CN201352879Y - 使用脉宽调制调光的逆变器的控制电路 - Google Patents

Abstract

一种使用PWM调光的逆变器的控制电路，包括低频定时电容器、低频振荡器、低频PWM比较器、反馈控制电路及交流信号发生器，其中低频振荡器输出端耦接至低频定时电容器及低频PWM比较器输入端，低频PWM比较器输出端耦接至反馈控制电路。交流信号发生器产生适当大小及频率的交流电流对低频定时电容器充电，低频定时电容器的充电电流为原先的直流电流加上交流电流，低频振荡器输出端的低频斜坡电压依据交流电流的大小产生扰动，使低频PWM比较器输出端的低频PWM信号产生扰动。扰动的低频PWM信号通过反馈控制电路将逆变器的信号能量扩展到比较宽的频率范围上，以改善逆变器在低频PWM信号的使能及禁能期间转换瞬间产生的电磁干扰。

Description

使用脉宽调制调光的逆变器的控制电路

技术领域

本实用新型是有关于一种逆变器(inverter)的控制电路，且特别是一种使用脉宽调制(Pulse Width Modulation，简称PWM)调光的逆变器的控制电路。

背景技术

图1A为传统的冷阴极荧光灯(Cold Cathode Fluorescent Lamp，简称CCFL)电源系统的方块图；请参照图1A，交流市电输入传统电源系统1后，经过电磁干扰(ElectroMagnetic Interference，简称EMI)滤波器11滤除杂讯，再经过桥式整流器12整流变为直流脉动信号。为了符合谐波规范，电源系统输入功率大于75W者其直流脉动信号必须经过功率因数修正器(Power Factor Corrector，简称PFC)13来修正电流谐波失真，变为稳定的典型值400Vdc的直流电压Vbus以供电给待机电源转换器14及主电源转换器15。待机电源转换器14将直流电压Vbus变为典型值5Vdc的电源，其在待机模式下供电给主板(main board)的微控制器(Micro Controller Unit，简称MCU)来维持遥控接收器的工作，并将PFC 13及主电源转换器15关闭以降低待机功耗。主电源转换器15将直流电压Vbus变为典型值12Vdc、14Vdc或其它电压的电源以供电给音频、视频、控制模块或其它模块，并变为典型值24Vdc的电源以供电给逆变器16。逆变器16将主电源转换器15提供的典型值24Vdc的电源变为典型值1800Vac的交流电压Vlamp以启动CCFL，且在启动后从1800Vac降为800Vac即足以使CCFL稳定工作。

为了降低制造成本及提升转换效率，后来发展出一种LIPS架构的CCFL电源系统，其中LIPS为Lcd Integrated Power Supply的简称。图1B为现有的LIPS架构的CCFL电源系统的方块图；请同时参照图1A及图1B，不再像传统电源系统1的逆变器16是由主电源转换器15供电，LIPS电源系统2的逆变器26直接由PFC 13提供的典型值400Vdc的直流电压Vbus供电，因此驱动CCFL的电能减少了一级能量转换，即节省了一级转换效率的损失，而且可以降低主电源转换器25的设计功率及架构复杂度，既改善散热问题且降低制造成本。不过，由于LIPS电源系统2少了主电源转换器25的稳压效果，其稳定性相对地略显不足，尤其是逆变器26使用脉宽调制(PWM)调光时在PFC 13提供的直流电压Vbus上会出现过大的暂态交流变化。

图2为图1B所示LIPS电源系统2的逆变器26输入输出信号的波形图；请同时参照图1B及图2，逆变器26使用PWM调光，故接收的调光信号为低频PWM信号Vlpwm。PWM调光因调光范围宽广、调光线性度佳且电路实现容易而为目前最普遍的调光方式。低频PWM信号Vlpwm的每一个周期T包括一使能期间T_ON及一禁能期间T_OFF。在使能期间T_ON，逆变器26正常工作，其产生频率为fhosc的交流电压Vlamp以驱动CCFL发光(即变亮)；而在禁能期间T_OFF，逆变器26不工作，此时交流电压Vlamp为零，无法驱动CCFL发光(即变暗)。低频PWM信号Vlpwm的频率flosc通常设计高于100Hz，在人类视觉暂存的影响下，并不能看到CCFL一下变亮一下变暗，只能看到亮暗的变化，故通过调整亮暗的比例(即调整使能期间T_ON及禁能期间T_OFF的比例)可以达到调光的目的。由于LIPS电源系统2少了主电源转换器25的稳压效果，当逆变器26使用PWM调光时，在低频PWM信号Vlpwm的使能期间T_ON及禁能期间T_OFF两者转换瞬间，逆变器26瞬问吃载或卸载，使得PFC 13提供的直流电压Vbus会出现过大的暂态交流变化。直流电压Vbus过大的暂态交流变化容易通过PFC 13中的电感器映射该交流变化的频率，而对该频段基频的低频段频谱产生EMI的影响。

发明内容

本实用新型的目的就是在提出一种使用脉宽调制调光的逆变器的控制电路，改善逆变器在低频脉宽调制信号的使能期间及禁能期间两者转换瞬间产生的电磁干扰。

为了达成上述目的及其它目的，本实用新型提出一种使用脉宽调制调光的逆变器的控制电路，其包括低频定时电路、低频振荡器、低频脉宽调制比较器、反馈控制电路及交流信号发生器。低频定时电路包括低频定时电阻器及低频定时电容器，低频定时电阻器决定直流电流的大小而直流电流用来对低频定时电容器充电，低频定时电容器具有第一端及第二端且第二端耦接至接地电位。低频振荡器具有输出端且输出端耦接至低频定时电阻器及低频定时电容器第一端，低频振荡器控制低频定时电容器被反复地充放电而在低频定时电容器第一端产生低频斜坡电压。低频脉宽调制比较器具有第一输入端、第二输入端及输出端，低频脉宽调制比较器第一输入端接收直流调光信号，低频脉宽调制比较器第二输入端耦接至低频定时电容器第一端，在低频脉宽调制比较器输出端产生低频脉宽调制信号，其中低频脉宽调制信号每一周期包括一使能期间及一禁能期间。反馈控制电路具有使能端及输出端，反馈控制电路使能端耦接至低频脉宽调制比较器输出端，在使能期间在反馈控制电路输出端产生驱动信号，在禁能期间在反馈控制电路输出端不产生驱动信号，其中驱动信号用来驱动逆变器中的开关电路的切换。交流信号发生器具有输出端且输出端耦接至低频定时电容器第一端，在交流信号发生器输出端提供交流电流以对低频定时电容器充电。

本实用新型利用适当大小及频率的交流电流对低频定时电容器充电，使低频定时电容器的充电电流为原先的直流电流加上该交流电流，造成在低频振荡器输出端产生的低频斜坡电压会依据该交流电流的大小产生扰动，进而使低频脉宽调制信号产生扰动，而将逆变器的信号能量扩展到一个比较宽的频率范围上，因此可改善逆变器在低频脉宽调制信号的使能期间及禁能期间两者转换瞬间产生的电磁干扰。

为让本实用新型之上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1A为传统的冷阴极荧光灯电源系统的方块图；

图1B为现有的LIPS架构的冷阴极荧光灯电源系统的方块图；

图2为图1B所示LIPS电源系统的逆变器输入输出信号的波形图；

图3为依照本实用新型一实施例的使用PWM调光的逆变器的方块图；

图4为图3所示控制电路的一具体实施例的电路图；

图5为图3所示控制电路的另一具体实施例的电路图；

图6为图3所示控制电路的又一具体实施例的电路图；

图7为图4所示交流信号发生器的一具体实施例的电路图。

附图标记说明：

1、2-CCFL电源系统；11-电磁干扰(EMI)滤波器；12-桥式整流器；13-功率因数修正器(PFC)；14-待机电源转换器；15、25-主电源转换器；16、26-逆变器；30-逆变器；31-开关电路；32-变压器；33-谐振电路；34-电压传感器；35-电流传感器；36、46、56、66-控制电路；461、661-低频振荡器；462、662-低频定时电路；463-低频PWM比较器；464-反馈控制电路；4641-误差放大器；4642-高频振荡器；4643-高频定时电路；4644-高频PWM比较器；4645-控制逻辑电路；4646-输出驱动电路；465、765-交流信号发生器；466-比较器；467、567-开关；7651-韦恩桥式振荡器；

Vbus-直流电压；Vlamp-交流电压(或CCFL电压)；Vvsen-电压传感信号；Visen-电流传感信号；Vdrv-驱动信号；Vdim-调光信号；Vlpwm-低频PWM信号；Vhpwm-高频PWM信号；Vlst-低频斜坡电压；Vhst-高频斜坡电压；Vref-参考电压；Vea-误差电压；Vp1-第一设定电压；Vdd-直流电源；Vgnd-接地电位；Ilamp-CCFL电流；Ic-直流电流；Ia-交流电流；R1-低频定时电阻器；R2-高频定时电阻器；R3～R7-电阻器；C1-低频定时电容器；C2-高频定时电容器；C3～C6-电容器；D1、D2-二极管；T-低频PWM信号周期；T_ON-低频PWM信号使能期间；T_OFF-低频PWM信号禁能期间；flosc-低频PWM信号频率；fhosc-高频PWM信号频率。

具体实施方式

图3为依照本实用新型一实施例的使用PWM调光的逆变器的方块图；请参照图3，逆变器30采用如图1B所示的LIPS电源系统2的架构，故逆变器30直接由PFC提供的典型值400Vdc的直流电压Vbus所供电，并输出交流电压Vlamp以驱动CCFL。在本实施例中，逆变器30包括开关电路31、变压器32、谐振电路33、电压传感器34、电流传感器35及控制电路36。开关电路31例如是全桥式、半桥式开关电路或其它开关电路，用以将直流电压Vbus变为方波形式的交流电压。变压器32用以将方波形式的交流电压升压。谐振电路33用以将经过升压的方波形式的交流电压滤波变为近似弦波的交流电压Vlamp，且提供谐振电压及电流使开关电路31具备零电压/零电流切换特性。电压传感器34及电流传感器35分别检测CCFL的电压Vlamp及电流Ilamp而输出电压传感信号Vvsen及电流传感信号Visen。控制电路36依据调光信号Vdim使用PWM调光方式以调整CCFL亮度，且依据电流传感信号Visen输出驱动信号Vdrv以反馈控制开关电路31的切换来稳定CCFL亮度，又依据电压传感信号Vvsen以保护电路。由于PWM调光可分成外部PWM调光及内部PWM调光，若逆变器30使用外部PWM调光，则调光信号Vdim为低频PWM信号；而若逆变器30使用内部PWM调光，则调光信号Vdim为直流信号，控制电路36再依据此直流信号产生低频PWM信号，内部PWM调光因在设计上较为简单而较常被使用。

图4为图3所示控制电路36的一具体实施例的电路图，其中CMP为比较器(CoMParator)的简称，EA为误差放大器(Error Amplifier)的简称。请参照图4，控制电路46包括低频振荡器461、低频定时电路462、低频PWM比较器463、反馈控制电路464及交流信号发生器465。低频定时电路462包括低频定时电阻器R1及低频定时电容器C1，在本实施例中，低频定时电阻器R1第一端耦接至直流电源Vdd，低频定时电阻器R1第二端耦接至低频振荡器461输出端及低频定时电容器C1第一端，低频定时电容器C1第二端耦接至接地电位Vgnd。直流电源Vdd通过低频定时电阻器R1产生直流电流Ic以便用来对低频定时电容器C1充电，而低频定时电阻器R1将决定直流电流Ic的大小。低频振荡器461控制在其输出端或低频定时电容器C1第一端上的电压被充电到第一设定电压Vp1时停止充电并开始放电，且在放电到第二设定电压Vp2时停止放电并开始充电。因此，低频振荡器461输出端或低频定时电容器C1第一端上的电压会反复地上升及下降，形成波形为三角波或锯齿波的低频斜坡电压Vlst，其波峰电压为第一设定电压Vp1、波谷电压为第二设定电压Vp2，其频率为flosc且与1/(R1×C1)成比例。

在本实施例中，逆变器30使用内部PWM调光，故调光信号Vdim为直流信号。低频PWM比较器463第一输入端接收直流调光信号Vdim，其第二输入端耦接至低频定时电容器C1第一端以接收低频斜坡电压Vlst，通过比较直流调光信号Vdim及低频斜坡电压Vlst而在其输出端产生低频PWM信号Vlpwm。低频PWM信号Vlpwm的一实施例如图2所示，其每一周期T(＝1/flosc)包括一使能期间T_ON及一禁能期间T_OFF。反馈控制电路464使能端耦接至低频PWM比较器463输出端以接收低频PWM信号Vlpwm。在低频PWM信号Vlpwm的使能期间T_ON，在反馈控制电路464输出端产生驱动信号Vdrv以驱动开关电路31，使逆变器30正常工作而产生频率为fhosc的交流电压Vlamp以驱动CCFL发光；而在低频PWM信号Vlpwm的禁能期间T_OFF，在反馈控制电路464输出端不产生驱动信号Vdrv，即驱动信号Vdrv为零而无法驱动开关电路31，使逆变器30不工作，此时交流电压Vlamp为零，无法驱动CCFL发光(即变暗)。交流信号发生器465输出端耦接至低频定时电容器C1第一端，在交流信号发生器465输出端提供交流电流Ia。所以，低频定时电容器C1的充电电流为原先的直流电流Ic加上交流电流Ia，使得在低频振荡器461输出端或低频定时电容器C1第一端产生的低频斜坡电压Vlst会依据交流电流Ia的大小产生扰动，造成低频PWM比较器463输出端产生的低频PWM信号Vlpwm产生扰动。扰动的低频PWM信号Vlpwm通过反馈控制电路464将逆变器30的信号能量扩展到一个比较宽的频率范围上，因此可改善逆变器30在低频PWM信号Vlpwm的使能期间T_ON及禁能期间T_OFF两者转换瞬间产生的电磁干扰。

反馈控制电路464包括误差放大器4641、高频振荡器4642、高频定时电路4643、高频PWM比较器4644、控制逻辑电路4645及输出驱动电路4646。误差放大器4641使能端(即反馈控制电路464使能端)接收低频PWM信号Vlpwm，在使能期间T_ON，误差放大器4641正常工作而得以产生驱动信号Vdrv；而在禁能期间T_OFF，误差放大器4641不工作而无法产生驱动信号Vdrv或驱动信号Vdrv为零。当误差放大器4641正常工作时，误差放大器4641通过比较电流反馈信号Visen及参考电压Vref在其输出端产生误差电压Vea。高频振荡器4642产生斜坡电压的方式与低频振荡器461一样，即高频振荡器4642输出端耦接至高频定时电路4643(其包括高频定时电阻器R2及高频定时电容器C2)，在其输出端产生高频斜坡电压Vhst，其频率为fhosc且与1/(R2×C2)成比例。接着，高频PWM比较器4644通过比较高频斜坡电压Vhst及误差电压Vea在其输出端产生高频PWM信号Vhpwm，控制逻辑电路4645依据高频PWM信号Vhpwm产生驱动信号Vdrv以控制开关电路31的切换，以便如图2所示在使能期间T_ON产生频率为fhosc的交流电压Vlamp。一般驱动信号Vdrv会通过如开漏(opendrain)、开集(open collector)或图腾柱(totem pole)等架构的输出驱动电路4646来加强其驱动能力。另外，低频振荡器461、低频PWM比较器463、误差放大器4641、高频振荡器4642、高频PWM比较器4644、控制逻辑电路4645及输出驱动电路4646可被组合封装成集成电路，如OZ9938，以便简化设计。

在本实施例中，控制电路46更包括比较器466及开关467。比较器466第一输入端接收直流调光信号Vdim，其第二输入端接收第一设定电压Vp1，此第一设定电压为低频斜坡电压Vlst的波峰电压。开关467例如是PNP双极性晶体管，其第一端(或射极端)耦接至交流信号发生器465输出端，其第二端(或集电极端)耦接至低频定时电容器C1第一端，其控制端(或基极端)耦接至比较器466输出端。当直流调光信号Vdim大于或等于第一设定电压Vp1时，即直流调光信号Vdim大于或等于低频斜坡电压Vlst的波峰电压，此时低频PWM信号Vlpwm的使能期间T_ON为最大(即T_ON＝T)而不存在禁能期间T_OFF，并不会有使能期间T_ON及禁能期间T_OFF两者转换瞬间产生电磁干扰的问题，因此为了节能可由比较器466输出端输出信号控制开关467断开，使交流信号发生器465输出端及低频定时电容器C1第一端断开。反之，当直流调光信号Vdim小于第一设定电压Vp1时，比较器466输出端输出信号控制开关467导通，使交流信号发生器465输出端耦接至低频定时电容器C1第一端。另外，如果交流信号发生器465没有防止信号倒流的设计，则必须在开关467及低频定时电容器C1之间设置二极管D1提供单向导通功能，如图4所示，二极管D1阳极端耦接至开关467第二端，二极管D1阴极端耦接至低频定时电容器C1第一端；或者，在开关467及交流信号发生器465之间设置二极管(未绘示)，二极管阳极端耦接至交流信号发生器465输出端，二极管阴极端耦接至开关467第一端。

图5为图3所示控制电路36的另一具体实施例的电路图；请同时参照图4及图5，控制电路56与控制电路46的差异仅在于控制是否将交流信号Ia提供到低频定时电容器C1的实施方式。控制电路56利用比较器466比较直流调光信号Vdim及第一设定电压Vp1，以便输出控制信号控制开关567。开关567例如是NPN双极性晶体管，其第一端(或集电极端)耦接至交流信号发生器465输出端及二极管D2阳极端，其第二端(或射极端)耦接至接地电位Vgnd，其控制端(或基极端)耦接至比较器466输出端。当直流调光信号Vdim大于或等于第一设定电压Vp1时，比较器466输出端输出信号控制开关567导通，使二极管D2阳极端耦接至接地电位Vgnd，故二极管D2截止而使交流信号发生器465输出端与低频定时电容器C1第一端断开。反之，当直流调光信号Vdim小于第一设定电压Vp1时，比较器466输出端输出信号控制开关567断开，交流信号发生器465输出端当然耦接至低频定时电容器C1第一端。

图6为图3所示控制电路36的又一具体实施例的电路图；请同时参照图4及图6，控制电路66与控制电路46的差异仅在于低频振荡器及低频定时电路的实施方式。控制电路66的低频振荡器661的输出端具有第一输出端及第二输出端。控制电路66的低频定时电路662包括低频定时电阻器R1及低频定时电容器C1，低频定时电阻器R1第一端耦接低频振荡器661第一输出端，低频定时电容器C1第一端耦接至低频振荡器661第二输出端，低频定时电阻器R1及低频定时电容器C1第二端均耦接至接地电位Vgnd。低频振荡器661提供直流电流Ic对低频定时电容器C1充电，而低频定时电阻器R1决定直流电流Ic的大小。此时低频PWM比较器463第二输入端及交流信号发生器465输出端耦接至低频振荡器661第二输出端及低频定时电容器C1第一端，而不耦接至低频振荡器661第一输出端及低频定时电阻器R1。

图7为图4所示交流信号发生器465的一具体实施例的电路图；请参照图7，交流信号发生器765包括一韦恩桥式振荡器(Wien bridge oscillator)7651，其中韦恩桥式振荡器7651由操作放大器OPA、电阻器R4～R7及电容器C3～C6所组成。韦恩桥式振荡器7651输出端耦接至电阻器R3，故其输出端输出的弦波电压信号通过电阻器R3产生交流电流Ia。

综上所述，本实用新型的使用PWM调光的逆变器的控制电路利用交流信号发生器产生适当大小及频率的交流电流对低频定时电容器充电，故低频定时电容器的充电电流为原先的直流电流加上该交流电流，在低频振荡器输出端产生的低频斜坡电压会依据该交流电流的大小产生扰动，使低频PWM比较器输出端产生的低频PWM信号产生扰动。扰动的低频PWM信号通过反馈控制电路将逆变器的信号能量扩展到一个比较宽的频率范围上，因此可改善逆变器在低频PWM信号的使能期间及禁能期间两者转换瞬间产生的电磁干扰。

以上具体实施方式仅为本实用新型的较佳实施例，其对本实用新型而言是说明性的，而非限制性的。本领域的技术人员在不超出本实用新型精神和范围的情况下，对之进行变换、修改甚至等效，这些变动均会落入本实用新型的权利要求保护范围。

Claims (7)

1.一种使用脉宽调制调光的逆变器的控制电路，其特征在于，包括：

一低频定时电路，包括一低频定时电阻器及一低频定时电容器，低频定时电阻器决定一直流电流的大小，直流电流对低频定时电容器充电，低频定时电容器具有一第一端及一第二端，低频定时电容器第二端耦接至一接地电位；

一低频振荡器，具有一输出端，低频振荡器输出端耦接至低频定时电阻器及低频定时电容器第一端，控制低频定时电容器被反复地充放电而在低频定时电容器第一端产生一低频斜坡电压；

一低频脉宽调制比较器，具有一第一输入端、一第二输入端及一输出端，低频脉宽调制比较器第一输入端接收一直流调光信号，低频脉宽调制比较器第二输入端耦接至低频定时电容器第一端，在低频脉宽调制比较器输出端产生一低频脉宽调制信号，低频脉宽调制信号每一周期包括一使能期间及一禁能期间；

一反馈控制电路，具有一使能端及一输出端，反馈控制电路使能端耦接至低频脉宽调制比较器输出端，在使能期间在反馈控制电路输出端产生一驱动信号，在禁能期间在反馈控制电路输出端不产生驱动信号；以及

一交流信号发生器，具有一输出端，交流信号发生器输出端耦接至低频定时电容器第一端，在交流信号发生器输出端提供一交流电流。

2.根据权利要求1所述的使用脉宽调制调光的逆变器的控制电路，其特征在于，更包括：

一比较器，具有一第一输入端、一第二输入端及一输出端，比较器第一输入端接收直流调光信号，比较器第二输入端接收一设定电压，设定电压为低频斜坡电压的波峰电压；以及

一开关，具有一第一端、一第二端及一控制端，开关第一端耦接至交流信号发生器输出端，开关第二端耦接至低频定时电容器第一端，开关控制端耦接至比较器输出端，

其中，当直流调光信号大于或等于设定电压时，比较器输出端输出信号控制开关断开，使交流信号发生器输出端及低频定时电容器第一端断开，当直流调光信号小于设定电压时，比较器输出端输出信号控制开关导通，使交流信号发生器输出端耦接至低频定时电容器第一端。

3.根据权利要求2所述的使用脉宽调制调光的逆变器的控制电路，其特征在于，更包括：

一二极管，具有一阳极端及一阴极端，二极管阳极端耦接至开关第二端，二极管阴极端耦接至低频定时电容器第一端。

4.根据权利要求2所述的使用脉宽调制调光的逆变器的控制电路，其特征在于，更包括：

一二极管，具有一阳极端及一阴极端，二极管阳极端耦接至交流信号发生器输出端，二极管阴极端耦接至开关第一端。

5.根据权利要求1所述的使用脉宽调制调光的逆变器的控制电路，其特征在于，更包括：

一比较器，具有一第一输入端、一第二输入端及一输出端，比较器第一输入端接收直流调光信号，比较器第二输入端接收一设定电压，设定电压为低频斜坡电压的波峰电压；以及

一二极管，具有一阳极端及一阴极端，二极管阴极端耦接至低频定时电容器第一端；以及

一开关，具有一第一端、一第二端及一控制端，开关第一端耦接至交流信号发生器输出端及二极管阳极端，开关第二端耦接至接地电位，开关控制端耦接至比较器输出端，

其中，当直流调光信号大于或等于设定电压时，比较器输出端输出信号控制开关导通，使二极管阳极端耦接至接地电位，当直流调光信号小于设定电压时，比较器输出端输出信号控制开关断开。

6.根据权利要求1所述的使用脉宽调制调光的逆变器的控制电路，其特征在于，低频定时电阻器具有一第一端及一第二端，低频定时电阻器第一端耦接至一直流电源，低频定时电阻器第二端耦接至低频振荡器输出端及低频定时电容器第一端。

7.根据权利要求1所述的使用脉宽调制调光的逆变器的控制电路，其特征在于，低频振荡器输出端包括一第一输出端及一第二输出端，低频定时电阻器具有一第一端及一第二端，低频定时电阻器第一端耦接至低频振荡器第一输出端，低频定时电阻器第二端耦接至接地电位，低频定时电容器第一端耦接至低频振荡器第二输出端。

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