CN104507243A - 一种发光二极管和激光二极管开路故障检测电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电路领域，具体涉及一种发光二极管和激光二极管开路故障检测电路，包括：前端恒流信号提取与处理电路；PWM调光信号提取电路；数字电平转换电路；以及报警与开路保护电路。本发明不依赖与具体的某种开关电源拓扑形式，只要此拓扑能够恒流驱动LED/LD即可适用本发明；本电路中采用的电流采集电阻与LED/LD相互串联，而无需指定该电阻位于电路高侧还是电路低侧，具有相当的灵活性；采用本电路所述的形式易于构建成为专用的LED/LD开路故障检测芯片，也易集成于具有开路故障检测功能的某种LED/LD驱动芯片，但无论以何方式实施，都具有功耗低，电路简明的优势。
Description
技术领域
本发明涉及电路领域，具体涉及一种发光二极管和激光二极管开路故障检测电路。
背景技术
由于LED具有高亮度、发光效率高、寿命长等突出优点，在越来越多的领域取代传统的照明装置。在机场助航、铁路信号灯、道路交通灯等采用LED为照明/指示光源的户外场所，由于其需要在无人值守条件下高可靠地运行，所以在具体应用时要求能实时检测LED（或其单串列/多串列）是否处于正常的恒定电流状态或者是开路状态。而在激光电视、激光炫目器等同样需要恒流驱动的场合，也要求能实时检测LD（或其单串列/多串列）是否处于正常的恒定电流状态或者是开路状态。
对于在直流电源供电下的LED/LD调光方式，多采用PWM调光，即LED/LD的驱动电流保持不变，通过改变一定频率下的占空比来调节其亮度。这个调光频率在100Hz以上时，人眼就无法观察到其闪烁效应。
对于在直流电源供电下的LED/LD驱动电路，一般有Boost、Buck、Buck-Boost、SEPIC、电荷泵等拓扑形式，其特点是输入端与输出端共地。另外还有高侧Buck（High-side Buck）电路，其特点是输入端与输出端共直流电源正极。也有反激型（Flyback）电路，其特点是输入与输出的地隔离。对于Boost、Buck-Boost、SEPIC、Flyback等变换器而言，一旦作为负载的LED/LD发生开路或者其接线断开，输出端的电压会急剧上升，从而可由输出端的过压检测判断是否发生开路故障。然而对于Buck和高侧Buck电路，由于其自身特点，即使发生负载开路，却不会出现输出端电压增大的情况。在户外无人值守时，这种开路故障信息不能被实时传递是对设备运行与维护的极大不利。
为了克服上述缺点，有必要发明一种通用的LED/LD开路故障检测电路，能实时完成开路故障信息的反馈。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种不依赖于某种具体的开关电源拓扑形式，只要这种拓扑能够恒流驱动LED/LD，这个发光二极管和激光二极管开路故障检测电路就能采用。
本发明还有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种采用的电流采集电阻与LED/LD相互串联，而无需指定该电阻位于电路高侧还是电路低侧，具有相当的灵活性；采用本电路所述的形式易于构建成为专用的LED/LD开路故障检测芯片，也易集成于具有开路故障检测功能的某种LED/LD驱动芯片，但无论以何方式实施，都具有功耗低，电路简明的优势的一种发光二极管和激光二极管开路故障检测电路。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种发光二极管和激光二极管开路故障检测电路，包括：
一前端恒流信号提取与处理电路：包含一个差动放大器电路和差分输出电压信号缓冲电路，所述差动放大器电路输入端接在能够实时测量LED/LD的恒流的电流采样电阻两端以提取电流采样电阻两端的电位差值，并进行放大，差分输出电压信号缓冲电路再将差动放大器电路输出的电压进行缓冲，输出信号sgn1；所述电流采样电阻与LED/LD相互串联；
一PWM调光信号提取电路：包括一个PWM调光信号缓冲驱动电路，用于将PWM调光信号变换为具有带负载能力的脉冲电平信号sgn2；
一数字电平转换电路：包括依次连接的一个异或逻辑门、RC低通滤波电路和基本RS触发器；异或逻辑门将前端恒流信号提取与处理电路的输出信号sgn1与PWM调光信号提取电路输出的信号sgn2进行对比后输出对比信号sgn3；由于sgn1和sgn2两路脉冲电平信号不可能在时序上完全一致地跳变而导致sgn3含有极窄脉冲信号；所述RC滤波电路能消除sgn3中含有的极窄脉冲信号，再输出给基本RS触发器330；最后由基本RS触发器将真正的告警信号sgn3锁存输出sgn4；
一报警与开路保护电路：包括依次连接的一个光耦及其输出缓冲电路和声/光/电告警装置和开路保护装置；光耦及其输出缓冲电路将信号sgn4的高电平信号变换成另外的不共地的高或低电平信号，能够驱动声/光/电告警装置和开路保护装置进行实时报警并采取开路保护措施。
在上述的一种发光二极管和激光二极管开路故障检测电路，所述差动放大器的输出与电流采集电阻两端的电压降呈同相比例或反相比例关系；且差动放大器的输出经过差分输出电压信号缓冲电路120处理输出后符合TTL、LVTTL或CMOS数字电平要求，且具备带负载能力。
在上述的一种发光二极管和激光二极管开路故障检测电路，PWM调光信号经过PWM调光信号缓冲驱动电路处理后输出的信号与原PWM调光信号呈同相比例或反相比例关系，以符合TTL、LVTTL或CMOS数字电平要求，且具备带负载能力。
在上述的一种发光二极管和激光二极管开路故障检测电路，当LED/LD在正常恒流通电情况下异或逻辑门所接收sgn1和sgn2两个数字电平信号的时序能保持一致。
在上述的一种发光二极管和激光二极管开路故障检测电路，基本RS触发器能够锁存真正的开路告警信号，即当一个表示开路的高电平脉冲信号经RC滤波电路输出至基本RS触发器后， 无论PWM调光信号如何变化或消失，都能使此基本RS触发器锁存输出一个稳定的数字信号。
在上述的一种发光二极管和激光二极管开路故障检测电路，一个稳定的数字信号经过光耦及其缓冲电路所得信号可与发光二极管和激光二极管开路故障检测电路的地隔离，且此不共地的信号能驱使声/光/电告警装置发出直观的告警指示，或驱动某种LED/LD开路保护电路采取保护措施。
因此，本发明具有如下优点：1.不依赖与具体的某种开关电源拓扑形式，只要此拓扑能够恒流驱动LED/LD即可适用本发明；本电路中采用的电流采集电阻与LED/LD相互串联，而无需指定该电阻位于电路高侧还是电路低侧，具有相当的灵活性；2.采用本电路所述的形式易于构建成为专用的LED/LD开路故障检测芯片，也易集成于具有开路故障检测功能的某种LED/LD驱动芯片，但无论以何方式实施，都具有功耗低，电路简明的优势。
附图说明
图1是本发明的原理框图。
图2是本发明的一种优选实施例电路图。
图3是实施例所展现的电路时序图。
图4是本发明的另一种优选实施例电路图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
图1是本发明的原理框图，含四个组成部分，包括前端恒流信号提取与处理电路100、PWM调光信号提取电路200、数字电平转换电路300、报警与开路保护电路400。这些电路的进一步细节可在本说明书中阐释和描述。
前端恒流信号提取与处理电路100包含一个差动放大器电路110和差分输出电压信号缓冲电路120。差动放大器110能在较高的共模电压环境下提取电流采样电阻两端的电位差值，并进行一定程度的放大。在图2所示的实施例中，差动放大器在其参考电压接地的情况下，其差分输出电压信号与电流采样电阻的电位差之同相且呈比例。差分输出电压信号缓冲电路120再将差动放大器电路110输出的电压进行缓冲，输出信号sgn1，其目的在于增强信号sgn1的带负载能力以及将此信号变换成后级逻辑门电路所需的合适电平。在图2所示的实施例中，差分输出电压信号缓冲电路120是以同相比例放大器的形式出示的。显然，如果差动放大器电路110的输出电平能够满足后级逻辑门电路的电平要求，就只需要一个电压跟随器作为输出电压信号缓冲电路120。由此可见，前端恒流信号提取与处理电路100中的部件可以以多种形式、不同的器件来实现。
与差分输出电压信号缓冲电路120的功能一样，PWM调光信号提取电路200也是为了增强其输出信号sgn2的带负载能力以及将此信号变换成后级逻辑门电路所需的合适电平。在图2所示的实施例中，假定原有的PWM调光信号适合后级逻辑门电路所需的电平，则只需以电压跟随器的形式实现PWM调光信号提取电路200。显然，如果原有的PWM调光信号幅度与后级逻辑门电路所需的电平不匹配，必须先按比例增大或减小再以电压跟随器缓冲输出。由此可见，PWM调光信号提取电路200中的部件可以以多种形式、不同的器件来实现。需要特别说明的是，在前端恒流信号提取与处理电路100所输出的信号sgn1与PWM调光信号提取电路200所输出的信号sgn2不可能在时序上完全一致。图3中以sgn1和sgn2分别具体出示了前端恒流信号提取与处理电路100的输出信号和PWM调光信号提取电路200的输出信号，图中表明sgn1和sgn2在时序上有细微差别。
数字电平转换电路300包含一个异或逻辑门310、RC低通滤波电路320和基本RS触发器330。异或逻辑门310将前端恒流信号提取与处理电路100的输出信号sgn1与PWM调光信号提取电路200输出的信号sgn2进行对比。当LED/LD有恒流通过时，在异或逻辑门310和RC低通滤波电路320共同作用下，异或逻辑门310的输出信号sgn3仍然是一个低电平；当LED/LD发生开路故障后，异或逻辑门310的输出信号sgn3跳变为高电平。图3中以sgn3具体出示了LED/LD未发生开路故障和发生开路故障时的波形图。一旦LED/LD发生开路故障，基本RS触发器330的输出信号sgn4能将输入的sgn3信号锁存，而不论此后PWM调光信号发生何种改变或者撤销。在图2出示的一个实施例中，由一个双输入异或门和RC滤波电路完成信号sgn1和sgn2的对比；由两个双输入或非门电路构建基本RS触发器，其中置位S端引入信号sgn3，而复位R端保持接地，这样由同相Q端输出的sgn4信号能锁存开路故障发生后的高电平信号。
报警与开路保护电路400包括一个光耦及其输出缓冲电路410、声/光/电告警装置和开路保护装置420。光耦及其输出缓冲电路410将信号sgn4的高电平信号变换成另外的不共地的高或低电平信号。此不共地的信号在缓冲电路的作用下，增强了带负载能力，能够驱动声/光/电告警装置和开路保护装置420进行实时报警和采取相应的诸如关闭高频功率开关管驱动信号等开路保护措施。图2和图4所示的两个具体实施例表明数字电平转换电路300和报警与开路保护电路400可由多种形式、不同的器件来实现，取决于对报警信号的定义等因素。此发明也适用于LED/LD多串列形式的开路故障检测，即只要将此检测电路分别应用于各个串列，而对各个光耦及其输出缓冲电路410的输出信号sgn5再进行数字逻辑信号处理就能实时知晓整个阵列的开路故障数目和位置，并由开路保护装置420采取相应措施对LED/LD驱动电路进行保护。
本发所采用的分立器件少，易于集成化设计与制造，从而带来功耗低的优势；能在较高的共模电压环境下实时检测LED/LD的工作情况，而且最终的告警输出与LED/LD的驱动电路地隔离，具有较好的电磁兼容性能；能在各种开关电源拓扑形式构建的LED/LD驱动电路中使用，且既适用于单个LED/LD，也适用于LED/LD串列，还适用于LED/LD阵列，具有极好的适应性和可扩展性。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (6)
1. 一种发光二极管和激光二极管开路故障检测电路，其特征在于，包括：
一前端恒流信号提取与处理电路：包含一个差动放大器电路和差分输出电压信号缓冲电路，所述差动放大器电路输入端接在能够实时测量LED/LD的恒流的电流采样电阻两端以提取电流采样电阻两端的电位差值，并进行放大，差分输出电压信号缓冲电路再将差动放大器电路输出的电压进行缓冲，输出信号sgn1；所述电流采样电阻与LED/LD相互串联；
一PWM调光信号提取电路：包括一个PWM调光信号缓冲驱动电路，用于将PWM调光信号变换为具有带负载能力的脉冲电平信号sgn2；
一数字电平转换电路：包括依次连接的一个异或逻辑门、RC低通滤波电路和基本RS触发器；异或逻辑门将前端恒流信号提取与处理电路的输出信号sgn1与PWM调光信号提取电路输出的信号sgn2进行对比后输出对比信号sgn3；由于sgn1和sgn2两路脉冲电平信号不可能在时序上完全一致地跳变而导致sgn3含有极窄脉冲信号；所述RC滤波电路能消除sgn3中含有的极窄脉冲信号，再输出给基本RS触发器330；最后由基本RS触发器将真正的告警信号sgn3锁存输出sgn4；
一报警与开路保护电路：包括依次连接的一个光耦及其输出缓冲电路和声/光/电告警装置和开路保护装置；光耦及其输出缓冲电路将信号sgn4的高电平信号变换成另外的不共地的高或低电平信号，能够驱动声/光/电告警装置和开路保护装置进行实时报警并采取开路保护措施。
2. 根据权利要求1所述的一种发光二极管和激光二极管开路故障检测电路，其特征在于，所述差动放大器的输出与电流采集电阻两端的电压降呈同相比例或反相比例关系；且差动放大器的输出经过差分输出电压信号缓冲电路120处理输出后符合TTL、LVTTL或CMOS数字电平要求，且具备带负载能力。
3. 根据权利要求1所述的一种发光二极管和激光二极管开路故障检测电路，其特征在于，PWM调光信号经过PWM调光信号缓冲驱动电路处理后输出的信号与原PWM调光信号呈同相比例或反相比例关系，以符合TTL、LVTTL或CMOS数字电平要求，且具备带负载能力。
4. 根据权利要求1所述的一种发光二极管和激光二极管开路故障检测电路，其特征在于，当LED/LD在正常恒流通电情况下异或逻辑门所接收sgn1和sgn2两个数字电平信号的时序能保持一致。
5. 根据权利要求1所述的一种发光二极管和激光二极管开路故障检测电路，其特征在于，基本RS触发器能够锁存真正的开路告警信号，即当一个表示开路的高电平脉冲信号经RC滤波电路输出至基本RS触发器后， 无论PWM调光信号如何变化或消失，都能使此基本RS触发器锁存输出一个稳定的数字信号。
6. 根据权利要求1所述的一种发光二极管和激光二极管开路故障检测电路，其特征在于，一个稳定的数字信号经过光耦及其缓冲电路所得信号可与发光二极管和激光二极管开路故障检测电路的地隔离，且此不共地的信号能驱使声/光/电告警装置发出直观的告警指示，或驱动某种LED/LD开路保护电路采取保护措施。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |