CN103887769B - 线性高压led驱动器保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种线性高压LED驱动器保护电路，包括用于驱动LED灯串导通的驱动开关，还包括用于保护所述驱动开关的过压保护电路；所述过压保护电路包括用于监测每个驱动开关两端电压的电压采样单元、用于对电压采样单元采集到的信号进行处理的信号处理单元、用于当所述驱动开关两端的电压超过某一设定值时控制其关断的控制开关单元。本发明的线性高压LED驱动器保护电路，通过为驱动开关设计电压采样单元、信号处理单元、控制开关单元所组成的过压保护电路，实现了当电源电压超出正常值一定范围时或某一段LED灯串出现短路或开路时关断所有驱动开关使之没有电流流过，从而使驱动开关就不会由于功耗太大而损坏。

Description

线性高压LED驱动器保护电路

技术领域

本发明属于发光二极管(Light Emitting Diode，以下简称：LED)照明技术领域，具体涉及一种线性高压LED驱动器保护电路。

背景技术

目前，LED照明电源主要采用的是开关电源，开关电源具有效率高体积小的优点，LED照明用开关电源有隔离型和非隔离型。但开关电源也有难以克服的缺点，具体表现为：由于开关电源使用的是电解电容器和变压器或电感，而电解电容器的最大缺点是寿命短，可靠性不高，其使用寿命最多也只能达到5000-8000小时；而铝电解电容器的工作温度每提高10℃其使用寿命一般会减少10％，而LED灯的开关电源的工作温度一般都在70℃左右。因此，电解电容器的使用寿命直接决定了开关电源的使用寿命，但是，LED灯珠的寿命一般却可以达到50000小时，因此，LED照明用开关电源的使用寿命与LED灯珠的寿命及其不匹配，从而影响了LED灯珠的使用寿命，造成资源的浪费。

现在一些公司推出了一种线性高压LED驱动芯片，采用这种芯片制作的LED驱动电源完全不同于开关电源，它需要将至少2段串联的LED灯串或串联与并联组合的LED灯串顺次接入电路(其中，每段LED灯串都包含有一个驱动LED灯串的驱动开关)，然后将经过整流的直流脉动电压加到LED灯串上，最后通过驱动控制芯片来测量输入电压，等到输入电压达到一定值以后，驱动控制芯片控制第一段灯串的驱动开关接通使第一段LED灯串恒流以较低的电流值；当电压到达较高一些的电压值以后再控制第二段灯串的驱动开关接通同时关闭第一段灯的驱动开关，由于两段灯是顺次串联所以此时第一段灯和第二段灯同时导通并恒流于较高的电流，；最后等到电压更高以后，再接通第三段LED灯串，同时关闭第二段灯的驱动开关，由于三段灯是顺次串联所以此时第一段灯、第二段和第三段灯同时导通并恒流于更高值的电流；如果有更多的Led灯串顺次连接，后续每段LED灯串的工作方式以此类推；当输入电压下降时过程正好相反。这样驱动LED灯只需要驱动芯片、驱动开关和相应的少量电阻就可以实现。然而，这种线性高压LED驱动方案虽然电路简单，但驱动LED灯串的驱动开关却要承受很大的电压降，这是由于当前一段LED灯串导通之后但后一段LED灯串还没有导通之前，已经导通的驱开关要最大承受相当于后一段LED灯导通时需要的压降，同时流过驱动开关的电流为当前导通LED灯串的电流，这样驱动开关就会因功耗过大而损坏。目前为了降低驱动开关的功耗采用的方法有以下几种：第一种，通过增加LED灯串的段数来减小每段LED灯串相应的导通压降，通过降低LED灯串相应的导通压降来降低相应驱动开关的功耗，但这种通过增加LED灯串段数的方式必须增加相应的驱动开关个数，其控制电路也会更复杂；第二种，限制LED灯串的导通电流，使驱动方案只用于小功率情况，一般导通电流限制在40毫安以下总功率限制在十瓦以下。

但即便采用了上述降低驱动开关功耗的方法，在特殊情况下也不能保证驱动开关安全。例如：当电源电压发生波动时，一般市电的波动范围在20％左右，电源电压比正常值高出20％时，最后一路驱动开关最大就要承受100伏的电压，同时最后一路驱动开关的导通电流是几路中最大的，这样驱动开关就容易因功耗过大而烧坏；另外，当某一LED灯串发生短路或开路时也会使其后面一路或前面一路驱动开关承受比正常工作时高的多的电压，驱动开关也会因功耗过大而烧坏，而当其中一个驱动开关烧坏后，由于其他驱动开关需要承担更大的压降，此时，整个线性LED驱动电路的驱动开关就会发生连锁反应而陆续烧坏。这里的功耗一般是指器件的发热功率，这里驱动开关的发热功率为其两端的电压和流过开关的电流的乘积。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷、提供一种当电源电压出现较大波动时或某一段LED灯串出现短路或开路时能够对各路的驱动开关进行保护的过压保护电路。

为实现上述发明目的，本发明采用以下的技术方案：

一种线性高压LED驱动器保护电路，包括用于驱动LED灯串导通的驱动开关，还包括用于保护所述驱动开关的过压保护电路；

所述过压保护电路包括用于监测每个驱动开关两端电压的电压采样单元、用于对电压采样单元采集到的信号进行处理的信号处理单元、用于当所述驱动开关两端的电压超过某一设定值时控制其关断的控制开关单元。

如上所述线性高压LED驱动器保护电路，

所述LED灯串包括：至少2段LED灯串；

所述驱动开关包括：用于驱动每段LED灯串导通的驱动开关；

所述保护电路对每一路驱动开关分别进行保护。

如上所述线性高压LED驱动器保护电路，所述驱动开关为第一NMOS管。

如上所述线性高压LED驱动器保护电路，所述电压采样单元及信号处理单元包括串联电阻R1及R2，其一端连接在每段LED灯串之后，另一端接地；所述控制开关单元为基极连接在电阻R1及R2之间、发射极接地、集电极与所述第一NMOS管栅极连接的NPN三极管。

如上所述线性高压LED驱动器保护电路，所述电压采样单元及信号处理单元包括串联电阻R1及R2和信号误差比较器，所述控制开关单元包括第二NMOS管，所述串联电阻R1及R2其一端连接在每段LED灯串之后，另一端接地；所述信号误差比较器的输入端正极连接在电阻R1及R2之间、负极接基准电压，输出端与第二NMOS管的栅极连接；第二NMOS管漏极与第一NMOS管的栅极连接、第二NMOS管源极接地。

如上所述线性高压LED驱动器保护电路，所述驱动开关器件为NMOS管、PMOS管、NPN三极管、PNP三极管。

如上所述线性高压LED驱动器保护电路，所述电压采样单元可以为电阻分压电路采样或电容分压电路采样。

如上所述线性高压LED驱动器保护电路，所述控制开关单元器件为NMOS管、PMOS管、NPN三极管、PNP三极管。

如上所述线性高压LED驱动器保护电路，所述过压保护电路可以随驱动开关外置于驱动控制芯片之外，也可以采用集成电路的形式随驱动开关内置于驱动控制芯片之内。

本发明的线性高压LED驱动器保护电路，通过为驱动开关设计电压采样单元、信号处理单元、控制开关单元所组成的过压保护电路，实现了当电源电压超出正常值一定范围时或某一段LED灯串出现短路或开路时关断所有驱动开关使之没有电流流过，从而使驱动开关就不会由于功耗太大而损坏，同时也提高了整个LED驱动电路系统工作的可靠性。

附图说明

附图1为包含有本发明过压保护电路的线性高压LED驱动器电路结构示意图；

附图2为包含有本发明过压保护电路的线性高压LED驱动器实施例一电路结构示意图；

附图3为包含有本发明过压保护电路的线性高压LED驱动器实施例二电路结构示意图；

附图4为线性高压LED驱动器正常工作时的电流和电压波形；

附图5为线性高压LED驱动器输入电压超出门限时的电流和电压波形；

附图6为线性高压LED驱动器第三段LED灯串出现断路时的电流和电压波形；

附图7为线性高压LED驱动器第二段LED灯串出现断路时的电路和电压波形；

附图标记说明：1-过压保护电路，11-电压采样单元11，12-信号处理单元12，控制开关单元13，2-驱动控制芯片，3-驱动开关。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

附图1为包含有本发明过压保护电路的线性高压LED驱动器电路结构示意图；如图1所示，其中，L1-L6为LED灯串，本发明提供的线性高压LED驱动器保护电路包括用于驱动LED灯串导通的驱动开关3，还包括用于保护所述驱动开关3的过压保护电路1；所述过压保护电路包括用于监测每个驱动开关3两端电压的电压采样单元11、用于对电压采样单元11采集到的信号进行处理的信号处理单元12、用于当所述驱动开关3两端的电压超过某一设定值时控制其关断的控制开关单元13。

具体地，虽然输入电压不可能无限制的升高而导致驱动开关因功耗过大而烧坏，但在使用过程中经常会有输入电压较大幅度的波动或某一串LED灯损坏，这样相应的驱动开关就会承受比正常工作高出很多的电压由此而引发驱动开关烧坏，因此，需要提供一种能够检测驱动开关两端的电压并当电压超过一定范围时使驱动开关关断，从而使该驱动开关停止工作即没有电流流过的过压保护电路，驱动开关也就不会因为功耗增大而损坏了。本发明的过压保护电路1包括用于检测驱动开关3高电压端对地电压的电压(驱动开关3低压端到地的压降只有0.5伏左右，所以高压端对地的电压也就是驱动开关两端的电压)采样单元11，经过信号处理单元12处理后(包括直接传送、放大、衰减、反向或经过逻辑电路处理)传送到控制开关单元13，驱动控制芯片2负责控制三个驱动开关的工作状态。同样的过压保护电路组成对其他两个驱动开关(Q2、Q3)的过压保护电路。本发明的控制开关单元13串联在驱动控制芯片2的开关控制端和驱动开关3之间，控制开关单元13和驱动控制芯片2只要其中一个提供关断驱动开关3的信号，驱动开关3就处于关闭状态。电压采样单元11实时监测每个驱动开关3两端的电压或驱动开关3高电压端对地的电压，当该电压高于预先设定的某一门限值时驱动控制开关单元13关断驱动开关3。所述驱动开关3用于驱动所述LED灯串导通或关断，所述驱动控制芯片2用于控制驱动开关3来驱动LED灯串。220伏的交流电压经过全波整流桥D1后变成最小值为0最高值为310伏左右的直流脉动电压，当电压从0伏升高超过LED灯串L1、L2的导通电压时驱动控制芯片2控制驱动开关Q1导通并恒流于一个较低的电流值，电压继续升高到LED灯串L3、L4也导通的电压时驱动控制芯片2控制驱动开关Q2导通并恒流于一个较大的电流值，同时驱动控制芯片2控制关断驱动开关Q1，这时LED灯串L1、L2、L3、L4同时通过驱动开关Q2驱动导通，电压再继续升高到LED灯串L5、L6也导通的电压时驱动控制芯片2控制驱动开关Q3导通并恒流于一个更大的电流值，同时关断驱动开关Q2，这时LED灯串L1、L2、L3、L4、L5、L6同时通过驱动开关Q3驱动导通，电压经过最高点后逐渐减小时过程正好相反。

本发明通过为驱动LED灯串工作的驱动开关设置过压保护电路，实现了当驱动开关两端的电压超过一定范围时使驱动开关关闭而停止工作，即没有电流流过，此时，驱动开关就不会因为功耗增大而损坏了，进而可以提高使用包含有本发明过压保护电路的驱动开关的使用寿命。

进一步的，在上述所述过压保护电路的基础上，所述LED灯串包括：至少2段LED灯串；所述驱动开关包括：用于驱动每段LED灯串工作的驱动开关；所述保护电路对每一路驱动开关分别进行保护。所述LED灯串为由若干个LED晶粒或Led灯珠串联或串联与并联组合成的LED灯串，他的导通电压比单个LED晶粒或灯珠高的多。

进一步的，在上述所述过压保护电路的基础上，所述驱动开关为第一NMOS管。

下面通过具体实施例来对本发明的过压保护电路进行说明。

附图2为包含有本发明过压保护电路的线性高压LED驱动器实施例一电路结构示意图；如图2所示，所述电压采样单元11及信号处理单元12包括串联电阻R1及R2，其一端连接在每段LED灯串之后，另一端接地；所述控制开关单元13包括NPN三极管，所述NPN三极管基极连接在电阻R1及R2之间、发射极接地、集电极与所述第一NMOS管栅极连接。

具体地，如图2所示，220伏的交流电压经过全波整流桥D1整流后，其输出端连接有驱动控制芯片2、LED灯串L1-L6以及NMOS管Q1、Q2、Q3。NPN三极管Q4和电阻R1、R2组成NMOS管Q1的过压保护电路，NPN三极管Q5和电阻R3、R4组成NMOS管Q2的过压保护电路，NPN三极管Q5和电阻R5、R6组成NMOS管Q3的过压保护电路。电阻R1、R2组成的分压电路起电压采样和衰减的作用，然后直接传送到NPN三极管Q4的基极，当NMOS管Q1的漏极的电压经过分压电阻R1、R2衰减后的值超过NPN三极管Q4的基极和发射极的导通电压(一般大约为0.7伏)时，NPN三极管Q4饱和导通，NMOS管Q1由于栅极的电压大幅降低(约为100至200毫伏)而截止，从而NMOS管Q1虽然漏极到地的电压很高但没有电流流过所以不会发热。同样的原理NPN三极管Q5和电阻R3、R4保护NMOS管Q2不会过热损坏，NPN三极管Q6和电阻R5、R6保护NMOS管Q3不会过热损坏。

附图3为包含有本发明过压保护电路的线性高压LED驱动器实施例二电路结构示意图；如图3所示，所述电压采样单元11及信号处理单元12包括串联电阻R1及R2和信号误差比较器，所述串联电阻R1及R2其一端连接在每段LED灯串之后，另一端接地；所述信号误差比较器的输入端正极连接在电阻R1及R2之间、负极接基准电压，输出端与第二NMOS管的栅极连接；所述控制开关单元13包括第二NMOS管，第二NMOS管漏极与第一NMOS管的栅极连接、第二NMOS管源极接地。

具体地，如图3所示，220伏的交流电压经过全波整流桥D1整流后，其输出端连接有驱动控制芯片2、LED灯串L1-L6以及NMOS管Q1、Q2、Q3。NMOS管Q4、信号误差比较器U1以及电阻R1、R2组成NMOS管Q1的过压保护电路；NMOS管Q5、信号误差比较器U2以及电阻R3、R4组成NMOS管Q2的过压保护电路；NMOS管Q6、信号误差比较器U3以及电阻R5、R6组成NMOS管Q3的过压保护电路。电阻R1、R2组成的分压电路起电压采样和衰减的作用，当采样电压高于信号误差比较器U1的参考电压时，信号误差比较器U1输出高电平使NMOS管Q4饱和导通，这样NMOS管Q1就停止工作处于截止状态，因此不会因为功率过大而损坏。同样的，NMOS管Q5、信号误差比较器U2以及电阻R3、R4形成的过压保护电路保护NMOS管Q2不会过热损坏，NMOS管Q6、信号误差比较器U3以及电阻R5、R6形成的过压保护电路保护NMOS管Q3不会因其两端电压过高进而导致功率过大最终使其过热损坏。

进一步地，本发明各个实施例中所述驱动开关器件还可以为PMOS管、NPN三极管、PNP三极管。

进一步地，本发明各个实施例中所述电压采样单元可以为电阻分压电路采样或电容分压电路采样。

进一步地，本发明各个实施例中所述控制开关单元为NMOS管、PMOS管、NPN三极管、PNP三极管。

进一步地，上述任一实施例所述过压保护电路可以随驱动开关外置于驱动控制芯片之外，也可以采用集成电路的形式随驱动开关内置于驱动控制芯片之内。当将本发明的过压保护电路内置于驱动控制芯片之内时，省去了原来用来放置驱动开关的空间，大大节省了整个驱动电路的占空面积。

包含有本发明过压保护电路的驱动电路其工作过程为(以本申请文件附图中只含3段LED灯串为例进行说明)：当输入电压从零伏上升到能够使第一段LED灯串导通的电压时，驱动控制芯片2打开驱动开关Q1，则第一段LED灯串L1、L2发光，其他段LED灯串不发光；当输入电压继续上升到能够使第一段和第二段LED灯串同时导通的电压时，驱动控制芯片2打开驱动开关Q2，同时关闭驱动开关Q1，则第一段LED灯串L1、L2和第二段LED灯串L3、L4同时发光，其他段LED灯串不发光；以此类推，电压再继续上升，驱动控制芯片2打开驱动开关Q3，同时关闭驱动开关Q2，则三段LED灯串L1、L2、L3、L4、L5、L6同时发光；当输入电压开始下降时过程正好相反，此处不再赘述。

以下对包含有本发明过压保护电路的线性高压LED驱动器的电压、电流波形进行说明(以本申请文件附图中只含3段LED灯串为例)：

附图4为线性高压LED驱动器正常工作时的电流和电压波形，如图4所示，30是线性高压LED驱动器正常工作时的电流波形、31是线性高压LED驱动器正常工作时的电压波形。

具体地，所谓正常工作是指线性高压LED驱动器的输入电压既没有超出门限电压的情形出现(门限电压以340V为上限)，也没有LED灯串断路的情形出现。此时，附图5的电压、电流波形和驱动器没有受保护时的电压、电流波形是一样的。其中，电压波形31其最高电压为310V没有超出上限，对应的电流波形30具有三个台阶，其中，第一个台阶是当工作电压只能够满足第一段LED灯串L1、L2导通时的电流波形，第二个台阶是当工作电压只能够满足第一段和第二段LED灯串L1、L2、L3、L4同时导通时的电流波形，第三个台阶是指当工作电压能够满足第一段、第二段和第三段LED灯串L1、L2、L3、L4、L5、L6同时导通时的电流波形。

附图5为线性高压LED驱动器输入电压超出门限时的电流和电压波形；如图5所示，32是线性高压LED驱动器当输入电压超出门限时的电压波形、33是线性高压LED驱动器当输入电压超出门限时的电流波形。

具体地，如图6所示，电压波形32的最高输入电压已超出340V的上限到400V；电流波形33当输入电压高于340V时电流为零(在三个台阶中间有一段处于断开状态)，这是因为当输入电压超过340V的上限时，控制开关4会控制驱动开关Q3关闭，此时，整个驱动电路的LED灯串都没有导通，因此，整个LED灯串都不会有电流通过，此时，就会出现附图6中电流波形中间一段断开的情形。而当输入电压从最高往回落的过程中，当输入电压回落到340V的范围内并且电压偏高时，控制开关4控制驱动开关Q3导通，此时，LED灯串L1、L2、L3、L4、L5、L6同时导通，因而也就有了附图6中右半边的第三个台阶的电流波形，而当输入电压继续回落到只能满足同时导通LED灯串L1、L2、L3、L4时，驱动控制芯片2控制驱动开关Q2打开、Q3关闭，此时，就有了右半边图形中的第二个台阶的电流波形，同样的原理，当输入电压再继续回落到只能满足导通LED灯串L1、L2时，电流波形就如右半边图形中第一个台阶所示了。

附图6为线性高压LED驱动器第三段LED灯串出现断路时的电流和电压波形；如图6所示，34是线性高压LED驱动器当第三段LED灯串出现断路时的电压波形；35是线性高压LED驱动器当第三段LED灯串出现断路时的电流波形。

具体地，如图6所示，电压波形34的最高电压为310V，电流波形35为左右各2个台阶的波形，这是因为当第三段LED灯串断开时，电压只降落在LED灯串L1、L2、L3、L4上，LED灯串L5、L6没有电流通过，此时，就形成了附图7中左右各两个台阶的波形了。

附图7为线性高压LED驱动器第二段LED灯串出现断路时的电路和电压波形；如图7所示，36是线性高压LED驱动器当第二段LED灯串出现断路时的电压波形、37是线性高压LED驱动器当第二段LED灯串出现断路时的电流波形。

具体地，电压波形36的最高电压为310V，没有超出上限，电流波形37为左右各一个台阶的波形，这是因为当第二段LED灯串出现断路时，LED灯串L2、L3、L4、L5均没有电流流过，只有LED灯串L1、L2有电流通过，因此，只能形成左右各一个台阶的电流波形图了。

本发明的驱动开关均为高耐压器件不会被击穿，具有很好的散热性和能承受较大的功耗的性能。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种线性高压LED驱动器保护电路，包括用于驱动LED灯串导通的驱动开关，其特征在于，还包括用于保护所述驱动开关的过压保护电路；其中所述过压保护电路检测驱动开关两端的电压并当电压超过某一设定值时使驱动开关关断；

所述过压保护电路包括用于监测每个驱动开关两端电压的电压采样单元、用于对电压采样单元采集到的信号进行处理的信号处理单元、用于当所述驱动开关两端的电压超过某一设定值时控制其关断的控制开关单元，其中所述电压采样单元与所述信号处理单元相连，所述信号处理单元与所述控制开关单元相连。

2.根据权利要求1所述的线性高压LED驱动器保护电路，其特征在于，

所述LED灯串包括：至少2段LED灯串；所述线性高压LED驱动器保护电路包括分别对应每段LED灯串的各个驱动开关及各个过压保护电路；

所述驱动开关用于驱动每段LED灯串导通；

所述过压保护电路对每一路驱动开关分别进行保护。

3.根据权利要求2所述的线性高压LED驱动器保护电路，其特征在于，所述各个驱动开关为第一NMOS管。

4.根据权利要求3所述的线性高压LED驱动器保护电路，其特征在于，所述过压保护电路中的所述电压采样单元及信号处理单元包括串联电阻，其一端连接在所述过压保护电路所对应的LED灯串之后，另一端接地；所述控制开关单元为基极连接在串联电阻之间、发射极接地、集电极与所述第一NMOS管栅极连接的NPN三极管。

5.根据权利要求3所述的线性高压LED驱动器保护电路，其特征在于，所述电压采样单元及信号处理单元包括串联电阻R1及R2和信号误差比较器，所述控制开关单元包括第二NMOS管，所述串联电阻R1及R2其一端连接在每段LED灯串之后，另一端接地；所述信号误差比较器的输入端正极连接在电阻R1及R2之间、负极接基准电压，输出端与第二NMOS管的栅极连接；所述第二NMOS管漏极与第一NMOS管的栅极连接、第二NMOS管源极接地。

6.根据权利要求1所述的线性高压LED驱动器保护电路，其特征在于，所述驱动开关器件为NMOS管、PMOS管、NPN三极管、PNP三极管其中之一。

7.根据权利要求4所述的线性高压LED驱动器保护电路，其特征在于，还包括二极管及总控制信号输入端，所述二极管的正极与总控制信号输入端连接，所述二极管的负极连接至NPN三极管的基极。

8.根据权利要求2所述的线性高压LED驱动器保护电路，其特征在于，所述电压采样单元为电阻分压电路采样或电容分压电路采样。

9.根据权利要求2所述的线性高压LED驱动器保护电路，其特征在于，所述控制开关单元器件为NMOS管、PMOS管、NPN三极管、PNP三极管其中之一。

10.根据权利要求1-9任一所述的线性高压LED驱动器保护电路，其特征在于，所述过压保护电路随驱动开关外置于驱动控制芯片之外；或采用集成电路的形式随驱动开关内置于驱动控制芯片之内。