CN107454704B - 光报警器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种以LED元件为发光元件的光报警器。这种光报警器的驱动电路(430)可以在一个控制电路(450)的控制下在报警阶段LED电路(240)提供一工作电流(I_work)，在监测阶段为所述LED电路(240)提供一监测电流(I_detect)，其中，所述监测电流(I_detect)低于所述工作电流(I_work)，且能够使得所述LED电路(240)中的LED元件在监测阶段产生的光能量远低于在报警阶段产生的报警光能量，甚或使得所述LED元件在所述监测阶段不发光；且所述控制电路(450)可以通过在所述监测阶段采样LED电路的总体压降(V_LED)判断所述LED电路(240)是否工作正常。

Description

光报警器
技术领域
本发明总体涉及消防报警(Fire alarming)领域，尤其涉及一种消防系统中的告警设备(Notification Appliance)。
背景技术
图1示出了一种典型的消防报警系统的示意图。如图1所示，在消防报警系统中，控制装置(Control Panel)160连接到分布于楼宇中的多个告警设备190。这些告警设备可并联连接到一个线路网络上，该网络连接到控制装置(Control Panel)160。告警设备可以经由该线路网络从火灾报警控制装置160处获得电能且与火灾报警控制装置160进行通信。图1中的告警设备190例如可以是声报警器也可以是闪光(Strobe)报警设备或称“光报警器”，后者例如以氙灯或发光二极管(LED)等当作发光元件。
近些年来，越来越多厂商使用LED作为光报警器的发光元件。当出现火情或紧急情况时，光报警器驱动LED发出频闪光，以警示人员及时撤离。以高功率LED为发光元件可以降低光报警器的电能消耗以及简化驱动电路的复杂度，因而在消防领域逐步形成发展趋势。
图2示例性地示出了一种光报警器的典型电路。如图2所示，光报警器200包括一个升压电路210、一个储能电路220、一个驱动电路230、由串联的多个LED元件构成的LED电路240，以及一个控制电路250。升压电路210连接到光报警器200的电能输入端，也就是连接到图1中的线路网络上。储能电路220优选为一个大电容C1，其由升压电路210充电。驱动电路230由储能电路220供电，以向串联在一起的多个LED元件提供驱动电流I_work。LED元件在驱动电流的作用下被点亮。控制电路250通过向驱动电路230发送控制信号Ctrl来控制LED元件闪光的频率和强度。控制电路250可以是一个微控制器(MCU)，也可以是由分立元件组件的电路。
在图2中LED元件和大电容C1是光报警器的关键部件。在光报警器运行过程中，LED可能会出现短路或断路的故障，同时大电容C1也会随使用时间的加长而发生退化。因而，需要周期性地监测光报警器中LED元件和大电容的工作状况，以便及时发现故障。然而，在实际使用中，由于光报警器中所使用的LED为高功率LED，其闪光强度过高，以至于不能用肉眼直接观察，这就给监测工作带来困难。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种消防系统中的光报警器，其能够监测LED元件是否工作正常。本发明的另一个目的在于提供一种消防系统中的光报警器，其能够监测储能元件是否工作正常或者储能元件是否发生退化。
根据本发明的一个方面，本发明提出了一种光报警器，包括：
一个升压电路，其对连接到所述光报警器的输入电压，以提供电能；
一个储能电路，由所述升压电路充电；
一个驱动电路，由所述储能电路供电，且输出驱动电流；
一个LED电路，其包括串联连接的至少一个LED元件，且由所述驱动电路为所述LED元件提供驱动电流；
一个第一采样电路，其采集所述LED电路中所有所述LED元件的总体压降；
一个控制电路，其控制所述驱动电路，使所述驱动电路在报警阶段为所述LED电路提供一工作电流，在监测阶段为所述LED电路提供一监测电流，其中，所述监测电流低于所述工作电流，且能够使得所述LED电路中的LED元件在监测阶段产生的光能量远低于在报警阶段产生的报警光能量，甚或使得所述LED元件在所述监测阶段不发光；
所述控制电路还在所述监测阶段根据所采集的所述总体压降判断所述LED电路是否工作正常。
优选地，所述监测电流设置成在100μA到几十mA级，优选地，所述工作电流的有效值与所述监测电流的有效值之比大于60倍，更为优选地，所述工作电流的有效值与所述监测电流的有效值之比大于100倍。
上述光报警器通过将小电流作为监测电流施加到串联的LED元件上来实现LED元件的故障监测。这种光报警器不仅可以具有自监测功能，而且也不会在监测阶段使得LED发出过高强度的光，而引起现场人员的注意，更不会导致现场人员因强光而损伤眼睛。
更为优选地，所述监测电流为恒定电流或者所述监测电流具有脉冲形式，更为优选地，所述监测电流具有占空比周期性变化的脉冲波形。
以脉冲信号作为监测电流，即使单个监测电流脉冲的幅值接近或等于工作电流，由于其脉宽可以控制得非常小，例如几个ms的量级，其形成的总照度也不会对人眼造成损害。另外，采用这种脉冲式监测电流来驱动LED元件，可以进一步降低监测阶段的电能损耗，且更不易引起现场人员的过度注意。此外，采用脉宽周期性变化的信号为监测电流可以提供呼吸式监测光，这样LED元件发出的光更加柔和且适于给现场人员舒适的感觉，更不会造成对肉眼的伤害。同时，由于使用脉宽调节方式，可以进一步降低监测阶段的电能损耗。
根据本发明一个方面，所述控制电路被配置成根据如下判据进行判断:如果所述总体压降基本上等于所述至少一个LED元件的前向导通电压之和，则表明LED电路工作正常。
优选地，所述控制电路还被配置成根据如下判据进行判断：如果所述总体压降大于所述至少一个LED元件的前向导通电压之和，则表明所述至少一个LED元件中至少之一发生断路故障。
优选地，所述控制电路被配置成根据如下判据进行判断：如果所述总体压降小于所述至少一个LED元件的前向导通电压之和，则表明所述至少一个LED元件中至少之一发生短路故障。
采用上述判据可以方便地根据小监测电流下采样得到的所述LED元件的总体压降来判断LED元件中是否存在故障元件。
尤为优选地，所述光报警器还包括：还包括：一个第二采样电路，其采集所述LED电路中一个第一LED元件的正向端的第一电压，所述第一LED元件的负向端连接到地；而且，所述控制电路被配置成根据如下判据进行判断：
如果所述总体压降大体上等于所有LED元件的前向导通电压之和，且所述第一电压大体上等于所述第一LED元件的正向导通电压，则表明所述LED电路上的各LED元件均工作正常。
更为优选地，所述控制电路还被配置成如果所述总体电压满足以下条件，则判断所述LED电路中至少一个LED元件发生短路：
V_LED＜(N-1)*Vd+α*Vd，
其中，V_LED为所述总体电压；
Vd为每个所述LED元件的前向导通电压；
N为所述LED电路(240)中的LED元件数目；
α为经验值，0<α<1，优选地，α大体等于50％。
采用第二采样电路的采样值与第一采样电路的采样值相互配合的方式进行故障判断，可以提高故障判断的准确性，避免误报。而且，在某些情况下，至少可以确定一个LED元件的故障位置。
在本发明一个实施例中，所述光报警器中的所述驱动电路包括：
一个工作电流产生电路，其为所述LED电路提供所述工作电流，以发出报警光；
一个监测电流产生电路，其为所述LED电路提供所述监测电流；
一个切换开关，其选择性地将来自所述储能电路的电能传递给所述工作电流产生电路和所述监测电流产生电路中之一；
其中，所述控制电路连接到所述切换开关，且所述切换开关响应于所述控制电路的控制而进行切换。
采用两个分立的电流支路来分别产生工作电流和监测电流，且利用一个受控切换开关选择哪个电流支路进行工作。这种电路结构简单且避免监测电流对工作电流的干扰，性能稳定，且控制简单。
在本发明另一个实施例中，所述驱动电路包括：
一个电流调节端，其连接到所述控制电路，并响应于所述控制电路的第一指示而选择性地将所述工作电流和所述监测电流之一提供给所述LED电路。
采用一个驱动电路来产生工作电流和监测电流，且利用一个电流调节端来改变电流的幅值。这种电路结构易于调整根据需要调整电流幅值，操控更灵活。
在本发明另一个实施例中，所述驱动电路包括：
一个使能端，其连接到所述控制电路，并响应于所述控制电路的第二指示而选择性地开启或切断所述驱动电路的电流输出，其中所述第二指示为一个脉宽调制信号，优选地，所述脉宽调制信号的占空比上固定的，或者所述占空比是周期性变化的。
通过控制驱动电路的使能端来实现脉冲式监测电流，更容易控制监测电流的脉冲周期和占空比。
在本发明另一个实施例中，所述光报警器还包括：
一个第三采样电路，其采集所述储能电路中储能元件两端的储能电压，而且，
所述控制电路被配置成根据所述第三采样电路所采样的储能电压和采样时间间隔确定所述储能元件的实际特征值，优选地，所述储能元件为电容，所述实际特征值为实际电容值。
采用上述光报警器不仅可以监测LED元件是否出现故障，还可以同时监测光报警器中的储能元件是否发生退化。此外，这里可以利用监测阶段能量消耗恒定的特点来衡量储能元件的性能。
优选地，光报警器还包括：
一个放电电路，其并联连接在所述储能电路的两端，所述放电电路包括一个限流电路和一个与所述限流电路串联的受控开关，
其中，所述控制电路控制所述受控开关在监测阶段导通，以使得所述储能电路中存储的能量经由所述限流电路放电。
这里，在光报警器中加入储能元件的放电电路可以加速储能元件的放电过程，且在放电过程中监测储能元件的性能。这样，对储能元件的监测更加方便。
下文将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施例，对切换装置的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
附图说明
以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。
图1示出了一种典型的消防报警系统。
图2示出了一种典型的光报警器的电路，其中以LED元件为发光元件。
图3示出了LED元件的伏安特性。
图4示出了根据本发明一个实施例的光报警器的电路。
图5示出了根据本发明另一个实施例的光报警器的电路。
图6示出了根据本发明又一个实施例的光报警器的电路。
图7示出了采用图6所示电路且利用固定占空比的监测电流的各个信号的波形图。
图8示出了采用图6所示电路且利用呼吸式监测电流的各个信号的波形图。
具体实施方式
为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示结构相同或结构相似但功能相同的部件。
在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，为使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。
在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。另外，在本文中，“第一”、“第二”等仅用于彼此的区分，而非表示它们的重要程度及顺序等。
图3示例性地示出了LED元件的一个典型伏安特性曲线。LED元件两端之间的电压用v表示，流过LED的电流用i表示。如图3所示的伏安特性曲线大体上可以划分为四个区域A～D。区域A为LED的反向击穿区(v≤反向击穿电压Vbr<0)。区域B为反向偏置区(Vbr<v<0)。区域C为正向偏置区(0<v<前向导通电压Vd)，其包括截止区Cut-off和过渡区T。区域D为LED的线性区(v>Vd)。
在线性区D，LED两端电压v大于前向导通管压降Vd。这时，随着流过LED的电流i的增加，LED的发光强度增加。例如，在区段L，电压V大于Vd，LED被点亮，但因电流值较低，相应地LED发光强度较弱，肉眼可以直视，而且LED的两端电压v仅略超过其前向导通电压Vd。在区段H，电流i较高，相应LED发光强度就可以达到光报警器的高强度闪光要求。这里区段H可称作光报警器的正常工作区。
此外，如图3所示，在区域C的过渡区段T(位于截止区和线性区之间)，LED两端电压v接近Vd但小于Vd，这时LED处于过渡状态，LED并不发光，但流过LED的电流值i>0。
参考图3，本发明的发明人注意到：如果以适合的小电流来驱动LED，则LED可以工作在光报警器的非正常工作区域，例如低光强的区段L或不发光的区段T。也就是说，小电流使得LED不发光或者发光较弱，但保持LED上有电流流过，以此则可实现对光报警器故障的监测，同时不会引起现场人员过渡的注意。
图4示例性地示出了根据本发明一个实施例的具有监测功能的光报警器。与图2类似，图4中的光报警器400包括升压电路210、储能电路220、包括串联的多个LED元件的LED电路240。与图2相同的元件具有相同或相似的功能，这里不再赘述。与图2不同，光报警器400中的驱动电路430能够选择性地向LED电路240提供工作电流I_work和监测电流I_detect之一，其中监测电流I_detect的有效值(均方根)远小于工作电流I_work。例如，监测电流例如在100μA级到几十mA级。特别地，监测电流的有效值与工作电流的有效值之比优选大于60倍，更为优选地大于100倍。光报警器400还包括一个第一采样电路460，其采集LED电路两端的总体压降V_LED，并传递给MCU 450。MCU 450除了常规的控制信号Ctrl之外，还通过控制信号Ctrl_Cur连接到驱动电路430，以实现电流切换。
在图4所示的例子中，光报警器400可以工作在两个模式下，即，报警模式和监测模式。通常，监测模式可以发生在报警之前，或者报警的间隙。在报警模式下，MCU 450通过控制信号Ctrl_Cur控制驱动电路430向LED电路240提供工作电流I_work，以便LED元件发出高强度的频闪光(例如40、70、110坎德拉)。在监测模式下，MCU 450通过控制信号Ctrl_Cur控制驱动电路430向LED电路240提供监测电流I_detect，以使得LED元件发出的光能量远小于报警光能量(从而肉眼可以直视)，甚或不发光。同时，MCU 450在监测阶段采集由第一采样电路460采样的V_LED。进而，根据从图3观察到的结果，即在LED上有小电流流过时LED上的管压降接近Vd。据此，MCU 450中的判断单元可以基于V_LED的值来确定这些LED元件中是否出现故障。
以下示例性地给出了MCU 450判断是否出现故障的一组判据。
-如果总体压降V_LED大体上接近或等于LED电路240中所有LED元件的前向导通电压Vd之和，即V_LED≈N*Vd(其中N为LED元件的个数)，则表明LED电路工作正常。
-如果总体压降V_LED接近储能电路的输出电压Vmax或者大于LED电路240中所有LED元件的前向导通电压Vd之和，则表明LED电路240中的至少一个LED元件发生断路故障；
-如果总体压降V_LED小于LED电路240中所有LED元件的前向导通电压Vd之和，即V_LED<N*Vd(其中N为LED元件的个数)，则表明LED元件中至少之一发生短路故障。
优选地，通常可以认为一个LED元件两端之间的电压低于其正向导通电压的一定百分比时，该LED元件发生了短路。为此，关于短路故障，可以进一步利用如下公式进行判定：如果V_LED＜(N-1)*Vd+α*Vd，其中0＜α＜1，α为经验值，则表明LED元件中至少之一发生短路故障，其中优选为50％。
图4所示的光报警器通过将小电流施加到串联的LED元件上来实现LED元件的故障监测。这种光报警器不仅可以具有自监测功能，而且也不会在监测阶段使得LED发出过高强度光。
图5示例性地示出了根据本发明另一个实施例的光报警器。与图4类似，图5中的光报警器500包括升压电路210、储能电路220、包括串联的多LED元件的LED电路240。与图4相同的元件具有相同或相似的功能，这里不再赘述。与图4不同，光报警器500中的驱动电路包括一个多项开关531、一个工作电流产生电路535和一个监测电流产生电路537，其中多项开关531由来自MCU 540的控制信号Ctrl_CurA控制。优选地，工作电流产生电路535可以是以固定频率输出工作电流。监测电流产生电路537为一个限流电阻，或者为一个恒流源，以控制输出电流的幅值。
在图5所示例子中，优选地，监测电流的电流值设置成使得各LED元件工作在图3所示的过渡区T，即LED上有小电流流过但LED元件不发光。具体地，如图5所示，工作电流产生电路535和监测电流产生电路537均连接到LED电路240。在多项开关531的控制下，电路535和电路537可分别向LED电路240提供电流。多项开关531响应于来自MCU 550的控制信号Ctrl_CurA而动作。控制信号Ctrl_CurA优选具有至少三个状态，即，报警状态(Alarm)、监控状态(Mon)和空闲状态(Idle)。在图5的例子中，优选地，多项开关531也相应具有三组触点。如图5所示，多项开关531的公共端连接到储能电路220的输出。触点1连接到监测电流产生电路537的输入。触点2和触点3彼此连接且浮空，不与任何其他部件连接。触点4连接到工作电流产生电路535的输入。
以下按照一个优选的实施例描述图5所示光报警器的动作过程。首先，在空闲状态，MCU 550将控制信号Ctrl_CurA设置成空闲状态(Idle)，以使得多项开关531的动触点连接到静触点2。这时，升压电路210将电容220充至一个峰值Vcap＝Vmax1，例如Vmax1≈35V，其略大于LED电路240中所有LED元件的前向管压降Vd之和，即Vmax>N*Vd，其中N为LED元件个数，N≥1。
进而，MCU 550将控制信号Ctrl_CurA设置成监控状态(Mon)，以使得多项开关531的动触点连接到静触点1。这时，电路537将监测电流I_detect提供给LED电路240。在此实施例中，优选地，监测电流I_detect的大小选择成使得LED元件工作在图3所示的过渡区T，即LED元件有电流流过但不发光。如果电路537为一个限流电阻R，则监测电流I_detect可以表示为：
I_detect＝(Vmax-V_LED)/R。
同时，MCU 550从第一采样电路460获得采样的LED电路的总体压降V_LED，并相应地按照如前所述的判据进行故障判断。监测完毕后，MCU 550将控制信号Ctrl_CurA设置回空闲状态(Idle)，使得多项开关531的动触点连接到静触点2，继续对储能电路220中的电容充电。
在出现火情时，MCU 550将控制信号Ctrl_CurA设置成监控状态(Alarm)，以使得多项开关531的动触点连接到静触点4。这时，电路535将工作电流I_work提供给LED电路240，从而LED元件得以进行高强度闪光。
在图5所示的例子中，优选地，光报警器500还具有一个第二采样电路562，其采样最后一个LED元件(即，负向端连接到地的LED元件)的正向端的电压V_led，并将该采样值提供给MCU 550。MCU 550可以将来自采样电路562和采样电路460的两个采样值相结合来进行故障判断。以下示例性地示出了这种判据：
正常：
若：Vd*(1-d)≤V_led≤Vd*(1+d)，且(N-1)*Vd*(1-d)+α*Vd≤V_LED≤N*Vd*1+d(其中，d为LED元件前向导通电压的容差值，α为经验值，0＜α＜1)，则表明LED电路240中的所有LED元件工作正常。
故障：
若V_led＜Vd*(1-d)或者V_led＞Vd*(1+d)，或者V_LED＜(N-1)*Vd*(1-d)+α*Vd或者V_LED＞N*Vd*(1+d)，则表明LED电路240中的至少一个LED元件出现故障。
在判断出现故障情况下，MCU 550还可以进一步区分短路或断路。
短路：
若：V_LED＜(N-1)*Vd*(1-d)+α*Vd，其中0＜α＜1，α为经验值，例如α＝50％，则表明LED电路240中的至少一个LED元件出现短路故障。
或者，若V_led＜Vd*(1-d)而且V_LED＜(N-1)*Vd*(1-d)+α*Vd，则表明LED电路240中的LED元件出现短路故障，且至少最后一个LED元件发生短路。
断路：
若V_LED＞N*Vd*(1+d)，则表明LED电路240中的LED元件出现断路故障。
若V_led＞Vd*(1+d)，则表明LED电路240中只有最后一个LED元件出现断路故障。
上述判据中优选地考虑了Vd的容差值。在精度要求不高的环境下，也可以忽略容差。由此，第二采样电路562的采样值可以与第一采样电路560的采样值相互配合进行故障判断，并且第二采样电路562的存在可以提高故障判断的准确性，避免误报，还可以进一步确定LED元件的故障位置。
更为优选地，在图5所示的例子中，除了对LED元件的故障监测外，该光报警器500还能够监测储能电路220中电容C1的退化状况。如图5所示，图5中的光报警器500还包括一个第三采样电路580和一个放电电路570。第三采样电路580采集电容C1两端的电压值Vcap。放电电路570包括一个受控开关572和一个限流电路574。限流电路574可以为一个限流电阻或者一个恒流源，其目的在于控制电容放电时的放电电流大小。受控开关572由MCU 550的Ctrl_D端控制。在Ctrl_CurA为空闲状态(Idle)且电容C1充满(例如Vcap达到一个更高值，Vcap＝Vmax2，例如Vmax2≈40～50V)时，如希望监测电容的情况，则MCU 550可以将Ctrl_D设置成有效，即受控开关572导通，电容C1经限流电路574进行放电。MCU 550采集来自第三采样电路的电压值Vcap。
对于限流电路574为限流电阻r的情况，电容C1的实际容值C可以用以下公式表示：
Figure GDA0001970452640000101
其中，t表示放电时间；
r表示限流电阻的阻值；
V0表示放电前的电容的初始电压；
Vt表示放电时间t后电容的剩余电压。
对于限流电路574为恒流源I的情况，考虑到每次LED元件的监测过程所用时间和电流大体保持不变，则电容C1的实际容值C可以用以下公式表示：
Figure GDA0001970452640000102
其中，C0为出厂时电容C1的容值；
ΔU0为首次LED元件监测前、后电容C1上的电压Vcap之差；C0和ΔU0可以预先存储在MCU的存储器中；
ΔUt为当前(经过一段使用时间后)LED元件监测前、后电容C1上的电压Vcap之差。
采用上述第三采样电路580和一个放电电路570，以及利用上述电容容值计算公式，则可监测并计算得到电容C1的实际容值。该实际容值可以用来计算光报警器的储能效率，并用来补偿电容C1的退化。
可选地，若限流电路574为恒流源I，且恒流源I相对比较稳定，其电流值可以视为一个常量，则可以利用如下公式计算电容C1的实际容值C：
Figure GDA0001970452640000103
其中，
ΔUt为当前(经过一段使用时间后)LED元件监测阶段前、后电容C1上的电压Vcap之差；
I为已知的恒流源的电流大小，
t为电容的放电时间。
采用稳定的恒流源且利用上述公式确定电容C1的实际容值，可以省去存储电容的初始值的存储，且更便于计算。
图6示例性地示出了根据本发明又一个实施例的光报警器。与图4和图5类似，图6中的光报警器600包括升压电路210、储能电路(电容C1)220、包括串联的多LED元件的LED电路240，以及第一采样电路460和第二采样电路562。与前图相同的元件具有相同或相似的功能，这里不再赘述。与图4和图5不同，光报警器600中的驱动电路630包括一个电流调节端632和一个使能端634。这两个输入端分别由MCU 650的控制端Ctrl_CurB(例如为模拟信号)和PWM(例如为脉宽调制信号)控制。驱动电路630的内部结构可以与现有的驱动电路(即LED驱动芯片)大体相同，不同之处在于其可以响应于电流调节端632的输入而改变其输出电流的幅值，同时还可以响应于使能端634的输入而对输出电流实现斩波，从而改变脉冲式输出电流的频率和占空比。
在图6所示例子中，优选地，监测电流的大小设置成使得LED元件的发光强度较弱，在最大光强下也能用肉眼直视。同时，优选地，监测电流为脉冲模式，其驱动LED元件间歇性点亮。可选地，脉冲式监测电流的占空比可以是固定的，也可以在一个预定周期内周期性变化。
图7示例性的示出了根据本发明一个实施例的监测阶段和报警阶段的信号波形。在报警阶段，Ctrl_CurB＝V1，PWM为报警时所需的工作频率和占空比。这时，驱动电路630输出工作电流I_work给LED电路240。在监测阶段，Ctrl_CurB＝V2，V2<V1，且PWM为占空比(例如D＝15％)恒定的脉冲信号。响应于Ctrl_CurB和PWM，驱动电路630输出监测电流I_detect给LED电路240。监测电流的波形如图7所示。监测电流的幅值为I_detect,在此监测电流下LED元件的发光光强则正比于监测电流的有效值或称均方根值Irms＝I_detect*D，其中I_work≥I_detect>Irms。Irms远小于I_work的有效值。MCU 650在每个监测电流脉冲的中心点处从第一采样电路460和/或第二采样电路562处获取电压值V_LED/V_led，V_LED在无故障情况下应与监测电流的波形大体一致。进而，MCU 650按照前述判据进行故障判断。
采用图7所示的脉冲式监测光，即使单个监测电流脉冲的幅值接近或等于工作电流，由于其脉宽可以控制得非常小，例如ms级，其形成的总照度也不会对人眼造成损害。另外，采用这种脉冲式监测电流来驱动LED元件，可以进一步降低监测阶段的电能损耗，且更不易引起现场人员的过度注意。
图8示例性的示出了根据本发明另一个实施例的监测阶段和报警阶段的信号波形。与图7类似，在报警阶段，Ctrl_CurB＝V1，PWM为报警时所需的工作频率和占空比。这时，驱动电路630输出工作电流I_work给LED电路240，以便LED元件发出相应的高功率报警光。在监测阶段，Ctrl_CurB＝V2，V2<V1。不同于图7，在图8的例子中，PWM为占空比(D)周期性变化的脉冲信号，例如占空比的变化是每四个脉冲循环一次，在这四个脉冲内占空比逐步变化(例如，15％、50％、30％、15％)。响应于Ctrl_CurB和PWM，驱动电路630输出监测电流I_detect给LED电路240。监测电流I_detect的波形如图8所示。监测电流的幅值为I_detect≤I_work,其波形为脉宽周期变化的脉冲信号，与PWM信号大体一致。在此监测电流下，LED元件形成呼吸式发光模式。LED元件的发光光强可正比于监测电流的均方值Irms：
Figure GDA0001970452640000121
其中，M为一个呼吸周期内脉冲的个数，例如M＝3；
i为不同占空比值的指数；
Di为不同的占空比值。
MCU 650在每个监测电流脉冲的中心点处从第一采样电路460和或第二采样电路562处获取电压值V_LED/V_led，其在无故障情况下应与监测电流的波形大体一致。进而，MCU 650按照前述判据(图4、图5)进行故障判断。
采用图8所示的呼吸式监测光，LED元件发出的光更加柔和且适于给现场人员舒适的感觉，更不会造成对肉眼的伤害。同时，由于使用脉宽调节方式，可以进一步降低监测阶段的电能损耗。
图7和图8虽然都采用脉宽调节方式，但是实际应用中也可以用微弱的电流驱动LED元件，且使得LED元件保持点亮一段时间，来进行监测。这时，LED元件仅仅发出微弱的光，并不会对肉眼造成伤害。
此外，如图6所示，光报警器600还具有用来监测电容退化状况的第三采样电路580。与图5中类似，考虑到每次监测过程所用时间和电流大体保持不变，则电容的实际容值可以用以下公式表示：
Figure GDA0001970452640000122
其中，C0为出厂时电容的容值；
ΔU0为首次LED元件监测前、后电容C1上的电压Vcap之差；C0和ΔU0可以预先存储在MCU的存储器中；
ΔUt为当前(经过一段使用时间后)LED元件监测前、后电容C1上的电压Vcap之差。
可选地，考虑到每次监测阶段所消耗的电能大体上是一致的，为此可根据每次监测阶段消耗的能量和电容放电之间的关系来确定实际的电容容值。优选地，可以利用如下公式计算电容C1的实际容值C：
Figure GDA0001970452640000131
其中，
ΔUt为当前(经过一段使用时间后)监测阶段前、后电容C1上的电压Vcap之差；
I为前述监测阶段期间放电电流(也就是监测电流)的有效值Irms，
t为电容的放电时间。
采用稳定的恒流源且利用上述公式确定电容C1的实际容值，可以省去存储电容的初始值的存储，且更便于计算。
采用上述第三采样电路580以及利用上述电容容值计算公式，则可监测并计算得到电容的实际容值。该实际容值可以用来计算储能效率，并用来补偿电容的衰退。而且，在图6所示的例子中，无需放电电路即可实现储能电路的监测。由此，LED元件监测和储能电路监测可以同步完成。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方案或变更，如特征的组合、分割或重复，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种光报警器，包括：
一个升压电路(210)，其连接到所述光报警器的电能输入端；
一个储能电路(220)，由所述升压电路(210)充电；
一个驱动电路(230)，由所述储能电路(220)供电，且输出驱动电流；
一个LED电路(240)，其包括串联连接的至少一个LED元件，且由所述驱动电路(230)为所述LED元件提供驱动电流；
一个第一采样电路(460)，其采集所述LED电路(240)中所有所述LED元件的总体压降(V_LED)；
一个控制电路(450、550、650)，其连接所述驱动电路(230)，且被配置成使所述驱动电路(230)在报警阶段为所述LED电路(240)提供一工作电流(I_work)，在监测阶段为所述LED电路(240)提供一监测电流(I_detect)，其中，所述监测电流(I_detect)低于所述工作电流(I_work)，且能够使得所述LED电路(240)中的LED元件在监测阶段产生的光能量远低于在报警阶段产生的报警光能量，且所述工作电流(I_work)的有效值与所述监测电流(I_detect)的有效值之比大于60倍；
所述控制电路(450、550、650)还被配置成在所述监测阶段根据所采集的所述总体压降(V_LED)判断所述LED电路(240)是否工作正常，其中所述监测阶段发生在所述报警阶段之前或者所述报警阶段的间隙。
2.如权利要求1所述的光报警器，其中，所述监测电流(I_detect)设置成在100μA到几十mA级。
3.如权利要求1所述的光报警器，其中，所述工作电流(I_work)的有效值与所述监测电流(I_detect)的有效值之比大于100倍。
4.如权利要求1所述的光报警器，其中，所述监测电流(I_detect)为恒定电流或者所述监测电流(I_detect)具有脉冲形式。
5.如权利要求4所述的光报警器，其中，所述监测电流(I_detect)具有占空比周期性变化的脉冲波形。
6.如权利要求1所述的光报警器，其中，所述控制电路(450、550、650)被配置成根据如下判据进行判断:如果所述总体压降(V_LED)等于所述至少一个LED元件的前向导通电压(Vd)之和，则表明LED电路工作正常。
7.如权利要求1所述的光报警器，其中，所述控制电路(450、550、650)被配置成根据如下判据进行判断：
如果所述总体压降(V_LED)大于所述LED电路(240)中所有所述LED元件的前向导通电压(Vd)之和，则表明所述LED元件中至少之一发生断路故障。
8.如权利要求1所述的光报警器，其中，所述控制电路(450、550、650)被配置成根据如下判据进行判断：
如果所述总体压降(V_LED)小于所述LED电路(240)中所有所述LED元件的前向导通电压(Vd)之和，则表明所述LED元件中至少之一发生短路故障。
9.如权利要求6所述的光报警器，还包括：一个第二采样电路(562)，其采集所述LED电路中一个第一LED元件的正向端的第一电压(V_led)，所述第一LED元件的负向端连接到地；而且，所述控制电路(550、650)被配置成根据如下判据进行判断：
如果所述总体压降(V_LED)等于所有LED元件的前向导通电压(Vd)之和，且所述第一电压(V_led)等于所述第一LED元件的正向导通电压(Vd)，则表明所述LED电路(240)工作正常。
10.如权利要求1所述的光报警器，其中，所述控制电路(450、550、650)被配置如果所述总体压降(V_LED)满足以下条件，则判断所述LED电路中至少一个LED元件发生短路：
V_LED＜(N-1)*Vd+α*Vd，
其中，
V_LED为所述总体压降；
Vd为每个所述LED元件的前向导通电压；
N为所述LED电路(240)中的LED元件数目；
α为经验值，0＜α＜1，α等于50％。
11.如权利要求1所述的光报警器，其中，所述驱动电路包括：
一个工作电流产生电路(535)，其为所述LED电路(240)提供所述工作电流(I_work)，以发出报警光；
一个监测电流产生电路(537)，其为所述LED电路(240)提供所述监测电流(I_detect)；
一个切换开关(531)，其选择性地将来自所述储能电路(220)的电能传递给所述工作电流产生电路(535)和所述监测电流产生电路(537)中之一；
其中，所述控制电路(550)连接到所述切换开关(531)，且所述切换开关(531)响应于所述控制电路(550)的控制而进行切换。
12.如权利要求1所述的光报警器，其中，所述驱动电路(630)包括：
一个电流调节端(632)，其连接到所述控制电路(650)，并响应于所述控制电路(650)的第一指示(Ctrl_CurB)而选择性地将所述工作电流(I_work)和所述监测电流(I_detect)之一提供给所述LED电路(240)。
13.如权利要求12所述的光报警器，其中，所述驱动电路(630)还包括：
一个使能端(634)，其连接到所述控制电路(650)，并响应于所述控制电路(650)的第二指示(PWM)而选择性地开启或切断所述驱动电路的电流输出，其中所述第二指示为一个脉宽调制(PWM)信号。
14.如权利要求13中所述的光报警器，其中，所述脉宽调制信号的占空比是固定的，或者所述占空比是周期性变化的。
15.如权利要求1所述的光报警器，还包括：
一个第三采样电路(580)，其采集所述储能电路(220)中储能元件(C1)两端的储能电压(Vcap)，而且，
所述控制电路(450、550、650)还被配置成根据所述第三采样电路(580)所采样的储能电压(Vcap)和采样时间间隔(t)确定所述储能元件(C1)的实际特征值。
16.如权利要求15中所述的光报警器，其中，所述储能元件(C1)为电容，所述实际特征值为实际电容值。
17.如权利要求16所述的光报警器，其中，还包括：
一个放电电路(570)，其并联连接在所述储能电路(220)的两端，所述放电电路(570)包括一个限流电路(574)和一个与所述限流电路串联的受控开关(572)，
其中，所述控制电路(550)控制所述受控开关(572)在监测阶段导通，以使得所述储能电路(220)中存储的能量经由所述限流电路(574)放电。
18.如权利要求17所述的光报警器，其中，所述限流电路(574)为限流电阻(r)，且所述控制电路(550)被配置成按照如下公式计算所述电容的实际电容值：
Figure FDA0002295374200000031
其中，t表示放电时间；
r表示所述限流电阻的阻值；
V0表示放电前电容的初始电压；
Vt表示放电时间t后电容的剩余电压。
19.如权利要求16所述的光报警器，其中，所述控制电路(550)被配置成按照如下公式计算所述电容的实际电容值：
Figure FDA0002295374200000041
其中，ΔUt为当前监测阶段前、后所述电容上的电压(Vcap)之差，
I为所述电容放电时的等效电流值，
t为电容的放电时间。
20.如权利要求16所述的光报警器，其中，且所述控制电路(550)被配置成按照如下公式计算电容的实际电容值：
Figure FDA0002295374200000042
其中，C0为出厂时所述电容(C1)的容值；
ΔU0为首次监测阶段前、后所述电容上的电压(Vcap)之差；
ΔUt为当前监测阶段前、后所述电容上的电压(Vcap)之差。
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