CN106455245A - 用于驱动电路的保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种驱动电路(1)，其包括：-电压源(5)，-彼此并联耦接的多个负载支路(2)，负载支路(2)包括与功率电路(9)串联耦接的负载(3)，功率电路(9)被配置用于提供对相关联的负载(3)中的电流的局部调节，以及-偏置电路(6)，用于控制负载支路(2)的功率电路(9)，其中保护电路(19)与每个负载支路(2)相关联，保护电路(19)包括在相关联的负载支路(2)的负载(3)和功率电路(9)之间耦接的输入端子(P_i)和耦接到偏置电路(6)的输出端子(P_o)，其中保护电路(19)被配置用于在其输入端子(P_i)上检测到相关联的负载(3)的故障时经由其输出端子(P_o)阻断所述多个负载支路(2)的功率电路(9)。

Description

用于驱动电路的保护电路

技术领域

本发明涉及被配置用于从电压源向多个负载供应恒定电流的驱动电路和相关联的保护电路。注意到，本发明涉及对车辆中的LED(发光二极管)串的驱动和对LED实施故障管理的保护电路。

背景技术

实际中，LED便宜并且仅需要有限功率，因而当可用功率有限时，LED串被广泛地用于直接照明或者背景照明(backlighting)。此外，LED具有大范围的颜色，其是可靠的并且提供长寿命的照明。然而，为了获得稳定的亮度并防止过热或过电流故障，LED必须由恒定的电流源来驱动。因此为了以适配的恒定电流来驱动不同的LED串，要求适配由电压源(例如电池)提供的电流。

此外，还必须注意到，串联地耦接LED确保了LED的相似亮度，但是可以被串联耦接的LED的数量由于LED串上的累积电压降而受限。因此有必要使用多个LED串，不同的LED串被并联耦接。

因此，需要从电压源向多个LED串提供恒定电流。此外，使用包括并联耦接的多个LED串的该电路出现了如下需要：检测一个LED串中的故障以及定义故障管理策略。

因此本发明的目标是提供包括保护电路的便宜的驱动电路，该驱动电路使得能够从电压源向诸如LED串的多个负载提供恒定电流，并且该保护电路使得能够实施故障管理策略。

发明内容

因此，本发明涉及一种驱动电路，其包括：

-电压源，

-彼此并联耦接的多个负载支路，负载支路包括与功率电路串联耦接的负载，功率电路被配置用于提供对相关联的负载中的电流的局部(local)调节，以及，

-偏置电路，用于控制负载支路的功率电路，

其中，保护电路与每个负载支路相关联，保护电路包括耦接在相关联的负载支路的负载和功率电路之间的输入端子，以及耦接到偏置电路的输出端子，其中，保护电路被配置用于在其输入端子上检测到相关联的负载的故障时，经由其输出端子阻断所述多个负载支路的功率电路。

本发明的以上特征允许实现汽车制造商所要求的被称为“一个故障，则全部故障”的故障功能。根据此功能，当一个LED故障(开路)时，由驱动电路供应的全部LED被关断。然后车辆的有关电子控制单元(ECU)得知此故障，并且释放警报来修理或替换照明设备。

根据本发明的另一方面，负载包括串联耦接的LED串。

根据本发明的又一方面，功率电路包括：功率晶体管、第一电阻器和第二电阻器，其中功率晶体管的集电极耦接到负载，并且功率晶体管被配置用于驱动通过负载的电流，第一电阻器耦接到功率晶体管的发射极并被配置用于平衡所述多个功率电路中的功率晶体管的电流，而第二电阻器耦接到功率晶体管的基极并被配置用于控制功率晶体管。

根据本发明的另一方面，功率电路的第二电阻器被链接到控制支路的连接点，所述连接点经由电阻器链接到电压源。

根据本发明的另一方面，保护电路由电阻器和晶体管组成。

根据本发明的又一方面，保护电路包括保护晶体管和控制晶体管，控制晶体管的基极经由输入电阻器耦接到输入端子并且经由地电阻器耦接到地，控制晶体管的集电极既经由电压电阻器耦接到电压源又耦接到保护晶体管的基极，保护晶体管的集电极耦接到偏置电路的连接点，控制晶体管和保护晶体管的发射极耦接到地。

根据本发明的另一方面，驱动电路还包括反馈回路，该反馈回路耦接到所述多个功率电路和偏置电路，并且被配置用于提供全局负反馈功能。

根据本发明的另一方面，反馈回路由反馈晶体管和感测电阻器组成。

根据本发明的又一方面，反馈晶体管的基极耦接到所述多个功率电路的第一电阻器，发射极耦接到地并且集电极耦接到偏置电路的连接点，感测电阻器一侧耦接到反馈晶体管的基极，另一侧耦接到反馈晶体管的发射极。

根据本发明的另一方面，驱动电路的晶体管是双极晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管。

附图说明

根据以下描述，本发明的其它特征和优点将更清楚地显现。基于附图来实现所述描述，其中附图以非限制的方式表示可能的实施例。

在这些图上：

图1表示根据本发明的第一实施例的恒定电流驱动电路的示图；

图2a是根据本发明的负载支路的示图；

图2b是等效于图2a的负载支路的电路的示图；

图3是根据本发明的第二实施例的恒定电流驱动电路的示图；

图4是根据本发明的第三实施例的恒定电流驱动电路的示图；

图5是保护电路的示图。

在这些图上，相同的参考标号指代具有相同功能的元件。此外，对于包括标号和索引的指代，标号指代具有共同的功能的元件的种类，而索引指代种类中的特定元件。例如，指代7指代任何或全部LED，而指代7₁指代特定的LED。

具体实施方式

术语“LED”指代缩写发光二极管。

术语“NPN”和“PNP”指代晶体管的类型，尤其是用在晶体管中的结的类型。NPN晶体管包括具有公共(common)的P层的两个P-N结，而PNP晶体管包括具有公共的N层的两个P-N结。N层指代具有过量电子的层而P层指代具有过量空穴的层。

术语“MOSFET”指代缩写的金属氧化物半导体场效应晶体管。

用于定义电路的“由……组成”用于在电路中的组件方面进行限制，但是用于耦接不同元件的诸如线缆或印刷电路链路的耦接元件可以被添加来获得电路，即使这样的耦接元件没有被列出。

以下的实施例仅是示例。虽然说明书涉及一个或几个实施例，但是未必意味着每次指代都是指相同的实施例或者特征仅应用于单一实施例。不同实施例的简单特征也可以被组合来提供其它实现方式。

图1表示恒定电流驱动电路1的实施例，其包括功率电路9和电流控制电路，所述电流控制电路包括偏置电路6和反馈控制循环11。

恒定电流驱动电路1被配置用于驱动彼此并联耦接的被标注2₁、2₂……2_n的多个负载支路2。负载支路2的标注为T₁、T₂……T_n的第一端子T被耦接到电压源5，例如电池的正极(post)。由电池传递的电压被标注为V_bat。负载支路2包括经由标注为T'₁、T'₂……T'_n的中间连接点T'与功率电路9串联耦接的负载3。

在本示例中，负载3由串联耦接的三个LED 7的串组成，但是如果LED7的串上的电压降可接受，则也可以使用任何其它数量的LED 7。第一支路2₁的LED被标注为7₁₁、7₁₂和7₁₃。每个负载3一侧耦接到电压源5，并且另一侧被耦接到相关联的功率电路9。

图2a表示单个负载支路2，其包括耦接到功率电路9的三个LED 7的负载3。功率电路9包括被称为功率晶体管T_r的NPN双极晶体管，其集电极耦接到负载3。功率晶体管T_r的发射极被耦接到第一电阻器R1的第一端子。第一电阻器R1的第二端子被耦接到反馈控制环路11的输入。功率晶体管T_r的基极被耦接到第二电阻器R2的第一端子。第二电阻器R2的第二端子耦接到偏置电路6的连接点P1。连接点P1对应于电压V_c，该电压V_c取决于V_bat和驱动电路1的其它元件。

图1中所示的驱动电路1使得能够实现对不同负载3的驱动电流的全局(global)调节。

偏置电路6包括偏置电阻器R0，偏置电阻器R0一侧耦接到电压源5并且另一侧耦接到连接点P1。连接点P1耦接到功率电路9并耦接到反馈控制环路11的输出。提供偏置电阻器R0用于向功率电路9和反馈控制回路11供应偏置电流。

反馈控制回路11分别耦接到多个功率电路9，并且反馈控制回路11被配置用于提供全局负反馈功能。

反馈控制回路11包括被称为反馈晶体管T_f的NPN晶体管以及反馈电阻器或感测电阻器R_f。反馈晶体管T_f的基极耦接到反馈控制回路11的输入。反馈控制回路11的每个输入分别耦接到多个功率电路9的第一电阻器R1的第二端子。反馈晶体管T_f的发射极耦接到地Gd，并且反馈晶体管T_f的集电极耦接到反馈控制回路11的输出，并进而耦接到偏置电路6的连接点P1。电阻器R_f一侧耦接到反馈晶体管T_f的基极，并且另一侧耦接到反馈晶体管T_f的发射极。

参照图1和图2a，由于由充当对于穿过负载3的电流的感测元件的反馈电阻器R_f提供的反作用(counter reaction)，功率晶体管T_r充当电流调节器。

图2a的功率电路9用作公共集电极放大器、电流放大器，并且可以近似为如图2b中所示的电流发生器G_c，其中由电流发生器驱动的电流被标注为I_g。用于一个负载支路的、由发生器G_c传递的电流I_g的值给出为：

I_g＝V_BE-Tf/(n.R_f),(1)

其中V_BE-Tf是反馈晶体管T_f的发射极和基极之间的电压降，而n是负载支路2的数量。

由于相关联的功率电路9，因此图1的驱动电路1的负载3的每个由恒定电流I_g驱动。

针对在这些晶体管的基极-发射极电压(V_BE)和电流增益(B)中存在容差，功率电路9中的电阻器R1用于平衡每个功率晶体管T_r的输出电流。电阻器R1在功率晶体管T_r中引入局部负反馈以便最小化这些容差的影响。

反馈控制回路11用作作为反相放大器的公共发射极放大器电路。当晶体管T_f的电压V_BE-Tf增大时，电压V_c将减小。当扰动(perturbation)影响驱动电路1并在电路中产生电流变化时，电路中的此变化产生电压V_BE-Tf的变化和电压V_c的逆变化。V_c的此逆变化补偿了由扰动导致的电流变化，并且将作用于保持电流几乎恒定。

反馈晶体管T_f与充当对于由多个功率电路9传递的电流的感测元件的电阻器R_f一起充当反馈驱动器。反馈晶体管T_f使得能够作用于电压V_c，进而作用于穿过不同的功率电路9的第二电阻器R2的晶体管T_r的基极电流I_b(其中I_b＝I_g/B，其中B是晶体管T_r的电流增益)。因此电压V_c使得能够控制供应给驱动电路1的负载3的电流，从而通过反馈控制回路11实现了负反馈功能。

在驱动电路1中，每个包括与负载3相关联的功率电路9的多个负载支路2与链接到多个负载支路2的功率电路9的反馈控制回路11的组合用于提供对传递给不同负载3的电流的全局调节，使得即使由电压源5传递的电流变化，也能够确保以恒定的电流驱动负载3。在与LED 7的串对应的负载3的情况中，这样的驱动电路1因而使得能够防止由于过电流而导致的故障，并确保驱动电路1的不同LED 7之间稳定和均匀的照明。此外，这样的驱动电路1仅需要有限数量的不同组件，并且因为仅需要晶体管和电阻器，所以所需要的组件是相对简单和便宜的组件。

为了改善图1的驱动电路1并针对由电压源5提供的电压的变化提供更好的抗扰性，在偏置电路6中代替电阻器R0可以实施充当偏置电流源的电流发生器电路13，如图3中表示。此电流发生器电路13带来两个益处：

无论电压源上的电压(V_bat)如何变化，其都供应偏置电流的近似恒定的输出；以及

其允许关于公共发射极放大器类型的反馈控制回路11的更大增益，电流发生器电路13的交流(AC)等效电阻相比于R0很高。

电流发生器13包括被称为生成晶体管T_g的PNP晶体管。生成晶体管T_g的集电极耦接到连接点P1。生成晶体管T_g的发射极经由第三电阻器R3耦接到电压源5，并且生成晶体管T_g的基极经由第四电阻器R4耦接到地。电压源5经由串联耦接的第一二极管D1和第二二极管D2耦接到生成晶体管T_g的基极。即使电压源5的电压变化大，这样的电流生成器13也使得能够确保稳定的照明。

此外，为了使得系统安全和避免驱动电路1的故障，还可以在反馈控制回路11和偏置电路6之间将热限制电路15添加到驱动电路1，如图4中表示。热限制电路15被配置为当温度上升到预定阈值上时限制供应负载3的电流。例如，阈值可以被设置为50℃。热限制电路15包括被称为限制晶体管T_l的NPN晶体管、负温度系数热敏电阻器17和两个电阻器R5和R6。限制晶体管T_l的发射极耦接到反馈晶体管T_f的发射极。限制晶体管T_l的集电极耦接到偏置电路6的连接点P1。限制晶体管T_l的基极一侧经由串联耦接的负温度系数热敏电阻器17和第五电阻器R5耦接到连接点P1，另一侧经由第六电阻器R6耦接到反馈晶体管T_f的发射极。负温度系数热敏电阻17具有随着温度减小的电阻系数，因此如果温度增加到预定阈值(在本情况中是50℃)之上，则供应给限制NPN晶体管T_l的基极的电流变得足以切换所述限制NPN晶体管T_l处于导通状态。结果，连接点P1连接到地，并且功率电路9的功率晶体管T_r被切换在阻断状态，这导致供应给负载3的电流的减小。可以根据期望的温度阈值来选择负温度系数热敏电阻器17。

因而，热限制电路15使得在温度达到预定阈值时能够减小供应给负载3的电流。此外，热限制电路15仅需要有限数量的组件，所述组件是简单和便宜的组件。

必须注意，热限制电路15可以与图3中描述的电流发生器13组合。

此外，为了保护驱动电路1和执行故障管理的功能，将保护电路19与每个负载支路2关联。此故障管理功能是被称为“一个故障，则全部故障”的功能。根据此功能，当一个LED故障(开路)时，由驱动电路1供电的全部LED被关断，并且向车辆的有关ECU(例如所谓的“车身控制器”)通知此故障。

保护电路19被配置用于检测例如由于LED 7的故障而导致供应相关联的负载3的电流在预定阈值之下，并且阻断其它负载支路2中的功率电路9。

图5表示保护电路19的示例。其包括输入端子P_i和输出端子P_o，其中，输入端子P_i要耦接到在相关联的负载支路2的负载3和功率电路9之间的中间连接点T'，输出端子P_o要耦接到偏置电路6的连接点P1。保护电路19还包括保护晶体管T_p和控制晶体管T_c。控制晶体管T_c的基极经由输入电阻器R_i耦接到输入端子P_i并经由地电阻器R_g耦接到地，保护晶体管T_p的集电极既经由电压电阻器R_v耦接到电压源还耦接到控制晶体管T_c的基极。

因此，当例如由于相关联的负载3的LED 7的故障而使得与相关联的负载支路2的中间连接点T'对应的输入端子P_i处的电压在与用于阻断控制晶体管T_c的阈值对应的预定阈值之下时，控制晶体管T_c被切换为阻断状态。控制晶体管T_c的这种阻断状态触发处于导通状态的保护晶体管T_p的切换。实际上，因为控制晶体管T_c处于阻断状态，保护晶体管T_p的基极不再连接到地Gd，因此电压源5的电压被提供给保护晶体管T_p的基极，导致所述保护晶体管T_p的导通状态。然后输出端子P_o连接到地Gd。结果，偏置电路6的连接点P1变成连接到地Gd。因此没有电压被供应给负载支路2的调节晶体管T_r的基极，从而调节晶体管T_r变成处于阻断状态，并且再没有电流被提供给负载支路2的不同负载3。驱动电路1的LED 7因此被切断。因此保护电路19当在其输入终端子P_i上检测到与保护电路相关联的负载3的故障时，使得能够经由其输出端子P_o阻断多个负载支路2的功率电路9。

因此，当诸如LED击穿(breakdown)的故障发生在负载之一上时，与每个负载支路2相关联的该保护电路19使得能够阻断全部负载支路2从而切断全部LED 7。此外，保护电路19仅需要有有限数量的组件，所述组件是简单和便宜的组件。

必须注意，保护电路可以与先前描述的驱动电路1的所有实施例组合。

此外，先前描述的驱动电路1和保护电路19的晶体管指代双极晶体管，但是在本发明的范围之内也可以使用诸如MOSFET型晶体管的其它类型的晶体管。

Claims (10)

1.一种驱动电路(1)，包括：

-电压源(5)，

-彼此并联耦接的多个负载支路(2)，负载支路(2)包括与功率电路(9)串联耦接的负载(3)，功率电路(9)被配置用于提供对相关联的负载(3)中的电流的局部调节，以及

-偏置电路(6)，用于控制负载支路(2)的功率电路(9)，

其中，保护电路(19)与每个负载支路(2)相关联，保护电路(19)包括在相关联的负载支路(2)的功率电路(9)和负载(3)之间耦接的输入端子(P_i)和耦接到偏置电路(6)的输出端子(P_o)，其中，保护电路(19)被配置用于在其输入端子(P_i)上检测到相关联的负载(3)的故障时经由其输出端子(P_o)阻断所述多个负载支路(2)的功率电路(9)。

2.根据权利要求1所述的驱动电路(1)，其中，负载(3)包括串联耦接的LED(7)的串。

3.根据权利要求1或2所述的驱动电路(1)，其中，功率电路(9)包括功率晶体管(T_r)、第一电阻器(R1)和第二电阻器(R2)，其中，功率晶体管(T_r)的集电极耦接到负载(3)并且功率晶体管(T_r)被配置用于驱动通过负载(3)的电流，第一电阻器(R1)耦接到功率晶体管(T_r)的发射极并被配置用于平衡功率晶体管(T_r)的电流，第二电阻器(R2)耦接到功率晶体管(T_r)的基极并被配置用于控制功率晶体管(T_r)。

4.根据权利要求3所述的驱动电路(1)，其中功率电路(9)的第二电阻器(R2)链接到偏置电路(6)的连接点(P1)，所述连接点(P1)经由电阻器(R0)而链接到电压源(5)。

5.根据先前的权利要求之一所述的驱动电路(1)，其中，保护电路(19)由电阻器(R_i，R_v)和晶体管(T_c，T_p)组成。

6.根据权利要求4和5所述的驱动电路(1)，其中，保护电路(19)包括保护晶体管(T_p)和控制晶体管(T_c)，控制晶体管(T_c)的基极经由输入电阻器(R_i)耦接到输入端子(P_i)并且经由地电阻器(R_g)耦接到地(Gd)，控制晶体管(T_c)的集电极既经由电压电阻器(R_v)耦接到电压源(5)又耦接到保护晶体管(T_p)的基极，保护晶体管(T_p)的集电极耦接到偏置电路(6)的连接点(P1)，控制晶体管(T_c)和保护晶体管(T_p)的发射极耦接到地(Gd)。

7.根据先前的权利要求之一所述的驱动电路(1)，其中，驱动电路(1)还包括反馈回路(11)，该反馈回路耦接到所述多个功率电路(9)和偏置电路(6)，并且被配置用于提供全局负反馈功能。

8.根据权利要求7所述的驱动电路(1)，其中反馈回路(11)由反馈晶体管(T_f)和感测电阻器(R_f)组成。

9.根据权利要求8结合权利要求3所述的驱动电路(1)，其中，反馈晶体管(T_f)的基极耦接到所述多个功率电路(9)的第一电阻器(R1)，发射极耦接到地(Gd)并且集电极耦接到偏置电路(6)的连接点(P1)，感测电阻器(R_f)的一侧耦接到反馈晶体管(T_f)的基极并且另一侧耦接到反馈晶体管(T_f)的发射极。

10.一种驱动电路(1)，其中，驱动电路(1)的晶体管是双极晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管。