使用可调谐振荡器进行高分辨率脉宽调制(PWM)频率控制

摘要

一种荧光灯光强度调光控制件产生处于约百分之五十工作循环下的脉宽调制(PWM)信号且具有非常细的频率改变粒度以允许精确且平滑的光调光能力。借助可变频率时钟源给PWM产生器提供通常从所述PWM产生器的周期寄存器中的值产生的频率之间的中间PWM信号频率。可依据存储于可变频率时钟寄存器中的值确定从多个频率中对每一频率的选择，所述多个频率可从所述可变频率时钟源获得。可使用微控制器从所述可变频率时钟源选择用于荧光灯的调光控制的适当频率，且周期及工作循环值用于产生处于约百分之五十工作循环下的所述PWM信号。

说明书

相关申请案交叉参考

本申请案主张优先于斯蒂芬·保灵(Stephen Bowling)、詹姆斯·巴特灵(James  Bartling)及伊戈尔·沃捷达(Igor Wojewoda)在2009年4月13日提出申请、标题为“使 用可调谐振荡器进行的高分辨率脉宽调制(PWM)频率控制”且出于所有目的而以引用 的方式并入本文中的第61/168,651号共同拥有的美国临时专利申请案。

技术领域

本发明涉及荧光灯电子调光装置，且更特定来说涉及一种使用从极高分辨率可调谐 振荡器接收时钟频率的脉宽调制(PWM)产生器的电子调光装置。

背景技术

随着转换到产生光的更高效的方法(例如荧光灯的使用)的推进，存在对以经济成 本提供例如调光等特征的需要。图1中展示典型的共振电路荧光照明镇流器及荧光灯。 可通过将此电路表示为两个等效的电阻器-电感器-电容器(RLC)电路来理解操作。图2 中所示的第一等效电路在特定频率下串联共振，所述特定频率的选择取决于组件的挑选 及振荡器电路的控制分辨率。举例来说，可选择处于约70kHz下的频率，其将为电感 器110与灯丝电容器116(Cf)的串联共振。图3中展示第二等效电路。注意，在两个 等效电路中，已用短路(零电阻)替换电容器114(C)。电容器114的功能为执行DC 阻挡(仅允许AC信号穿过电路)且出于此目的经挑选而具有高电容值。在这些等效电 路中将其建模为短路(在AC信号频率下的低阻抗连接)。

当荧光灯112关断时，首先在频率F_High下驱动镇流器。此频率经挑选而高于RLC 电路的共振频率点，且为设计特定的，但出于实例性目的可为约100kHz。在此频率下， 图2最佳地表示所述灯的等效电路，因为灯气体尚未被电离。图4中展示电路相对于电 流的频率响应。此处的目的是使电流通过灯的灯丝，此通常称作‘预先加热’间隔(1)。 当灯丝热到足以使周围的灯气体电离时，降低驱动频率。此致使RLC电路被扫描为接 近其共振频率，从而导致跨越所述灯的电压的增加。在灯的‘起弧’电压(2)下所述 灯中将出现电弧，且所述电弧将点燃(电离)气体。

灯‘点燃’意指气体现在经电离到足以传导电流。现在称灯112接通(产生可见光)。 此时，图3最佳地描述灯镇流器电路的行为。注意，灯112现在表现得像与并联R及 Cf串联的L。在此情况下，R是灯112中的电离气体的电阻，且Cf是灯丝电容716。一 旦灯112被点燃，电压就保持相当恒定，但来自荧光灯的光强度将随到其的频率改变而 变化。典型的有用调光范围可发生于介于从约50KHz到约100KHz的范围内，展示为 图4的第二曲线(3)。流动穿过荧光灯的电流越多(跨越灯112的灯丝的电压越高)， 光强度就越大。可通过调整到灯112的输入信号的频率来控制流动穿过灯112的电流。 可由通常在控制装置120外部的一对晶体管106与108来驱动灯112及电抗电路。框内 的所有其它元件通常为控制装置120的一部分。以互补方式驱动功率晶体管106与108， 使得顶部晶体管106在周期T的一部分内接通，且底部晶体管108在所述周期的剩余部 分内接通。在接通时间之间使用静时间间隔，使得两个功率晶体管106与108决不在相 同时间导通(参见图8)。

为了控制荧光灯，静时间单元必须接收具有约50％的工作循环的可变频率信号。在 基于微控制器的应用中可由脉宽调制(PWM)产生器结合时钟(例如，电阻器电容器(RC) 振荡器)提供信号。PWM产生器具有产生具有可控制的可变频率及工作循环的数字信 号的能力。通过改变PWM周期寄存器的值来调整PWM信号的频率，同时通过改变PWM 工作寄存器的值将工作循环维持为大致百分之五十(50)(参见图6)。

荧光灯镇流器制造商需要超高频率分辨率来提供对荧光灯的平滑且准确的调光控 制。PWM产生器的频率步长分辨率随到其的输入时钟频率及所要的灯激励频率而变。 然而，在典型的PWM产生器应用中，PWM周期寄存器调整不能够产生足够小的频率 步长来精确地控制灯电流(光强度)。为了提供此分辨率(例如处于100kHz下)，将 需要以超过50MHz的时钟频率来驱动用于控制荧光灯调光的脉宽调制(PWM)产生器。

发明内容

需要一种改进对荧光灯的调光控制的方式。因此，通过供应可调谐振荡器作为到脉 宽调制(PWM)产生器的时钟输入，可实现极高分辨率频率PWM产生器而不必需超高 频率振荡器。通过使用可以小频率步长调谐的振荡器，可以约(例如但不限于)16MHz 的输入时钟频率实现相同结果，而不必借助于(例如)超过50MHz的功率消耗超高频 率振荡器。低得多的频率时钟振荡器的使用还具有以下优点：较低的所产生电磁干扰 (EMI)、较低的功率消耗及较低的装置制作及工艺成本。

根据本发明的教示内容，可使用与RC振荡器结合的调谐寄存器OSCTUN来形成精 确的可变频率时钟源，其向PWM产生器供应可在荧光灯调光装置中用于荧光灯的光强 度的精确控制的精确可调谐时钟频率。

OSCTUN寄存器可在这些情况下用于提供RC振荡器(其为PWM产生器时钟源) 的细频率调整。针对PWM周期寄存器的每一值，OSCTUN寄存器可经修改以提供一个 或一个以上中间频率调整步骤。RC振荡器输出可任选地连接到PLL以增加PWM产生 器时钟的频率。

根据本发明的特定实例性实施例，一种具有使用脉宽调制(PWM)控制由荧光灯产 生的光量的电子照明镇流器的可调光荧光灯系统包括：时钟振荡器，其能够产生多个时 钟频率中的任一者；脉宽调制(PWM)产生器，其用于产生PWM信号，其中所述PWM 产生器从所述时钟振荡器接收处于所述多个时钟频率中的选定一者下的时钟信号；电 路，其用于将所述PWM信号转换为高及低驱动信号；第一电源开关，其由所述高驱动 信号控制；第二电源开关，其由所述低驱动信号控制；电感器，其耦合到所述第一及第 二电源开关，其中所述第一电源开关将所述电感器耦合到供应电压，所述第二电源开关 将所述电感器耦合到供应电压共用源，且所述第一及第二电源开关分别将所述电感器与 所述供应电压及供应电压共用源解耦；直流(DC)阻挡电容器，其耦合到所述供应电压 共用源；荧光灯，其具有第一及第二灯丝，其中所述第一灯丝耦合到所述电感器且所述 第二灯丝耦合到所述DC阻挡电容器；及灯丝电容器，其将所述荧光灯的所述第一与第 二灯丝耦合在一起；其中所述PWM信号的粗频率步长由所述PWM产生器提供，且所 述PWM信号的细频率步长通过从所述多个时钟频率中选择适当频率来提供。

根据本发明的另一特定实例性实施例，一种用于使用脉宽调制(PWM)来控制可调 光电子照明镇流器的方法包括以下步骤：产生具有选自多个时钟频率的频率的时钟信 号；及产生具有多个脉宽调制(PWM)信号频率中的任一者的PWM信号，其中所述 PWM信号是从所述时钟信号导出的；其中所述PWM信号具有通过所述PWM产生器的 周期及工作循环值提供的粗频率步长及通过从所述多个时钟频率中选择适当频率提供 的细频率步长。

根据本发明的又一特定实例性实施例，一种用于供应可变频率脉宽调制(PWM)信 号以用于控制荧光灯的光亮度的数字装置包括：时钟振荡器，其能够产生多个时钟频率 中的任一者；脉宽调制(PWM)产生器，其用于产生PWM信号，其中所述PWM产生 器从所述时钟振荡器接收处于所述多个时钟频率中的选定一者下的时钟信号；及电路， 其用于将所述PWM信号转换为高及低驱动信号；其中所述PWM信号的粗频率步长由 所述PWM产生器提供，且所述PWM信号的细频率步长通过从所述多个时钟频率中选 择适当频率来提供。

附图说明

结合附图参考以下说明可获取对本发明的揭示内容的更完全理解，在附图中：

图1图解说明典型共振电路荧光可调光照明镇流器及荧光灯电路的示意图；

图2图解说明图1的等效电路的示意图，其中荧光灯气体尚未被电离；

图3图解说明图1的等效电路的示意图，其中荧光灯气体已被电离且电流正从中流 动；

图4图解说明荧光灯电路在气体电离之前及之后的频率对电压响应的示意图；

图5图解说明根据本发明特定实例性实施例的脉宽调制(PWM)荧光灯调光电路的 示意性框图；

图6图解说明可在图5中所示的PWM荧光灯调光电路中使用的PWM产生器的示 意性框图；

图7图解说明用于将方波转换成用以接通及关断图5中所示的功率切换晶体管的两 个驱动信号的典型电路的示意性框图；

图8图解说明来自图7中所示的电路的输出波形的示意性波形时序图；

图9图解说明根据本发明另一特定实例性实施例的使用锁相环路(PLL)的可调谐 时钟振荡器的示意性框图；且

图10图解说明根据本发明又一特定实例性实施例的进一步包括电流感测电阻器的 图5荧光灯电路的示意图。

尽管本发明易于做出各种修改及替代形式，但在图式中是展示并在本文中详细说明 其特定实例性实施例。然而，应理解，本文对特定实例性实施例的说明并非打算将本发 明限定于本文所揭示的特定形式，而是相反，本发明打算涵盖所附权利要求书所界定的 所有修改及等效形式。

具体实施方式

现在参考图式，示意性地图解说明特定实例性实施例的细节。图式中，相似的元件 将由相似的编号表示，且类似的元件将由带有不同小写字母后缀的相似编号表示。

根据本发明的教示内容，可通过使用集成电路数字装置(例如，微控制器集成电路) 来实施用于对荧光灯进行调光的脉宽调制技术。现在参考图5，其描绘根据本发明特定 实例性实施例的脉宽调制(PWM)荧光灯调光电路的示意性框图。大体由编号500表示 的PWM荧光灯调光电路可包括数字装置502、高侧及低侧驱动器510、高侧功率切换晶 体管106、低侧功率切换晶体管108、电感器110、荧光灯112、灯丝电容器116及DC 阻挡电容器114。功率切换晶体管驱动器510可用于将来自数字装置502的低输出电压 变换为操作高侧功率切换晶体管106及低侧功率切换晶体管108所需的高电压电平。数 字装置502可用于分别接通或关断功率切换晶体管驱动器510的高侧驱动器，且关断或 接通低侧驱动器。当高侧驱动器接通时，高侧功率切换晶体管106允许电流沿一个方向 流动穿过共振RLC荧光灯电路(电感器110、荧光灯112及DC阻挡电容器114)，且 当低侧驱动器接通时，低侧功率切换晶体管108允许电流沿另一方向流动穿过共振RLC 荧光灯电路(电感器110、荧光灯112及DC阻挡电容器114)。高侧功率切换晶体管 106与低侧功率切换晶体管108两者无法同时接通。还需要静区，例如，高侧功率切换 晶体管106与低侧功率切换晶体管108两者均关断(参见图8)。此可借助在数字装置 502中运行的硬件功能(例如，固件及处理器、可编程逻辑或门阵列等)或通过例如图 7中所示的硬件电路来容易地实现。数字装置502可通过交替地接通功率切换晶体管驱 动器510的高侧与低侧输出来合成交流(AC)信号。通过仔细控制功率切换晶体管驱动 器510的高侧及低侧输出的持续时间，合成处于选定频率下的AC电力。数字装置502 可包括微处理器、微控制器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑阵列(PLA)等。所 述功率切换晶体管可为(例如但不限于)金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)、绝缘 栅极双极型晶体管(IGBT)等。

处于特定频率下的AC电力产生施加到电感器110、荧光灯112与DC阻挡电容器 114的组合的AC线电压。所述特定频率可选择用于起始灯气体电离并控制穿过电离气 体的电流，借此控制来自荧光灯112的光强度。

数字装置502包括脉宽调制(PWM)产生器504、用作PWM产生器504的计时信 号的可变频率时钟506及用于存储可变频率时钟506的“单板频率(veneer frequency)” 偏移的数字表示的可变频率时钟寄存器508。可变频率时钟506使得能够在选择待由 PWM产生器504产生的功率驱动频率时使用较细频率粒度，如本文中更全面地描述。 可变频率时钟506可包括电阻器-电容器(RC)振荡器或可在小范围的频率内调谐的任 何其它类型的振荡器。

参考图6，其描绘可在图5中所示的PWM荧光灯调光电路中使用的PWM产生器 的示意性框图。通常，计时器/计数器602从零递增计数直到其在比较器606的确定下达 到周期寄存器604所规定的值为止。每当在计数器602的时钟输入处接收到时钟信号622 时就使计数器602递增。周期寄存器604含有表示确定PWM周期的最大计数器值的用 户规定的值。当计时器/计数器602匹配周期寄存器604中的值时，通过来自比较器606 的复位信号将计时器/计数器602清零且循环重复。工作循环寄存器608存储用户规定的 工作循环值。借助比较器610将来自计数器602的计数值与工作循环寄存器608中的工 作循环值进行比较。每当计时器/计数器602值小于或等于存储于工作循环寄存器608 中的工作循环值时，比较器610就断定PWM输出信号620(驱动为高)，且当计时器/ 计数器值602大于存储于工作循环寄存器608中的工作循环值时，解除断定PWM输出 信号620(驱动为低)。

通过接合时钟信号622的频率选择适当的工作循环及周期值，可产生在宽频率范围 内的大致百分之五十(50)工作循环方波以用于对来自荧光灯112的光强度(亮度)的 调光控制。时钟信号622可在窄频率范围内变化以便在于对周期值的改变之间通常可获 得的频率之间细调PWM信号频率，如本文中更全面地描述。此实现PWM频率的较细 粒度，使得当对荧光灯光强度(亮度)进行调光时存在较精确且较平滑的控制。

PWM频率为时钟信号622频率除以周期寄存器中的值。将对应值加载到工作循环 寄存器中，使得PWM信号620具有大致50％的工作循环，例如，在PWM周期的约一 半内接通且在PWM周期的另一半内关断。PWM周期为PWM频率的倒数。因此，PWM 信号620的频率通过时钟信号622的频率除以存储于周期寄存器604中的“周期计数值” 确定。举例来说，使用16MHz的时钟频率及160的周期计数值将产生处于100KHz的 频率下的PWM信号620。下文的表I展示在16MHz的时钟频率下PWM信号频率及相 关联周期计数值中的一些。表I中并未展示每一个周期计数值，但PWM产生中的数字 电路领域的且受益于本发明的技术人员将容易理解可使周期计数值递增或递减一(1)。

根据本发明的教示内容，当对时钟频率进行频率加或减偏移时，实现较细频率粒度 控制，如下文的表II中所示。可通过可变频率时钟寄存器508对可变频率时钟506(图 5)进行频率加或减修整。数字装置502经编程以将周期值加载到周期寄存器604中以 便在由这些周期值及时钟信号622的频率确定的频率下产生PWM信号620。数字装置 502还经编程以通过可变频率时钟寄存器508控制可变频率时钟506的频率以便增加所 得PWM信号620的频率粒度。此特征允许在荧光灯光强度的调光上的较精确且均匀的 控制。数字装置502还经编程以将适当工作循环值加载到工作循环寄存器608中以便将 PWM信号的工作循环维持于大致百分之五十。

表I

  时钟-16MHz   PWM频率(Hz)   周期寄存器   100,000   160   88,888   180   80,000   200   76,190   210   74,419   215   74,074   216   73,733   217   73,394   218   73,059   219   72,727   220   71,111   225   69,565   230   66,666   240   61,538   260   57,143   280   53,333   300   50,000   320

当时钟信号622的频率固定于16,000,000赫兹(Hz)下时，PWM信号620的频率 步长可仅在每步长约340到345Hz(周期寄存器值)下改变。这些频率步长对于荧光灯 光强度(亮度)的平滑调光控制来说可为太粗。

表II

当可将时钟频率设定为如上文的表II中所指示的多个频率中的任一者时，则可从 PWM信号620获得的频率步长在粒度上细得多且可在每步长约48Hz下改变。根据本 发明的教示内容，此大小的频率步长改变允许对荧光灯光强度的非常平滑的调光控制。 修改可调谐振荡器以实现甚至更细的调整步长可进一步增加分辨率而不需要高PWM频 率。因此，本文中涵盖且在本发明的范围内，可根据本发明的教示内容使用其它及进一 步的频率步长改变大小。本文中还涵盖一时钟频率范围，举例来说，在上文的表II中， 展示时钟频率在正或负百分之二(2)内变化稍许。取决于允许某一范围频率步长改变 的PWM产生器的位的数目，时钟频率可在(但不限于)以下范围内变化：从时钟振荡 器的中心频率的约百分之一(1)到约百分之五(5)。

参考图7，其描绘用于将方波转换成用于接通及关断图5中所示的功率切换晶体管 106及108的两个驱动信号的典型电路的示意性框图。触发器730以及NOR门734及 736分别产生高输出及低输出，其为互斥的，即，当一者接通时而另一者关断。高侧功 率切换晶体管接口740驱动高侧功率切换晶体管106的栅极，且低侧功率切换晶体管接 口738驱动低侧功率切换晶体管108的栅极。图8中展示来自功率切换晶体管驱动器510 的典型波形。本文中涵盖且在本发明的范围内，可使用许多其它逻辑电路设计将PWM 方波信号转换成如本文中所描述的两个或两个以上驱动信号，且数字电路设计领域的且 受益于本发明的技术人员可容易设计此类电路。举例来说，一些荧光灯应用使用四个开 关的全桥，所述四个开关需要四个驱动信号来用于其控制。

参考图9，其描绘根据本发明另一特定实例性实施例的使用锁相环路(PLL)的可 调谐时钟振荡器的示意性框图。所述PLL包括压控振荡器(VCO)902、N-分频器904、 频率/相位检测器906、可调谐参考振荡器910及振荡器调谐寄存器908。所述PLL可用 于为PWM产生器504产生时钟信号622a且具有以下优点：可从较低频率可调谐参考振 荡器910产生较高频率时钟信号622a。可将参考振荡器910设定为多个频率中的任一者 且由振荡器调谐寄存器908控制频率选择。一些应用可不需要对使用PLL的可调谐时钟 振荡器的使用，且本发明中涵盖可使用任何类型的时钟振荡器。

图10图解说明根据本发明又一特定实例性实施例的进一步包括电流感测电阻器的 图5荧光灯电路的示意图。当将感测电阻器1016添加到图5的电路时，可通过测量穿 过感测电阻器1016的电流来实施对荧光灯的视在亮度的反馈控制。穿过感测电阻器1016 的电流与穿过灯112的电流大致相同。穿过感测电阻器1016的电流将跨越感测电阻器 1016产生与灯电流成比例的电压。可将此电压馈送到数字装置502a的模/数转换器 (ADC)中。

存在若干种可经实施以使荧光灯亮度的操作稳定的反馈控制技术。可以软件实施在 文献中称为PID控制(比例积分微分)的常见技术以使荧光灯亮度的稳定性最大。PID 控制环路可使用表示荧光灯亮度的此模拟输入来调整灯调光电路以便递送恒定的所感 知灯亮度级。

也就是说，如果灯的用户调整需求70％亮度级的灯控制，那么在数字装置502a上 运行的软件程序可将此视为需求亮度级。对穿过荧光灯112的电流的检查将指示荧光灯 112的目前视在亮度。如果值不一致，那么可向上或向下调整荧光灯112的调光以增加 或减小穿过荧光灯112的电流。随着荧光灯112由于其新的亮度设定而在温度上增加或 减小，亮度可漂移。经由微控制器的软件程序进行的反馈控制将维持需求亮度，而不论 荧光灯112中的温度转变(例如，漂移或瞬变)如何。

尽管已参考本发明的实例性实施例来描绘、描述及界定本发明的各实施例，但此参 考并不意味着限定本发明，且不应推断出存在此限定。所揭示的标的物能够在形式及功 能上具有大量修改、更改及等效形式，相关领域的且受益于本发明的技术人员将会联想 到此些修改、更改及等效形式。所描绘及所描述的本发明的各实施例仅作为实例，而并 非是对本发明范围的穷尽性说明。