CN109429410B - 具有漏电保护功能的led电子驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于驱动LED负载并具有漏电保护的电子驱动器以防止触电。在电子驱动器中，电流传感器和固态开关的串联级联连接到转换器电路和单极电压源。单极电压源由外部电压源通过两个电触点连接到电子驱动器。电流传感器测量从转换器电路回馈到单极电压源的返回电流。当确定外部电压源未连接到两个电触点时，固态开关将单极性电压源与转换器电路隔离以实现电击防护。为了进行该确定，固态开关接通测试时段以驱动转换器电路进行操作。测试时段被选择为不大于预定的最大测试时段，以避免人不小心接触到电触点时从外部电压源吸收大于预定义的可容许的电击能量。根据返回电流的测量值来确定外部电压源是否连接到两个电触点。

Description

具有漏电保护功能的LED电子驱动器
技术领域
本发明通常涉及一种用于驱动发光二极管(LED)负载的电子驱动器。更具体地，本发明涉及具有漏电保护从而降低使用者触电风险的电子驱动器。
背景技术
在LED照明领域中，电子驱动器或LED驱动器将来自交流电源的交流(AC)输入转换为用于驱动LED负载(例如LED替代灯管)的直流(DC)输出。这种转换通过首先将交流电压整流为直流电压，然后使用直流/直流变换器产生适于LED负载的直流输出电流来实现。在电子驱动器中，有时出于节省成本的目的，没有在AC输入和变换器的输出端口之间安装隔离变压器。在这种没有安装隔离变压器的情况下，可能存在使用户受到电击的风险。
特别是随着替换常规荧光管的LED替代灯管的引入，用户受到电击的风险可能更大。为了示例这种风险，图1描绘了这样一种典型的情况，其中用户80将LED替代灯管10插入到从AC电源30接收电力的灯座20。通常，LED灯管10集成有LED负载和电子驱动器，因而不再需要外部驱动器(或镇流器)。由此，AC电源30可以直接连接到灯座20的两端。在用户80将LED灯管10插入灯座20的过程中，LED灯管10的一端11插入灯座20，而此时用户80可能仍抓持LED灯管10的另一端12。传统的荧光管的两端由气体分开，该气体在尚未发生电离时通常形成绝缘体，以使得荧光管两端不通电。但与传统的荧光管不同，LED灯管10中包含电子元件，因而在两端11、12之间可能存在电通路，这使用户80在LED灯管10的一端11插入灯座20而仍抓持LED灯管10的另一端12时面临触电的危险。
在现有技术中，为实现电子驱动器的漏电保护的大部分研发均集中于过电流保护方面，而不是直接防止人员触电。因此，本领域中需要这样一种电子驱动器，其既能驱动LED负载，同时又可以在用户将集成有电子驱动器和LED负载的LED灯接入交流电源时为用户提供防电击保护。
发明内容
本发明的一个方面是提供一种用于驱动LED负载并提供漏电防护以防止用户受到电击的电子驱动器。
在一个方面，本发明公开了一种用于驱动发光二极管负载的电子驱动器，包括：用于将由单极电压源提供的电力转换为用于驱动LED负载的输出电流的转换器电路，所述转换器电路包括本地接地节点，所述本地接地节点用于收集所述输出电流和由所述转换器电路汲取的工作电流以形成返回电流，所述返回电流回馈到所述单极电压源，所述单极电压源具有用于接收至少所述返回电流的源侧接地节点；两个电触头，其共同地用于电连接到外部电压源并从其接收电力，所接收的电力用于为所述单极电压源供电；电流传感器和固态开关的串联级联，所述串联级联连接所述源侧接地节点和所述本地接地节点，使得所述电流传感器用于测量所述返回电流；以及电子控制器，其被配置为执行用于控制所述固态开关的接通和断开的控制过程，所述控制过程包括用于测试外部电压源是否电连接到所述两个电触点的测试子过程，所述测试子过程包括步骤：在测试期间打开所述固态开关并持续测试时段，以驱动所述转换器电路在所述测试时段期间工作，其中所述测试时段被选择为不大于最大测试时段，所述最大测试时段被确定为以便在所述外部电压源仅电连接到所述两个电触点中的一个电触点，以及用户意外地接触到所述两个电触点中的另一个电触点的情况下，避免该用户从所述外部电压源吸收大于预定义的人可容许的电击能量；从所述电流传感器获得在所述测试时段期间观察到的所述返回电流的测量值；以及根据所测得的返回电流值确定所述外部电压源是否与所述两个电触点电连接，所述控制过程还包括步骤：当确定所述外部电压源电连接到所述两个电触点时，接通所述固态开关以驱动所述发光二极管负载；以及当确定所述外部电压源未与所述两个电触点电连接时，切断所述固态开并持续空闲时段，以便将所述转换器电路与所述单极电压源隔离，并且随后重复所述测试子过程，其中选择所述空闲时段以使得所述转换器电路在测试期间所吸收的能量能够在所述空闲时段内基本消散。
在另一方面，确定所述外部电压源是否电连接到两个电触点包括步骤：当测得的返回电流值具有大于预定电流值的幅值时，确定所述外部电压源电连接到所述两个电触点；以及当测得的返回电流值小于预定电流值的幅值时，确定所述外部电压源未电连接到所述两个电触头。
在另一方面，所述固态开关包括MOSFET。
在另一方面，所述电流传感器包括电阻器，由此在所述电阻器两端产生的电压与所述电子控制器获得的测得的返回电流值成比例。
在另一方面，所述最大测试时段为50μs。
在另一方面，所述空闲时段不小于10ms。
在另一方面，所述电子驱动器还包括：用于整流由所述外部电压源提供的交流电压以产生所述单极电压源的整流器。
在另一方面，所述电子驱动器还包括：用于测量交流电压频率的频率测量电路，其连接到所述整流器的多个输入端，其中所述控制过程还包括步骤：从所述频率测量电路获得测得的频率值；当所述测得的频率值大于预定频率值时，打开所述固态开关以驱动所述发光二极管负载，而不需要执行所述测试子过程；以及当所述测得的频率值不大于所述预定频率值时，启动所述测试子过程。
在另一方面，所述预定频率值为120Hz。
在一个方面，本发明公开了一种发光二极管灯装置，包括：发光二极管负载；和用于驱动所述发光二极管负载的根据前述另一方面的电子驱动器，其中所述预定电流值被确定为以使当所述发光二极管灯装置根据UL 1993进行触电可能性危险测试时，所述发光二极管灯装置产生的由UL 935定义的仪表读数不大于5仪表指示单位(MIU)。
本发明的其它方面如下文实施例所示。
附图说明
图1示出了当用户将LED替代灯管插入灯座时存在触电的潜在风险的示例情况。
图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的电子驱动器的框图示意图。
图3示出了控制电子驱动器的固态开关的控制过程的示例性流程图，其中固态开关控制用于驱动LED负载的转换器电路是否工作，以及转换器电路是否与单极电压源隔离，以防止电击。
图4示出了基于图2的示意图的电子驱动器的一种电路实施方式。
具体实施方式
本发明提供了一种用于驱动LED负载的电子驱动器。LED负载的示例包括但不限于一个或多个LED灯串，LED替代灯管，室外LED灯路标和用于街道照明的LED灯阵列。
本发明借助于图2至图4示出。图2描述了本公开的电子驱动器的示例性框图示意图。图4描述了图2所示的电子驱动器的一个电路实施方式。
参见图2，电子驱动器100通过两个电触点105、106与外部电压源190电连接，并从外部电压源190接收电力。电触点105、106通常是金属触点，或者它们共同形成电子驱动器100的插座或入口的至少部分。对于LED替代灯管，电触点105、106通常线连接到从LED替代灯管突出的金属引脚，并用于连接外部电压源190。通常，外部电压源190具有交流电源的形式，该交流电源的均方根(rms)电压取决于电子驱动器100所用的国家，以及使用单相还是三相电源。该均方根电压的通常范围在120V至400V之间，其足以造成触电事故。由外部电压源190提供的交流电压由整流器150整流以跨其输出端子152、115提供直流电压。优选地，整流器150是如图4所示的全波整流器。该直流电压跨输出端子152、115产生了一个单极电压源110。
本发明的电子驱动器100意图基于单极电压源110进行操作。尽管单极电压源110优选地通过整流由外部电压源190提供的交流电压得到，本发明并不仅局限于这种提供单极电压源110的方式。外部电压源190也可以直接提供直流电压以形成单极电压源110。
为了简单起见，附图标记152和115被重新用于描述单极电压源110。单极电压源110具有电压供应节点152和源侧接地节点115(在图2和图4中表示为AGND)。单极电压源110提供的直流电压在电压供应节点152处以源侧接地节点115处的接地电位为参照进行测量。虽然在电子驱动器100的大多数实施方式中，直流电压通常为正，本发明并不限于此，直流电压也可能为负。
电子驱动器100包括将由单极电压源110提供的电力转换为用于驱动LED负载195的输出电流161(iLED)的转换器电路120。该转换电路器120是一个直流/直流变换器。本领域技术人员可以基于本领域的技术知识来设计直流/直流变换器(例如Springer 2011年出版的Basic DC-DC Converter Theory中由Wens M.和Steyaert M.创作的Design andImplementation of Fully-Integrated Inductive DC-DC Converters in StandardCMOS)。当转换器电路120工作时，转换器电路120汲取工作电流162(io)。转换器电路120包括用于收集输出电流161和工作电流162以形成返回电流163(ir)的本地接地节点125(在图2和4中表示为GND)，该返回电流回馈到单极电压源110(注意io+iLED＝ir)。源侧接地节点115至少接收返回电流163。此外，源侧接地节点115与本地接地节点125分离。在上述关于输出电流161、工作电流162和返回电流163相对于本地接地节点125和源极侧接地节点115的电流流动方向的描述中，假设了单极性电压源110提供正直流电压。在使用负直流电压的情况下，iLED 161、io 162和ir 163取负值，而电流流动方向相反。
电子驱动器100还包括电流传感器131和固态开关132的串联级联130。该串联级联130连接源侧接地节点115和本地接地节点125。电流传感器131用于测量回流电流163。在电子驱动器100中使用电子控制器140来控制固态开关132以根据由电流传感器131测得的返回电流163来打开和关闭固态开关132。该固态开关132的打开和关闭能够控制转换器电路120处于工作或空闲状态。此外，关闭固态开关132使得两个电触点105、106之间隔离，从而降低用户在插入集成有电子驱动器100和LED负载195的LED灯到外部电压源190时被电击的风险。
示例性地，电子控制器140包括被配置为执行用于控制固态开关132的打开和关闭的控制过程的一个或多个计算处理器。图3描绘了该控制过程的示例性流程图。
控制过程包括测试子过程，用于测试外部电压源190是否电连接到两个电触点105、106。
在该测试子过程中，固态开关132从关闭状态切换为打开状态并持续测试时段(步骤220)。因此，转换器电路120被驱动以在测试期间操作。测试时段被选择为不大于最大测试时段。该最大测试时段被如此确定，以便在外部电压源190仅电连接到两个电触点105、106中的一个电触点以及用户意外接触到两个电触点105、106中的另一个电触点的情况下，避免用户从外部电压源190吸收大于预定义的人可容许的电击能量。关于人可容许的电击能量，本领域已进行了彻底的研究。关于人可容许的电击能量的说明详见例如IEEE Guidefor Safety in AC Substation Grounding,IEEE Std 80-2000。SB是人可容许的电击能量，R是人的电阻。如IEEE Std80-2000中所使用的，尽管R可以在500Ω至3000Ω之间，假定电阻值为1000Ω。V为外部电压源190的交流电压的均方根电压。最大测试时间ttest,max根据V2/R×ttest,max＝SB计算得出。在一个实施例中，ttest,max＝50μs。
测试子过程还包括从电流传感器131获得在测试时段期间观察到的返回电流163的测量值。将测得的返回电流值的幅值(即绝对值)与预定电流值进行比较(步骤230)。该预定电流值是这样的阈值，在该阈值以下，外部电压源190被预测为不电连接到两个电触点105、106。在本发明中，“外部电压源190不电连接到两个电触点105、106”并不排除外部电压源190只是电连接到两个电触点105、106的其中一个。当该幅值大于预定电流值时，测试子过程确定外部电压源190电连接到两个电触点105、106。当幅值小于预定电流值时，测试子过程确定外部电压源190未电连接到两个电触点105,106。
可以使用不同的方法来确定预定电流值。
如在Standard for Light-Emitting Diode(LED)Retrofit LuminaireConversion Kits,UL 1598C中所述，包括意图用于替换荧光管的改型套装和LED替代灯管中的LED灯需要满足Standard for Self-Ballasted Lamps and Lamp Adapters,UL 1993所设的条件。在UL 1993中，要求在安装，移除或更换LED灯装置的情况下评估替代线性荧光灯的LED灯装置的可能的触电危险。此外，UL 1993规定使用UL 935中详细描述的电击危险测量仪表电路来测试LED灯具的可能的触电危险。UL 935，即Standard for Fluorescent-Lamp Ballasts，还提供了一种具有用于测量触电电流的频率选择网络和身体阻抗模型的测量程序。当LED灯装置以UL 935的测量程序进行测试时，UL 1993规定由UL 935中定义的仪表测得的电流(该电流在UL 935中称为仪表读数)不得超过5仪表指示单位(MIU)，或7.07峰值MIU。在设定预定电流值的一种方法中，该预定电流值被确定为使得容纳有电子驱动器100的LED灯具满足不大于5MIU或等效地不大于7.07峰值MIU的要求。
在类似的方法中，当例如通过经验程序获得ir 163的统计模型时，如此确定预定电流值，使得错误确定仪表读数小于7.07峰值MIU的可能性低至一个可忽略的风险水平，例如0.0001％。本领域技术人员将理解，预定电流值可以通过常规的统计技术来确定。
在另一种方法中，如此确定预定电流值，其使得在虚警概率(probability offlase alarm)保持为特定值的约束下，漏检概率(probability of miss)被最小化。漏检概率是在外部电压源190实际上仅连接到电触点105、106中的一个的情况下，外部电压源190被确定为电连接到两个电触点105、106的条件概率。虚警概率是在外部电压源190实际上连接到两个电触点105、106的情况下，外部电压源190被确定为没有电连接到两个电触点105、106的条件概率。本领域技术人员将理解，预定电流值的这种确定是经典的内曼-皮尔逊检测问题。内曼-皮尔逊问题的解决方案在本领域中已知，例如，在由Springer于1994年出版的由H.V.Poor创作的An Introduction to Signal Detection and Estimation中。
在获得测试子过程的测试结果之后，控制过程如下所述根据测试结果确定电子控制器140采取的动作。
当测试子过程确定外部电压源190电连接到两个电触头105、106时，固态开关132继续接通(步骤240)，以驱动LED负载195。
当测试子过程确定外部电压源190没有与两个电触点105、106电连接时，固态开关132关闭空闲时段(步骤250)，以便在该空闲时段期间将转换器电路120与单极电压源110隔离。这种隔离显著降低了用户触电的风险。空闲时段结束后，重复测试子过程(通过再次执行步骤220)来重新测试LED负载195是否电连接到转换器电路120。空闲时段被选择为使得转换器电路120在测试期间吸收的能量能够在空闲时段基本消散。在一个实施例中，空闲时段被选择为不小于10ms。
可选地，电压驱动器100中安装有电压调节器155，以提供一个或多个电源电压(如图2所示的VDD和VCC)为至少转换器电路120和电子控制器140中的电路元件和集成电路(IC)供电。
有利地，电子驱动器100可以包括一个附加功能来确定外部电压源190是由交流电源还是由高频电子镇流器提供的。镇流器通常安装有符合照明行业安全标准的漏电保护电路。在存在高频电子镇流器的情况下，电子驱动器100可以直接驱动LED负载195。
为了确定外部电压源190的类型，电子驱动器100还包括连接到整流器的输入端口151a、151b的频率测量电路156，用于测量外部电压源190的可能的交流电压的频率。电子控制器140还被配置为获得测得的频率值。由电子控制器140执行的控制过程还包括在电子驱动器100的启动阶段执行的启动子过程。在该启动子过程中，电子控制器140从频率测量电路156获得测得的频率，并将该测得的频率与预定频率值相比较来确定外部电压源190是否为由镇流器提供的电压源(步骤210)。该频率值可以简单地选择为显著高于50Hz或60Hz(电网频率)的频率值。例如，该频率可以选择为120Hz，200Hz，500Hz或1kHz。当测得的频率值大于预定频率值时，启动子过程确定外部电压源190是从镇流器提供的电压源。之后，电子控制器140接通固态开关132，以直接驱动LED负载195，而不需要执行测试子过程(即，电子控制器140直接跳到步骤240)。否则，启动子过程通过启动步骤220来引导电子控制器140返回执行测试子过程的正常过程。
图4提供了转换器电路120、电子控制器140、电流传感器131、固态开关132、电压调节器155和频率测量电路156的示例电路实施方式。
电流传感器131可以实施为如图4所示的电阻器341。因此，电流传感器131可以实施为包括电阻器341，使得在电阻器341两端产生的电压与测量的返回电流值成比例。在一个实施例中，该电压与返回电流值具有相同的值。
固态开关132可以实施为包括MOSFET 331。
在不脱离其精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他具体形式实施。因此，本实施例在所有方面都被认为是说明性的而不是限制性的。本发明的范围由所附权利要求而不是前面的描述来限定，因此在权利要求的等同物的含义和范围内的所有改变都被包含在其中。

Claims (10)

1.一种用于驱动发光二极管负载的电子驱动器，包括：
用于将由单极电压源提供的电力转换为用于驱动LED负载的输出电流的转换器电路，所述转换器电路包括本地接地节点，所述本地接地节点用于收集所述输出电流和由所述转换器电路汲取的工作电流以形成返回电流，所述返回电流回馈到所述单极电压源，所述单极电压源具有用于接收至少所述返回电流的源侧接地节点；
两个电触头，其共同地用于电连接到外部电压源并从其接收电力，所接收的电力用于为所述单极电压源供电；
电流传感器和固态开关的串联级联，所述串联级联连接所述源侧接地节点和所述本地接地节点，使得所述电流传感器用于测量所述返回电流；以及
电子控制器，其被配置为执行用于控制所述固态开关的接通和断开的控制过程，所述控制过程包括用于测试外部电压源是否电连接到所述两个电触点的测试子过程，所述测试子过程包括步骤：
在测试期间打开所述固态开关并持续测试时段，以驱动所述转换器电路在所述测试时段期间工作，其中所述测试时段被选择为不大于最大测试时段，所述最大测试时段被确定为以便在所述外部电压源仅电连接到所述两个电触点中的一个电触点，以及用户意外地接触到所述两个电触点中的另一个电触点的情况下，避免该用户从所述外部电压源吸收大于预定义的人可容许的电击能量；
从所述电流传感器获得在所述测试时段期间观察到的所述返回电流的测量值；以及
根据所测得的返回电流值确定所述外部电压源是否与所述两个电触点电连接，
所述控制过程还包括步骤：
当确定所述外部电压源电连接到所述两个电触点时，接通所述固态开关以驱动所述发光二极管负载；以及
当确定所述外部电压源未与所述两个电触点电连接时，切断所述固态开并持续空闲时段，以便将所述转换器电路与所述单极电压源隔离，并且随后重复所述测试子过程，其中选择所述空闲时段以使得所述转换器电路在测试期间所吸收的能量能够在所述空闲时段内基本消散。
2.根据权利要求1所述的电子驱动器，其中确定所述外部电压源是否电连接到两个电触点包括步骤：
当测得的返回电流值具有大于预定电流值的幅值时，确定所述外部电压源电连接到所述两个电触点；以及
当测得的返回电流值小于预定电流值的幅值时，确定所述外部电压源未电连接到所述两个电触头。
3.根据权利要求1或2所述的电子驱动器，其中所述固态开关包括MOSFET。
4.根据权利要求1或2所述的电子驱动器，其中所述电流传感器包括电阻器，由此在所述电阻器两端产生的电压与所述电子控制器获得的测得的返回电流值成比例。
5.根据权利要求1或2所述的电子驱动器，其中所述最大测试时段为50μs。
6.根据权利要求2所述的电子驱动器，其中所述空闲时段不小于10ms。
7.根据权利要求1或2所述的电子驱动器，还包括：
用于整流由所述外部电压源提供的交流电压以产生所述单极电压源的整流器。
8.根据权利要求7所述的电子驱动器，还包括：
用于测量交流电压频率的频率测量电路，其连接到所述整流器的多个输入端，
其中所述控制过程还包括步骤：
从所述频率测量电路获得测得的频率值；
当所述测得的频率值大于预定频率值时，打开所述固态开关以驱动所述发光二极管负载，而不需要执行所述测试子过程；以及
当所述测得的频率值不大于所述预定频率值时，启动所述测试子过程。
9.根据权利要求8所述的电子驱动器，其中所述预定频率值为120Hz。
10.一种发光二极管灯装置，包括：
发光二极管负载；和
用于驱动所述发光二极管负载的根据权利要求2所述的电子驱动器，其中所述预定电流值被确定为以使当所述发光二极管灯装置根据UL1993进行触电可能性危险测试时，所述发光二极管灯装置产生的由UL935定义的仪表读数不大于5仪表指示单位(MIU)。
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