CN101771336B - 以在观测窗中监测工作电流来控制谐振开关系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及以在观测窗中监测工作电流来控制谐振开关系统。提出一种用于控制谐振开关系统的技术方案，开关系统包括以半桥式配置的第一开关和第二开关，用来驱动谐振负载。相应的控制系统包括用于根据开关系统的工作频率交替地接通和切断开关的指令装置。在根据本发明实施例的技术方案中，该控制系统包括检测装置，用于在时间的观测窗中检测该开关系统提供给该谐振负载的工作电流的归零；该观测窗跟随至少一个开关的每次切断，并且具有等于该开关系统的工作周期几分之一的长度。然后提供校正装置用于响应于在观测窗中的每次归零检测而改变工作频率。

Description

以在观测窗中监测工作电流来控制谐振开关系统
技术领域
根据本发明的实施例的技术方案涉及电子设备领域。更具体地说，本发明的实施例涉及谐振开关系统的控制。
背景技术
谐振开关系统通常被用于多种应用以驱动电子负载；典型实例为用于控制荧光灯亮度的电子镇流器。
通常，镇流器的开关系统基于成半桥式配置的两个功率晶体管，这两个功率晶体管通过振荡器产生的恰当的控制信号交替地接通和切断，这样，可以从该开关系统的直流电源电压(从为固定频率的干线(mains)交流电压处获得)获得为期望频率的该灯的交流电源电压。该灯被置于RLC谐振电路中，从而该谐振电路具有在它的谐振频率下等于零的电抗，并且随着远离该谐振频率，该电抗增加(当频率减少或增加时分别成为容性类型或感性类型)；因此，可以通过恰当地改变该振荡器的频率(并且由此使得交流电压的频率也改变)来控制该RLC电路的电抗(并且由此控制穿过该灯的电流)。这就使得能以简单和有效的方式控制灯的亮度，同时降低了功率损耗(因为在不使用任何电阻器的情况下获得了对通过该灯的电流的限制)。
该镇流器可以以开环或闭环结构来控制该灯的亮度。尤其是，US-A-6,002,214描述了带有闭环控制系统的镇流器，该闭环控制系统基于对相对于谐振电路的电压(与提供给该灯的功率成比例)的电流的相位的监测。该电流的相位与该振荡器的相位进行比较，以便相应地修改它来将该电流和该振荡器的相位锁定为彼此。为了这个目的，计划来检测该电流过零的瞬间。通过将与晶体管中的一个串联的电阻器两端的电压与基准电压进行比较以达到这样的结果，由此获得对应于这样的电压正值的脉冲；该脉冲和该晶体管的指令信号被提供给与门，用于在该晶体管接通的期间限制该脉冲。同时，由该振荡器提供的信号与该同一基准电压进行比较，由此获得对应于这样的信号负值的相反的脉冲。这样获得的两个脉冲被施加到与门以获得具有等于它们相位差的长度的误差信号。该误差信号以与它的长度成比例的量值给该振荡器的电容器充电，由此增加该振荡器的频率；相反地，当这两个脉冲相位相同时，该电容器轻微地放电，由此减小该振荡器的频率。
通常，该开关系统的晶体管优选以″软″模式接通-即，它们的电极上基本为零电压。这允许在开关期间限制功率损耗(带来了减少乃至除去晶体管的散热片的可能性)；因此，可以增加该开关系统的效率，并且可以使用较小的晶体管。总之，晶体管占据的面积减少，同时具有其更合理的容纳的可能性。此外，这样的操作模式增加了该开关系统的可靠性。相反地，晶体管的″硬″接通-即，它们的电极上的电压不为零-使得在开关期间被耗散的功率显著增加，并且在极端情况下，它可能导致其断路。
此外，优选将该谐振电路操作在感性模式。事实上，当该谐振电路操作在容性模式时，电流超前于电压；所以，晶体管的接通总是发生在电流已经开始使它们端子的电压增加之后(从而这种接通不会在软模式发生而带来如上所指出的缺点)。此外，由于该镇流器可能的控制系统操作在该谐振频率，可以推知开环增益依赖于该谐振电路的阻抗相对于该频率的导数。但是，该导数在感性操作模式中为负(其中该增益随着该频率远离该谐振频率增加而减小)，并且该导数在容性操作模式中为正(其中该增益随着该频率向该谐振频率的增加而增大)。因此，从感性操作方式转到容性操作模式时，该闭环的反馈改变符号，将被设计成负的反馈转换成正反馈(带来了随后不稳定性的风险)。
当干线电压下降到其额定值以下时(该情况可以在某些场所出现达相对较长的时间，甚至持续好几个小时)，该带有闭环控制系统的开关系统会出现另一个问题，即获得的直流电压的相应下降和由此提供给该灯的交流电压的相应下降。在这样的情况下，该控制系统降低频率(朝着在感性操作模式的谐振频率)以增加电流并且由此保持该灯稳定的亮度(纵使交流电压减小)。这可以使该谐振电路操作在容性模式，同时也具有上面列出的缺点。
为了避免这样的缺点，规定镇流器的规格以确保他们正确操作在最实用的情况(例如，通过规定该频率的更低下限)。然而，这不允许最佳地使用该灯，因为由最坏的操作条件规定的该极限(包括不可避免的诸如灯的、镇流器的、部件以及该干线电压的操作特性的参数的扩展)对正常操作状态产生了不利影响。此外，这不能允许确保该灯在紧急状况时正确地操作。
发明内容
总体而言，根据本发明实施例的技术方案是以在观测窗内监测该开关系统的操作的思想为基础。
特别地，根据本发明具体实施例的技术方案的一个或多个方面在独立权利要求中陈述，同时有利的特点在从属权利要求中陈述(其措词逐字合并在此作为参考)。
更特别地，根据本发明实施例的技术方案的一个方面，提供一个用于控制谐振开关系统的控制系统；该开关系统包括以半桥式配置的第一开关和第二开关(例如，两个功率MOS)，它们被用来驱动谐振负载(例如，在用来控制荧光灯亮度的镇流器中)。该控制系统包括指令装置(例如，基于振荡器)用来根据该开关系统的工作频率交替地接通和切断该开关。在根据本发明实施例的技术方案中，该控制系统包括检测装置，用于在时间的(temporal)观测窗中检测由该开关系统提供给该谐振负载的工作电流归零(zeroing)(例如，当与两个开关中的一个串联的电阻器的端子电压变成零时)；该观测窗跟随至少一个开关的每次切断并且具有等于该开关系统的工作周期的几分之一的长度。然后提供校正装置用于响应于每次在该观测窗中检测到归零而修改该工作频率(例如，通过以脉冲的方式使该频率增加对应于该归零的上升沿(leading)的量)。
根据本发明实施例的技术方案的另一个方面是提供一种装置(例如，镇流器)，该装置包括开关系统和用于控制该开关系统的这种控制系统。
根据本发明实施例的技术方案进一步的方面，提供一种包括这样的镇流器的照明装置。
根据本发明实施例的技术方案不同的方面，提供相应的方法用来控制开关系统(带有与该控制系统的从属权利要求中叙述的有利特征相同的特征，其加以必要的变更应用到该方法)。
附图说明
参考下列详细说明将能更好地理解根据本发明一个或多个实施例的技术方案以及它们的更多的特征和优点，下列详细说明仅以非限制的指示性方式给出，并结合附图来叙述。在这方面，很清楚这些图不必按比例绘制，并且除非另有陈述，它们只不过是用来在概念上说明描述的结构和步骤。其中：
图1A为本领域中熟知的照明装置的电路图；
图1B为本领域中熟知的另一个照明装置的电路图；
图2A为示出了图1A的装置的一些电学量的波形的定性时间关系图；
图2B为示出了图1B的装置的一些电学量的波形的定性时间关系图；
图3A-3B示出了根据本发明实施例的技术方案的示例性应用；
图4为根据本发明一实施例的控制系统的原理性方框图；
图5为根据本发明另一个实施例的控制系统的原理性方框图；
图6A示出了根据本发明实施例的图4的技术方案的示例性实施例；
图6B为示出了图6A的装置的一些电学量的波形的定性时间关系图；
图7示出了根据本发明的不同实施例的图4的技术方案的示例性实施例；
图8示出了根据本发明实施例的图5的技术方案的示例性实施例；
图9A-9B示出了根据本发明实施例的技术方案的应用的不同示例性方案，以及
图10为根据本发明实施例的控制系统的细节的原理性方框图。
具体实施方式
详细参考图1A，其中示出了本领域熟知的照明装置100A的电路图。该照明装置100A包括灯105(例如，荧光灯类型的)。镇流器110用于控制灯105的电源，同时也用来使得它接通和用来控制它的亮度。
该镇流器110包括开关系统，其包括彼此以半桥式配置连接的低侧NMOS功率晶体管Ml和高侧NMOS功率晶体管Mh。更具体的，晶体管Mh的漏极端子连接到电源端子Vcc，该电源端子Vcc接收相应的直流供电电压-例如，相对于由对应端子提供的基准电压(或地)的Vcc＝300-500V；通常，该电压Vcc由干线交流电压产生，该干线交流电压被整流和调节-例如，通过没有在该图示出的功率因数校正器(PFC)。晶体管Mh的源极端子和晶体管M1的漏极端子彼此连接在一起，从而限定了该半桥M1、Mh的输出节点。晶体管M1的源极端子通过感测电阻器Rs连接到接地端子。对于每个晶体管M1和Mh，该图也示出了相应的本征二极管D1和Dh；每个二极管D1和Dh具有分别连接到相应的晶体管M1和Mh的源极端子和该漏极端子的阳极端子和阴极端子。晶体管M1、Mh以占空比50％轮流地接通和切断，从而为节点A提供不同于零电压(晶体管M1接通而晶体管Mh切断)和具有期望工作频率fo的电压Vcc(晶体管Mh接通而晶体管M1切断)的矩形波的供电电压。
为了这样的目的，晶体管M1和Mh由控制系统115驱动。更特别的，该控制系统115提供到晶体管M1的栅极端子的控制信号LS，并且提供到晶体管Mh的栅极端子的控制信号HS。信号LS和HS可具有用于切断对应的晶体管M1和Mh的低电平(例如，分别等于零电压和电压Vcc)，以及具有用于接通对应的晶体管Ml和Mh的高电平(例如，比它们的低电平高3-5V)。信号LS、HS总是彼此相反(用于每次仅接通一个晶体管M1，Mh)。此外，信号LS、HS不会重叠，从而使得每个信号LS、HS相对于其中另一个信号LS、HS处于低电平的瞬间以预定的延迟(称为滞后时间(dead-time))处于高电平；这保证该两个晶体管M1、Mh不会同时接通，以避免任何直通(cross-conduction)现象，在该现象中将产生跨过半桥Ml、Mh的短路，短路会产生对晶体管M1、Mh有害的电流尖峰(由每个晶体管的切断时间通常比另一晶体管接通时间长这一事实而导致)。此外，该控制系统115连接到晶体管M1的源极端子用于测量电阻器Rs两端的电压，并且由此测量与该半桥Ml、Mh的低侧相关的电流(例如，用于实现最大电流保护系统)。
灯105被插入在RLC谐振电路中。特别地，灯105通过电感器L连接到节点A，并且通过电容器C1(称为半电池电容器)连接到该接地端子；另一个电容器C2而是并联到灯105。当灯105接通时，电容器C2实质上无关紧要，因为它被灯105(具有极低的电阻)旁路了。在这样的情况下，该RLC电路能够通过改变节点A处的电压的频率fo来控制通过灯105的工作电流(当该工作频率fo等于该RLC电路的谐振频率时，该工作电流到达极大值，当该频率fo远离该值时，该工作电流减小)。相反地，当灯105切断时(具有非常高的电阻)，电容器C2允许施加非常高的电压到灯105以使得它接通(达到节点A处的电压乘以该RLC电路在该谐振频率处的品质因数)。连接在节点A和接地端子之间的电容器Cp而是代表整个照明装置100A的寄生电容(例如，与晶体管Ml和Mh、灯105、连接端子等等相关的)。
本领域熟知的相同结构的变体在图1B中示出(以下，为了简便起见，对应于前图中示出的那些元件的元件采用同样的标记表示，并且它们的说明从略)。在此情况下，示出了照明装置100B的电路图，其中电容器C1连接在灯105和晶体管M1的源极端子(而不是接地端子)之间。因此，在双重工作模式中电阻器Rs现在传导与半桥Ml、Mh高侧相关的电流。
表示图1A装置的一些电学量的波形(该灯已经被接通)的定性时间图在图2A中示出。将这些图放在一起考虑，我们例如从信号HS为高电平并且信号LS为低电平开始。在这样的情况下，晶体管Mh接通并且晶体管Ml切断，从而使得在节点A的电压-标识为V(A)-的值为Vcc。因此，通过电感器L的电流-标识为I(L)-在图中指示的方向流动(同时电容器C1充电到近似等到Vcc/2的值，并且由于它的大容量基本上可以忽略纹波)。
信号HS在时间t1时处于低电平，从而切断晶体管Mh。通过电感器L的电流I(L)不能瞬时变化，于是它开始通过流过电容器Cp(其电流标识为I(Cp))而减小；这样，电容器Cp放电使得电压V(A)从原始值Vcc降低到零值。当这发生(时间t2)时，电流I(L)继续减小通过电阻器Rs和处于导通的二极管D1(其电流标识为I(D1))；因此，电阻器Rs两端的电压-由V(R)标识-从零值过度到负值，然后根据电流I(L)在绝对值上逐渐减小。在这样的情况下，电压V(A)达到的负值等于电压V(Rs)加上二极管D1的阈值电压的和；总之，该电压V(A)具有小到可以认为基本上为零的值。
此时，在从晶体管Mh切断的滞后时间-标识为Td之后，可以使信号LS处于高电平(时间t3＝t1+Td)，从而接通晶体管Ml。晶体管M1的接通将发生在电流I(L)变为零之前。事实上，这能实现在晶体管M1的漏极端子和源极端子之间的电压为零的软接通。相反地，在电流I(L)归零之后，该二极管D1将切断并且该电流I(L)将反向增大而给电容器Cp充电(通过电容器C1)，从而增加电压V(A)并且由此导致晶体管M1的硬接通(在其漏极端子和源极端子之间的电压不为零)。
在晶体管M1接通以后，电流I(L)以及电压V(Rs)持续减小，直到两者在时间t4都变成零。然后电流I(L)和电压V(Rs)开始以相反的方向增大，通过电阻器Rs和晶体管M1(同时二极管D1截止)。
信号LS在时间t5处于低电平，从而切断晶体管M1-使通过电阻器Rs的电流归零，并也使该电压V(Rs)归零。这样，电流I(L)在绝对值上开始减小流过该电容器Cp，同时被充电的电容器Cp使得电压V(A)从初始零值变为值Vcc。当这发生时(时间t6)，电流I(L)在绝对值上继续减小通过处于导通的二极管Dh。此时，从晶体管M1切断的滞后时间Td之后，可以使得信号HS处于高值(时间t7＝t5+Td)，从而接通晶体管Mh。同样在这种情况下，晶体管Mh的接通也将发生在电流I(L)变为零之前(从而实现软接通)；相反地，在电流I(L)归零之后，二极管Dh将截止并且电流I(L)将反方向增大而使电容器Cp放电，从而降低电压V(A)并导致晶体管Mh的硬接通。
在该开关系统的每个工作周期(1/fo)连续地重复与如上所述相同的步骤。
表示图1B的装置的同样电学量的定性波形(该灯已经被接通)的时间图在图2B中示出。这些波形与如上所述的相等，唯一的差异在于电压V(Rs)有180度的相位差，这是因为电阻器Rs现在传导对应于晶体管Mh的电流I(L)。
根据本发明实施例的技术方案的示例性应用如图3A-3B所示。特别的，电流I(L)被监测用于检测过零的瞬间，在该点它的值被归零-标识为tz-在时间观测窗Tm中。就图1A的电路来说(双重考虑应用于图1B的电路的情况中)，过零瞬间tz与电流I(L)从正值到负值的转变相关；在此情况下，观测窗Tm开始于信号HS从高电平到低电平的每次切换(晶体管Mh的切断)。观测窗Tm具有等于周期1/fo几分之一的长度-总之，不会小于滞后时间Td。例如，窗Tm可能等于周期1/fo的5-15％，并且优选为周期1/fo的8-12％(例如，等于10％)。
如果过零瞬间tz在观测窗Tm外(如图3A所示)，则晶体管M1的接通正确地在软模式下发生。此外，电流I(L)的下降沿跟随电压V(A)的下降沿；其意思是指在该RLC电路中，电流落后于电压，以使得它正确地工作在感性模式。
相反地如果过零瞬间tz位于观测窗Tm内，(如图3B所示)，其意思是该镇流器的操作接近于危险情况(晶体管Ml的接通可能发生在硬模式下，并且RLC电路的操作可能转换到容性模式)。当这发生时，控制系统由此改变频率fo(例如，通过增加预定的量)。
这样，可以使镇流器自动地回复到正确操作。事实上，该镇流器是规格确定的以便以特定安全容限操作，从而通常地使得过零瞬间tz被足够地延迟。所以，该危险情况不会以过零瞬间tz突然改变而会以它的缓慢漂移而出现。然而，一旦过零瞬间tz落入到观测窗Tm之内，频率fo增加以减少电流I(L)并且从而延迟该过零瞬间(在该图中标识为tz′)。这样的步骤在每个周期1/fo重复，直到该镇流器再次处于其正确工作。
同样的机制也能够将RLC电路的操作维持在感性模式。事实上，当电流I(L)的下降沿接近电压V(A)的下降沿时-即，接近容性操作模式-过零瞬间tz就朝观测窗Tm移动；当过零瞬间tz到达观测窗Tm时(在转变到容性模式之前)，由该控制系统强制的频率fo的增加使得RLC电路的操作朝感性模式移动。
此外，这能够确保镇流器在干线低电压(从而在低压vcc)情况下也能正确操作。同样在这种情况下，如果频率fo的降低(由该控制系统强制以增加电流并且由此保持该灯的恒定亮度)使得过零瞬间tz位于观测窗Tm之内，频率fo会自动地增加；这使得甚至在这些条件下也可以完全安全的方式(在减少亮度的情况下)来使用该灯。
转到图4，其示出了控制系统的原理方框图(通过顶点，即115′加以区别)，其用来实现如上所述的根据本发明实施例的技术方案。
特别的，该控制系统115′包括振荡器405，其以两倍于开关系统频率的频率(即，2*fo)操作。振荡器405驱动指令逻辑410，其产生具有二等分频率(即，fo)的分别对应于信号LS和HS的两个逻辑信号Sl和Sh；信号Sl和Sh交替地为逻辑值0(例如，0V)和逻辑值1(例如，等于逻辑供电电压Vdd＝3.5V)。信号Sh和信号Sl分别提供给驱动器415h和驱动器415l，其由此产生对应信号HS和LS(当信号Sh、Sl分别取值0或1时，信号HS、LS分别在低或高电平)。
比较器420具有连接到接地端子的负输入端和连接到控制系统115′的测量端子Ps的正输入端；端子Ps依次地连接到晶体管M1的源极端子，从而接收电阻器Rs两端的电压V(Rs)；比较器420的输出端子提供信号Sz，其具有以值为1来表示每个过零瞬间的脉冲。
窗发生器425由振荡器405(根据频率fo)和指令逻辑410(根据滞后时间Td的长度)驱动。窗发生器425产生信号Sm，其具有以值为1来表示每个观测窗Tm的脉冲；信号Sm脉冲的长度通过从外部提供(到控制系统115′的专用端子)的编程信号Sp而可编程。
与门430接收信号Sz(从比较器420)和信号Sm(从窗发生器425)，并且产生误差信号Se。误差信号Se具有以值为1来表示检测到位于对应观测窗Tm(信号Sm的值为1)内的过零瞬间的脉冲(信号Sz的值为1)。该信号Se提供给校正电路435，校正电路435相应地控制振荡器405(当信号Se值为1时，通过增加频率fo)。
反过来参考图5，其示出了根据本发明不同实施例的控制系统的原理方框图(以双顶点，即115″加以区别)。
在这种情况下，窗发生器-标识为525-不能从外部可编程，使得观测窗Tm(由信号Sm表示)具有固定的长度。控制系统115″改为包括恒流发生器505，其连接到端子Ps；例如，电流发生器505可通过电流镜实现，其提供振荡器405的控制电流的预定的几分之一。可编程电阻器Rp位于控制系统115″外部，位于在晶体管M1的源极端子与相同端子Ps之间。这样，比较器420的正输入端子现在接收的电压等于电阻器Rs的电压V(Rs)加上电阻器Rp的电压-等于电阻器Rp的电阻乘以由电流发生器505供给的电流(把比较器420当作具有基本上无限大的输入电阻)。在比较器420正输入端子如此增加的电压从而使它到达基准电压(在比较器420的负输入端子处)的瞬间和因此的标识为信号Sz的过零瞬间的检测提前发生；在信号Sz和Sm之间的比较(在与门430内)中，这等价于观测窗Tm的相应增长。因此，可以通过作用于电阻器Rp来执行控制电路115″的操作(以与以前情况完全相同的方式)。在不需要该控制系统115″中的任何其它专用端子的情况下获得这样的结果。
在这种情况下，便于将该观测窗Tm(由窗发生器525限定)设置为一值，该值确保校正电路-标识为535-在所有操作条件下正确操作。有利地，该观测窗Tm设置为等于它的由滞后时间Td定义的最小值；这使得相当地简化了窗发生器525的结构(不会给控制系统115″的灵活性带来不利影响)。
根据本发明实施例的图4的技术方案的一个实例在图6中示出。该实施例是基于处于电容器充电/放电时电压斜线(ramp)具有可变斜率的(现有的)振荡器，其使用两个可以从外部独立可编程的电流用于独立地控制充电时间和放电时间(滞后时间等于放电时间，并且振荡周期等于放电时间与充电时间之和)。
在细节上，这样的振荡器(标识为405′)具有端子Po以连接到电容器Co(以接地端子为参考)，电容器Co被连续地充电和放电以提供相应的振荡信号。
端子P1用来限定电容器Co的放电电流。因为这样的目的，端子P1通过缓冲器被保持为固定的电压V1(例如，3.4V)。该缓冲器是由运算放大器OP1构成的，其在它的非倒相的输入端子(+)处接收电压V 1；运算放大器OP1的倒相输入端子(-)连接到NMOS晶体管M1的源极端子，NMOS晶体管M1具有连接到运算放大器OP1的输出端子的栅极端子。控制电阻器R1连接在端子P1和接地端子之间，由此获得期望的放电电流V1/R1。该放电电流通过晶体管M1提供给以供电端子Vdd(其提供相应的电压)为参考的电流镜。该电流镜由PNP BJT晶体管T1形成，该晶体管T1具有连接到晶体管M1的漏极端子的集电极端子和连接到供电端子Vdd的发射极端子。晶体管T1的基极端子短路到它的集电极端子，并且它连接到另一个PNP BJT晶体管T2的基极端子，另一个PNP BJT晶体管T2的发射极端子连接到供电端子Vdd。电流镜T1、T2连接到以接地端子为参考的另一个电流镜(由两个NPN BJT晶体管T3和T4以双通道形成)，其以正确的方向传导该放电电流到开关605的对应输入端子S1。
端子P2而是被用来限定电容器Co的充电电流。为了这个目的，端子P2由缓冲器保持在固定电压V2(例如，4.2V)(同样地由运算放大器OP2和NMOS晶体管M2形成)。控制电阻器R2连接在端子P2和接地端子之间，由此获得期望的充电电流V2/R2。该充电电流通过该晶体管M2提供给以供电端子Vdd为参考的电流镜(由两个PNP BJT晶体管T5和T6构成)，该电流镜传导充电电流到开关605的对应输入端子S2。
开关605具有输出端子So，其连接到端子Po(由此连接到电容器Co)。端子So也连接到比较器610b的负输入端子，比较器610b的正输入端子被保持在固定电压Vb(例如，2.85V)；同时，端子So连接到另一个比较器610t的正输入端子，比较器610t的的负输入端子保持在预先固定的电压Vt＞Vb(例如，4.2V)。比较器610b的输出端子和比较器610b的输出端子分别连接到触发器615的复位端子R和设置端子S，触发器615具有主输出端子(Q)和求反输出端子(Q)，它们提供逻辑值总是彼此相反的信号。触发器615的端子Q的信号用来控制开关605。触发器615的端子Q和Q也被连接到指令逻辑(没有在图中示出)以由此产生信号S1、Sh。
转到该窗发生器(标识为425′)，在本发明的实施例中，它包括电阻分压器，其根据信号Sp减小电压Vt。为了这样的目的，电压Vt被施加到两个串联到接地端子的电阻器Rp1和Rp2(电阻器rp2具有由信号Sp控制的可变电阻)；分压器Rp1、Rp2的中心抽头提供了等于电压Vt几分之一的编程电压Vp(根据信号Sp)。比较器625具有接收来自分压器Rp1、Rp2的正电压Vp的输入端子，和接收振荡器405′负端子Po的电压的输入端子。比较器625的输出端子提供信号Sm(提供到与门430)。
现在参考校正电路(标识为435′)，它包括PNP BJT晶体管T7，其限定了电流镜T5、T6的附加分支；为了这样的目的，晶体管T7具有分别短接到晶体管T5、T6的发射极端子和基极端子的发射极端子和基极端子。晶体管T7的集电极端子经过以接地端子为参考的另一个电流镜(由两个NPN BJT晶体管T8和T9构成)连接到校正电路435′的端子Pr。启动型NMOS晶体管Me并联连接到晶体管T9。特别地，晶体管Me具有分别短路到晶体管T9的集电极端子和发射极端子的漏极端子和源极端子；晶体管Me的栅极端子接收求反信号Se(来自与门430)。校正电容器Cr连接在端子Pr和接地端子之间，并且校正电阻器Rr连接在振荡器405′的端子Pr和端子P2之间。
表示图6A的电路的一些电学量的波形的定性时间图示出在图6B中。将这些图放在一起考虑，让我们从初始状况(时间t1′)开始，这里振荡器405′端子Po的电压-标识为V(Po)-刚减小到电压Vb。在这样的情况下，比较器610b提供值为1的信号到触发器615的端子R，使得在它的端子Q处的信号-标识为S(Q)-取值为0。信号S(Q)在值为0时连接端子So到开关605的端子S2。因此，该充电电流(通过该电阻器R2)通过电流镜T5、T6提供给端子Po，从而给电容器Co充电。
一旦电压V(Po)到达电压Vt(时间t2′)，比较器610t提供值为1的信号给触发器615的端子S，使得信号S(Q)切换到值1；信号S(Q)在值为1时改为连接端子So到开关605的端子S1。因此，该放电电流(通过电阻器R1)现在通过电流镜T1、T2和T3、T4从端子Po被吸收，从而给电容器Co放电。当电压V(Po)回到值Vb(时间t3′)时，刚好再开始上述的过程(时间t3′、t4′和t5′等等)。
因此，电压V(Po)具有三角波形，其周期等于充电时间(t1′-t2′、t3′-t4′)加上放电时间(t2′-t3′、t4′-t5′)之和。该信号S(Q)具有相同的周期，其脉冲在值为1时的长度等于放电时间。振荡器405′的频率(2*fo)通过改变充电电流而被控制(用于控制灯的亮度)；这样，随着充电电流的增加或减小，电压V(Po)的上升斜线的斜率也因此增加或减小-在电压Vb和Vt之间总是达同样的幅度-由此增加或减小振荡器405′的频率。
当信号S(Q)值为0时(即，分别在时间t1′和t3′)，信号S(Q)通过将信号HS和信号LS交替地取值1而产生信号HS和信号LS，同时滞后时间Td对应于值为1时的信号S(Q)。这样，信号LS、HS具有二等分振荡器405′频率的频率(fo)。
当电压V(Po)低于电压Vp时(通过信号Sp来设置)时，信号Sm值为1。所以，信号Sm的值为1的脉冲在每个放电时间期间(即，在每个滞后时间期间)开始并持续为充电时间的几分之一(根据电压Vp)，它们的每一个限定对应的观测窗-标示为Tm′。反过来，当电压V(Rs)为正时，信号Sz值为1。所以，信号Sz的值为1的脉冲在每个过零瞬间-标识为tz′-开始并且持续直到LS信号返回到低电平(即，在下次滞后时间开始时)。
当信号Sz的脉冲不与对应信号Sm重叠时(即，过零瞬间tz′落入到观测窗Tm′之内)，信号Se值为0。因此，晶体管Me由值为1的求反信号Se接通，从而将电流镜T8、T9短路到接地端子(如此使它禁用)；在这样的情况下，电容器Cr被充电电流充电到端子P2的电压(所以它对于振荡器的405′的操作是绝对无关紧要的)。相反地，如图所示，如果信号Sz的脉冲与信号Sm的对应脉冲(部分地)重叠(即，过零瞬间tz落入到观测窗Tm′之内)，当信号Sm和Sz值为1时信号Se取值1；因此，信号Se的值为1的脉冲在过零瞬间tz′开始，并以观测窗Tm′结束。因此，晶体管Me由值为0的对应的求反信号Se切断，并且因此充电电流现在被端子Pr吸收(经过电流镜T5、T7和T8、T9)，从而给电容器Cr放电。电容器Cr放电的程度取决于信号Se脉冲的长度(于是过零瞬间tz′超前观测窗Tm′越多，放电程度越大)。因此在端子P2和端子Pr之间产生的电压差在电阻器Rr上产生电压降，相应的电流被添加到由电阻器R2提供的充电电流。所以，电容器Co充电更快，从而增加振荡器405′的频率。在信号Se脉冲的的最后，信号Se返回到值1以使得晶体管Me再次接通，从而将电流镜T8、T9短路到接地端子；电容器Cr然后被再充电到端子P2的电压(恢复先前的情况)。
根据本发明不同实施例的图4的技术方案的另一个实例在图7中示出。该实例是基于处于电容器放电/充电时电压斜线具有可变幅度的(现有的)振荡器。
在这种情况下，在该振荡器(标识为405′)中，比较器610t在它的负输入端子接收控制电压Vc，控制电压Vc被从外部设置位于对应的端子Pc处。由此通过改变电压Vc来控制振荡器405″的频率(用于控制灯的亮度)；特别的，随着电压Vc的增加或减小，电压V(Po)的上升斜线的上峰值也因此增加或减小-总是达同样的斜率-由此增加或减小振荡器405″的频率。如果(以附加或替换的方式)施加到比较器610b的正输入端子的电压改变-并且由此电压V(Po)上升斜线的下峰值改变，也可用到类似的考虑。
因此，在该窗发生器(标识为425″)内，分压器Rp1、Rp2现在将连接到端子Pc用于接收同样的电压Vc。如上所述的系统的操作完全类似于以前描述的系统。
根据本发明实施例的图5的技术方案的实例在图8中示出。该实例是基于同样的处于电容器放电/充电时电压斜线具有改变斜率的振荡器405′。在此情况下，该窗发生器-标识为525′-简单地短路触发器615的端子Q到与门430的对应输入端子，从而设置信号Sm等于信号S(Q)；因此，观测窗Tm(由信号Sm表示)将完全等于滞后时间Td(由信号S(Q)表示)。
优选的，校正电路-标识为535′-也包括连接在与门430的输出端子和晶体管Me的栅极端子之间的单稳态805。单稳态805响应于触发信号而从稳定状态(值为0)转到不稳定状态(值为1)，并且在该触发信号移除之后保持这种状态达预先固定的时段内(例如，等于周期1/fo乘以预定的因数-比如2-10)。这样，当信号Se取值1时(因为该过零瞬间落入到观测窗Tm内)，单稳态805从值为0转到值为1，并且保持它至少达这样的时段(即使信号Se的脉冲有较短的长度)。这使得能保持晶体管Me的切断足够久，以使得在任何情况下振荡器415′的频率显著增大(即使观测窗Tm非常短)。
如果图5的技术方案以如上所述的处于电容器放电/充电时电压斜线具有可变幅度(通过改变比较器610t负输入端子的电压和/或比较器610b正输入端子的电压)的振荡器实现，则可用类似的考虑。
上述的技术方案(虽然在许多实际应用中效果显著)可能会在特定的临界状态下表现出一些局限性(例如，在该灯严重的短路的情况下)。
特别的，如图9的应用的示例性方案所示，该短路可能导致过零瞬间极大的提前。例如，在过零瞬间tz1相对对应的观测窗Tm1显著地延迟之后，过零瞬间tz2接近对应观测窗tm2(没有达到它)；后来的过零瞬间tz3而是如此提前从而旁路对应观测窗Tm3。所以，在这样的情况下过零瞬间tz1-tz3决不会位于观测窗TM1-Tm3之内(使得该校正电路决不会被激活)。然而，在这样的情况下，低侧晶体管的接通(在观测窗Tm3中信号SL切换到高电平的时候)将会处于硬模式，其端子上的电压很高。
相反地，如图9B的应用的示例性方案所示，该短路可以使得过零瞬间tz1′处于对应观测窗Tm′内，使得该校正电路由此延迟该过零瞬间。然而，后来的过零瞬间tz2′也可能这么延迟(相对于对应观测窗Tm2′)来完全地旁路后来的观测窗Tm3′。所以，在这样的情况下，过零瞬间tz2′不位于任何观测窗Tm2′-Tm3′内(使得该校正电路不再被激活)。然而，在这些情况下，电流I(L)的相位已经反向，使得RLC电路的操作处于容性模式-在观测窗Tm2内低侧晶体管(信号SL位于高电平)的接通将发生在硬模式。
在这两种情况下，硬模式的接通并不是由上述的技术方案检测，这是因为它基于过零瞬间的逐渐变化。然而，必须指出的是，在第一种情况中(图9A)中存在两个连续的过零瞬间tz3和tz2(不被任何观测窗分开)，而在第二种情况(图9B)中存在两个连续的观测窗Tm2′和Tm3′(不被任何过零瞬间分开)。所以，可以检测到何时在两个连续的观测窗之间的过零瞬间的数目不等于1(分别为0或2)。当这发生时，该控制系统被该开关系统的两个晶体管的切断所干预(例如，暂时的)。这样，有可能在任何操作条件下确保镇流器正确操作。
转到图10，示出了适用于实现根据本发明实施例的上述技术方案的特定控制系统的原理方框图。
在这种情况下，该控制系统包括检测电路1005、其接收来自与其测量端子相关联的比较器的信号Sz和来自窗发生器(没有在图中示出)的信号Sm。检测电路1005具备两个触发器1010a和1010b，每个都具有复位端子(R)、设置端子(S)、主输出端子(Q)和求反输出端子(Q)。信号Sz被提供到触发器1010b的端子R；同样的信号Sz被块1015a延迟和然后被求反，该求反和延迟的信号Sz然后被提供给触发器1010a的端子S。逻辑与门1020a被输入信号Sz和由触发器1010a的端子Q提供的信号，并且输出两倍过零瞬间的信号Sz2。在双模式中，信号Sm被提供给触发器1010a的端子R；同样的信号Sm被块1015b延迟且其后被求反，该求反和延迟的信号Sm然后被提供给触发器1010b的端子S。逻辑与门1020b被输入信号Sm和由触发器1010b的端子Q提供的信号，并且输出两倍观测窗的信号Sm2。检测电路1005也包括或门1025，其接收信号Sz2(来自与门1020a)和信号Sm2(来自与门1020b)，并且产生误差信号Se′。该信号Se′被提供给保护电路1035，其因此控制开关系统的晶体管的指令逻辑410(没有示出在该图中)。
信号Sm在它的每个脉冲开始时切换到值为1(指示观测窗的开始)；在这样的情况下，触发器1010a复位(它的端子Q的信号转到值0)；相反地，信号Sz在它的每个脉冲结束时切换到值0；在这种情况下，在由块1015a引入的延迟之后，触发器1010ta被设置(在它的端子Q的信号转为值1)以避免出现任何竞争状态。在正常情况下，其中每个零检测瞬间跟随对应观测窗的开始，信号Sz2总是处于值0；事实上，当信号Sz取值为1时(在它的脉冲开始时，指示过零瞬间)，触发器1010b的端子Q的信号值为0(因为该触发器1010a已经预先由信号Sm的对应脉冲复位)。作为替代，在两个连续零检测瞬间的情况下，信号sz2转为值1；事实上，当信号Sz取值为1时，触发器1010b的端子Q的信号也取值为1(这是因为触发器1010a已经在之前的信号Sz脉冲的结束处进行了设置而没有被任何信号Sm的脉冲复位)。
在双通道中，触发器1010a是在每个信号Sz的脉冲的开始时被设置，并且它在每个信号Sm的脉冲结束处被复位(在块1015b引入的延迟之后)。正常地，信号Sm2总是处于电平0；事实上，当信号Sm具有值1时(在每个观测窗期间)，触发器1010b的端子Q的信号取值为0(这是因为触发器1010a已经预先由对应的信号Sz的脉冲复位)。作为替代，在两个连续观测窗的情况下，信号Sm2转为值1；事实上，当信号Sz具有值1时，触发器1010b的端子Q处的信号也具有值1(这是因为触发器1010b已经在之前的信号Sm的脉冲的结束处被设置而没有被任何信号Sz的脉冲复位)。
当信号sz2取值为1时(指示检测到两个连续过零瞬间)和/或信号Sm2取值为1时(指示检测到两个连续观测窗)，该信号Se′也转为值1。在这样的情况下，保护电路1035控制指令逻辑410以禁用开关系统的两个晶体管的控制信号达预定时间(例如，10-50μs)。因此，晶体管同时切断，使得工作电流为零(由此切断该灯)。此时，可以以重新激活镇流器的常规程序(例如，软启动模式)而再次冷启动该灯。
自然地，为了满足当地的和具体的要求，所属技术领域的专业人员可以对如上所述的技术方案施以许多逻辑和/或物理修改和变更。更具体地说，虽然已经根据它的一个或多个实施例以一定程度的细节描述了该技术方案，应该清楚的是还存在多种在形式和细节方面的省略、置换，和变化以及其他实施例都是可能的。尤其是，本发明不同的实施例甚至可以在没有在先描述所阐明的用于提供对其更透彻的理解的具体细节(比如数值实例)的情况下实行；反之，熟知的特征也许已经从略或简化以免不必要的细节使得该描述晦涩。此外，意图很清楚的是，结合所披露的技术方案的任何实施例描述的具体元件和/或方法步骤可以作为通用设计选择的要素并入到任何其他实施例中。
特别地，如果该控制系统有不同的结构或包括等效的元件，也应用类似的考虑；此外，元件可以彼此分开或完全或部分地结合在一起。
虽然在上述描述中，已经对用于控制荧光灯的亮度的镇流器做出了具体的参考，但是这样的应用仅仅是说明性的而不应该以限定的方式解释。例如，镇流器可以具有不同的结构，其可被用来控制其他类型气体放电灯的亮度；一般地说，同样的技术方案可以应用在谐振逆变器、基于谐振逆变器的直流-直流变换器、或用于控制任何其他的谐振开关系统。显然，该开关系统可以具有不同的结构或它可以包括等效部件-即，任何其他的半桥式配置的开关对(例如，CMOS)。同样地，该开关系统可以是由不同类型的振荡器(或等效电路)控制。此外，对于低侧晶体管和高侧晶体管或两者而言，以等效的方式检测过零瞬间都是可以的。例如，在本发明的可替换实施例中，测量电阻器在半电池电容器和接地端子之间串联连接到灯(其低侧晶体管的源极端子直接连接到接地端子)；这样，可以为两个晶体管检测每个过零瞬间(当测量电阻器处的电压分别从负值转到正值或从正值转到负值时)。
观测窗的上述例子纯粹是指示性的而不是限定性的；特别的，当通过超前或延迟过零瞬间的检测来进行编程时，该观测窗可被固定为甚至大于该滞后时间的值(例如，其预先确定的分数)。总之，不排除以另外方式(甚至与滞后时间无关)限定观测窗的可能性。在本发明的简化实施例中，也可提供不可编程的观测窗(例如，等于预先设定的该工作频率的几分之一)。
总之，观测窗的编程可能是以不同的方式获得。例如，在基本实施例中，可通过预定的步骤增加它/或减小它(与该工作频率无关)。
显然，该编程电压(用来限定该观测窗)可通过另一种方式设置(例如，通过控制经过具有固定电阻的电阻器的电流)。总之，没什么能妨碍在该控制系统内确定编程电压(或任何其他等效的信号)。
如果该过零瞬间以另一种方式改变(通过超前或延迟它)，可以应用类似的考虑，以模拟该观测窗的相反符号的对应变化。
例如，没什么能妨碍应用直接来自外部的补偿电流(offset current)(符号与工作电流的符号相同或相反)。
不排除以不同方式(甚至不需要作用于该振荡器的操作)改变该工作频率的可能性；例如，在本发明的可替换实施例中，该工作频率可改变恒定的量(不考虑过零瞬间的超前)，或者以连续方式改变。
由该单稳态提供的同样结果可通过其他能确保该工作频率变化最小的电路获得(只要该过零瞬间落入该观测窗内)-例如，通过规定表示该观测窗的信号的最小长度。总之，即使当该编程窗是可编程的，这样的特征使得其自身得以实现。相反地，即使当该计划窗是固定的，它也不是严格地必需的。
如果该保护电路响应不同于单个观测窗的两个连续观测窗之间的任意数量的过零瞬间的检测，也可以应用类似的考虑；总之，该保护电路可以不同地起作用(例如，通过完全地切断该镇流器)。
应该注意的是，如上所述的控制系统便于制造和销售，甚至独立于相应的开关系统。
显然，提出的结构可以是集成电路设计的一部分。该设计也可以编程语言来创造；此外，如果设计师不能制造芯片或掩模，则该设计也可以通过物理手段传输到第三方。总之，该产生的集成电路可以由它的制造商以原晶片形式如裸芯片分发，或以封装形式分发。此外，提出的技术方案可以与同一芯片的其他电路集成，或它可以安装在中间产品中或与一个或多个其他芯片耦合。总之，该集成电路适合用于复杂系统。
该镇流器(或任何其他包括所提出的控制系统的设备)可以具有不同的结构或包括等效部件(分开的、或整体地或部分地组合的)。
类似的考虑应用于该照明装置。
最后，所提出的技术方案便于以等效的方法实现(通过使用类似的步骤、删除某些不必要的步骤、或增加更多可选的步骤)；此外，这些步骤可以按照不同的顺序，并行地或交错的方式执行(至少部分地)。

Claims (14)

1.一种用于谐振开关系统(110)的控制系统(115)，所述开关系统包括以半桥式配置的第一开关(M1)和第二开关(Mh)，用来驱动谐振负载(L、105、C1)，其中所述控制系统包括：
用于根据所述开关系统的工作频率交替地接通和切断所述第一开关和所述第二开关的指令装置(405-410、4151、415h)，所述指令装置包括用于通过将工作频率设置到期望值来控制由所述开关系统提供给所述谐振负载的工作电流(I(L))的装置(R2；Pc)，
其特征在于，
用于在时间的观测窗(Tm)中检测所述工作电流(I(L))的归零(tz)的检测装置(420-430)，所述观测窗跟随至少一个开关(M1)的每次切断并且具有等于所述开关系统工作周期几分之一的长度，以及·
用于当在观测窗中检测到归零时改变所述工作频率直到归零移动到所述观测窗外的校正装置(435、535)，当在观测窗中没有检测到归零时，所述校正装置不影响工作频率。
2.根据权利要求1的控制系统(115)，其中所述指令装置(405-410、4151、415h)包括用于交替地将接通信号和切断信号(LS、HS)施加到每个开关(M1、Mh)的装置(410)，在每个开关的切断信号和另一个开关的接通信号之间具有滞后时间(Td)，所述观测窗(Tm)的长度至少等于所述滞后时间。
3.根据权利要求1或2的控制系统(115)，进一步包括用于编程所述观测窗的长度的编程装置(425；505，Rp)。
4.根据权利要求3的控制系统(115)，其中所述指令装置(405-410、4151、415h)包括用于产生斜线状振荡信号(V(Po))的振荡器(405)，以及用于根据所述振荡信号来操作所述第一开关和所述第二开关的接通和切断的装置(410)，所述编程装置(425；505，Rp)包括用于根据所述振荡信号和阈值(Vp)之间的比较来限定所述观测窗的长度的装置(625)。
5.根据权利要求4的控制系统(115)，其中所述编程装置(425；505，Rp)包括用于改变所述阈值(Vp)的装置(Rp2)。
6.根据权利要求3的控制系统(115)，其中所述检测装置(420-430)包括用于测量指示在所述控制系统的测量端子(Ps)处的工作电流(I(L))的测量量(V(Rs))的测量装置(420)，所述编程装置(425；505，Rp)包括用于施加补偿到所述测量量的补偿装置(505、Rp)。
7.根据权利要求6的控制系统(115)，其中所述测量装置(420)包括串联连接到至少一个开关(M1)用于传导工作电流(I(L))的测量电阻器(Rs)，并且其中所述补偿装置(505、Rp)包括连接在所述测量端子和所述测量电阻器之间的编程电阻器(Rp)，以及用于施加预定电流到所述编程电阻器的电流发生器(505)，所述测量装置测量在所述测量端子的电压，所述电压被限定为所述测量电阻器处的电压和所述编程电阻器处的电压之和。
8.根据权利要求1的控制系统(115)，其中所述校正装置(435；535)包括增量装置(435；535)，用于将所述工作频率增加对应于归零(tz)的检测和所述观测窗(Tm)的结束之间的差值的量。
9.根据权利要求8的控制系统(115)，其中所述增量装置(535)包括装置(805)，用于响应于在观测窗中对归零的每次检测来将所述工作频率增加最小量。
10.根据权利要求1的控制系统(115)，进一步包括：
用于检测两个连续观测窗之间的不同的多个归零的一个装置(1005)，以及
响应于对两个连续观测窗之间的不同的所述多个归零的每次检测而切断第一开关(M1)和第二开关(Mh)的装置(1035)。
11.一种开关控制设备，包括谐振开关系统(110)和根据权利要求1的用于控制所述开关系统的控制系统(115)。
12.根据权利要求11的设备(110)，其中所述设备是用于照明装置(100A、100B)的镇流器。
13.一种照明装置(100A、100B)，包括根据权利要求12的镇流器。
14.一种用于控制谐振开关系统(110)的方法，所述开关系统包括以半桥式配置的第一开关(M1)和第二开关(Mh)，用来驱动谐振负载(L、105、C1)，其中所述方法包括这些步骤：
根据所述开关系统的工作频率交替地接通和切断所述第一开关和所述第二开关并且通过将工作频率设置到期望值来控制由所述开关系统提供给所述谐振负载的工作电流(I(L))，
其特征在于，
在时间的观测窗(Tm)中检测所述工作电流(I(L))的归零(tz)，所述观测窗跟随至少一个开关(M1)的每次切断并且具有等于所述开关系统工作周期几分之一的长度，以及
当在观测窗中检测到归零时改变所述工作频率直到归零移动到所述观测窗外，当在观测窗中没有检测到归零时，所述工作频率不被影响。
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