CN110677960A - 一种闪光器快速启动电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种闪光器快速启动电路及控制方法，开关KEY默认断开状态，电池无法向电路供电，灯泡不亮，当按键KEY闭合后，电池为电路供电，前半个周期内逻辑模块LOG控制NMOS管Q1断开，灯泡灭，电池为电容C1充电，后半个周期内逻辑模块LOG控制NMOS管Q1导通，灯泡被点亮；二极管D1为逻辑模块LOG模块供电，保持LOG模块对NMOS管的持续控制。本发明在无需对芯片的等效电阻进行严苛设计的情况下，在上电的第一个周期内迅速点亮灯泡，同时有效的保护芯片，防止芯片在工作初期损毁。本发明沿用经典的电路，即无需现有电路的外围进行重新设计，仅需对控制逻辑进行优化即可实现，降低了项目的研发成本。

Description

一种闪光器快速启动电路及控制方法

技术领域

本发明涉及电子领域，尤其是一种闪光器的启动方法。

背景技术

随着我国道路建设的快速发展和居民生活水平的提高，机动车逐渐成为人们生活中的必需品，而随着机动车数量的急剧增加，道路安全也成为了一项热门的社会话题。在机动车的安全保障系统中，闪灯系统无疑是其中重要的一环，包括转向灯和双闪在内的闪光灯可以向其他车辆发出对应的警示信息，因此保证车辆的闪光器可以随时开启十分必要。

闪光器的电路系统较为简洁，整体电路可简化为以下四个部分：电池、IC、电容和灯泡，其中车载蓄电池为电路供电；控制IC进行电路的逻辑控制；电容C1在熄灯的时候充电，在亮灯的过程中为IC供电。在电路导通的时候，逻辑控制模块控制开关管导通，灯泡两端出现压差，由于灯丝的电阻值较小，灯丝上会迅速积累大量的热量，当达到一定的温度点时，灯泡即发出可见的亮光，此时可认为灯泡被点亮。

但是出于芯片本身的物理限制，设计人员需要在IC设计时进行相应的保护性限制措施，常见的有两种：芯片的过流保护和过温保护机制。根据上述的发光机制，灯泡需要较大的功率才会产生足够的功率开始发光，由于灯泡的发热丝的阻值与温度正相关，则上电初期的电流较大，极容易达到芯片的过流保护点导致芯片功率管关断，若取消芯片的过流保护机制则大电流经过芯片会在极端的时间内产生巨大的发热量导致芯片烧毁。

现阶段对于这个问题的解决方法是通过电路设计和制造工艺使得芯片上的等效电阻值尽可能的减少，在电路的第一个导通时间内保持开启状态，使得灯泡的发热丝迅速升温，电量灯泡，由于芯片的等效电阻足够小，芯片本身的发热量较小，同时较好的散热能力使得芯片本身可以迅速散掉产生的热量，保证芯片不被烧坏。

这种设计可以保证芯片在上电的第一个周期迅速开启，但是由于对芯片设计和制造的要求较高，芯片需要更大的设计面积和更优良的封装，这增加了芯片的制造成本，在芯片竞争日益激烈的今天，这样的设计方式可能是得不偿失的。同时，由于芯片设计存在工艺偏差，为了保证芯片的良率，需要留有足够的设计余量，进一步增加了设计制造成本。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种闪光器快速启动电路及控制方法。在保留现有闪光器电路简洁设计的基础上，通过对电路的控制方式进行调制，来实现在上电的第一个周期内即可迅速启动，同时有效的对芯片进行保护，防止电路出现过热过流导致的烧毁情况。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种闪光器快速启动电路，包含电池BAT、芯片IC、电容C1、灯泡L1以及开关KEY，所述电池BAT为车载蓄电池，为整体电路供电；所述电容C1为自举电容，与IC并联，在灯泡点亮的时间内为IC供电；所述IC内部结构为NMOS管Q1与逻辑控制模块LOG并联，一颗二极管的正极连接在NMOS管Q1的漏极，负极连接在自举电容C1上；所述灯泡为闪光器电路的发光部分，一端连接在IC内NMOS管的源极上，另一端直接连接在电池BAT的负极上；所述KEY为闪光器电路的整体开关，连接在电池的负极与地之间，KEY闭合时电池为整个电路供电，KEY断开时电池与电路的连接断开。

所述闪光器快速启动电路连接后，开关KEY默认断开状态，电池无法向电路供电，灯泡不亮，当按键KEY闭合后，电池为电路供电，前半个周期内逻辑模块LOG控制NMOS管Q1断开，灯泡灭，电池为电容C1充电，后半个周期内逻辑模块LOG控制NMOS管Q1导通，此时电池直接连接在灯泡两侧，灯泡被点亮；由于NMOS管Q1导通，电容出现自举现象，二极管D1为逻辑模块LOG模块供电，保持LOG模块对NMOS管的持续控制，电路正常工作，并在下个周期重复此过程。

本发明还提供涉及闪光器快速启动电路的控制方法，具体步骤如下：

芯片IC采用过流保护，电路的开关KEY闭合后，电池BAT的前半个周期为IC供电，同时为电容C1充电，当进入后半个周期时，逻辑模块LOG驱动NMOS管Q1导通，当电流超过过流保护设置的阈值时，立即触发芯片的过流保护的关断，NMOS断开，则芯片和灯泡上无电流流过，电路预设迟滞时间t，t为导通周期的1/20---1/1000，在过流保护触发后的t时刻，电路中的逻辑模块LOG再次产生高电平信号驱动NMOS管Q1，使得电路再次重启，并不断重复，每隔t时刻产生高电平信号驱动NMOS管Q1，使得电路再次重启，直至电流不再触发芯片的过流保护，此时灯泡可迅速加热到点亮的温度，开始正常工作。

本发明的有益效果在于可以在无需对芯片的等效电阻进行严苛设计的情况下，在上电的第一个周期内迅速点亮灯泡，同时有效的保护芯片，防止芯片在工作初期损毁。本发明的物理设计沿用经典的电路，即无需现有电路的外围进行重新设计，仅需对控制逻辑进行优化即可实现，降低了项目的研发成本。

附图说明

图1为本发明闪光器启动方法的电路。

图2为本发明灯泡温度与阻值的关系示意图。

图3为本发明过流保护方式的示短路意图。

图4为本发明电路实际工作中的电流情况。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明通过对电路的逻辑控制模块进行改进，在不改变电路物理设计的情况下，解决了闪光器冷灯无法启动或启动缓慢的情况，同时可以有效防止芯片上电初期烧毁的问题。

一种闪光器快速启动电路，其硬件电路如图1所示，包含电池BAT、芯片IC、电容C1、灯泡L1以及开关KEY，所述电池BAT为车载蓄电池，标称容值为12V，为整体电路供电；所述电容C1为自举电容，与IC并联，在灯泡点亮的时间内为IC供电；所述IC内部结构为NMOS管Q1与逻辑控制模块LOG并联，一颗二极管的正极连接在NMOS管Q1的漏极，负极连接在自举电容C1上；所述灯泡为闪光器电路的发光部分，一端连接在IC内NMOS管的源极上，另一端直接连接在电池BAT的负极上；所述KEY为闪光器电路的整体开关，在车辆中为转向灯或双闪的拨动开关，连接在电池的负极与地之间，KEY闭合时电池为整个电路供电，KEY断开时电池与电路的连接断开。

所述闪光器快速启动电路连接后，开关KEY默认断开状态，电池无法向电路供电，灯泡不亮，当按键KEY闭合后，电池为电路供电，前半个周期内逻辑模块LOG控制NMOS管Q1断开，灯泡灭，电池为电容C1充电，后半个周期内逻辑模块LOG控制NMOS管Q1导通，此时电池直接连接在灯泡两侧，灯泡被点亮；由于NMOS管Q1导通，电容出现自举现象，二极管D1为逻辑模块LOG模块供电，保持LOG模块对NMOS管的持续控制，电路正常工作，并在下个周期重复此过程。

在电路中开关KEY闭合的瞬间，由于灯泡在未点亮时温度接近环境温度，定义接近环境温度的灯泡为冷灯，冷灯的电阻较小，电池电压施加在灯泡两端时产生较大电流，该电流会在芯片IC内流过，触发芯片的过流保护(OCP)，并可能迅速引发芯片的过温保护(OTP)，两种保护措施均会直接将芯片关断，导致在第一个周期内无法正常的点亮灯泡。现有技术为了保证灯泡在第一个周期即被点亮，多通过设计和制造过程尽可能减少芯片的等效电阻，使得在灯泡预热的过程中芯片尽可能的减少发热，即让芯片IC撑过前期的热积累点亮。由于芯片IC的热积累不是瞬态产生，因此为了防止芯片过热出现的烧坏，对芯片内部的温度检测模块的灵敏度和防止位置都有较高要求，否则可能在过温保护模块响应之前电路即出现损坏，或保护之后无法再次开启，影响系统的可靠性和正常工作。

本发明采用芯片IC的过流保护作为保护机制，过流保护对于放置位置的要求较低，同时可灵活地根据芯片的等效电阻值情况进行调节，减少芯片设计和布局的压力。电路的开关KEY闭合后，电池BAT的前半个周期为IC供电，同时为电容C1充电，当进入后半个周期时，逻辑模块LOG驱动NMOS管Q1导通，此时电池BAT等效于直接连在灯泡的两端，由于冷灯的电阻值较小，会产生较大的电流流过芯片，当电流超过过流保护设置的阈值时，立即触发芯片的关断机制，NMOS断开，则芯片和灯泡上无电流流过，由于过流保护后电流直接降为0，因此无法通过迟滞令电路重启，电路预设Retry迟滞时间t，t为导通时间的1/20---1/1000，本发明实施例中的1ms为例，在过流保护触发后t时间时，电路中的逻辑模块LOG再次产生高电平信号驱动NMOS管Q1，使得电路再次重启，并不断重复，每隔t时刻产生高电平信号驱动NMOS管Q1，使得电路再次重启，随着重启次数的增加，灯丝上的温度不断累积升高，则灯泡的阻值相应的升高，因此电路中流过的电流不断减小，直至电流不再触发芯片的过流保护，此时灯泡可迅速加热到点亮的温度，开始正常工作。

如图1所示，整个闪光器电路包括车载蓄电池BAT、灯泡L1、电容C1、IC以及电路开关KEY组成，其中蓄电池BAT电压值12V，灯泡点亮时为灯泡供电，灯泡熄灭时为IC供电并为电容C1充电；灯泡即车辆上的转向灯或双闪灯，为方便电路说明，本发明中所提灯泡工作原理均为白炽灯而非LED；如图2所示，灯泡的电热丝为金属导体，其电阻率随温度的升高而增加，随温度的降低而减小，因此由电阻公式可知，灯泡的阻值随温度升高而增大，随温度的降低而减小。电容C1的作用为在灯泡熄灭的时候充电，在灯泡电量的过程中为IC供电，该电容的取值为nF级别；IC为实现本发明的主要电路部分，为方便说明，IC的内部电路简化为与电容C1并联的NMOS管Q1，负责管理电容C1充放电回路的二极管D1，以及电路核心的逻辑控制模块LOG；电路的开关KEY在实际的车辆中对应转向灯或双闪的拨动开关，负责控制全局电路的通断，当按键闭合时，整体电路开始上电工作。

电路的具体连接方式为：蓄电池BAT的正极直接连接在IC上，蓄电池的负极经过开关KEY连接在灯泡L1的一端，该点同时接地；灯泡的另一端连接在IC的输出上，同时与电容C1的另一侧相连，IC内部的等效元器件的连接关系如下：NMOS管的源级连接在电池的正极，漏极与灯泡相连，导通时负责将电池BAT与灯泡L1相连，NMOS管的栅极连接在逻辑控制模块LOG上，二极管连接在电源的正极与电容之间，方向为由电源到电容为正向导通。

在电路正确连接之后，由于开关KEY默认为打开状态，因此电路中此时没有电流通路，即电路未开始工作，当开关KEY闭合后，电池开始为整体电路供电。由于转向灯和闪光灯都是采用闪烁的方式进行警示作用，本发明中以闪光频率1Hz，占空比为50％进行说明，在每个周期的前半段，即前500ms内灯泡不亮，后半个周期内灯泡点亮。在周期的前半段时间内，电池连接到IC上为逻辑电路LOG供电，LOG输出低电平信号到NMOS管的栅极，此时NMOS管不导通，灯泡L1上无电流经过，因此灯泡可视作普通电阻，由于灯泡灯丝的阻值与温度成正比关系，所以此时灯丝的阻值较小，在此处分析时可忽略不计，因此电池的负极相当于直接连接在NMOS管的漏极和电容的下极板上。由于二极管的正向导通方向为电源的正极到电容的上极板，因此此时电容上存在着等于蓄电池电压的压差，该压差为12V。当进入下半个周期的时候，LOG模块输出高电平信号，此时NMOS管导通，蓄电池的正负极相当于直接连接在灯泡L1的两端，因此IC的两端相当于等电势，蓄电池无法再为IC供电。但是由于电容上的电压不能突变，因此在开关管导通的瞬间，电容的下极板电势相对地变为12V，而由于电容的自举效应，电容的上极板电势变为24V，又由于二极管D1的存在，电容与IC构成了放电回路，因此在灯泡点亮的半个周期内，由电容为IC供电。在下个周期灯泡熄灭的时候，电容重新充电。

白炽灯灯丝的阻值与其温度为正相关关系，在开关KEY闭合的第一个周期里，开关管导通之前，灯泡的温度接近室温，此时灯丝的阻值较小，因此当电池电压直接施加在灯泡两端时，灯泡上流过的电流较大，瞬间电流超过20A，这个电流同样会从芯片上流过，因此芯片内部的过流保护会被触发。同时，由于芯片设计面积和制造工艺的限制，芯片的等效电阻无法做到太小，大电流经过时芯片会剧烈发热，封装的存在使得产生的热量无法迅速散出，因此芯片内部的热量会迅速积累，导致芯片温度急剧升高，触发芯片的过温保护，若温度检测模块响应速度不够或模块放置的位置不合理，则极易导致过温保护触发之前芯片烧毁。现阶段解决该问题的方案通常为通过电路设计和封装工艺控制芯片的发热情况，由于大电流经过灯丝时灯丝的温度升高较快，且随着温度的升高电阻值相应变大，流过的电流会逐渐降低，因此只要芯片可以撑过前面的大电流和发热情况，即可点亮灯泡，开始正常工作。但是该方案对设计的要求较高，同时由于制造的正态分布性质导致实际的芯片等效电阻不完全一致，需要留出更多的设计余量，进一步增加了生产成本。

本发明采用改进型的过流保护响应机制，在不需要对现有电路硬件设计改动的情况下，通过对电路的控制方式和保护机制的调整，实现保证电路上电的第一个周期点亮的同时，有效的防止芯片损坏。

由于芯片上的电流是瞬态的，而温度需要一个积累升高的过程，同时采用过温保护机制对芯片设计以及相应的检测模块的响应速度要求较高，因此为了防止由于相应延迟导致的芯片烧毁问题，本发明采用过流检测实现的保护和重启机制，在可以实现迅速相应的同时，对芯片设计布局的要求较低。

电路上电初期，由于灯泡的阻值较低，流过的电流较大，可能触发芯片的过流保护，其过流点设置可以依据芯片以及外围电路而定。为说明电路的过流保护机制，电路直接短路时相应的电流情况如图3所示。在前两个周期，一旦发生过流，电路会在迟滞时间t后重启，该迟滞时间远小于闪光的单个周期时间，本发明的闪光周期假定为1s，迟滞时间设定为1ms，如图3所示，在电路上电后，在电路开启的半个周期内，一旦出现过流，则电路关断后1ms重启，不断重复，而两个周期的完整时间为2s，若超过该时间仍无法启动，则该转向灯可能带来严重的安全隐患，则需要对电路进行重新设计。

在电路中电流超过预设的过流点后，MOS管关断，芯片停止工作。由于达到过流点后电流直接降为0，因此不存在过流迟滞的控制方式，需采用内置的RETRY时间t的方式进行控制，即芯片关断后一段时间后，以1ms为例，芯片再次启动，若仍触发过流点，重复上述流程，随着开启次数的增加灯泡的阻值变大，电流逐渐降低，最终上电后电流值不再触发芯片的过流保护，电路正常开启，因此实际工作中电路的电流情况如图4所示。上电初期，由于冷灯的电阻值比较小，电路中流过的电流瞬间达到限流，电路关断，但在此过程中灯泡上由于有电流经过，灯丝会产生热量，导致其电阻值增加；1ms后电路重新开启，若此时电路中的电流仍到达限流值，则重复上述过程，电阻再次增加，直至上电时由于阻值增大电路中不再出现过流，电路正常启动。在下一个周期到来时，由于灯泡熄灭的时间只有500ms，灯丝的温度变化不会很大，即可直接点亮。

Claims (3)

1.一种闪光器快速启动电路，其特征在于：

所述闪光器快速启动电路，包含电池BAT、芯片IC、电容C1、灯泡L1以及开关KEY，所述电池BAT为车载蓄电池，为整体电路供电；所述电容C1为自举电容，与IC并联，在灯泡点亮的时间内为IC供电；所述IC内部结构为NMOS管Q1与逻辑控制模块LOG并联，一颗二极管的正极连接在NMOS管Q1的漏极，负极连接在自举电容C1上；所述灯泡为闪光器电路的发光部分，一端连接在IC内NMOS管的源极上，另一端直接连接在电池BAT的负极上；所述KEY为闪光器电路的整体开关，连接在电池的负极与地之间，KEY闭合时电池为整个电路供电，KEY断开时电池与电路的连接断开。

2.根据权利要求1所述的一种闪光器快速启动电路，其特征在于：

所述闪光器快速启动电路连接后，开关KEY默认断开状态，电池无法向电路供电，灯泡不亮，当按键KEY闭合后，电池为电路供电，前半个周期内逻辑模块LOG控制NMOS管Q1断开，灯泡灭，电池为电容C1充电，后半个周期内逻辑模块LOG控制NMOS管Q1导通，此时电池直接连接在灯泡两侧，灯泡被点亮；由于NMOS管Q1导通，电容出现自举现象，二极管D1为逻辑模块LOG模块供电，保持LOG模块对NMOS管的持续控制，电路正常工作，并在下个周期重复此过程。

3.一种利用权利要求1所述一种闪光器快速启动电路的控制方法，其特征在于包括下述步骤：

芯片IC采用过流保护，电路的开关KEY闭合后，电池BAT的前半个周期为IC供电，同时为电容C1充电，当进入后半个周期时，逻辑模块LOG驱动NMOS管Q1导通，当电流超过过流保护设置的阈值时，立即触发芯片的过流保护的关断，NMOS断开，则芯片和灯泡上无电流流过，电路预设迟滞时间t，t为导通周期的1/20---1/1000，在过流保护触发后的t时刻，电路中的逻辑模块LOG再次产生高电平信号驱动NMOS管Q1，使得电路再次重启，并不断重复，每隔t时刻产生高电平信号驱动NMOS管Q1，使得电路再次重启，直至电流不再触发芯片的过流保护，此时灯泡可迅速加热到点亮的温度，开始正常工作。

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