CN1394461A - 使用启动暂态电压抑制电路的电子镇流器 - Google Patents

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Abstract

一种LCD背光反相器,包括一个电源级,该电源级包括第一电源开关和第二电源开关,给一个或多个冷阴极荧光灯供电。一种控制器产生控制信号,接收电压电平等于或大于规定门限电平的IC电源输入信号,以及提供驱动所述第一和第二电源开关的稳态内部振荡。一种暂态防止电路保持所述第二电源开关处于非导通状态,至少直到所述IC电源输入信号达到所述规定门限电压。可选地,暂态防止电路保持所述第二电源开关在非导通状态,至少直到所述IC电源输入信号达到所述规定电压门限值,并且还防止控制器振荡器产生所述内部振荡,至少直至IC电源电压达到门限值。

Description

使用启动暂态电压抑制电路的电子镇流器
本发明总体上涉及荧光灯镇流器,更具体说,涉及用于提供暂态预防的电路,此电路用于可调光的冷阴极荧光灯(CCFL)镇流器。
出于安全和可靠性的考虑,通常在电子镇流器中需要开路保护。如果在电子镇流器中没有保护功能,当没有灯连接到镇流器的输出,即没有负载时,在镇流器的输出端将产生一个非常大的不理想的电压。在这种不带负载的情况下,镇流器的输出电压可能5倍于带载时的标称输出(例如,电压达到3500V而不是700V)。这种过压状态会损坏镇流器元件,并且/或者会导致镇流器陷入不期望的运行状态,并最终损坏镇流器。
在美国专利No.5,680,017、No.6,011,360、和No.6,084,361所描述的灯驱动电路中,需要过压保护;以上每项专利的内容在此引作参考。
图1所示的是依据现有技术的液晶显示器(LCD)背光反相器的框图,总体上用标号100表示。LCD背光反相器100典型地包括一个电源级模块6,用于控制诸如L1 8和L2 10的灯。灯L1 8和L2 10可以但并不仅限于照亮台式计算机(图中未画出)的液晶显示器(LCD)。LCD背光反相器100还包括一个启动逻辑模块16、一个短路/开路保护模块15、和一个控制IC(集成电路)20。应当注意,稍作修改后,一个脉宽调制模块可以被加入到图1的电路结构中,来控制IC20和电源级模块6之间的信号。
IC20执行多项功能,包括:通过检测灯的电流和电压来调节灯的功率,接收和输出控制信号及非控制信号,产生一个内部振荡来驱动作为电源级模块一部分的电源开关(图中未画出)等。
如图1所示,两个控制信号G1和G2表示驱动电源级模块6内部的半桥开关的输出控制信号,这两个信号调节电源级模块6内部变压器的输出功率,以驱动L1和L2。在正常运行状态下,启动逻辑模块16为IC20供电(见信号Chip_Vdd)并且防止IC20在故障状态下或当启动逻辑模块16的使能信号没有激活时获得电源。启动时,信号Chip_Vdd将沿斜坡上升达到一个门限值,Vdon。达到门限电压Vdon后,IC20据说处于振荡模式。启动逻辑模块16还被用于禁止IC20以防止检测到的过电压损坏IC20,后面将进一步说明。
图2描述了图1中的具体元件并且给出了图1中电源模块6的详细电路图。电源级模块6基于电压反馈型半桥谐振转换器,用于提供高启动电压(例如:>1700Vrms)来点亮灯,和提供电流源驱动以便控制导通状态下的灯高效(就是说,>85%)运行。如图2所示,电源级模块6包括两个电源开关M1 31和M2 32。在本实施例中,M1 31是一个高端电源MOSFET开关,M2 32是一个低端电源MOSFET开关。在备选方案中,电源开关可能是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。半桥开关M1与M2各自被非重叠栅极信号G1和G2驱动在恒稳态运行模式。如图所示,电源开关被布置为半桥结构,其公共点33是L-L-C谐振电路的电源,该电路包括电感T3 37、变压器T1 36、T2 38和电容C39及C40。如图所示,灯L18被连接到变压器T1 36的次级绕组,灯L210被连接到变压器T2 38的次级绕组,没有镇流电容。在示范实施例中,灯L1 8和L2 10是冷阴极荧光灯(CCFL)。本领域的技术人员都知道,在不同的应用中,其它类型的负载可以替换灯L1 8和L2 10。由于不使用镇流电容,输出变压器的无功功率得以最小化。两个灯L1 8,L2 10共用一个公共地及一个公共灯电流检测电阻RSENSE。
电源开关M2 32被IC20提供的控制信号G2 46驱动交替导通,电源开关M1 31被IC20提供的控制信号G1 48驱动交替导通。灯的功率调节由闭环反馈控制完成。灯电压在输出变压器T1 36和T2 38的次级绕组的紧耦合线圈上获得,而灯电流通过与灯串联的电阻RSENSE进行检测。在RSENSE上检测到的灯电流作为IC20管脚LI1和LI2的输入来表示灯的平均电流。然后,IC20在某一方向上驱动半桥的频率来实现控制器的参考输入所要求的灯功率。在这种情况下,参考输入是控制器的DIM输入管脚。
下面将继续参考图2,描述现有技术中的液晶显示器背光反相器的启动顺序,以说明现有技术不能保护启动过压暂态的这一局限性。
首先,(即启动期间)电源开关M1 31和M2 32处于非导通状态。ENABLE 42处于关状态,因此输入信号Chip_Vdd 43处于关状态。反相器100的输入Vdd 44施加到电路,从而在C3 40与C1 41之间的公共点处的节点电压VNODE 40将被充电到Vdd/2,因为C3 40和C1 41有相同的电容值。当ENABLE信号42切换到开状态的时候,由电源电压Vdd44供电的IC20电源端Chip_Vdd 43从0v起缓慢充电,并且作用到IC20标有Vdd的管脚。IC20电源Chip_Vdd 43缓慢充电达到一个门限电压Vdon。达到门限值Vdon前,作为响应,IC20将激活管脚G2,使得输出信号保持G2M2 32在开状态,而高端电源开关M1 31在关状态。
如前所述,在Chip_Vdd达到门限值Vdon前,IC20不发生振荡。在IC电源Chip_Vdd 43达到门限值Vdon前,M2 32保持在开状态,由此产生由T2,T1,T3及M2构成的一条路径,从而允许节点VNODE 40放电至零。这就在感应电感T3 37中产生了一个直流偏移(非对称),该直流偏移被变换为一个沿导线54的不平衡感应信号。该电压不对称被IC20的输入电感电流检测管脚RIND检测到,这样会驱动半桥频率不合要求地向谐振频率降低。特别是,信号G2和G1过早地开始在不符合要求的低频振荡,由此,在不符合要求的低频速率,分别驱动低端和高端电源开关M2 32与M1 31。低开关速率是不理想的,因为它接近由谐振电感T3、变压器T1 36、T2 38及电容C39和C40形成的L-L-C谐振电路的谐振频率,从而导致启动电压暂态。
以不理想的的低频率驱动电源开关M1 31和M2 32是因为该控制器为导通时间型控制器而非频率控制器。导通时间型控制器的描述详见美国专利6,084,361。导通时间型控制器的特征在于它以非直接方式控制开关频率。特别地,频率控制是通过对外部电感过零的响应来完成的。相反,频率控制器并不依赖于外部感应信号来完成频率控制,因此更少地免除了过压暂态。
图3是说明前面描述的过程的波形图。如图所示,通道1表示从电压Vdd44输出的IC电源Chip_Vdd 43。在Chip_Vdd 43达到预设门限电压Vdon之前,IC20保持M2 32管子处于开状态。该与Chip_Vdd相关的时间49(即Chip_Vdd达到门限水平Vdon之前的时间)导致了M2开关工作在如A(见通道4)所示的不理想的的低频。通道2表示VNODE 40电压,如图所示,在启动期间即Vdon达到之前,通过由M2 32构成的至地的路径首先被放电至0v。然后,VNODE 40从零开始增长,在T3 37中产生了如上讨论的不对称电感电流。通道3说明了IC20 RIND输入端检测到的电感电流不对称(注意波形左边的不对称尖峰)。通道4说明被检测到的不对称的结果。具体而言,如图所示,开关M2 32在开始时被以不理想的的低开关速率或频率驱动,该频率接近导致启动过压暂态的L-L-C串联谐振电路的频率(见时间段A)。应当注意,这个暂态持续一段延长时间(例如:400:秒),因为电容C1 41和C3 40相对较大(例如,各自为100:f),所以节点VNODE 40需要相对较长的暂态时间才能稳定在Vdd/2(见点B)。在这段时间里,开关M2 32的低开关速率持续到VNODE 40重新稳定到Vdd/2为止。
现有技术配置的另一个不理想的结果是:由于暂态时间长,反相器可能无法启动。
因此,需要提供一种液晶显示背光反相器,控制灯工作于更稳定的启动状态。防过压电路应该具体解决使电感电流波形重新变为对称所要求的相对较长的暂态时间。
本发明提供了一种改进型的液晶显示器(LCD)背光反相器,它克服了与现有技术有关的问题。更具体地说,本发明提供了一种电路,用于防止LCD背光反相器中的启动暂态(即过压状态)。
本公开内容的第一实施例中,提供了一种改进型的LCD背光反相器,包括:一个电源级,包括给一个或多个负载(例如,灯)供电的第一电源开关和第二电源开关;一个控制器,用来产生控制信号,接收等于或超过规定门限值的IC电源并产生驱动第一和第二电源开关的稳态内部振荡;和一个暂态防止电路,保持第二电源开关处于非导通状态,直到至少该IC电源达到规定电压门限。
本公开内容的第二方案中,提供了一种改进型LCD背光反相器,包括:一个电源级,给一个或多个负载(例如,灯)供电的第一电源开关和第二电源开关;一个控制器,产生控制信号,接收电压电平对应于所述电压源的电压电平的IC电源输入信号,并产生和输出对应于内部产生的驱动所述第一和第二电源开关的振荡的信号;和一个暂态防止电路,防止所述振荡器产生所述内部产生的振荡,直到至少所述IC电源输入信号达到规定门限值。
根据以下对于本发明的说明实施例的详细描述,同时参考配图,本发明的上述特性将会变得更为明显和易于理解。其中,
图1是根据现有技术的LCD背光反相器的框图;
图2是图1所示的LCD背光反相器的更详细的电路图,包括电源级模块的详细电路图;
图3是说明在图2所示的现有技术LCD背光反相器中电压暂态是如何发生的波形图;
图4是根据本发明第一实施例所构成的改进型LCD背光反相器的电子电路图;
图5是用以说明图4方案中的电压暂态如何消失的波形图;
图6及6A是根据本发明第二实施例所构成的改进型LCD背光反相器的电子电路图。
图中,相似的标号一般表示相同的、功能相似的、和/或结构相似的单元。
下面参考图4-6详细描述本发明在此处公开的暂态防止电路的优选实施例,图中相似的标号标识相似或相同的单元。尽管该公开的实施例设计为控制至少一盏LCD灯(负载)的液晶显示器(LCD)背光反相器,但是本公开暂态防止系统的实施例可以用于任何操作负载时要求暂态防止的应用。
第一实施例:
图4是本发明的暂态防止电路的第一实施例的详细电路图,总体上用标号9表示。图4中的电路9包括一个双输入与门51,其中一个输入端被连接到一个有相应的RC时间常数的RC串联电路的中点。该RC电路包括电阻R52和电容C53。该电阻和电容值由具体应用所要求的时间常数值(即,R52*C53)确定。在启动过程及随后的运行过程中,电压Chip_Vdd43作用于电阻R52。应当注意,在一种备选方案中,当使用脉宽调制调光逻辑模块时,图4中的暂态防止电路9可以作为该脉宽调制调光逻辑模块的一部分。
根据该第一方案的LCD背光反相器的运行描述如下。IC20的输出管脚G2输出一个信号G2 46,该信号作为输入在与门51输入端A提供给暂态防止电路9。与门的输入端B连接到R-C电路的中点X。注意到,在启动时就施加Chip_Vdd43,因此X点和输入B的电压根据RC时间常数增长。这样,与门51的输入B的高电平信号被延迟由RC时间常数(即,R52*C53)规定的一段预定时间,从而延迟了与门51的输出信号G2。延迟时间固定为使输出信号G2 46延迟足够长的时间以使Chip_Vdd达到门限电压电平Vdon所需的时间。一旦超过RC时间常数,输入B变为高电平并保持,与门51的输出跟随输入A的信号G2。这样,电路9就防止了电源开关M2在延迟时间达到之前被信号G2激活,从而避免发生前面定义的电压暂态。这一点是通过以下过程实现的:使电源开关M2 32的激活延迟足够时间(即延迟输出信号G2),直到源于电压反相器100的输入Vdd44的信号Chip_Vdd43至少达到门限水平Vdon,以防止电源开关在接近于L-C串联谐振电路的谐振频率的不理想的低频发生振荡,从而防止因此而产生的不理想的启动电压暂态。
图5是说明图4的上述过程的波形图,其中,每一通道的水平轴是标准的。如图所示,通道1表示信号Chip_Vdd43,象在现有技术中一样,它从电压反相器100的输入端Vdd44输出。然而,与图3中描绘的波形不同的是,图5中的通道2表明,由于暂态防止电路9产生的信号G2的延迟,从而保持M2处于关状态,信号VNODE 40在Chip_Vdd增长到值Vdon时保持常数而且是一个正值。通常,RC时间常数的延迟时间多少有些任意,因为决定条件仅仅是延迟足够长的时间来允许控制器电源电压达到门限值。象在现有技术情况下一样,Chip_Vdd43要求一段有限时间,以便沿斜坡上升到门限电平,然而,与现有技术情况不同的是,如通道2-4所表示,由于VNODE(通道2)没有象现有技术情况下一样放电到零值,因此不理想的启动电压暂态不会发生。由于VNODE 40不放电(因为在此期间暂态防止电路9保持开关M2不激活),RIND检测管脚(通道3)没有检测到电感电流不对称。因此,作为响应,低频时开关M2不振荡(通道4)。而且,输出门信号G2保持在关状态,直到Chip_Vdd至少达到使开关管子M2工作在所示的适当开关频率的门限电压。
第二实施例:
图6是第二实施例的详细电路图,包括的本发明的暂态防止电路,总体上用标号9A表示,见图6A中的放大图。电路9A包括一个双输入与非门71,其一个输入端连接到具有相应RC时间常数(即,R52*C53)的串联RC电路的中点X。应当注意,在一种备选实施例中,当使用脉宽调制(PWM)调光逻辑模块时,图6的暂态防止电路9可作为PWM调光逻辑模块的一部分。电路9提供的暂态防止是通过防止IC20在启动阶段发生内部振荡来实现的。这样,禁止激活输出管脚G2,从而防止低端电源开关M2 32在IC20输入管脚电压达到门限电平Vdon之前变为导通状态。
参考图6及6A,运行时,IC20(见图6)的输出管脚G2输出一个信号G2作为暂态防止电路9A的与非门71的第一输入。与非门71的第二输入从包括R52与C53的RC电路的中点X得到。对于图6A的RC电路,中点X处的电压在时间常数RC内从Chip_Vdd(一个高值)减小至零。因此,在启动期间,与非门71的输出与G2in信号相反。如前所述,在启动期间,IC20保持G2在高电平,由此G2in保持高电平,而与非门71的输出处于低电平。
暂态防止电路9A有两个输出,第一个输出信号Osc_Enable73连接到P沟道FET Q1 64(见图6)的一个输入端。在其它实施例中,Q1可以实现为双极型PNP。众所周知,施加到P沟道FET栅极的低电平信号就可以保持该开关处于开状态。如图6A所示,Osc_Enable 73由与非门71的输出Y提供,因此,如上所述,Osc_Enable 73被保持在低电平一段由RC电路的RC时间常数确定的时间,这样保持开关Q1 64处于开状态。通过保持Q1 64在开状态,输入管脚CF通过电源Chip_Vdd有效地保持在高电压,从而防止信号输出G2的振荡。这一点是通过例如在振荡器电容上保持一个电压而实现的,振荡器电容用于产生振荡信号,如G2。
这样,就防止了IC20在启动阶段产生不理想频率的内部振荡,即防止G2在由RC时间常数(R52*C53)确定的时间内发生振荡。过了RC时间常数后,RC电路X点提供的输入B变低。当输入B降低的时候,与非门71的输出保持为高(与A点的G2in无关),从而Osc_Enable保持为高电平,因此Q164关断,并且因为CF不保持高电平,所以允许振荡。
应当注意,除了防止由RC时间常数R52*C53决定的时间内在IC20中发生内部振荡,开关M2 32也在由R52*C53时间常数确定的同样周期内保持关的状态。这是由于与门I4 75的输出(Z)保持在逻辑低电平。因为AC输入源自与非门71,所以在与门I4 75的输出端被保持低电平,与非门71的相应的输出在启动阶段根据R52*C53时间常数保持在低电平。启动以后,与非门71的输出如上所述处于高电平,从而与门75的输出跟随输入端D的输入信号G2in。
射极跟随器电路77的输出G2out实际上和与门75的输出Z相同。与门75的输出Z耦合到射极跟随器电路77,该射极跟随器电路77的作用就像信号缓冲器,用于传递信号Z75作为暂态防止电路9A的第二输出信号G2out。因此,启动后,G2out跟随G2in.
应当理解,对于此处公开的实施例可以作多种修改,上面的描述不应作为限制,而只是作为优选方案的范例。本领域的技术人员将会预见到权利要求的范畴和主旨之内的其它实施方案。

Claims (10)

1.一种给负载供电的开关模式转换器,包括:
一个电源级,包括第一电源开关(31)和第二电源开关(32),在稳态工作期间控制至少一个负载;
一种控制器(20),接受控制器电源电压并提供驱动所述第一电源开关和第二电源开关的稳态内部振荡;和
一种暂态防止电路(9),用于防止电源级工作,至少直到所述控制器电源电压达到一个门限值。
2.权利要求1的开关模式转换器,其中暂态保护电路(9)保持所述所述二电源开关在非导通状态,至少直到所述控制器电源电压达到门限值。
3.权利要求1的开关模式转换器,其中暂态防止电路9防止所述振荡器产生所述内部振荡,至少直到所述控制器电源电压达到所述门限值。
4.权利要求2或3的开关模式转换器,其中暂态防止电路包括具有相应的RC时间常数的一个电阻(R52)和一个电容(C53),该RC时间常数保持第二电源开关(32)在非导通状态,至少直到所述控制器电源电压达到所述门限值。
5.权利要求4的开关模式转换器,其中所述RC时间延迟输入到所述电源级模块用于驱动所述电源开关的控制信号中的一个,至少直至所述控制器电源电压达到所述门限值。
6.权利要求1的开关模式转换器,其中所述第一和第二电源开关包括N沟道功率MOSFETS,连接成半桥结构。
7.权利要求1的开关模式转换器,其中所述开关模式转换器是一种液晶显示背光反相器。
8.权利要求1的开关模式转换器,其中所述负载是荧光灯。
9.权利要求6的开关模式转换器,其中所述荧光灯是冷阴极荧光灯。
10.权利要求9的开关模式转换器,其中所述冷阴极荧光灯为液晶显示器提供照明。
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