CN111225478B - 开关组件保护电路 - Google Patents

Abstract

大部分的LED驱动器制造商选择使用等级更高的Power MOSFET作为功率开关组件，以避免功率开关组件于LED驱动器发生输出短路时损坏。然而，这样的解决方案并无法完全适用所有的LED驱动器。特别地，本发明以一输出短路侦测单元、一电压调节单元与一功率开关关闭单元组成一种开关组件保护电路。在LED驱动器发生输出短路时，该输出短路侦测单元会侦测LED驱动器的高输出电流并对应地输出一侦测电压；接着，电压调节单元会将该高电压转换成一启动信号，由此通过该启动信号启用该功率开关关闭单元以促使LED驱动器的功率开关单元(Power MOSFET)转入关闭状态；如此方式，便能够有效地避免LED驱动器发生输出短路时所产生的高输出电流和高温对Power MOSFET造成毁损。

Description

开关组件保护电路

技术领域

本发明是关于电源供应器、电源转换器与LED驱动器的技术领域，尤指可被应用于电源供应器、电源转换器或LED驱动器中的一种开关组件保护电路。

背景技术

随着电子科技的发展与进步，各式各样的电子设备与产品被广泛地应用于人们的日常生活之中，而传统上使用一线性电源供应器(linear power supply)提供稳定的电压/电流给电子设备。然而，传统的线性电源供应器具有体积庞大、电源转换效率低等缺点，因此荷兰人罗乃第(Neti R.M.Rao)于美国专利号US4,253,137之中首先揭示了切换式电源供应器技术(Switch Mode Power Supply,SMPS)。

电源供应器主要是利用电源转换单元完成电源转换。至今，电源供应器已经具有许多应用，例如被应用为发光二极管(Light-Emitting Diode,LED)的驱动器。为了令LED驱动器可同时具备调光功能，功率开关组件会被设置于LED驱动器的输出端与LED照明单元之间。图1 即显示一种具有调光功能的LED驱动器的电路方块图。如图1所示， LED驱动器1’耦接一电源2’，并以其电源转换单元11’将该电源2’所提供的交流电转换成具特定电压值的直流电压信号或具特定电流值的直流电流信号。另一方面，图1显示一LED照明单元3’电性连接至该电源转换单元11’的输出端。一般而言，电源转换单元11’的输出端会设有输出整流线路与输出滤波线路，但这些线路已经为电子工程师所熟知，在此便不多加解释。

值得注意的是，一功率开关组件4’被设置于电源转换单元11’的输出端与LED照明单元3’之间，且该功率开关组件4’通常是功率型金氧半场效晶体管(Power MOSFET)。另一方面，常见的调光技术通常以一调光控制装置5’控制功率开关组件4’的开/关，且该调光控制装置5’包括位于用户端的一调光控制器51’以及电性连接至功率开关组件4’的一开关组件驱动器52’。如此设计，当使用者通过调光控制器51’输入一调光控制信号，该开关组件驱动器52’便会根据该调光控制信号控制功率开关组件4’的开/关动作，以此方式完成对该LED照明单元3’的调光。

由图1可进一步发现，LED照明单元3’包括串联式连接的多颗LED 组件。当然，一些LED照明单元3’所包括的多颗LED组件为并联式连接。熟悉LED驱动器设计与制作的电子工程师应该都知道，在LED驱动器1’的生产测试、包含LED驱动器1’的照明灯具的生产调试、或灯具安装施工的过程中，很容易造成LED驱动器1’中的电源转换单元 11’的次级输出端短路的情况。实务经验指出，除了可能毁坏LED照明单元3’所包含的LED组件之外，LED驱动器1’输出端短路所产生的大电流输出也可能同时导致功率开关组件4’因功率损耗过大而损坏。基于这个理由，大部分的LED驱动器制造商选择使用等级更高的 power MOSFET作为功率开关组件4’，由此解决前述问题。然而，这样的解决方案并无法完全适用所有的LED驱动器或类似的电压转换器。原因在于，随着LED驱动器的输出规格的提升，必须选用更高等级的 power MOSFET作为功率开关组件4’。因此，少数高输出规格的LED驱动器无法找到更好的power MOSFET来取代原本使用的高等级power MOSFET。

由上述说明可知，虽然现有技术已经采取以等级更高的power MOSFET取代等级较低的power MOSFET的方式来解决输出突波电流导致功率开关组件损坏的问题，然而，显然这样的解决方案缺乏完整性、全面性。有鉴于此，本案的发明人极力加以研究发明，而终于研发完成本发明的一种开关组件保护电路。

发明内容

大部分的LED驱动器制造商选择使用等级更高的Power MOSFET作为功率开关组件，以避免功率开关组件于LED驱动器发生输出短路之时损坏。然而，这样的解决方案并无法完全适用所有的LED驱动器。因此，本发明的主要目的在于提出一种开关组件保护电路，其主要由一输出短路侦测单元、一电压调节单元与一功率开关关闭单元所组成。在LED驱动器发生输出短路时，该输出短路侦测单元会侦测LED驱动器的高输出电流并对应地输出一侦测电压；接着，电压调节单元会将该侦测电压转换成一启动信号，由此通过该启动信号启用该功率开关关闭单元以促使LED驱动器的功率开关单元(Power MOSFET)转入关闭状态，关闭状态指的是开关呈现非导通状态；如此方式，便能够有效地避免LED驱动器发生输出短路时所产生的高输出电流对Power MOSFET造成毁损。

为了达成上述本发明的主要目的，本案发明人提供所述开关组件保护电路的一实施例，应用于具有一电流感测单元与一功率开关单元的一电源装置之中，并包括：

一输出短路侦测单元，电性连接至该电流感测单元，用以通过该电流感测单元对该电源装置执行一输出短路侦测，并于该电源装置的输出端短路时对应地输出一启动信号；

一功率开关关闭单元，电性连接至该功率开关单元；以及

一电压调节单元，电性连接于该输出短路侦测单元与该功率开关关闭单元之间；

其中，该电压调节单元用以调节该启动信号的电压值，且该功率开关关闭单元用以基于完成电压值调节的该启动信号的控制而关闭该功率开关单元。

附图说明

图1显示具有调光功能的LED驱动器的电路方块图；

图2显示包含本发明的一种开关组件保护电路的一电源装置的电路方块图；

图3显示本发明的开关组件保护电路的第一电路拓扑图；以及

图4显示本发明的开关组件保护电路的第二电路拓扑图。

图中主要符号说明：

1 开关组件保护电路

2 电源装置

4 负载装置

J100 电流感测单元

SW 功率开关单元

7 调光装置

71 调光控制器

72 功率开关驱动器

11 输出短路侦测单元

12 电压调节单元

13 功率开关关闭单元

111 比较器

R150 输入电阻

VREF 参考电压

21 电源转换单元

Vin 输入电压

VCC 电路供电电压

R151 串联电阻

ZD20 稽纳二极管

R152 并联电阻

GND 地端

C132 瞬时噪声滤除电容

SCR 闸流体

G 闸极端

A 阳极端

K 阴极端

R153 阳极电阻

R104 电位下拉稳定电阻

D1 第一二极管

RVR 调节电阻

CVR 调节电容

D2 第二二极管

1’ LED驱动器

2’ 电源

11’ 电源转换单元

3’ LED照明单元

4’ 功率开关组件

5’ 调光控制装置

51’ 调光控制器

52’ 开关组件驱动器

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明所提出的一种开关组件保护电路，以下将配合图式，详尽说明本发明的较佳实施例。

第一实施例

图2显示包含本发明的一种开关组件保护电路的一电源装置的电路方块图。本发明的开关组件保护电路1主要是应用于一电源装置2 之中。如图2所示，该电源装置2的输出端连接有一负载装置4，且一电流感测单元J100与一功率开关单元SW电性连接于该负载装置4与该电源装置2的输出端之间。另一方面，请同时参阅图3所显示的本发明的开关组件保护电路的第一电路拓扑图(Circuit topology diagram)。由于图2显示该功率开关单元SW电性连接至一调光装置7 且图3显示该负载装置4为一LED照明单元，因此可推知所述电源装置2为一LED驱动器。然而，虽然本发明以LED驱动器作为电源装置2 的示范性实施例，但不以此作为其可行实施例的限制。实际应用本发明时，电源装置2也可以是电源供应器或电源转换器。

在图2与图3所示的电源装置2(亦即，LED驱动器)中，功率开关单元SW通常为一功率型金氧半场效晶体管(Power MOSFET)。此外，常见的调光技术是以该调光装置7控制该功率开关单元SW的开/关，且该调光装置7包括位于用户端的一调光控制器71以及电性连接至该功率开关单元SW的一功率开关驱动器72。如此设计，当使用者通过调光控制器71输入一调光控制信号，该功率开关驱动器72便会根据该调光控制信号而对应地控制功率开关单元SW的开/关动作。在LED驱动器的调光装置7的常见设计之中，该功率开关驱动器72可由推挽式电路组成；另一方面，该调光控制器71可以是包括电流镜的控制电路、控制芯片、或包括比较器的控制电路。再者，调光装置7可以包含于 LED驱动器内部，用以读取使用者自外部送入的一调光控制信号，而后根据该调光控制信号而输出一功率开关驱动信号以推动该功率开关单元SW的开/关。须补充说明的是，所述调光控制信号可由一可变电阻调光器、一脉宽调变信号调光器所产生、或一直流调光器。若以直流调光器或可变电阻调光器产生该调光控制信号，则该调光控制信号为一模拟电压信号。相对地，若以脉宽调变信号调光器产生该调光控制信号，则该调光控制信号为一PWM信号。

根据本发明的设计，输出短路侦测单元11电性连接至该电流感测单元J100与该功率开关单元SW，用以通过电流感测单元J100对电源装置2执行一输出短路侦测，并于该电源装置2的输出端短路时对应地输出一启动信号。并且，一电压调节单元12电性连接至该输出短路侦测单元11，用以调节该启动信号的电压值。再者，一功率开关关闭单元13电性连接至该电压调节单元12与该功率开关单元SW，用以基于完成电压值调节的该启动信号的控制而关闭该功率开关单元SW。

本发明以一比较器111与一输入电阻R150组成所述输出短路侦测单元11。由图3可知，该比较器111的正输入端电性连接至该电流感测单元J100，且其负输入端耦接一参考电压VREF。另一方面，该输入电阻R150电性连接于比较器111的正输入端与电流感测单元J100之间。熟悉电源转换器或LED驱动器的设计与制作的电子工程师应该知道，电流感测单元J100通常设置于电源装置2的电源转换单元21的输出端，用以协助回授控制电路监测电源装置2的输出电流信号。因此，通常以一微奥姆高功率芯片电阻作为所述电流感测单元J100，且该微奥姆高功率芯片电阻的电阻值介于1m奥姆至970m奥姆之间。

熟悉LED驱动器设计与制作的电子工程师应该都知道，在LED驱动器(亦即，电源装置2)的生产测试、包含电源装置2的照明灯具的生产调试、或灯具安装施工的过程中，很容易造成电源装置2中的电源转换单元21的次级输出端短路的情况。实务经验指出，除了可能毁坏 LED照明单元所包含的LED组件以外，LED驱动器(电源装置2)输出端短路时所产生大电流输出也可能同时导致功率开关单元SW因功率损耗过大而损坏。特别地，根据本发明的设计，于输出端短路现象的发生瞬间，电源装置2的大电流输出会在电流感测单元J100上形成对应的高电压。如图3所示，这个电压会被输入电阻R150转换成该比较器111 的一输入电压Vin。同时，由图3可知，比较器111会于输入电压Vin 大于参考电压VREF时对应地输出电路供电电压VCC；相反地，比较器 111会于输入电压Vin小于参考电压VREF时对应地输出电位为0的电压信号。简单地说，只要输出电流信号所带有突波电流的值高过一临界值，则输入电压Vin便会大于参考电压VREF，促使比较器111输出电路供电电压VCC至电压调节单元12。

请再重复参阅图2与图3。本发明又以一串联电阻R151、一稽纳二极管ZD20与一并联电阻R152组成所述电压调节单元12。其中，该串联电阻R151的一端电性连接至比较器111的输出端，且该稽纳二极管ZD20的阴极端电性连接至该串联电阻R151的另一端。另一方面，该并联电阻R152的一端电性连接至稽纳二极管ZD20的阳极端，且其另一端则耦接至一地端GND。熟悉电压调节器设计与制作的电子工程师应该知道，该电压调节单元12用以调降比较器111所输出的电路供电电压VCC，使其适于作为该功率开关关闭单元13的一启动信号。

特别地，本发明主要以一闸流体SCR作为所述功率开关关闭单元 13。该闸流体SCR例如为一硅控整流器(Silicon controlled rectifier)，具有一闸极端G、一阳极端A与一阴极端K，并同时具有可受控导通(Controlled turn-on)与不可受控关闭(Uncontrolledturn-off)的电特性。如图3所示，闸流体SCR的闸极端G电性连接至该稽纳二极管ZD20的阳极端，且闸流体SCR的阴极端K耦接至该地端 GND。另一方面，于功率开关关闭单元13的电路拓扑中，一阳极电阻 R153以其一端电性连接至闸流体SCR的阳极端A，且一电位下拉稳定电阻R104以其一端电性连接至该电流感测单元J100。此外，图3同时显示该阳极电阻R153的另一端电性连接至该电位下拉稳定电阻R104 的另一端与该功率开关单元SW和调光装置7。再者，于该功率开关关闭单元13的电路拓扑中，一瞬时噪声滤除电容C132与该并联电阻R152并联。

根据本发明的设计，发生输出短路时，电源装置2的高输出电流会在电流感测单元J100上形成侦测电压。如图3所示，此侦测电压被输入电阻R150转换成比较器111的输入电压Vin。此时，当输入电压 Vin大于参考电压VREF，比较器111会输出与电路供电电压VCC等电位的一高电位。进一步地，此高电位通过电压调节单元12的调节达到闸流体SCR的开启电压之后便直接令闸流体SCR导通。值得注意的是，由于闸流体SCR通过阳极电阻R153与功率开关单元SW(即，Power MOSFET)的闸极连接，是以功率开关单元SW的闸极会因为闸流体SCR的阴极端K接地导通而被拉至低电位，促使功率开关单元SW关断。另一方面，由于闸流体SCR同时通过阳极电阻R153而电性连接至调光装置7，故调光装置7会持续的供给闸流体SCR维持电流。因此，闸流体 SCR被导通之后便会一直维持在导通状态；相反地，功率开关单元SW则持续维持在关闭状态，关闭状态指的是开关呈现非导通状态。简单的说，只要在闸流体SCR开通之后令其阳极端A与阴极端K之间持续有着维持电流，便可以使得闸流体SCR的阳极端A与阴极端K之间形成持续导通。除非关掉LED驱动器(亦即，电源装置2)的交流输入电压，使得调光装置7断电，以此使得闸流体SCR失去维持电流供应，以关闭阳极端A与阴极端K之间的顺向导通。

第二实施例

继续地参阅图2，并请同时参阅图4，显示本发明的开关组件保护电路的第二电路拓扑图(Circuit topology diagram)。比较图3与图4 可知，第二实施例改采一第一二极管D1作为所述输出短路侦测单元11，且该第一二极管D1的正极端电性连接于该功率开关单元SW与该电流感测单元J100之间。另一方面，第二实施例同时改以一调节电阻RVR 与一调节电容CVR组成所述电压调节单元12。如图4所示，该调节电阻RVR的一端电性连接至该第一二极管D1的负极端，且该调节电容CVR 的两端分别电性连接至该调节电阻RVR的另一端与地端GND。

值得注意的是，第二实施例同样以闸流体SCR作为功率开关关闭单元13的主要部件。如图4所示，该闸流体SCR，具有一闸极端G、一阳极端A与一阴极端K，并同时具有可受控导通与不可受控关闭的电特性；其中，该闸极端G电性连接于该调节电阻RVR与该调节电容CVR 之间，且该阴极端K耦接至该地端GND。不同的是，第二实施例的功率开关关闭单元13同时包括一第二二极管D2以其负极端电性连接至该闸流体SCR的该阳极端A。此外，所述功率开关关闭单元13同样包括有一电位下拉稳定电阻R104，其一端电性连接于该电流感测单元J100 与该功率开关单元SW之间，且其另一端则电性连接于该功率开关单元 SW与该第二二极管D2的正极端之间。

须特别说明的是，即使第二实施例于输出短路侦测单元11、电压调节单元12与功率开关关闭单元13的电路拓扑的构成上不全然相同于第一实施例，但输出短路侦测单元11、电压调节单元12与功率开关关闭单元13在电路运作上的原理却是相同的。基于这个原因，在此不再重复第二实施例中的输出短路侦测单元11、电压调节单元12与功率开关关闭单元13的电路运作原理。

如此，上述已完整且清楚地说明本发明的一种开关组件保护电路的所有实施例及其结构组成；并且，经由上述可得知本发明具有下列的优点：

(1)大部分的LED驱动器制造商选择使用等级更高的power MOSFET 作为功率开关组件，以避免功率开关组件在LED驱动器发生输出短路时损坏。然而，这样的解决方案并无法完全适用所有的LED驱动器。有鉴于此，本发明提出一种开关组件保护电路，包括：一输出短路侦测单元11、一电压调节单元12与一功率开关关闭单元13。在LED驱动器发生输出短路时，该输出短路侦测单元11侦测LED驱动器的高输出电流并对应地输出一侦测电压；接着，该电压调节单元12将该高电压转换成一启动信号，由此通过该启动信号启用该功率开关关闭单元 13控制LED驱动器的功率开关单元SW(亦即，Power MOSFET)转入关闭状态，关闭状态指的是开关呈现非导通状态；如此方式，便能够有效地避免LED驱动器发生输出短路时所产生的高输出电流和高温对Power MOSFET造成毁损。

必须加以强调的是，上述的详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，而该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含在本案的专利范围中。

Claims (10)

1.一种开关组件保护电路，应用于一电源装置之中，且耦接于一电流感测单元与一功率开关单元之间，并包括：

一输出短路侦测单元，为一微奥姆高功率芯片电阻，具有范围介于1m奥姆至970m奥姆之间的电阻值且电性连接至该电流感测单元，用以通过该电流感测单元对该电源装置执行一输出短路侦测，并于该电源装置的输出端短路时对应地输出一启动信号；

一功率开关关闭单元，电性连接至该功率开关单元，且包括：一闸流体，具有一闸极端、一阳极端与一阴极端，其中该闸极端电性连接至一稽纳二极管的阳极端，且该阴极端耦接至一地端；以及

一电压调节单元，电性连接于该输出短路侦测单元与该功率开关关闭单元之间，且包括：

一串联电阻，其一端电性连接至该输出短路侦测单元的输出端，且该稽纳二极管的阴极端电性连接至该串联电阻的另一端；及

一并联电阻，其一端电性连接至该稽纳二极管的阳极端，且其另一端耦接至该地端；

其中，该电压调节单元用以调节该启动信号的电压值，且该功率开关关闭单元用以基于完成电压值调节的该启动信号的控制而关闭该功率开关单元。

2.根据权利要求1所述的开关组件保护电路，其中，该功率开关单元根据一调光装置的控制而开/关。

3.根据权利要求1所述的开关组件保护电路，其中，该功率开关单元为一功率型金氧半场效晶体管，且该电源装置可为下列任一者：LED驱动器、电源供应器、或电源转换器。

4.根据权利要求2所述的开关组件保护电路，其中，该调光装置包括一调光控制器与一功率开关驱动器。

5.根据权利要求1所述的开关组件保护电路，其中，该输出短路侦测单元包括：

一比较器，其正输入端电性连接至该电流感测单元，且其负输入端耦接一参考电压；以及

一输入电阻，电性连接于该比较器的正输入端与该电流感测单元之间。

6.根据权利要求1所述的开关组件保护电路，其中，该功率开关关闭单元还包括：

一阳极电阻，其一端电性连接至该阳极端；以及

一电位下拉稳定电阻，其一端电性连接至该电流感测单元；其中，该阳极电阻的另一端电性连接至该电位下拉稳定电阻的另一端与该功率开关单元。

7.根据权利要求6所述的开关组件保护电路，其中，该功率开关关闭单元还包括：

一瞬时噪声滤除电容，与该并联电阻并联。

8.根据权利要求1所述的开关组件保护电路，其中，该功率开关关闭单元还包括：

一电位下拉稳定电阻，其一端电性连接于该电流感测单元与该功率开关单元之间，且其另一端则电性连接于该功率开关单元。

9.根据权利要求1所述的开关组件保护电路，其中，该输出短路侦测单元为一第一二极管，且该第一二极管的正极端电性连接于该功率开关单元与该电流感测单元之间。

10.根据权利要求8所述的开关组件保护电路，其中，该电压调节单元包括：

一调节电阻，其一端电性连接至第一二极管的负极端；以及

一调节电容，其一端电性连接至该调节电阻的另一端，且其另一端耦接至一地端。

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