本的非可調電子鎮流器的設計。
該自激電路的工作細節已廣為人知，且在這里被簡要概述。C1是用于減少DC電壓紋波的DC穩定電容器。C4是隔直流電容器，用于消除由L1和C5組成的諧振回路(resonant tank)中的DC電壓分量。自激基極驅動電路包括變壓器，其包含兩個次級線圈T1和T2。T1和T2磁性耦合于與諧振電感器L1串聯連接的初級線圈，并且它們在它們各自的基極驅動電路中以相反的極性進行連接，該基極驅動電路包括電阻器(對于開關Q1的R3和對于開關Q2的R4)和二極管(對于Q1的D5和對于Q2的D6)。功率二極管D3和D4分別是用于功率開關Q1和Q2的續流(freewheeling)二極管。
當DC電壓被施加到電容器C2上時，電容器C2將會通過R1進行充電。當跨在C2上的DC電壓達到雙向擊穿二極管(diac)D2的擊穿電壓時(通常為32V)，雙向擊穿二極管D2將導通而電流會流過R1進入Q2的基極，且因此Q2導通。DC鏈電壓將接著被施加到以放電燈為負載的諧振體。當電流經過諧振體正在逐漸流入變壓器的初級線圈的同名端(dotted end)時，在線圈中產生抵抗流入電流的反電動勢(back eletromotive force)。因此，T2中產生感應變壓，以幫助底部功率開關Q2保持導電，并且(相對于T2而言相反極性的)T1中產生感應電壓，以保持Q1截止(off)。由于諧振體的工作，電流將大致符合正弦波形。當電流開始減少時，即，當電流的di/dt的變化為負比率時，在變壓器初級線圈中產生的電壓將會被反向，且因此T1和T2中的電壓也被反向，導致Q2截止而Q1導通。
變壓器初級線圈中的諧振電流因此在T1和T2中產生感應電壓，用于以加載的諧振體頻率確定的頻率、以適當的時間進行轉換。該自激基極驅動工作不需要任何集成電路，并因此是低成本的解決方法。需要強調的是，該自激電路的工作頻率由加載的諧振體確定。諧振體的工作頻率將僅根據負載狀況而稍微改變。因此，自激基極/柵極驅動電路不允許半橋轉換器改變其主要用于調光目的的工作頻率，且通常只用于非調光鎮流器。另外，自激電路通常被設計用于具有限定變化的DC鏈電壓，且不能在很寬的DC電壓范圍上工作。
應當注意到，對由鎮流器控制的燈的傳統的調光是通過頻率控制而獲得的。通常，半橋轉換器的工作頻率從每單元1變化為大約每單元2，從而對放電燈從100％到大約10％進行調光。基于DC鏈電壓控制對電子照明系統進行調光控制已經在US 6486615的申請中提出。與頻率調光控制相比，該DC鏈電壓-控制調光方法已經使能量效率更佳，還使EMI輻射更少。在US 5416386中已經提及了重點在于dc鏈電壓控制的電子鎮流器，其中，逐步增大或加強型電源轉換器被用作預-轉換器。然而，在US 5416386中，DC鏈電壓一定比輸入的ac電壓的峰值更高。因此，DC鏈電壓必須比輸入電壓的均方根值rms高1.41倍(即，對于220V作為電源(mains)而言，高于310V)，且不能用作調光的目的。
在一些電子照明應用中，諸如桌面燈/臺燈/落地燈，調光功能通常不可用，尤其是當使用節能非可調的小型熒光燈時。本發明的目的，至少以其優選的形式，是用于提供一種裝置，由此傳統非可調照明裝置，例如桌面燈/臺燈/落地燈能夠被簡易地改為可調光的燈，即使使用了用于線性和小型熒光燈的非可調鎮流器的標準產品。例如，使用所提出的方法，調光特征能夠結合到使用通常可用的非調光小型熒光燈的臺燈中。可調的特征允許用戶對“非可調”的小型熒光燈產品進行調光。

發明內容
根據本發明，提供了一種可調光的照明系統，其包括由電子鎮流器驅動的熒光燈，該電子鎮流器包括自激驅動電路，以及用于提供可變DC電壓作為輸出的裝置，所述可變DC電壓是所述鎮流器的輸入。
優選地，用于提供可變DC電壓的裝置包括連接在AC電源和鎮流器之間的AC-DC電源轉換器。該轉換器可以是逐步增大/逐步下降后向(flyback)轉換器，或者是逐步下降前向轉換器，或者是能夠提供可變DC電壓的任何其它適用的轉換器。該轉換器還可以是功率因數校正的AC-DC轉換器。
在優選實施例中，用于提供可變DC電壓的裝置包括連接到AC電源的AC-DC轉換器，該AC-DC轉換器跟隨有提供所述可變DC電壓作為輸出至所述鎮流器的DC-DC電源轉換器。在某些情況下，AC-DC以及DC-DC轉換器可以集成在單級轉換器中。這尤其適用當系統具有多個并聯的燈的情況，且優選為AC-DC轉換器是功率因數校正的轉換器。
在一些實施例中，用于提供可變DC電壓的裝置分別由所述鎮流器和所述燈提供，且提供有使用于提供可變DC電壓的裝置能夠連接在AC電源和所述燈之間的連接裝置。在這個實施例中，有可能通過簡單地插入模塊而使傳統的非調光燈轉換為可調光燈，該模塊包括用于提供在AC電源和燈之間的可變DC電壓的裝置。該模塊可以提供有適用的連接(例如，螺紋或者卡口)，其使該模塊能夠連接到與電源相連的燈插座，且將提供有允許燈與模塊相連的對應的連接。當然可選地，用于提供可變DC電壓的裝置可以與所述鎮流器成為一體。
從另一更寬的方面來看，本發明提供一種用于使標稱為非可調燈能夠進行調光控制的裝置，其包括用于提供可變DC電壓的裝置，所述用于提供可變DC電壓的裝置具有連接裝置，該連接裝置使得所述用于提供可變DC電壓的裝置位于燈接頭(fitting)和所述燈之間。
從更寬的方面來看，本發明還提供一種用于提供由電子鎮流器驅動的標稱為非可調的燈的調光控制的方法，其包括自激驅動電路，包括提供可變DC電壓作為所述鎮流器的輸入。
還從更寬的方面來看，本發明還提供了一種將標稱為非可調的燈轉換為可調光的燈的方法，包括將能夠提供可變DC電壓的模塊連接到AC電源，以及將所述燈連接到所述模塊，由此將所述可變DC電壓提供為所述燈的輸入。


下面將借助例子并參考附圖描述本發明的一些實施例，其中圖1示出了傳統的低成本非可調的電子鎮流器的示意圖，圖2示出了如圖1所示的用于傳統鎮流器的典型電路，圖3示出了是本發明的實施例的示意圖，圖4示出了可以用于本發明的實施例的AC-DC轉換器的例子，圖5示出了可用于本發明實施例中AC-DC轉換器的另一個例子，圖6示出了施加到多個照明負載的本發明的實施例，
圖7示出了使用具有電壓幅值控制的電源頻率矩形電壓輸出的本發明的實施例，圖8示出了負載為電阻的LC諧振電路的特性，圖9繪制出本發明的例子中的作為DC鏈電壓的函數的自振蕩頻率的變化，以及圖10繪制出本發明的例子中的作為DC鏈電壓的函數的標稱為非可調的燈的亮度變化。
具體實施例方式
如從下面的描述中可以看出，本發明至少以其優選的形式提供了簡單的調光技術和調光模塊，該模塊能夠將指定為非可調光的鎮流器系統或者產品轉換為可調光。AC-DC電源轉換器被提出作為調光裝置，其能夠在寬電壓范圍(通常40V至380V)內提供可變的輸出DC電壓。這種可以被使用的AC-DC轉換器的例子包括被稱為后向轉換器的逐步增大/下降轉換器。更適于給多個照明裝置供電的另一個例子是電源電子系統，其包括功率因數校正的AC-DC轉換器(其提供標稱的常值DC電壓)，所述AC-DC轉換器跟隨有逐步下降電源轉換器(其在通常從40V至380V范圍內具有可控的DC輸出電壓)。當與用于線性或者小型熒光燈的標準非可調電子鎮流器相連時，其能夠使后者可調。
圖3至圖6示出了所提出的使用具有寬可控的DC輸出電壓范圍(通常從40V至380V)的AC-DC電源轉換器的概念，例如逐步增大/下降轉換器或者逐步下降轉換器，以使得非可調鎮流器設計是可調的。圖7示出該概念的延伸版本，以在電源頻率處產生用于對標稱為非可調的照明產品進行調光的可控ac矩形電壓。圖9和圖10示出示例性的結果。
圖1示出了諸如小型熒光燈的傳統非可調電子照明系統的示意圖。其包括用于提供標定為常值DC電壓的諸如整流器的前端AC-DC轉換級，以及在高頻處驅動燈的轉換器(inverter)。非可調的產品能夠被旋入照明裝置(例如臺燈)的燈座，但其不能被調光。但是，通過根據本發明的實施例在ac電源和照明裝置之間使用調光模塊，該照明裝置具有由照明裝置中的AC-DC逐步增大/下降轉換器提供的可變DC電壓源，電源轉換器通過燈連接器提供可控DC電壓，以及由此提供用于非可調的照明裝置的調光功能。
由電源轉換器提供的可變DC電壓將會通過EMI濾波器和二極管整流器(圖3)出現在非可調產品的DC電壓鏈電容器中。只要自激的半橋轉換器-放電燈系統在可以在一定范圍內變化的受控DC鏈電壓處正常起作用，就可以實現放電燈的調光。
一種可能的AC-DC電源變換器的例子如圖4所示，且在該例子中包括輸入濾波器、二極管整流器以及逐步增大/下降或者后向轉換器。圖5示出了包括輸入濾波器、具有大容量電容器的二極管整流器以及逐步下降(前向)轉換器的第二例子。兩個例子都能在寬的電壓范圍內提供可變的DC輸出電壓。但是，應該理解的是，AC-DC電源轉換器不限于這兩個例子，也可以使用其它形式的轉換器。
圖6示出了用于多個照明裝置的本發明的實施例。可變DC電壓可以由電源電子系統提供，該電源電子系統包括AC-DC(優選為功率因數校正的)電源轉換器，該AC-DC電源轉換器跟隨有電源逐步下降轉換器。如果需要高功率應用，這種形式更為適合。
本發明的一個重要的方面在于，盡管將諸如小型熒光燈的非可調照明裝置設計為由AC電源供電，但是其還能由可變DC電壓供電。即，如果產品由DC電壓源供電，則非可調照明產品的前端整流級還將提供用于轉換器電路的DC電壓鏈。因此，當能夠對外部DC電壓進行調整時，也能夠對非可調照明裝置中的轉換器電路供電的DC鏈電壓進行調整。只要照明系統中轉換器的驅動電路保持功能性，外部DC電壓控制就允許標稱為非可調照明產品/系統變成可調的。
應當注意到，當對放電燈進行調光時，它的燈弧電阻增大。用于放電燈的多個傳統的低成本電鎮流器在鎮流器轉換器中使用自激的柵極/基極驅動電路。因為轉換器通常使用電感-電容諧振電路來驅動燈，所以自激振蕩頻率(即，轉換器的轉換頻率)是LC電路的負載諧振頻率。圖8示出了負載為電阻的諧振電路的諧振特征。應當注意到，當對燈進行調光時(燈弧電阻增大)，自振蕩頻率將會變化(增大)。
已經進行了試驗，以證明本發明的實施例的實用性和有效性。一種“非可調”小型熒光燈(鎢絲20 W 1140流明白天3U 220V-240V50Hz/60Hz-鎢絲醇酸樹脂)與根據本發明的實施例(在圖4的情況下使用了AC-DC后向轉換器)的調光模塊的DC電壓輸出相連。
圖9示出了由DC電壓在電壓范圍內供給該“非可調”小型熒光燈的自激電子鎮流器的轉換頻率的測量到的變化。圖9示出了自激鎮流器的轉換頻率僅僅有較小程度的變化。如上所述，當對熒光燈進行調光時，其燈弧電阻增大，且自振蕩頻率稍微增加。在這種特殊情況下，在調光范圍內的轉換頻率的變化小于30％(其基頻率為40kHz)。
圖10示出了燈的調光特性，即，亮度隨著控制dc電壓的變化。應當注意到，對于傳統的頻率控制的可調光的電子鎮流器而言，轉換頻率的變化對于整個調光范圍而言通常為100％(即，從每單元1.0至每單元2.0)。示例性結果清晰地證明，在本發明的實施例中，調光功能主要由DC電壓控制而不是頻率變化來提供。
如果在本發明的實施例中，將具有寬的輸出電壓控制的AC-DC轉換器安裝在照明裝配中，且其可控的DC電壓被用作用于放電燈的連接器端的電源，那么標稱為“非可調”的電子鎮流器-放電燈產品能夠與連接器端子相連，從而“非可調”產品能變得可調。實際上，即使把白熾燈與端子相連，其在可變的DC電壓控制下也是可調的。因此，如果諸如臺燈的照明裝配具有AC-DC逐步增大/下降轉換器，該轉換器被安裝成提供用于照明裝置的可控電壓源，那么非可調小型熒光燈和白熾燈都能被旋進燈座的連接器，并且能夠被調光。如果用于線性熒光燈的“非可調”電子鎮流器由外部AC-DC逐步增大/下降轉換器供電，那么基于相同的原理非可調系統能夠變得可調。多個放電燈照明系統能夠由如圖6所示的一個系統供電。
上面的描述集中于存在“非可調”電子照明系統與外部連接的AC-DC轉換器一起使用，以形成可調光系統。但是，本發明不限于將具有寬的輸出電壓控制的AC-DC電源轉換器用作獨立的模塊。而是，AC-DC電源轉換器能夠集成在單個鎮流器電路中作為前端AC-DC電源級。本發明的這個方面的實質是組合使用了如圖9和圖10所示的電壓控制和自激的半橋轉換器。通過使用具有寬范圍電壓控制的AC-DC電源轉換器，以使自激鎮流器轉換器(圖2)成為集成設計(例如在使用熒光燈的臺燈產品中)，能夠產生低成本的可調光照明系統。
權利要求
1.一種可調光照明系統，其包括由電子鎮流器驅動的熒光燈，所述電子鎮流器包括自激驅動電路，以及用于將可變DC電壓作為輸出的裝置，所述可變DC電壓是所述鎮流器的輸入。
2.根據權利要求1所述的系統，其中，所述用于提供可變DC電壓的裝置包括連接在AC電源和所述鎮流器之間的AC-DC電源轉換器。
3.根據權利要求2所述的系統，其中，所述電源轉換器包括逐步增大/下降后向轉換器。
4.根據權利要求2所述的系統，其中，所述電源轉換器包括逐步下降前向轉換器。
5.根據權利要求2所述的系統，其中，所述電源轉換器是功率因數校正的AC-DC轉換器。
6.根據權利要求1所述的系統，其中，所述用于提供可變DC電壓的裝置包括連接到AC電源的AC-DC轉換器，所述AC-DC轉換器跟隨有提供所述可變DC電壓作為輸出至所述鎮流器的DC-DC電源轉換器。
7.根據權利要求6所述的系統，其中，所述AC-DC轉換器是功率因數校正的轉換器。
8.根據權利要求6所述的系統包括并聯的多個燈。
9.根據權利要求1所述的系統，其中，所述用于提供可變DC電壓的裝置分別由所述鎮流器和所述燈提供，且其中，所述用于提供可變DC電壓的裝置被提供有連接裝置，其使得所述用于提供可變DC電壓的裝置連接在AC電源和所述燈之間。
10.根據權利要求1所述的系統，其中，所述用于提供可變DC電壓的裝置與所述鎮流器成為一體。
11.用于使能標稱為非可調燈的調光控制的裝置包括，用于提供可變DC電壓的裝置，所述用于提供可變DC電壓的裝置具有連接裝置，所述連接裝置使所述用于提供可變DC電壓的裝置能夠位于燈接頭和所述燈之間。
12.根據權利要求11所述的裝置，其中，所述用于提供可變DC電壓的裝置包括AC-DC電源轉換器。
13.根據權利要求12所述的裝置，其中，所述電源轉換器包括逐步增大/下降后向轉換器。
14.根據權利要求12所述的裝置，其中，所述電源轉換器包括逐步下降前向轉換器。
15.根據權利要求12所述的裝置，其中，所述電源轉換器是功率因數校正的AC-DC轉換器。
16.根據權利要求11所述的裝置，其中，所述用于提供可變DC電壓的裝置包括AC-DC轉換器，其跟隨有提供所述可變DC電壓作為輸出至所述鎮流器的DC-DC電源轉換器。
17.根據權利要求16所述的系統，其中，所述AC-DC轉換器是功率因數校正的轉換器。
18.一種用于提供由電子鎮流器驅動的標稱為非可調燈的調光控制的方法，包括自激驅動電路，包括提供可變DC電壓作為所述鎮流器的輸入。
19.根據權利要求18所述的方法，其中，所述可變DC電壓通過在AC電源和所述鎮流器之間提供AC-DC電源轉換器而得到。
20.根據權利要求18所述的方法，其中，所述電源轉換器包括逐步增大/下降后向轉換器。
21.根據權利要求18所述的方法，其中，所述電源轉換器包括逐步下降前向轉換器。
22.根據權利要求18所述的方法，其中，所述電源轉換器是功率因數校正的AC-DC轉換器。
23.根據權利要求18所述的方法，其中，所述可變DC電壓由連接至AC電源的AC-DC轉換器提供，所述AC-DC轉換器跟隨有提供所述可變DC電壓作為輸出至所述鎮流器的DC-DC電源轉換器。
24.根據權利要求23所述的方法，其中，所述AC-DC轉換器是功率因數校正的轉換器。
25.根據權利要求18所述的方法，其中，所述可變DC電壓由位于AC電源和所述鎮流器之間的獨立模塊提供。
26.根據權利要求18所述的方法，其中，所述DC電壓由與所述鎮流器成為一體的裝置提供。
27.一種將標稱為非可調的燈轉換為可調光燈的方法，包括將能夠提供可變DC電壓的模塊與AC電源相連，以及將所述燈與所述模塊相連，由此，將所述可變DC電壓提供作為所述燈的輸入。
全文摘要
本發明描述了用于提供低成本熒光燈的調光控制的方法和技術，其中，該熒光燈由自激柵極電路驅動并被標稱為非可調的。調光功能通過將可變DC電壓輸入提供至鎮流器而獲得。有可能將現有的非可調的燈反向改為可調光的燈，或者形成新的低成本可調光的熒光燈。
文檔編號H05B41/282GK1883236SQ200480033884
公開日2006年12月20日 申請日期2004年9月22日 優先權日2003年9月22日
發明者S·R·回, S－H·H·鐘 申請人:研能雙樹有限公司