CN101060744A - 放电灯系统中短路保护和过流保护的方法和电路 - Google Patents

放电灯系统中短路保护和过流保护的方法和电路 Download PDF

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Abstract

本发明为一种在放电灯系统中提供短路检测和保护的方法和电路。感测变压器的初级电流，用于对其次级绕组侧或者高压侧提供短路保护。即便在变压器次级绕组短路时，本发明的系统和方法也同样可以提供短路检测和保护。

Description

放电灯系统中短路保护和过流保护的方法和电路
技术领域
本发明涉及荧光灯的驱动，特别是涉及驱动冷阴极荧光灯(CCFL)、外置电极荧光灯(EEFL)和平面荧光灯(FFL)的保护方法和系统。本发明包括但不限于用于显示屏照明的一个或多个灯的驱动电路。
背景技术
出于安全和可靠的原因，在放电灯逆变器应用场合需要短路保护。当灯短路状况发生时，需要有一个保护电路来降低能量或者完全关闭电路以避免电路发生崩溃或其他灾难性的状况。
图1显示了一种典型的CCFL逆变器，其中灯电压可以高达1000V。为了人员安全，UL60950标准要求，当逆变器电路板上的任意两处被一个2K欧姆的电阻所短路时，通过该电阻的电流应该限定在如下范围内。2K欧姆是一个典型的人体电阻数值。
i2k≤2mA，当电流为直流时，
i2k≤0.7mA峰值电流，当频率≤1KHz时，
i2k≤0.7×(KHz)mA峰值电流，当1KHz＜频率＜100KHz时，
i2k≤70mA峰值电流，当频率≥100KHz时。
图2显示了现有技术的短路保护方法，该方法通过对逆变器变压器的次级绕组的电流进行感测而实现。它是一个RC回路，Rx和Cx被串连在变压器次级绕组与地之间，用于对变压器次级绕组的电流进行感测。当RC回路的电压压降大于阈值电压时，短路保护就被触发。然而，当变压器的次级绕组短路出现在，例如Z和X节点上时，RC回路就不能获得短路的电流信息。另外一种现有技术所揭示的短路保护方法是通过对逆变器的占空比进行感测而实现的。当占空比饱和且达到其最大值时，短路保护就被触发。然而，这种方法不能就短路状态提供任何直接的信息。
发明内容
因此，我们需要一种改进的方法，能够检测短路状态，甚至是变压器的次级绕组的短路状态，并且触发短路保护。
本发明的技术方案之一为：一种检测放电灯系统中短路状态的方法：由位于系统的初级绕组侧的感测电容向检测器回路提供感测电压；将DC偏置电压叠加到所述的感测电压，得到一个检测电压信号，其中该检测电压信号的最小值大于零；并且使用所述检测电压信号的最小值来确定短路状态是否存在。
本发明的另一技术方案为：一种检测放电灯系统中短路状态的方法：由位于该系统的初级绕组侧的感测电容向检测器回路提供感测电压，其中所述检测器回路包括负电压感测电路和DC偏置电路；通过所述负电压感测电路对所述感测电压的负值部分进行感测；将所述DC偏置电路的DC偏置电压叠加到所述感测电压的负值部分，得到一个检测电压信号，其中所述检测电压信号的最小值大于零；以及使用所述检测电压信号的最小值确定短路状态是否存在。
本发明的另一技术方案为：一种检测放电灯系统中短路状态的方法：由位于该系统初级绕组侧的感测电容向检测器回路提供感测电压，其中所述检测器回路包括负电压感测电路和第二电容；通过所述负电压感测电路对所述感测电压的负值部分进行感测；将所述感测电压的负值部分施加到所述第二电容，得到一个检测电压信号；以及使用所述检测电压信号的最大值确定短路状态是否存在。
本发明的另一技术方案为：一种能够在放电灯系统中检测短路状态并触发短路保护的系统，包括：感测电容，位于初级绕组侧；以及检测器回路，包括DC偏置电路，用以接收来自所述感测电容的电压感测信号，将DC偏置电压叠加到所述感测电压，以得到检测电压信号，并使用所述检测电压信号的最小值来确定短路状态是否存在，其中所述检测电压信号的最小值大于零。
本发明的另一技术方案为：一种能够在放电灯系统中检测短路状态并触发短路保护的系统，包括：感测电容，位于初级绕组侧；以及检测器回路，包括负电压感测电路和DC偏置电路，用以接收来自所述感测电容的感测电压信号，通过所述负电压感测电路提取所述感测电压的负值部分，将来自所述DC偏置电路的DC偏置电压叠加到所述感测电压的负值部分，得到检测电压信号，使用该检测电压信号的最小值来确定短路状态是否存在，其中所述检测电压信号的最小值大于零。
本发明的另一技术方案为：一种能够在放电灯系统中检测短路状态并触发短路保护的系统，包括：感测电容，位于初级绕组侧；以及检测器回路，包括负电压感测电路和第二电容，接收来自所述感测电容的感测电压信号，通过所述负电压感测电路提取所述感测电压的负值部分，通过所述第二电容连接所述采样电压的负值部分，以得到检测电压信号，使用该检测电压信号的最大值来确定短路状态是否存在。
即便在变压器次级绕组短路时，本发明的系统和方法也同样可以提供短路检测和保护。
附图说明
以下附图描述了本发明的多个实施例。这些附图和实施例提供了本发明的一些范例，但本发明并不局限于于此。
图1为现有技术的全桥结构CCFL逆变器的电路图。
图2为现有技术中通过感测变压器次级绕组电流实现短路保护的方法的电路图。
图3为本发明的电路模块图。
图4为图3所示电路的一些主要工作波形。
图5为本发明具有分立元件结构的实施例。
图6为本发明具有集成电路结构的实施例。
具体实施方式
这里详细介绍了短路保护系统和方法的实施例。在接下来的说明中，一些具体的细节，例如这些电路元件的一些实例电路，都用于对本发明的实施例提供更好的理解。本技术领域的普通技术人员应该明白，即使在缺少某些或很多细节时，或者在与其他方法、元件、材料等相结合的情况下，本发明也可以被实现。
下面结合具有代表性和示范性的系统、电路和方法，对下列实施例和特征进行描述。在不同的实施例中，上述问题均得以减少或消除，同时另外的实施例还具有其他的改进。
本发明涉及放电灯应用中短路检测和保护的电路和方法。对变压器初级电流进行感测，并用于触发短路保护电路。根据本发明，即使在变压器次级绕组短路时，电路也可以获得短路保护。
图3为本发明的电路模块图。在电路中，初级绕组侧包括感测电容CS，连接到感测电容的节点C被用来作为感测节点。节点C的电压VC代表CS的感测电压并作为检测器回路的输入信号，该检测器回路包括分压器、负电压感测电路和直流(DC)偏置电路。所述分压器接收电压VC，传送一个修正后的感测电压VC’到负电压感测电路，该负电压感测电路给DC偏置电路提供VC’的负值部分VCN。所述DC偏置电路接收VCN，给VCN叠加一个DC偏置电压，从而使得合并后的电压VS总和为正值。
图4为图3所示电路的一些主要工作波形。Vr1(第一基准电压)和Vr2(第二基准电压)是选定的电压值，其中Vr1＞Vr2。在正常的工作状态下，所述VS的最小值大于Vr2但小于Vr1。一旦变压器的次级绕组发生短路状况，VS的最小值小于选定电压值Vr2。一旦感测电容CS短路，VS的最小值大于选定电压值Vr1。事实上，当感测电容CS短路时，由于感测电压VC没有负值部分，此时VS由DC偏置电压决定。
在本发明的一个实施例中，VS的最小值被用于检测变压器次级绕组的短路和/或CS短路状况。当VS的最小值小于Vr2时，表示变压器次级绕组的短路状态。当VS的最小值大于Vr1时，表示感测电容CS短路状态。
在本发明的另外一个实施例中，VS是比较器C1的正输入端的输入信号，比较器C1的负输入端连接到Vr1。VS同时也是另一比较器C2的负输入端的输入信号，该比较器C2的正输入端连接到Vr2。当VS的最小值大于Vr1时，C1的输出信号触发CS短路保护，当VS的最小值小于Vr2时，C2的输出信号触发变压器次级绕组的短路保护。
图5(a)、5(b)、5(c)和5(d)示例描述了具有分立元件结构的本发明的实施例。在图5(a)中，节点C通过串联的电阻R1和R2与基准电压VREF连接。在这个电路中，DC偏置电压等于VREF×R1/(R1+R2)，VC的负值部分感测因数等于R2/(R1+R2)。在图5(b)中，节点C通过二极管D1与节点C’连接。C’通过一个电容CC1接地，并通过串联的电阻R1和R2连接基准电压VREF。与图5(a)相似，DC偏置电压等于VREF×R1/(R1+R2)，VC的负值部分感测因数等于R2/(R1+R2)。在图5(c)中，节点C通过一个电阻R1连接到晶体管T1的发射极。T1的基极接地，其集电极通过电阻R2连接基准电压VREF。在这个电路中，DC偏置电压等于VREF，VC的负值部分感测因数等于R2/R1。
图5(d)中的电路与图5(a)、5(b)和5(c)不同，它不包括DC偏置电路。在图5(d)中，节点C通过一个二极管D1连接到节点C’。C’通过一个电阻R1接地，并通过一个串联的电容CC1和电阻R2与节点S连接。CC1将感测电压转换为AC电压。节点S通过电阻R3接地。AC电压负峰值的感测因数等于R3/(R2+R3)。在这个电路中，由于转换后的感测电压的最大值大于零，所以不再需要DC偏置电路。
在图5(a)、5(b)和5(c)中，当VS的最小值大于Vr1时，C1的输出信号触发CS的短路保护；当VS的最小值小于Vr2时，C2的输出信号触发变压器次级绕组的短路保护。
在图5(d)中，当VS的最大值大于Vr1时，C2的输出信号触发变压器次级绕组的短路保护；当VS的最大值小于Vr2时，C1的输出信号触发CS的短路保护。因此，如上所述，展示了各种不同的实施方式，但是这些不能认为是全部的实施方式，本发明应该由权利要求书所限定。
图6(a)和6(b)为本发明具有集成电路结构的实施例，其中很多元件被集成到IC上。在图6(a)和6(b)中，电路包括有分压器，该分压器包括电阻R1和R2。该分压器可以根据不同的应用进行特定的调节。R1和R2可以由两个串联的电容替代。在可选择的连接方式中，R1也可以通过接地来替代其与节点B的连接。然而，这种替代连接方式要求R1和R2上的功耗更多。电阻R3和R4集成在电路的IC部分，并且它们的值远远大于R1和R2。在图6(a)中，节点C通过分压器与节点C’连接，同时，C’通过串联的电阻R1和R2连接到基准电压VREF。节点C”的电压作为放大器K的输入信号，该放大器K输出电压信号VS。在图6(b)中，节点C通过分压器连接到节点C’，C’通过电阻R1连接到晶体管T1的发射极。T1的基极接地，其集电极通过另外一个电阻R2连接到基准电压VREF。在图6(a)中，DC偏置电压等于VREF×R4/(R1+R2)×R4/(R3+R4)，Vc负值部分感测因数等于K×R1/(R1+R2)×R4/(R3+R4)。在图6(b)中，DC偏置电压等于VREF，VC负值部分感测因数等于R1/(R1+R2)×R4/R3。
在图6(a)和6(b)中，当VS的最小值大于Vr1时，C1的输出信号触发CS的短路保护；当VS的最小值小于Vr2时，C2的输出信号触发变压器次级绕组的短路保护。
在本发明中，变压器初级绕组侧或者低压侧的电压用于变压器次级绕组侧或者高压侧的短路检测。感测电容位于变压器初级绕组侧，用于向检测器回路提供感测电压。在本发明的一个实施例中，感测电压的负值部分被感测后，再由一个DC偏置电路进行偏置以产生正电压。偏置后的正电压的最小值用于检测短路状况和/或感测电容短路状态。在本发明的另外一个实施例中，感测电压的负值部分被感测，然后通过另外一个感测电容产生一个AC输出信号。AC输出信号的最大值为正值，用于检测变压器高压侧的短路状况和/或感测电容的短路状况。在本发明的另外一个实施例中，分压器跨接在感测电容两端，或者连接在感测电容一端和地之间，从而可以在具有不同感测电容值的电路中获得相同的感测电压负峰值。
上述本发明的说明书和其应用仅仅是短路保护的示例，并不用于限定本发明的范围。对此处公开的实施例进行变化和修改都是可能的，对实施例中元件进行的其他实用性选择和等同变化均为本技术领域的普通技术人员所了解。对本发明所公开的实施例所做的其他变化和修改并不超出本发明的精神和保护范围。

Claims (26)

1、一种检测放电灯系统中短路状态的方法，包括：
由位于该系统的初级绕组侧的感测电容向检测器回路提供感测电压；
将DC偏置电压叠加到所述感测电压，得到检测电压信号，其中该检测电压信号的最小值大于零；以及
使用所述检测电压信号的最小值来确定短路状态是否存在。
2、根据权利要求1所述的方法，其中所述检测电压信号与第一比较器的一个输入端连接，该第一比较器的其他输入端与第一基准电压连接，所述检测电压信号同时也与第二比较器的一个输入端连接，该第二比较器的其他输入端与第二基准电压连接，在正常工作状态下，所述第一基准电压大于所述第二基准电压，所述检测电压信号的最小值大于所述第二基准电压但小于所述第一基准电压，以及
当所述检测电压信号的最小值大于所述第一基准电压时，所述第一比较器发送一个输出信号来触发感测电容短路状态；以及
当所述检测电压信号的最小值小于所述第二基准电压时，所述第二比较器发送另外一个输出信号来触发短路状态。
3、根据权利要求1所述的方法，其中所述检测器回路包括分压器，该分压器连接在所述感测电容一端和所述感测电容另外一端或者地之间，由所述分压器提供所述感测电压。
4、根据权利要求3所述的方法，其中所述分压器包括两个串联的电阻或者两个串联的电容。
5、一种检测放电灯系统中短路状态的方法，包括：
位于该系统的初级绕组侧的感测电容向检测器回路提供感测电压，其中所述检测器回路包括负电压感测电路和DC偏置电路；
通过所述负电压感测电路对所述感测电压的负值部分进行感测；
将所述DC偏置电路的DC偏置电压叠加到所述感测电压的负值部分，得到一个检测电压信号，其中所述检测电压信号的最小值大于零；以及
使用所述检测电压信号的最小值确定短路状态是否存在。
6、根据权利要求5所述的方法，其中所述负电压感测电路包括二极管。
7、根据权利要求5所述的方法，其中所述检测电压信号连接到第一比较器的一个输入端，该第一比较器的其他输入端连接到第一基准电压，所述检测电压信号同时也连接到第二比较器的一个输入端，该第二比较器的其他输入端连接到第二基准电压，在正常工作状态下，所述第一基准电压大于所述第二基准电压，所述检测电压信号的最小值大于所述第二基准电压但小于所述第一基准电压，以及
当所述检测电压信号的最小值大于所述第一基准电压时，所述第一比较器发送一个输出信号来触发感测电容短路状态；以及
当所述检测电压信号的最小值小于所述第二基准电压时，所述第二比较器发送另外一个输出信号来触发短路状态。
8、根据权利要求5所述的方法，其中所述检测器回路还包括分压器，该分压器连接在所述感测电容一端和该感测电容另外一端或地之间，由所述分压器提供所述感测电压。
9、根据权利要求8所述的方法，其中所述分压器包括两个串联的电阻或者两个串联的电容。
10、一种检测放电灯系统中短路状态的方法，包括：
位于该系统初级绕组侧的感测电容向检测器回路提供感测电压，其中所述检测器回路包括负电压感测电路和第二电容；
通过所述负电压感测电路对所述感测电压的负值部分进行感测；
将所述感测电压的负值部分施加到所述第二电容，得到一个检测电压信号；以及
使用所述检测电压信号的最大值确定短路状态是否存在。
11、根据权利要求10所述的方法，其中所述检测电压信号连接到第一比较器的一个输入端，该第一比较器的其他输入端连接到第一基准电压，所述检测电压信号也与第二比较器的一个输入端连接，该第二比较器的其他输入端连接到第二基准电压，在正常工作状态下，所述第一基准电压大于所述第二基准电压，所述检测电压信号的最大值大于所述第二基准电压但小于所述第一基准电压，以及
当所述检测电压信号的最大值大于所述第一基准电压时，所述第一比较器发送一个输出信号来触发短路状态；以及
当所述检测电压信号的最大值小于所述第二基准电压时，所述第二比较器发送另外一个输出信号来触发感测电容短路状态。
12、根据权利要求10所述的方法，其中所述检测器回路还包括分压器，该分压器连接在所述感测电容一端和该感测电容另外一端或地之间，由所述分压器提供所述感测电压。
13、根据权利要求12所述的方法，其中所述分压器包括两个串联的电阻或者两个串联的电容。
14、一种能够在放电灯系统中检测短路状态并触发短路保护的系统，包括：
感测电容，位于初级绕组侧；以及
检测器回路，包括DC偏置电路，用以接收来自所述感测电容的电压感测信号，将DC偏置电压叠加到所述感测电压，以得到检测电压信号，并使用所述检测电压信号的最小值来确定短路状态是否存在，其中所述检测电压信号的最小值大于零。
15、根据权利要求14所述的系统，其中所述检测电压信号与第一比较器的一个输入端连接，该第一比较器的其他输入端连接到第一基准电压，所述检测信号也与第二比较器的一个输入端连接，该第二比较器的其他输入端连接到第二基准电压，在正常工作状态下，所述第一基准电压大于所述第二基准电压，所述检测电压信号的最小值大于所述第二基准电压但小于第一基准电压，以及
当所述检测电压信号的最小值大于所述第一基准电压时，所述第一比较器发送一个输出信号来触发感测电容短路状态；以及
当所述检测电压信号的最小值小于所述第二基准电压时，所述第二比较器发送另外一个输出信号来触发短路状态。
16、根据权利要求14所述的系统，其中所述检测器回路还包括分压器，该分压器连接在所述感测电容一端和该感测电容另外一端或地之间，由所述分压器提供所述感测电压。
17、根据权利要求16所述的系统，其中所述分压器包括两个串联的电阻或者两个串联的电容。
18、一种能够在放电灯系统中检测短路状态并触发短路保护的系统，包括：
感测电容，位于初级绕组侧；以及
检测器回路，包括负电压感测电路和DC偏置电路，用以接收来自所述感测电容的感测电压信号，通过所述负电压感测电路提取所述感测电压的负值部分，将来自所述DC偏置电路的DC偏置电压叠加到所述感测电压的负值部分，得到检测电压信号，使用该检测电压信号的最小值来确定短路状态是否存在，其中所述检测电压信号的最小值大于零。
19、根据权利要求18所述的系统，其中所述负电压感测电路包括二极管。
20、根据权利要求18所述的系统，其中所述检测电压信号与第一比较器的一个输入端连接，该第一比较器的其他输入端连接到第一基准电压，所述检测信号也与第二比较器的一个输入端连接，该第二比较器的其他输入端连接到第二基准电压，在正常工作状态下，所述第一基准电压大于所述第二基准电压，所述检测电压信号的最小值大于所述第二基准电压但小于第一基准电压，以及
当所述检测电压信号的最小值大于所述第一基准电压时，所述第一比较器发送一个输出信号来触发所述感测电容短路状态；以及
当所述检测电压信号的最小值小于所述第二基准电压时，所述第二比较器发送另外一个输出信号来触发短路状态。
21、根据权利要求18所述的系统，其中所述检测器回路还包括分压器，该分压器连接在所述感测电容一端和该感测电容另外一端或地之间，由所述分压器提供所述感测电压。
22、根据权利要求21所述的系统，其中所述分压器包括两个串联的电阻或者两个串联的电容。
23、一种能够在放电灯系统中检测短路状态并触发短路保护的系统，包括：
感测电容，位于初级绕组侧；以及
检测器回路，包括负电压感测电路和第二电容，接收来自所述感测电容的感测电压信号，通过所述负电压感测电路提取所述感测电压的负值部分，通过所述第二电容连接所述采样电压的负值部分，以得到检测电压信号，使用该检测电压信号的最大值来确定短路状态是否存在。
24、根据权利要求23所述的系统，其中所述检测电压信号与第一比较器的一个输入端连接，该第一比较器的其他输入端连接到第一基准电压，所述检测信号同时也与第二比较器的一个输入端连接，该第二比较器的其他输入端连接到第二基准电压，在正常工作状态下，所述第一基准电压大于所述第二基准电压，所述检测电压信号的最大值大于所述第二基准电压但小于第一基准电压，以及
当所述检测电压信号的最大值大于所述第一基准电压时，所述第一比较器发送一个输出信号来触发短路状态；以及
当所述检测电压信号的最大值小于所述第二基准电压时，所述第二比较器发送另外一个输出信号来触发感测电容短路状态。
25、根据权利要求23所述的系统，其中所述检测器回路还包括分压器，该分压器连接在所述感测电容一端和该感测电容另外一端或地之间，由所述分压器提供所述感测电压。
26、根据权利要求25所述的系统，其中所述分压器包括两个串联的电阻或者两个串联的电容。
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