CN107565684A - 一种集成的应急照明的交流检测及电源控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成的应急照明的交流检测及电源控制系统，包括整流电路、电池、照明负载；AC/DC变换器与所述整流电路耦合；所述AC/DC变换器的第一输出端用于输出直流电流信号，驱动照明负载；所述AC/DC变换器的第二输出端用于给电池充电；第一功率开关以及第二功率开关耦合到整流电路地端以及电池负极；检测及控制模块耦合到所述交流零线输入端、交流火线输入端，第一功率开关的栅极、第二功率开关的栅极，及电池正极、电池负极，以及照明负载的正极。本发明实现了交流检测、应急系统控制、电源管理的高度集成化，可根据输入的电压信号和开关的状态来使能应急电源，并使系统稳定性和可靠性得到提高，并降低了系统方案的成本。

Description

一种集成的应急照明的交流检测及电源控制系统

技术领域

本发明属于应急照明领域，特别是涉及一种集成的应急照明的交流检测及电源控制系统。

背景技术

在应急照明应用中，首先要求在交流输入的情况下，光源能够正常的点亮。在LED照明应用中，由交流AC输入驱动的LED驱动由一个AC/DC变换器来完成。如图1所示，该变换器的输出1用于输出直流电流信号，驱动LED负载。AC/DC 变换器的输出2用于给锂电池充电。该变换器在有交流输入的情况下工作，而照明系统工作在交流供电的状态下。

在无交流输入的情况下，并且VL和VN两个输入端的阻抗大于某一个阈值的时候(等效于开关截止的状态)，应急照明被关闭。此时，既没有交流输入产生的驱动电流，也没有应急状态下的驱动电流，照明系统处于关闭状态。

在无交流输入的情况下，并且VL和VN两个输入端的阻抗小于上述的阈值的时候(等效于在无交流输入的情况下，开关闭合)，应急照明被启动。此时，虽然没有交流输入信号，但是LED可以由电池产生的电流来供电，达到应急照明的目的。系统工作在应急照明的状态下。

在此照明系统下，要求能准确检测出交流输入的状态和VL,VN两个输入端之间的阻抗，以达到准确稳定启动应急照明的目的。市场已有的类似方案如图1。该方案采用了分立器件的线路，实现了交流输入检测和交流输入端VL,VN之间的阻抗检测。当VL和VN之间的阻抗小于阈值的时候，启动应急照明控制。同时方案中还需要另外一个芯片来实现电池的管理和保护。

现有的方案中，交流检测由于需要处理VL和VN两个输入端之间220V的交流电压信号，所以采用了分立器件的方案。这样做导致系统的可靠性和稳定性降低。分立元器件方案中，使用了三级PNP管做为放大级，由于PNP的基级的漏电流也会经过三级放大，所以分立元件方案中漏电流经常会引起应急照明的误动作。在实际生产中，经常发生由于交流高压信号的干扰，而使得应急照明电路被误触发。同时，分立器件还使得系统的成本变高，加工成本也随之增大。

发明内容

发明目的：针对现有技术的缺陷，提供一种集成的应急照明的交流检测及电源控制系统，将交流检测、应急系统控制、电源管理集成到一块芯片内实现，以提高系统的稳定性、降低生产成本。

技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种集成的应急照明的交流检测及电源控制系统，包括：

整流电路101，用于整流输入交流电压；

电池103，用于交流检测电路的供电；

照明负载104，用于照明及应急照明；

AC/DC变换器102，与所述整流电路101耦合；所述AC/DC变换器102的第一输出端1用于输出直流电流信号，驱动照明负载；所述AC/DC变换器102的第二输出端2用于给电池充电；所述AC/DC变换器102在有交流输入的情况下工作；

检测及控制模块105，耦合到所述交流零线输入端VN、交流火线输入端VL，及电池正极BATP、电池负极BATN，以及照明负载104的正极。

所述检测及控制模块105，用于检测交流零线输入端VN、交流火线输入端 VL两端的电压和导通阻抗，并根据交流输入的电压和交流零线输入端VN、交流火线输入端VL的阻抗状态来驱动照明负载104，使系统使能在应急照明状态下。

所述检测及控制模块105，还通过检测电池正极BATP、电池负极BATN之间的电压，使得系统能正常对电池充电和放电，并根据电池电压和照明负载电压对电池进行过充保护，过放保护和输出过流保护。

优选的，所述集成的应急照明的交流检测及电源控制系统，还包括第一功率开关M1以及第二功率开关M2，用于控制电池的充电和放电状态；所述第一功率开关M1以及第二功率开关M2设置在所述检测及控制模块105外部并耦合到整流电路地端GND以及电池负极BATN；或者第一功率开关M1以及第二功率开关 M2设置在所述检测及控制模块105内部。

当第一功率开关M1以及第二功率开关M2设置在所述检测及控制模块105外部时，所述检测及控制模块105包括高压隔离电路201、交流输入检测电路202、第三功率开关204、参考电压产生电路205、电池保护管理电路206，所述高压隔离电路201的输入端分别连接交流零线输入端VN、交流火线输入端VL，高压隔离电路201的输出端分别连接所述交流输入检测电路202，所述交流输入检测电路202的输出,用来控制功率开关204，最后由所述功率开关204连接该模块的输出端EN；所述交流输入检测电路202同时还连接参考电压产生电路205、电池保护管理电路206并与电池负极BATN连通，所述电池保护管理电路206分别与电池正极BATP和电池负极BATN连接，并由所述电池保护管理电路206输出过充电驱动信号OC和过放电驱动信号OD，分别控制外部的第一功率开关M1 以及第二功率开关M2，实现电池保护和管理的功能。

当第一功率开关M1以及第二功率开关M2设置在所述检测及控制模块105内部时，所述第一功率开关M1以及第二功率开关M2分别与过充电驱动信号OC和过放电驱动信号OD联结，从而在过充电驱动信号OC和过放电驱动信号OD的驱动下，实现电池保护和管理的功能。

所述高压隔离电路201，用于将220V的交流零线输入端VN、交流火线输入端VL与内部的线路隔离，防止220V的交流信号电压将所述检测及控制模块105 损坏；

所述交流输入检测电路202，用于检测输入的交流火线输入端VL、交流零线输入端VN之间的电压，判断交流输入的情况，以及交流火线输入端VL和交流零线输入端VN之间的导通阻抗；

所述第三功率开关204，根据交流输入的不同情况，产生不同的输出信号；当启动应急照明的时候，功率204开关导通，输出端EN输出为高电平；

所述参考电压产生电路205，用于产生多个直流参考电压，包括第一参考电压vref、第二参考电压vref2、过充参考电压vrefOC和过放参考电压vrefOD，其中第一参考电压vref和第二参考电压vref2联接到所述交流检测模块202，用于检测交流火线输入端VL、交流零线输入端VN的状态，且第一参考电压vref 和第二参考电压vref2的大小决定了交流火线输入端VL、交流零线输入端VN之间的导通阻抗的阈值大小；过充参考电压vrefOC和过放参考电压vrefOD联接到电池保护管理模块206，用于检测电池的过充电、过放电状态；

电池保护管理电路206，用于检测电池电压，并给出相应的过充电驱动信号 OC和过放电驱动信号OD，这两个信号分别控制所述第一功率开关M1和第二功率开关M2，实现电池保护和管理的功能。

所述高压隔离电路201包括火线高压电阻306、零线高压电阻307，所述火线高压电阻306、零线高压电阻307为耐高压电阻，耐压值可达700伏；所述火线高压电阻306的一端与所述交流火线输入端VL连接，另一端通过MOS开关管304与电池正极BATP连接；所述零线高压电阻307一端与交流零线输入端VN连接，另一端与钳位二极管305的一端、电阻R302的一端及第一比较器303的第二输入端并联连接；钳位二极管305及电阻R302的另一端接地；所述第一比较器303的第一输入端输出第一参考电压vref；所述第一比较器303的第二输入端又连接第二比较器303b,所述第二比较器303b的第二输入端联接至第二参考电压vref2，所述第二比较器303b的输出端通过第一反相器310与所述MOS开关管304连接；所述第一比较器303的输出同时与逻辑与门309相连，第二比较器303b的输出同时与第二反相器308相连。

本发明的有益效果：本发明实现了交流检测、应急系统控制、电源管理的高度集成化，可根据输入的电压信号和开关的状态来使能应急电源，并使系统稳定性和可靠性得到提高，并降低了系统方案的成本。

附图说明

图1为市场上已有的LED应急照明系统电路图；

图2为本发明所述的集成的应急照明的交流检测及电源控制系统的结构原理图(未设置M1和M2)；

图3为本发明所述的集成的应急照明的交流检测及电源控制系统的结构原理图(在检测及控制模块外部设置M1和M2)；

图4为所述检测及控制模块105的内部结构原理图(内部无M1和M2)；

图5为所述检测及控制模块105的内部结构原理图(内部设置M1和M2)；

图6为所述高压隔离电路201及交流输入检测电路202的一个具体实现电路原理图；

图7为所述VL和VN两个输入端之间无交流输入信号并且存在一定导通电阻时的等效电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图2所示，是本发明所述的应急照明的交流检测及电源控制系统的一种实施例的结构原理图。

在该实施例中：

整流电路101，用于输入交流电压整流；

电池103为锂电池；

照明负载104为LED灯；

AC/DC变换器102，与所述整流电路101耦合，所述AC/DC变换器102的第一输出端1用于输出直流电流信号，驱动LED灯；所述AC/DC变换器102的第二输出端2用于给锂电池充电；所述AC/DC变换器102在有交流输入的情况下工作；

检测及控制模块105，耦合到所述交流零线输入端VN、交流火线输入端VL，及电池正极BATP、电池负极BATN，以及LED灯的正极。

所述检测及控制模块105，用于检测交流零线输入端VN、交流火线输入端 VL两端的电压和导通阻抗，并根据交流输入的电压和交流零线输入端VN、交流火线输入端VL的阻抗状态来驱动照明负载，使系统使能在应急照明状态下；

同时，所述检测及控制模块105，还通过检测电池正极BATP、电池负极BATN 之间的电压，控制第一功率开关M1、第二功率开关M2的栅极电压，使得系统能正常对电池充电和放电，并根据电池电压和负载电压对电池进行过充保护，过放保护和输出过流保护。

优选的，所述集成的应急照明的交流检测及电源控制系统，还包括第一功率开关M1以及第二功率开关M2，用于控制电池的充电和放电状态；所述第一功率开关M1以及第二功率开关M2设置在所述检测及控制模块105外部并耦合到整流电路地端GND以及电池负极BATN(如图3、图4所示)；或者第一功率开关 M1以及第二功率开关M2设置在所述检测及控制模块105内部(如图5所示)。

当第一功率开关M1以及第二功率开关M2设置在所述检测及控制模块105外部时，所述检测及控制模块105的内部结构原理图如图4所示，所述检测及控制模块105包括高压隔离电路201、交流输入检测电路202、第三功率开关204、参考电压产生电路205、电池保护管理电路206，所述高压隔离电路201的输入端分别连接交流零线输入端VN、交流火线输入端VL，高压隔离电路201的输出端分别连接所述交流输入检测电路202，所述交流输入检测电路202的输出,用来控制功率开关204，最后由所述功率开关204连接该模块的输出端EN；所述交流输入检测电路202同时还连接参考电压产生电路205、电池保护管理电路 206并与电池负极BATN连通，所述电池保护管理电路206分别与电池正极BATP 和电池负极BATN连接，并由所述电池保护管理电路206输出过充电驱动信号OC 和过放电驱动信号OD，再分别控制分别控制图3中所示外部的第一功率开关M1 以及第二功率开关M2，实现电池保护和管理的功能。

当第一功率开关M1以及第二功率开关M2设置在所述检测及控制模块105内部时(如图5所示)，所述第一功率开关M1以及第二功率开关M2分别与过充电驱动信号OC和过放电驱动信号OD联结，从而在过充电驱动信号OC和过放电驱动信号OD的驱动下，实现电池保护和管理的功能。

所述高压隔离电路201，用于将220V的交流零线输入端VN、交流火线输入端VL与内部的线路隔离，防止220V的交流信号电压将所述检测及控制模块105 损坏；

所述交流输入检测电路202，用于检测输入的交流火线输入端VL、交流零线输入端VN之间的电压，判断交流输入的情况，以及交流火线输入端VL和交流零线输入端VN之间的导通阻抗；

所述第三功率开关204，根据交流输入的不同情况，产生不同的输出信号；当启动应急照明的时候，功率204开关导通，输出端EN输出为高电平；

所述参考电压产生电路205，用于产生多个直流参考电压，包括第一参考电压vref、第二参考电压vref2、过充参考电压vrefOC和过放参考电压vrefOD，其中第一参考电压vref和第二参考电压vref2联接到所述交流检测模块202，用于检测交流火线输入端VL、交流零线输入端VN的状态，且第一参考电压vref 和第二参考电压vref2的大小决定了交流火线输入端VL、交流零线输入端VN之间的导通阻抗的阈值大小；过充参考电压vrefOC和过放参考电压vrefOD联接到电池保护管理模块206，用于检测电池的过充电、过放电状态；

电池保护管理电路206，用于检测电池电压，并给出相应的过充电驱动信号 OC和过放电驱动信号OD，这两个信号分别控制图3或图5中所示第一功率开关 M1和第二功率开关M2，实现电池保护和管理的功能。

表1为检测及控制模块105的交流火线输入端VL、交流零线输入端VN之间状态与该模块的输出端EN的输出信号关系表。

表1

如前所述，系统在有交流输入的情况下，以及交流开路的情况下，都不启动应急照明控制，即EN的输出状态为高阻态；当交流火线输入端VL和交流零线输入端VN之间的导通阻抗小于阈值的时候，应急照明系统被使能，即EN的输出状态为高电平且等于电池电压。

图6是图4或图5所示检测及控制模块105中的高压隔离电路201、交流输入检测电路202的一个具体实现电路原理图。

其中，图4或图5中的高压隔离电路201包括火线高压电阻306、零线高压电阻 307，所述火线高压电阻306、零线高压电阻307为耐高压电阻，耐压值可达700 伏；所述火线高压电阻306的一端与所述交流火线输入端VL连接，另一端通过MOS 开关管304与电池正极BATP连接；所述零线高压电阻307一端与交流零线输入端 VN连接，另一端与钳位二极管305的一端、电阻R302的一端及第一比较器303的第二输入端并联连接；钳位二极管305及电阻R302的另一端接地；所述第一比较器303的第一输入端输出第一参考电压vref；所述第一比较器303的第二输入端又连接第二比较器303b,所述第二比较器303b的第二输入端联接至第二参考电压vref2，所述第二比较器303b的输出端通过第一反相器310与所述MOS开关管 304连接；所述第一比较器303的输出同时与逻辑与门309相连，第二比较器303b 的输出同时与第二反相器308相连。

工作原理如下：

(1)当交流火线输入端VL、交流零线输入端VN之间的输入电压是交流220V 电压的时候，钳位二极管305被击穿，此时第一比较器303第二输入端电压Vdet 等于钳位二极管305的钳位电压，并且该钳位电压大于参考电压vref2的电压；比较器303b的输出信号AC_det为高电平。这时即判断为交流输入为220V的状态。

当AC_det的信号为高电平的时候，AC_det的电压通过第一反相器310将 MOSFET304置于关闭状态，以隔离输出的高压交流信号。同时，AC_det的信号还联接至第二反相器308，第二反相器308的输出信号为低电平，通过逻辑与门 309后，将输出信号EMER_EN置为低电平。

此时不启动应急照明。

(2)当交流火线输入端VL、交流零线输入端VN之间的输入电压无交流220V 电压，并且交流火线输入端VL、交流零线输入端VN之间的阻抗为无穷大的时候，钳位二极管305没有被击穿。此时第一比较器303第二输入端电压Vdet被电阻 R302下拉为零电平。

比较器303b的输出信号AC_det为低电平，并且信号AC_det通过第一反相器 310将MOS开关管304的栅极置为高电平，使得MOS开关管304处于导通状态；比较器303的输出信号AC_det_R_det也是低电平，并且这两个信号通过第二反相器 308和逻辑与门309后，将信号EMER_EN置为低电平。

此时不启动应急照明。

(3)当交流火线输入端VL、交流零线输入端VN之间的输入电压无交流220V 电压，并且交流火线输入端VL、交流零线输入端VN之间的导通阻抗R_LN不是无穷大时，由于此时无交流输入，使得钳位二极管305没有被击穿，所以比较器303b 的输出AC_det为低电平，此时，MOS开关管304处于导通状态。

由于从电池正极BATP到整流电路地端GND之间存在一个由MOS开关管304,火线高压电阻306，交流火线输入端VL、交流零线输入端VN之间的阻抗R_LN，零线高压电阻307，以及电阻R302组成的一个电阻网路，参考图7。此时第一比较器 303第二输入端电压Vdet的大小，可以用如下的公式表示：

Vdet＝VBATP*R302/(R306+R_LN+R307+R302)

公式中，由于MOS开关304处于导通状态，并且其导通阻抗很小，所以忽略了MOS开关304的导通阻抗。

由此可见，第一比较器303第二输入端电压Vdet随着交流火线输入端VL、交流零线输入端VN之间的阻抗R_LN的变化而变化。并且，第一比较器303第二输入端电压Vdet随着R_LN的减小而增加。

当第一比较器303第二输入端电压Vdet等于第一参考电压vref的时候，此时对应的R_LN的大小，即为启动应急照明的电阻阈值Rth。调整第一参考电压vref 的大小，可以得到不同的电阻阈值Rth。

当R_LN小于Rth的时候，第一比较器303第二输入端电压Vdet超过第一参考电压vref，比较器303的输出信号AC_det_R_det为高电平。

信号AC_det和信号AC_det_R_det通过第二反相器308和逻辑与门309后，将逻辑与门309的输出信号EMER_EN置为高电平。

此时启动应急照明。

在发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的系统结构与方法之内。

Claims (8)

1.一种集成的应急照明的交流检测及电源控制系统，其特征在于，包括：

整流电路(101)，用于整流输入交流电压；

电池(103)，用于交流检测电路的供电；

照明负载(104)，用于照明及应急照明；

AC/DC变换器(102)，与所述整流电路(101)耦合；所述AC/DC变换器(102)的第一输出端(1)用于输出直流电流信号，驱动照明负载(104)；所述AC/DC变换器(102)的第二输出端(2)用于给电池(103)充电；所述AC/DC变换器(102)在有交流输入的情况下工作；

检测及控制模块(105)，耦合到所述交流零线输入端(VN)、交流火线输入端(VL)，及电池正极(BATP)、电池负极(BATN)，以及照明负载(104)的正极。

2.根据权利要求1所述的集成的应急照明的交流检测及电源控制系统，其特征在于，所述检测及控制模块(105)，用于检测交流零线输入端(VN)、交流火线输入端(VL)两端的电压和导通阻抗，并根据交流输入的电压和交流零线输入端(VN)、交流火线输入端(VL)的阻抗状态来驱动照明负载(104)，使系统使能在应急照明状态下。

3.根据权利要求1所述的集成的应急照明的交流检测及电源控制系统，其特征在于，所述检测及控制模块(105)，还通过检测电池正极(BATP)、电池负极(BATN)之间的电压，使得系统能正常对电池充电和放电，并根据电池电压和照明负载电压对电池进行过充保护，过放保护和输出过流保护。

4.根据权利要求1所述的集成的应急照明的交流检测及电源控制系统，其特征在于，还包括第一功率开关(M1)以及第二功率开关(M2)，用于控制电池的充电和放电状态；所述第一功率开关(M1)以及第二功率开关(M2)设置在所述检测及控制模块(105)外部并耦合到整流电路地端(GND)以及电池负极(BATN)；或者所述第一功率开关(M1)以及第二功率开关(M2)设置在所述检测及控制模块(105)内部。

5.根据权利要求4所述的集成的应急照明的交流检测及电源控制系统，其特征在于，当第一功率开关(M1)以及第二功率开关(M2)设置在所述检测及控制模块(105)外部时，所述检测及控制模块(105)包括高压隔离电路(201)、交流输入检测电路(202)、第三功率开关(204)、参考电压产生电路(205)、电池保护管理电路(206)，所述高压隔离电路(201)的输入端分别连接交流零线输入端(VN)、交流火线输入端(VL)，高压隔离电路(201)的输出端分别连接所述交流输入检测电路(202)，所述交流输入检测电路(202)的输出,用来控制功率开关(204)，最后由所述功率开关(204)连接该模块的输出端(EN)；所述交流输入检测电路(202)同时还连接所述参考电压产生电路(205)、电池保护管理电路(206)并与电池负极(BATN)连通，所述电池保护管理电路(206)分别与电池正极(BATP)和电池负极(BATN)连接，并由所述电池保护管理电路(206)输出过充电驱动信号(OC)和过放电驱动信号(OD)，再分别控制外部的所述第一功率开关(M1)和第二功率开关(M2)，实现电池保护和管理的功能。

6.根据权利要求4所述的集成的应急照明的交流检测及电源控制系统，其特征在于，当所述第一功率开关(M1)以及第二功率开关(M2)设置在所述检测及控制模块(105)内部时，所述第一功率开关(M1)以及第二功率开关(M2)分别与过充电驱动信号(OC)和过放电驱动信号(OD)联结，从而在过充电驱动信号(OC)和过放电驱动信号(OD)的驱动下，实现电池保护和管理的功能。

7.根据权利要求4所述的集成的应急照明的交流检测及电源控制系统，其特征在于，

所述高压隔离电路(201)，用于将220V的交流零线输入端(VN)、交流火线输入端(VL)与内部的线路隔离，防止220V的交流信号电压将所述检测及控制模块(105)损坏；

所述交流输入检测电路(202)，用于检测输入的交流火线输入端(VL)、交流零线输入端(VN)之间的电压，判断交流输入的情况，以及交流火线输入端(VL)和交流零线输入端(VN)之间的导通阻抗；

所述第三功率开关(204)，根据交流输入的不同情况，产生不同的输出信号；当启动应急照明的时候，功率(204)开关导通，输出端(EN)输出为高电平；

所述参考电压产生电路(205)，用于产生多个直流参考电压，包括第一参考电压(vref)、第二参考电压(vref2)、过充参考电压(vrefOC)和过放参考电压(vrefOD)，其中第一参考电压(vref)和第二参考电压(vref2)联接到所述交流检测模块(202)，用于检测交流火线输入端(VL)、交流零线输入端(VN)的状态，且第一参考电压(vref)和第二参考电压(vref2)的大小决定了交流火线输入端(VL)、交流零线输入端(VN)之间的导通阻抗的阈值大小；过充参考电压(vrefOC)和过放参考电压(vrefOD)联接到电池保护管理模块(206)，用于检测电池的过充电、过放电状态；

所述电池保护管理电路(206)，用于检测电池电压，并给出相应的过充电驱动信号(OC)和过放电驱动信号(OD)，这两个信号分别控制所述第一功率开关(M1)和第二功率开关(M2)，实现电池保护和管理的功能。

8.根据权利要求7所述的集成的应急照明的交流检测及电源控制系统，其特征在于，

所述高压隔离电路(201)包括火线高压电阻(306)、零线高压电阻(307)，所述火线高压电阻(306)、零线高压电阻(307)为耐高压电阻，耐压值可达700伏；所述火线高压电阻(306)的一端与所述交流火线输入端(VL)连接，另一端通过MOS开关管(304)与电池正极(BATP)连接；所述零线高压电阻(307)一端与交流零线输入端(VN)连接，另一端与钳位二极管(305)的一端、电阻(R302)的一端及第一比较器(303)的第二输入端并联连接；钳位二极管(305)及电阻(R302)的另一端接地；所述第一比较器(303)的第一输入端输出第一参考电压(vref)；所述第一比较器(303)的第二输入端又连接第二比较器(303b),所述第二比较器(303b)的第二输入端联接至第二参考电压(vref2)，所述第二比较器(303b)的输出端通过第一反相器(310)与所述MOS开关管(304)连接；所述第一比较器(303)的输出同时与逻辑与门(309)相连，第二比较器(303b)的输出同时与第二反相器(308)相连。