CN105706532A - 具有开路输出保护的驱动器 - Google Patents

Abstract

具有开路输出保护的驱动器。用于驱动负载(L)的负载驱动器(200；300)的启动电流经由负载来提供。在用于驱动负载(L)的负载驱动器(200；300)中，参考点处的操作电流或操作电压通过将所述参考点经由负载耦合到功率电压母线(105；305)而从所述功率电压母线导出。用于驱动负载(L)的负载驱动器(200；300)包括输出电容器(125；325)和耦合到输出电容器的两个输出端子(128，129；328，329)。耦合二极管(202；325)以正向连接从一个输出端子耦合到输出缓冲电容器的端子。如果负载存在以传导启动电流(Is)，则转换器电路(110)的启动端子(111)耦合到所述一个输出端子(129；329)，以经由被驱动的负载来接收这一电流。

Description

具有开路输出保护的驱动器

技术领域

本发明总体涉及开关模式驱动器。具体地，但不排他地，本发明涉及供作为LED驱动器使用的开关模式驱动器。

背景技术

在开关模式驱动器(诸如用于驱动LED的那些开关模式驱动器)中，输出缓冲电容器被反复充电和放电。假使被驱动的LED有缺陷而提供开路，或者没有LED连接到输出端子，则输出缓冲电容器上的电压可能变得非常高，并且由此，输出端子上的电压可能变得非常高，这是潜在的危险，并且可能引起电子部件的损坏。已知保护电路包括相对大数目的部件，并且因此相对昂贵。例如，大量晶体管、稳压管、电容器等用于感测指示负载电压的二次变压器绕组的电压。另外，当前的开路保护电路交替地启动和停止，并且引起驱动器的打嗝：一次又一次地重启。

US2012/0299480公开了基于IC的LED驱动器。功率开关MOS461的开关由LED线路驱动器IC420来控制。功率开关的启动由IC来处理，而不由经由负载来自电源的电流来处理。这种基于IC的解决方案成本高。

US2005/0093488也公开了基于IC的驱动器。但它是线性驱动器，而不是开关功率驱动器。晶体管与负载并联，并且供作为电阻元件而用于从负载分流一部分功率。同样地，这一现有技术中的晶体管108由IC来控制，并且不是通过经由负载来自电源的启动电流而导通。

发明内容

本发明的目的是提供具有相对小数目的部件并具有良好的保护性能的、具有过电压/开路负载保护的开关模式驱动器。

在一个方面中，本发明提供了用于向用于驱动负载的驱动器提供启动电流的方法，该方法包括以下步骤：经由要被驱动的负载提供启动电流。

在另一个方面中，本发明提供了用于在用于驱动负载的驱动器中的参考点处提供操作电流或操作电压的方法，其中所述操作电流或操作电压分别通过将所述参考点经由要被驱动的负载耦合到功率电压母线而从所述功率电压母线导出。

在又一方面中，本发明提供了用于驱动负载的负载驱动器，该负载驱动器包括：输出缓冲电容器；两个输出端子，该两个输出端子耦合到输出缓冲电容器，以便耦合到负载；耦合二极管，该耦合二极管以正向连接从一个输出端子耦合到输出缓冲电容器的第一端子；以及转换器电路，该转换器电路包括启动端子，该启动端子用于接收启动电流，其中所述启动端子耦合到所述一个输出端子。由此，如果被驱动的负载存在以传导这一启动电流，则所述启动端子将经由被驱动的负载接收启动电流。

在所有上述方面中，本发明提供的优点在于：提供了在没有负载存在或者这种负载有缺陷而提供开路的情况下，防止驱动器启动的相对简单的电路。本发明进一步提供的优点在于：过电压/开路负载保护不会使驱动器打嗝。优选地，上述方法和驱动器用于LED应用。

从属权利要求中提及了进一步的有利详述。

应当理解的是，本发明的优选实施方式还可以为从属权利要求或上述实施方式与相应独立权利要求的任何组合。

附图说明

将参照附图通过一个或更多个优选实施方式的以下描述来进一步说明本发明的这些和其他方面、特征以及优点，附图中相同的附图标记指示相同或类似的部分，并且附图中：

图1示意性地示出了现有技术驱动器设计的电路图；

图2示意性地示出了根据本发明的驱动器的实施方式的电路图；

图3示意性地示出了根据本发明的驱动器的另一个实施方式的电路图；

图4和图5示出了用于图示如图2所示的电路的操作的电流/电压信号的图。

具体实施方式

虽然本发明涉及用于任何类型的负载的驱动器，但驱动器对于作为LED驱动器的应用尤其有用，并且下文中，将针对LED负载的示例具体说明并图示本发明，而该示例不将本发明的范围缩小到LED。

图1示意性地示出了当前驱动器100设计的电路图。驱动器100具有输入端子101、102，该输入端子101、102用于连接到AC市电；整流级103；以及输入滤波级104。输入滤波级104的输出侧连接到正电压母线105和负或接地电压母线106。块110为转换器电路。其包括参考节点111，该参考节点111经由第一电阻器112连接到正电压母线105并经由第一二极管113连接到接地电压母线106，第一二极管113的阴极端子连接到参考节点111。

在转换器电路110中，第一NPN晶体管114的基极端子连接到参考节点111，并且第一NPN晶体管114的发射极端子经由电流感测电阻器115连接到接地电压母线106。包括两个NPN晶体管的达林顿电路116的集电极端子连接到参考节点111，该达林顿电路116的发射极端子连接到接地电压母线106，并且该达林顿电路116的基极端子经由第三电阻器117连接到第一NPN晶体管114的发射极端子。

输出整流和滤波级120包括第二二极管121，该第二二极管121连接在正电压母线105与第一NPN晶体管114的集电极端子之间，第二二极管121的阴极端子连接到正电压母线105。反馈变压器130的一次变压器绕组122的一个端子连接到第二二极管121的阳极端子。第四电阻器123和输出缓冲电容器125的并联设置连接在正电压母线105与一次变压器绕组122的第二端子之间。

反馈变压器130的二次变压器绕组131的一个端子连接到接地电压母线106，并且第二端子经由第五电阻器132连接到达林顿电路116的基极端子。第二电容器133和第六电阻器134的串联设置连接在二次变压器绕组131的第二端子与参考节点111之间。

驱动器100的输出端子128和129分别连接到正电压母线105和一次变压器绕组122的第二端子。附图示出了连接在这两个输出端子128、129之间的被驱动的LED负载L。

假使被驱动的LED有缺陷而提供开路，或者没有LED连接到输出端子128、129，则输出缓冲电容器125上的电压可能变得非常高，并且由此，输出端子128、129上的电压可能变得非常高，这是潜在的危险，并且可能引起电子部件的损坏。

为了防止这一问题，所图示的驱动器设计包括连接在参考节点111与地之间的输出过电压/开路负载保护电路140。如附图中可以看出的，输出过电压/开路负载保护电路140包括PNP晶体管141，其发射极端子连接到参考节点111；电阻器142，其连接在参考节点111与晶体管141的基极端子之间；齐纳二极管143，其连接在接地电压母线106与晶体管141的集电极端子之间；电阻器144，其连接到晶体管141的集电极端子；电容器145，其连接在电阻器144与接地电压母线106之间；电阻器146，其连接到电容器145与电阻器144之间的节点；二极管147，其连接在电阻器146与二次变压器绕组131的第二端子之间；以及NPN晶体管148，其基极端子连接到晶体管141的集电极端子，NPN晶体管148的集电极端子连接到晶体管141的基极端子，并且NPN晶体管148的发射极端子连接到二极管147与电阻器146之间的节点。由此，这一输出过电压保护电路140需要八个部件。

这里阐明了这一开路负载保护的工作原理。当负载L开路时，输出电容器125将被充电至高电压。经由反馈变压器130的耦合的绕组122和131，电容器145将被充电。当电容器145两端的电压超过齐纳二极管143的齐纳电压时，齐纳二极管143被击穿。然后，晶体管148和141导通，并将节点111处的电压拉至接地，从而关断第一晶体管114。然而，当电容器145放电至低电平时，其不能保持晶体管148和141导通，由此保护电路140停止将节点111拉至接地。功率母线105经由节点111再次对晶体管114的基极施加启动电压，使得晶体管114再次导通，并且电容器125被再次充电。只要开路负载条件持续，则上述过程重复。因此，保护电路140周期性地启动和停止，这称为“打嗝”。这对于驱动器是不期望的。

图2示意性地示出了根据本发明的驱动器200的电路图。

在第一实施方案中，驱动器200包括输出电容器125；两个输出端子128和129，输出端子128和129耦合到输出电容器125，以便耦合负载L；耦合二极管202，该耦合二极管202从一个输出端子129正向连接到输出电容器125的端子；以及转换器电路110，其具有负载端子和启动端子111，其中所述负载端子经由耦合二极管202耦合到一个输出端子129，以便将回路内的负载L与功率母线105耦合，并且如果被驱动的负载L存在以传导启动电流Is，则启动端子111耦合到一个输出端子129，以经由被驱动的负载L接收该启动电流。

在另一个实施方式中，驱动器200还包括负载电阻器123，该负载电阻器123与输出电容器125并联连接。

在又一个实施方式中，驱动器200还包括启动电阻器112，该启动电阻器112在启动端子111与一个输出端子129之间。并且所述转换器电路110还包括开关元件114(例如晶体管114)，用于将负载L选择性地耦合在功率母线105与地之间以形成闭合回路，并且所述启动电流Is用于导通所述晶体管114。可以理解的是，其他类型的开关元件(比如MOSFET)也是可应用的。

存在将启动电流用于导通晶体管114的许多方式。图2示出了启动电阻器112连接到由接地电阻器201形成的偏压节点。启动电流将形成接地电阻器201两端的启动电压，以向晶体管114提供足够的基极电压，以使得晶体管114开始导通。在稍后将阐明的如图3所示的另一个实施方式中，启动电流用于对启动电容器进行充电，以向晶体管提供足够的基极电压。

根据本发明的LED驱动器200的设计与图1的驱动器100的背离在于以下特征：

1)消除过电压保护电路140；

2)下文中还被指示为“启动电阻器”的第一电阻器112连接到输出端子129，而不是连接到正电压母线105；

3)接地电阻器210并联连接到二极管113；

4)耦合二极管202以正向形式连接在输出端子129与第四电阻器123、输出缓冲电容器125以及一次变压器绕组122的交点之间。

将清楚的是，部件的数量大幅小于现有技术设计，由此大幅降低成本。要注意的是，所图示的示例包括作为驱动器的负载的LED，但本发明不限于LED，并且其他类型的负载也是可应用的。

操作如下。假使要被驱动的LEDL存在，则第一晶体管114的基极端子经由负载LEDL和启动电阻器112从正电压母线105接收正偏压，使得转换器电路110正常操作。启动电阻器112和接地电阻器201作为用于所述偏压的分压器而操作。当电阻器201两端的电压超过第一晶体管114的Vbe时，第一晶体管114导通，并且LEDL在闭合回路中与功率母线105和地耦合。第一晶体管114的集电极-发射极支路中的电流在电流感测电阻器115上产生感测电压，这一感测电压指示负载电流，该感测电压作为输入电压而被提供到达林顿电路116的基极端子。当负载电流足够高时，达林顿电路116将导通，使得降低第一晶体管114的基极电压，并且关断第一晶体管114。重复这一操作，从而驱动LED。所述第一晶体管114为开关模式驱动器的开关晶体管。

假使不存在负载LEDL，则启动电阻器112不接收任何正电压，其中耦合二极管202还阻止通过电容器125并通过电阻器123从正电压母线105朝向启动电阻器112的电流，并且第一晶体管114的基极端子通过接地电阻器201下拉至接地电压母线106的电压电平，这防止驱动器启动。由此以高效的方式，防止输出处的高电压产生。还注意的是，耦合二极管202防止输出缓冲电容器125借助于启动电阻器112放电。

图4和图5图示了如图2所示的驱动器200实施方式中的作为时间的函数的电流和电压信号。更具体地，图4的上图示出了开关晶体管114的基极电流Ib(Q1)和LEDL中的负载电流I(Led1)。在时间30ms时，故意中断负载。关于基极电流Ib(Q1)，可以看出，在负载开路之后，由于如图1所示的驱动器中的保护电路140重启，所以没有打嗝/瞬变上升会发生。图4的下图示出了输出缓冲电容器125上的电压V(a,C1)和输出端子128处(即，正母线105处)的电压V(a)。可以看出，电容器上的电压将不被充电至过高值。图5的图示出了长期内输出缓冲电容器125上的电压V(a,C1)和负载电流I(Led1)。一旦负载开路，则负载电流来到零，并且输出缓冲电容器125上的电压逐渐降低。

图3示意性地示出了根据本发明的包括环芯变压器的恒定电流LED驱动器300的电路图。

驱动器300具有输入端子301、302，该输入端子301、302用于连接到AC市电；整流级303；以及输入滤波级304。输入滤波级104的输出侧连接到正电压母线305和负或接地电压母线306。块310为转换器电路。在转换器电路310中，第一NPN晶体管314的基极端子连接到第一电阻器311的一个端子，并且第一NPN晶体管314的发射极端子经由第二电阻器315连接到接地电压母线306。包括两个NPN晶体管的达林顿电路316的集电极端子连接到第一NPN晶体管314的基极端子，该达林顿电路316的发射极端子连接到接地电压母线306，并且该达林顿电路316的基极端子经由第三电阻器317连接到第一NPN晶体管314的发射极端子。第一NPN晶体管314为开关模式驱动器300的开关晶体管。

输出整流和滤波级320包括输出缓冲电容器325，该输出缓冲电容器325的一个端子连接到正电压母线305。第一二极管321连接在正电压母线305与第一NPN晶体管314的集电极端子之间，第一二极管321的阴极端子连接到正电压母线305。反馈环芯变压器330的一次变压器绕组322的一个端子连接到第一二极管321的阳极端子。电感器323连接在一次变压器绕组322的第二端子与输出缓冲电容器325之间。

二次变压器绕组331的一个端子连接到第一电阻器311的第二端子，并且二次变压器绕组331的第二端子连接到第一NPN晶体管314的发射极端子。

驱动器300的第一输出端子328连接到正电压母线105，并且驱动器300的第二输出端子329经由第二二极管325耦合到输出缓冲电容器325与电感器323之间的交叉节点，其中第二二极管325的阳极指向202第二输出端子329。附图示出了连接在两个输出端子328、329之间的被驱动的LEDL。

驱动器300还包括存储电容器341，该存储电容器341的一个端子连接到接地电压母线306，并且该存储电容器341的第二端子经由充电电阻器342(还指示为“启动电阻器”)连接到第二输出端子329。第三二极管343将存储电容器341的第二端子连接到第一晶体管314的集电极端子，其中第三二极管343的阳极指向存储电容器341。双向触发二极管344将存储电容器341的第二端子连接到第一电阻器311的第二端子。

操作如下。假使要被驱动的LEDL存在，则存储电容器341经由负载LEDL和充电电阻器342从正电压母线105充电。一旦存储电容器341的电压达到阈值，则双向触发二极管344将被触发，并向第一晶体管314提供基极电流，然后第一晶体管314将经由第三二极管343对存储电容器341进行快速放电，同时汲取一次变压器绕组322中的电流。这被重复，直到第一晶体管314操作在其饱和区域内。当负载电流足够大时，电流感测电阻器315将向达林顿电路316提供指示负载电流的高电压，这将降低第一晶体管314的基极电压，并且由此关断第一晶体管314。重复这一操作，从而驱动LED。

假使不存在负载LEDL，则将不对存储电容器341充电，并且双向触发二极管344将不激发，使得不能使第一晶体管314导电，并且驱动器300不能启动。由此以高效的方式，防止输出处的高电压产生。

在如图3所示的驱动器300实施方式中，因为反馈变压器300被实施为环芯，所以期望具有恒定负载电流。达林顿电路316中的两个晶体管的电压为1.2V，并且电阻器315的电阻恒定，由此流过电阻器315的电流恒定。

还有，因为使用环芯，所以温度漂移是严重问题。为了解决或至少减少这一问题，驱动器300被示出有温度补偿电路360。温度补偿电路360包括NTC电阻器361，该NTC电阻器361的一个端子经由电阻器362连接到地306，并且NTC电阻器361的另一个端子连接到二极管364的阴极，二极管364的阳极连接到三次变压器绕组363。PNP晶体管365的发射极端子经由电阻器366连接到二极管364的阴极，PNP晶体管365的基极端子经由电阻器367连接到NTC电阻器361与电阻器362之间的节点，并且PNP晶体管365的集电极端子连接到达林顿电路316的基极端子。晶体管365将偏置电流提供到达林顿电路316的基极端子中。注意的是，NTC电阻器具有负温度系数(即，电阻随着温度的增加而减小)。

温度补偿电路360的操作如下。当温度升高时，达林顿电路316的Vbe漂移(降低)并导致开关晶体管314的提早断开(OFF)，从而减小负载电流。另一方面，随着温度升高，NTC电阻器361的电阻减小，使得晶体管365的基极电压升高，并且因此使得晶体管365的集电极电流减小。由此，到达林顿电路316的基极端子中的偏置电流减小，由此达林顿电路316更慢地导通，并且因此，晶体管314被更慢地关断，并且可以提供更多的负载电流。

驱动器300还被示出有超温保护电路370。超温保护电路370包括PNP晶体管371，PNP晶体管371的发射极端子连接到NTC电阻器361与电阻器362之间的节点，PNP晶体管371的集电极端子连接到达林顿电路316的基极端子，并且PNP晶体管371的基极端子经由电阻器372连接到接地母线306并经由电阻器373连接到二极管364的阴极。电容器374并联连接到电阻器372和373的串联设置。

超温保护电路370的操作如下。

随着温度升高，NTC电阻器361的电阻减小，使得晶体管371的发射极电压增大。当温度达到特定阈值时，发射极至基极电压差高于0.6V，并且由此晶体管371导通并产生流到达林顿电路316的基极中的集电极电流。达林顿电路316的这一附加基极电流导致开关晶体管314的提早截止。因此，LED负载断开，并且功率受限，实现超温保护。

总结，根据本发明，用于驱动负载的负载驱动器的启动电流经由负载来提供。

进一步地，根据本发明，在用于驱动负载的负载驱动器中，参考点处的操作电流或操作电压通过将所述参考点经由负载耦合到功率电压母线而从所述功率电压母线导出。

进一步地，根据本发明，用于驱动负载的负载驱动器包括输出电容器和耦合到输出电容器的两个输出端子。耦合二极管以正向连接从一个输出端子耦合到输出缓冲电容器的端子。如果负载存在以传导启动电流，则转换器电路的启动端子耦合到所述一个输出端子，以经由被驱动的负载来接收这一启动电流。

虽然在附图和前面的描述中详细图示并描述了本发明，但本领域技术人员应当清楚的是，这种图示和描述将被认为是说明性或示例性的，而不是限制性的。本发明不限于所公开的实施方式；相反，在如所附权利要求所限定的本发明的保护范围内，若干变化和修改是可能的。比如，可以使用另一个类型的可控开关代替开关晶体管。

本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以从附图、公开内容以及所附权利要求的研究理解并实施所公开实施方式的其他变化。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。即使某些特征记载在不同的从属权利要求中，本发明还涉及共同包括这些特征的实施方式。权利要求中的任何附图标记都不应当被解释为限制范围。

上述中，已经参照图示了根据本发明的装置的功能块的框图说明了本发明。要理解的是，这些功能块中的一个或更多个功能块可以硬件实施，其中这种功能块的功能由单独的硬件部件来执行，但还可能的是，这些功能块中的一个或更多个功能块以软件实施，使得这种功能块的功能由计算机程序或可编程装置(诸如微处理器、微控制器、数字信号处理器等)的一个或更多个程序行来执行。

Claims (10)

1.一种用于驱动负载(L)的负载驱动器(200；300)，包括：

输出缓冲电容器(125；325)；

两个输出端子(128，129；328，329)，所述两个输出端子(128，129；328，329)耦合到所述输出缓冲电容器(125；325)，以便耦合到所述负载，所述输出端子中的第二输出端子(128；328)连接到功率母线(105；305)；

耦合二极管(202；325)，所述耦合二极管(202；325)以正向连接从一个输出端子(129；329)耦合到所述输出缓冲电容器(125；325)的第一端子；以及

转换器电路(110)，其包括：

启动端子(111)，用于接收启动电流(Is)，其中所述启动端子(111)耦合到所述一个输出端子(129；329)；

负载端子(119；319)，其耦合到所述输出缓冲电容器(125；325)的所述第一端子；以及

可控开关元件(114；314)，其连接在所述负载端子(119；319)与接地母线(106；306)之间，所述可控开关元件(114；314)用于将所述负载(L)选择性地耦合在所述功率母线(105；305)与所述接地母线(106；306)之间，以形成电流回路；

其中所述启动电流(Is)用于导通所述开关元件(114；314)。

2.根据权利要求1所述的负载驱动器，还包括启动电阻器(112；342)，所述启动电阻器(112；342)连接在所述启动端子(111)与所述一个输出端子(129；329)之间。

3.根据权利要求1所述的负载驱动器，其中所述启动端子(111)耦合到所述开关元件(114；314)的控制端子。

4.根据权利要求3所述的负载驱动器，其中所述转换器电路(110)还包括耦合到所述启动端子(111)的存储电容器(341)，并且其中所述启动电流(Is)用于对该存储电容器(341)进行充电，以向所述开关元件(114；314)的所述控制端子提供启动电压。

5.根据权利要求4所述的负载驱动器，其中所述转换器电路(110)还包括双向触发二极管(344)，所述双向触发二极管(344)耦合在所述存储电容器(341)与所述开关元件的所述控制端子之间，以在所述存储电容器(341)的所述启动电压达到阈值电压时激发。

6.根据权利要求5所述的负载驱动器，其中所述开关元件包括开关晶体管(314)，所述开关晶体管(314)将所述负载(L)耦合在功率电压母线与所述接地母线之间，并且所述双向触发二极管(344)耦合到所述开关晶体管(314)的基极。

7.根据权利要求6所述的负载驱动器，其中所述开关晶体管(314)的集电极端子耦合到所述负载端子(119；319)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的负载驱动器，其中所述负载端子(119；319)经由反馈变压器(130；330)的一次绕组(122；322)耦合到所述输出缓冲电容器(125；325)的所述第一端子。

9.根据权利要求1所述的负载驱动器，还包括负载电阻器(123)，所述负载电阻器(123)与所述输出缓冲电容器(125；325)并联连接。

10.一种LED照明装置，包括：

根据权利要求1所述的负载驱动器；和

由所述负载驱动器驱动的一个LED负载。