专利名称：操作控制电路的电荷泵电路的制作方法
技术领域：
本申请涉及在大于基波切换频率的频率谐振的高频谐振反相器电路。更加具体地说，本申请涉及谐振反相器电路，所说的谐振反相器电路从灯的输出端子上的开路状态到灯的输出端子上的短路状态连续地操作，并且将利用特定的参考基准对所说的谐振反相器电路进行描述。
背景技术：
在一般情况下，高频反相器利用谐振模式来点燃所说的灯。谐振操作模式需要反相器在其谐振频率附近操作一个谐振电路，以使输出电压能够达到足够大的幅度(通常2千伏-3千伏)从而点燃所说的灯。由反相器电路产生的方波被提供给谐振电路，谐振电路在基波切换频率的三次谐波或者甚至于更高次谐波处发生谐振。然而，在以高频操作的谐振反相器电路中，不可能实现期望的零电压切换。这在反相器中引起很大的功率消耗。
为了解决这个问题，可以使用一个电源控制器(例如由Texas仪器公司制造的型号为UC3861的集成电路芯片)来提供脉冲使反相器“接通”和“断开”，以获得零电压切换和降低功率消耗。在一般情况下，电源控制器或者从谐振电路的一个部件导出功率，或者从反向器的输出端导出功率。这样的抽头兼顾了反向器的零电压切换的性质。在开路状态模式期间，太多的功率传递到功率控制器，使功率控制器的调节器消耗过量的功率。在短路状态模式期间，能够传送到功率控制器的功率太少，使功率控制器的欠电压锁定电路被激活。
因此期望向与灯的状态无关的功率控制器提供功率，而不会有过多的功率消耗，也不会引起欠电压锁定电路被激活。本发明试图提供一种新的改进方法和设备来解决上述的问题和其它的问题。
发明内容
按照本申请的一个方面，一种用于操作灯的镇流器包括一个反相器电路，对反相器电路进行配置，使其可产生一个控制信号。对一个谐振电路进行配置，以便按可操作方式耦合到所说的反相器电路上并且耦合到所说的灯上以便响应接收来自反相器电路的控制信号而产生谐振电压。一个箝位电路按可操作方式耦合到谐振电路以限制谐振电路两端的电压。一个倍增管电路按可操作方式耦合到谐振电路，以提升由箝位电路箝位的电压到足够启动灯的数值。一个脉冲电路包括一个功率控制器和一个电荷泵电路，功率控制器提供脉冲使反相器“接通”和“断开”，电荷泵电路用于操作功率控制器。电荷泵电路按可操作方式耦合到箝位电路以便从箝位电路导出电功率。
图1表示按照本发明的构思的一个镇流器电路；图2更加详细地描述了在镇流器电路中使用的一个倍增管；图3更加详细地描述了在镇流器电路中使用的一个脉冲电路；图4A-B描述了控制脉冲电路的功率控制器的电荷泵电路；图5表示在开路状态期间电荷泵电流箝位时间(vise time)的曲线图；图6表示在灯刚开始点亮的时间内电荷泵电流箝位时间(vise time)的曲线图；以及图7表示在稳定状态操作期间的电荷泵电流箝位时间(vise time)的曲线图。
具体实施例方式
现在参照附图1，镇流器电路10包括反相器电路12、谐振电路14、箝位电路16、和脉冲电路18。一个直流电压经过来自正电压端22的电压导体20和连接到地或公共端子26的公共导体24提供给反相器12。经过灯连接件30、32给灯28提供功率。
反相器12包括开关34和36，如MOSFET，它们串联连接在导体20和24之间以便激励谐振电路14。在一般情况下，谐振电路14包括谐振电感器38和谐振电容器40，用于设定谐振操作的频率。隔直电容器42防止过多的直流流过灯28。缓冲电容器44使反相器12能在零电压切换的情况下操作，在这里，MOSFET34和36在它们的对应的漏-源电压为0时变为导通和截止。
开关34和36协同动作以便在节点46上提供方波，从而激励谐振电路14。分别来自开关34和36的栅极线或控制线48和50每一个都包括一个对应的电阻52、54。二极管56、58与对应的电阻52、54并联连接，这使开关34、36的断开时间快于接通时间。实现不相等的断开时间和接通时间，提供开关34、36同时处在非接通状态的时间，从而可以通过使用存储在电感器38内的剩余能量将节点46上的电压从一个电压状态(如450伏)转变成另一个电压状态(如0伏)。
继续参照附图1并且进一步参照附图3，一般指定为60、62的栅极驱动电路还包括电感器64、66，电感器64、66是与电感器68相互耦合的二次绕组。栅极驱动电路60、62用于控制对应的开关34和36的操作。更加具体地说，栅极驱动电路60、62在上半周期内维持开关34“接通”，并且在下半周期内维持开关36“接通”。在节点46上产生方波，用于激励谐振电路14。双向电压箝位电路70、72分别并联连接到电感器64、66，每个箝位电路都包括一对背靠背的齐纳二极管。双向电压箝位电路70、72的作用是将栅-源电压的正向和负向偏移箝位到由背靠背的齐纳二极管的电压额定值确定的对应限制上。
继续参照附图1，通过箝位电路16的串联连接的二极管74和76箝位反相器12的输出电压，以限制所产生的用于启动灯28的高压。箝位电路16还包括电容器78、80，这两个电容器从本质上看是相互并联连接的。每个箝位二极管74、76跨接在相关的电容器78、80的两端。在灯启动之前，灯的电路是开路的，因为灯28的阻抗可视为极高的阻抗。由点燃灯的倍增管82产生在电容器42的两端的高压。谐振电路14由电容器40、42、78、80和电感器38组成，并被驱动至接近谐振。随着在节点84上的输出电压的增加，二极管74、76开始箝位，防止电容器78、80两端的电压改变符号并且将输出电压限制在不引起反相器12的部件过热的数值上。当二极管74、76正在箝位电容器78和80的时候，谐振电路变成由电容器40和电感器38组成。因此，当二极管74、76不导通时实现了谐振。
当灯28点亮时，灯的阻抗迅速降到约5欧姆。节点88上的电压也相应地降低。二极管74、76断续地箝位电容器78、80。谐振重新由电容器40、42、78、80和电感器38支配。
继续参照附图1并且进一步参照附图2，倍增管电路82提升由箝位电路16限制的电压。倍增管82跨在电容器42两端连接到两端子84、86，以便通过倍增在节点84上的反相器12的输出电压得到启动电压。在操作开始时，反相器12向端子84、86提供电压。电容器90、92、94、96、98与二极管100、102、104、106、108、110协同动作以便在半个周期内积累电荷，而在另外的半个周期期间将负电荷通过端子86卸载到电容器86中。在一般情况下，当反相器13的电压峰-峰值是500伏的时候，端子84、86两端的电压升到约-2千伏直流电压。
倍增管82是一个低直流偏置电荷泵倍增管。在稳态操作期间，倍增管82只向灯提供很小的直流偏置(约0.25伏)，这不会影响灯的操作或寿命。
继续参照附图1，使用脉冲电路18使反相器12“接通”和“断开”。在一般情况下，当灯28处在开路的时候，反相器12的功率消耗约为12-15瓦特。通常这不会产生问题，只是电缆必须承受约1.6千伏直流电压，这为标准电缆的使用设定了一个限值，标准电缆的额定值通常为600伏均方根值。脉冲电路18使反相器12 “接通”和“断开”，在接通时向灯28提供恒定高压约40-50毫秒，而在周期的其余时间内反相器12是断开的。最终的均方根值只有600伏，允许使用常规的600伏接线电缆。此外，这样的占空比将开路时的功率消耗减小到约2/3瓦特，因为反相器电路在约90％的周期期间是关闭的。
继续参照附图1并且进一步参照附图3，电荷泵电路120操作脉冲电路18的控制电路122。在一个实施例中，控制电路122是由Texas仪器公司制造的UC3861电路，当然还应该理解，还可以使用任何其它合适的控制电路。控制电路122连接到端子26和86，并且连接到电荷泵电路120的一个端子124。电荷泵电路120通过端子126从箝位电路16导出功率。在开始时，当灯28没有点亮时，反相器12驱动倍增管电路16到一个负的电压，在这个实施例中接近-2千伏，使电荷泵电路120的电解电容器128充电。耗尽型开关130处在导通模式。当负电压升高时，开关130的栅极电压负向减小，一直到开关130关断时为止，从而可以通过串联连接的电阻134使电容器132充电。电阻134通过电线136连接到控制电路122的5伏基准电压。当电容器132充电到约2伏时，它使控制电路122的故障管脚(fault pin)138能够关闭控制电路122和反相器12。更加具体地说，连接到电线140、142的控制电路122的输出驱动器变为不能操作，关闭向反相器12的相互耦合的电感器64、66提供电压的初级绕组68。电解电容器128停止通过反相器12充电。负电压逐渐下降，达到控制电路122的欠电压锁定(UVLO)值。这时，控制电路122复位，并进入低静态电流的状态。15微安的低静态电流使电解电容器128可通过连接到端子124的电线144充电。电解电容器128通过串联连接的电阻146、148充电。当电压升高到约16.5伏(如UC386881的欠电压锁定阈值电压)时，控制电路122允许输出驱动器操作，该输出驱动器接通反相器12。反相器12开始驱动倍增管82，使电容器128负向充电。这个过程重复到灯28点燃时为止。
继续参照附图1和3，并且还要参照附图4A-B，电荷泵电路120从反相器12的谐振电容的一个部件上导出功率。图4A-B表示当电荷泵电路120由电源152供电时在电荷泵电路中发生的操作流。更加具体地说，当反相器12处在“接通”状态时，电容器80通过电容器128周期性地充电和放电。继续参照附图4A，在上半周期内，当通过电容器80的电流反时针方向流动时，电容器80积累电荷。继续参照附图4B，在下半周期内，积累的电荷被卸载到电容器128内。更加具体地说，在下半周期内，电流的方向变为顺时针。与电容器80和电容器128串联连接的二极管160处在导通状态，允许电容器128通过电容器80充电。通过连接在电容器128两端的齐纳二极管162来调节这个电压。在一般情况下，这个电压被限制在14伏。
现在参照附图5-7，所示的电荷泵电路120与灯的状态无关。当灯28处在开路时，灯的电阻约为1兆欧姆，并且流入电荷泵120的电流约为77毫安，如图5所示。当灯28开始点亮时，它的电阻约为5欧姆，并且流入电荷泵电路120的电流约为51毫安，如图6所示。当灯28处在稳定状态时，它的电阻约为51欧姆，并且流入电荷泵电路120的电流约为68毫安，如图7所示。如图5-7所示，当灯的状态从开路变为稳定状态时，流入电荷泵电路120和控制电路122的电流基本上没有改变。这种设计的作用是防止在齐纳二极管162上的高的热消耗。
虽然可以理解使用具有不同部件值的各种各样的部件都可实现所述的电路，但可以提供下述的针对特定实施例的列表，其中的部件具有以下的值部件名称/标号部件值开关34 20NMD50开关36 20NMD50电感器38 90微亨电容器4020毫微法，630伏电容器4233毫微法，2千伏电容器44680微微法，500伏电阻器52100欧姆电阻器54100欧姆二极管56IN4148二极管58IN4148电感器641毫亨电感器661毫亨二极管箝位电路70IN4739，9.1伏二极管箝位电路72IN4739，9.1伏二极管748ETH06S二极管768ETH06S电容器781毫微法，500伏电容器801毫微法，500伏电容器90、92、94、98、100 150微微法，2千伏二极管100、102、104、106、108、110 1千伏电容器128 100微法，25伏开关130 2N4391电容器132 47毫微法电阻器134 1兆欧姆电阻器146、148 220千欧姆二极管160 IN4148齐纳二极管162 14伏已经参照说明性实施例描述了典型实施例。显然，在阅读和理解了以上的详细描述以后，将会产生修改和替换。我们期望，典型实施例应被解释为包括所有这样的修改和替换，只要这些修改和替换都落在所附的权利要求书和它的等效物的范围之内。
申请文件中部件名称/标号镇流器电路10反向器电路12
谐振电路14箝位电路16脉冲电路18电压导体20正电压端子22公共导体24地或公共端子26灯28灯连接体30、32开关34、36谐振电感器38谐振电容器40隔直电容器42缓冲电容器44节点46栅极线或控制线48、50电阻52、54二极管56、58栅极驱动电路60、62电感器64、66电感器68双向电压箝位电路70、72二极管74、76电容器78、80倍增管82端子84、86节点88电容器90、92、94、96、98二极管100、102、104、106、108、110电荷泵电路120控制电路122端子124
端子126电解电容器128开关130电容器132电阻134电线136故障管脚138电线140、142串联连接的电阻146、148电源152二极管160齐纳二极管16权利要求
1.一种用于操作灯(28)的镇流器(10)，包括一个反相器电路(12)，对反相器电路进行配置，使其产生一个控制信号；一个谐振电路(14)，对谐振电路进行配置，以便按可操作方式耦合到所说的反相器电路(12)并且耦合到所说的灯(28)上以便响应接收所说控制信号而产生谐振电压；一个箝位电路(16)，按可操作方式耦合到谐振电路(14)以限制谐振电路(16)两端的电压；一个倍增管电路(80)，按可操作方式耦合到谐振电路(14)，以将由箝位电路(16)箝位的电压提升到足够启动灯(28)的数值；和一个脉冲电路(18)，脉冲电路(18)包括一个功率控制器(122)，功率控制器提供脉冲使反相器(12)“接通”和“断开”；和一个电荷泵电路(120)，用于操作功率控制器(122)，电荷泵电路(120)按可操作方式耦合到箝位电路(16)以便导出电功率。
2.根据权利要求1所述的镇流器，其中箝位电路(16)包括第一箝位电容器(76)；第二箝位电容器(78)，按可操作方式与第一箝位电容器(76)并联连接；一对箝位二极管(72、74)，按可操作方式相互串联连接并且连接在电压导体(20)和公共导体(24)之间，其中每一个箝位二极管(72、74)按可操作方式连接到一个相关的电容器(76、78)的两端，以防止相关的电容器(76、78)两端的电压发生符号改变。
3.根据权利要求2所述的镇流器，其中电荷泵电路(120)包括一个电解电容器(128)，用于积累电荷并向功率控制器(122)提供功率；和一个二极管(160)，按可操作方式与电解电容器(128)和第二箝位电容器(78)串联连接，二极管(160)和第二箝位电容器(78)协同动作以促进在上半周期内第二箝位电容器(78)的充电和在下半周期内第二箝位电容器(78)通过电解电容器(128)的放电。
4.根据权利要求3所述的镇流器，其中从第二电容器(78)向电解电容器(128)供电防止在电荷泵电路(120)中流动的电流的数值发生相当大的变化。
5.根据权利要求4所述的镇流器，其中当灯(28)处在开路和短路模式之一时，在电荷泵电路(120)中流动的电流的数值的涨落不大于稳态电流数值的30％。
6.根据权利要求3所述的镇流器，其中电荷泵电路(120)还包括一个齐纳二极管(162)，齐纳二极管按可操作方式连接在电解电容器(128)的两端，以限制电荷泵电路(120)的电压为一个预定值。
7.根据权利要求6所述的镇流器，其中从第二电容器(78)向电解电容器(128)供电保护齐纳二极管(162)在灯(28)拆除时不会过热。
8.根据权利要求1所述的镇流器，其中反相器(12)包括第一开关(34)；第二开关(36)，按可操作方式与第一开关(34)串联连接；和控制电路(60、62)，每个控制电路都包括一个相关的控制电感器(64、66)，控制电路(60、62)协同动作以使第一开关(32)在上半周期内“接通”并且使第二开关(36)在下半周期内“接通”。
9.根据权利要求8所述的镇流器，其中功率控制器包括一个主电感器(144)，主电感器(144)按可操作方式与控制电感器(64、66)耦合，以提供脉冲使反相器(12)“接通”和“断开”。
10.根据权利要求1所述的镇流器，其中灯(28)是一个高强度放电灯。
全文摘要
按照本发明的一个方面，一种用于操作灯(28)的镇流器(10)包括一个反相器电路(12)，对反相器电路进行配置，使其产生一个控制信号。对一个谐振电路(14)进行配置，以便按可操作方式耦合到所说的反相器电路并且耦合到所说的灯上以便响应接收来自反相器电路的控制信号而产生谐振电压。一个箝位电路(16)按可操作方式耦合到谐振电路以限制谐振电路两端的电压。一个倍增管电路按可操作方式耦合到谐振电路以将由箝位电路箝位的电压提升到足够启动灯的数值。一个脉冲电路(18)包括一个功率控制器(122)，以提供脉冲使反相器“接通”和“断开”，以及包括一个电荷泵电路(120)，以操作功率控制器。电荷泵电路按可操作方式耦合到箝位电路以便从箝位电路导出电功率。
文档编号H03K3/00GK1638589SQ200410104478
公开日2005年7月13日 申请日期2004年12月31日 优先权日2004年1月2日
发明者L·R·内罗内 申请人:通用电气公司