CN202353850U - 过压识别模块、过压保护电路以及led驱动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种过压识别模块(1)包括：电压采集单元(2)和信号输出单元(3)，其中，电压采集单元(2)包括在负载(4)的正负极之间彼此串联的至少一个第一齐纳二极管(D1)和晶体管(Q1)，其中晶体管(Q1)的发射极(e)连接至第一齐纳二极管(D1)的正极，第一齐纳二极管(D1)的负极连接至负载(4)的正极，并且晶体管(Q1)的集电极(c)连接至信号输出单元(3)，晶体管(Q1)的基极(b)连接至负载(4)的负极，信号输出单元(3)根据晶体管(Q1)的输出来产生作为过压保护信号(OVP)的第一电压(V_R2)。此外，本实用新型还涉及一种具有该过压识别模块(1)的过压保护电路以及具有该过压保护电路的LED驱动器。

Description

过压识别模块、过压保护电路以及LED驱动器

技术领域

本实用新型涉及一种过压识别模块。此外本实用新型还涉及一种具有该过压识别模块的过压保护电路以及具有该过压保护电路的LED驱动器。 

背景技术

在电流-电压特征曲线与常规的二极管相似的高亮度LED中，当施加以较小的dV/dt变化率的正向电压时，会导致具有较大的di/dt变化率的正向电流。因此，保持LED电流恒定是控制LED的最好办法。在具有降压拓扑结构的恒流输出LED驱动器中，其输出电压应该为所有串联的LED的正向电压之和。一旦作为负载的LED断开连接，那么降压或者升降压LED驱动器的实际负载将转变成与输出端子并联的电解电容。因此，该电解电容将被快速地充电至1.414倍输入电压RMS值，这超过了电解电容的最大工作电压并且会导致安全问题，例如导致电解电容发生爆炸。因此应该在LED驱动器中加入过压保护电路以解决安全问题并且防止在LED负载和驱动器输出之间接触不良时受到大的浪涌电流的冲击。如果修改降压或者升降压LED驱动器，以使MOSFET管可以由控制芯片直接驱动(如图1a和b所示)，那么修改型的降压或者升降压LED驱动器的输出电压的负极相对于控制芯片的地是浮动接地。因此也就不能通过简单的电阻分压器来监测输出电压，以生成过压保护信号。同时，也需要考虑在过压状态时的输入功率消耗以及过压保护电路的成本。 

在现有技术中存在多种用于降压电路输出的过压保护方案，其中之一是在降压电感中加入辅助绕组。从图1中可见，电容C1的电压与输出电 压成正比。一旦输出电压上升并且达到确定的值，电容C1的电压就会到达MOSFET管的栅极的电压阈值，从而促使MOSFET管导通。控制芯片或者其他的控制电路可以利用该过压信号。然而，这种辅助绕组会导致在电感中多出两个引脚，这会影响PCB的布局和提高电感的制造难度和成本。此外，辅助绕组仅仅在主开关断开时检测输出电压，而在其接通时则丧失了电压检测功能。 

现有技术中的另外的解决方案是使用差分放大器来监控电阻分压器网络的两个分压点之间的电位差，如图2所示。一旦LED负载断开，那么输出电压将迅速上升并且打破电阻分压器网络的平衡。进而，差分放大器能够检测到电位差的变化，并且输出高电平以驱动MOSFET管产生过压保护信号。然而，在该电路中使用的差分放大器显著地提高了LED驱动器的材料成本。在非过压保护状态中，电阻分压器网络和差分放大器消耗一些能量，从而降低了驱动器的效率。 

另外一种简单的解决方案是使用可控硅整流器和功率电阻，其在LED负载与驱动器输出断开时替代LED负载作为虚拟负载使用，如图3所示。显然，在LED负载断开以及可控硅整流器接通时，功率电阻和可控硅整流器要承受较大的热冲击。 

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提出了一种过压识别模块。该过压识别模块结构简单，不会影响PCB布局。此外根据本实用新型的过压识别模块在正常的电压的情况下几乎没有任何的功率消耗，其对过压的响应更加迅速，成本更加低廉。此外本实用新型还涉及一种具有上述类型的过压识别模块的过压保护电路以及具有该过压保护电路的LED驱动器。 

本实用新型的第一个目的通过一种过压识别模块实现，即过压识别模块包括：电压采集单元和信号输出单元，其中，电压采集单元包括在负载 的正负极之间彼此串联的至少一个第一齐纳二极管和晶体管，其中晶体管的发射极连接至第一齐纳二极管的正极，第一齐纳二极管的负极连接至负载的正极，并且晶体管的集电极连接至信号输出单元，晶体管的基极连接至负载的负极，信号输出单元根据晶体管的输出来产生作为过压保护信号的第一电压。在本发明中，“连接至”包括直接连接和间接连接两种情况。在根据本实用新型的设计方案中，在正常条件下，输出到齐纳二级管两端的电压低于第一齐纳二极管的齐纳电压，因此该齐纳二极管可以被视为一个无穷大电阻或者仅仅只有几个纳安培的漏电流流过该齐纳二极管。但是在负载断开时，输出电压迅速上升，当输出电压超过齐纳电压时，齐纳二极管被反向击穿，从而使第一齐纳二极管导通。可通过以下公式(a)和(b)来计算出晶体管的基极和集电极的电流： 

$\left(a\right),I_b=\frac{(V_{\mathrm{led}}-V_{\mathrm{eb}}-V_z)}{R1}$ 以及 

(b)I_c≈I_b×β，其中，I_c为晶体管的集电极的电流；I_b为晶体管的基极的电流；R1为第一电阻的阻值；V_led为输出电压(即负载电压)；V_eb为晶体管的发射极和基极之间的压差；V_z为齐纳电压；β为晶体管的放大系数。 

从以上公式中可知，当输出电压上升时，晶体管的集电极的电流也随之上升。由此可以通过输出电压确定晶体管的集电极的电流。信号输出单元根据晶体管的集电极输出的电流的来产生作为过压保护信号的第一电压。在本实用新型的设计方案中，在正常条件下，过压识别模块几乎不消耗任何功率，并且其结构简单，不会影响PCB布局。 

根据本实用新型的一个优选的设计方案提出，第一齐纳二极管的负极通过至少一个第一电阻与负载的正极连接。该第一电阻主要用于控制流向晶体管的基极的电流。当然，可选的是，取代将第一电阻连接在第一齐纳二极管的负极和负载的正极之间的方式，晶体管的基极通过至少一个第一电阻与负载的负极连接。 

优选的是，信号输出单元包括至少一个第二电阻和第一电容，其中，第一电容与第二电阻并联连接在晶体管的集电极和地之间，并且在集电极和地之间输出第一电压。在本实用新型的设计方案中，当过压识别模块检测到过压时，来自晶体管的集电极的电流流过第二电阻，并由以下公式(c)得出流过第二电阻的电压值： 

(c)V_R2＝I_c×R2，其中V_R2为流过第二电阻的电压；I_c为晶体管的集电极的电流；R2为第二电阻的阻值。从以上公式获知，当输出电压增大时，晶体管的集电极的电流也增大，因此结合公式(a)和(b)以及(c)可导出公式 $\left(d\right),V_{R2}\≈\frac{(V_{\mathrm{led}}-V_{\mathrm{eb}}-V_z)\×\mathrm{\β}\×R2}{R1}.$ 从该公式中获知，流过第二电阻的电压与输出电压近似于线性相关。因此，流过第二电阻的电压可作为过压保护信号并且用于控制脉宽调制芯片或者其他控制电路，以实现过压保护。 

根据本实用新型的一个优选的设计方案提出，晶体管是PNP型三极管。在本实用新型的设计方案中，过压识别模块仅仅使用了六个器件就可获得过压保护信号，并且这些器件在正常条件下几乎不会消耗功率，其结构简单，不会影响PCB布局。 

本实用新型的另一目的通过一种过压保护电路由此实现，即过压保护电路具有上述类型的过压识别模块以及连接至该过压识别模块的控制单元。控制单元接收来自过压识别模块的过压保护信号，以对负载进行过压保护。 

优选的是，过压识别模块通过第一MOSFET管连接至控制单元，其中，第一MOSFET管的漏极连接至控制单元的输入端，第一MOSFET管的栅极连接至晶体管的集电极和第二电阻之间，并且第一MOSFET管的源极接入地。在正常的条件下，因为输出电压低于齐纳电压，因此集电极的电流非常小，流过第二电阻的第一电压远低于第一MOSFET管的栅极阈值，因此第一MOSFET管截止。但是，在过压状态下，流过第二电阻 的第一电压高于第一MOSFET管的栅极阈值，因此第一MOSFET管导通，从而为控制单元输送过压保护信号。 

优选的是，控制单元是LM3444型脉宽调制控制器，当然也可以是其他类型的能够执行过压保护的控制电路。 

进一步优选的是，第一MOSFET管的漏极连接至作为控制单元的输入端的参考电压管脚。在过压状态下，第一MOSFET管的导通电阻呈现出低阻抗状态。因此，在过压状态下，参考电压接近于零。如果控制单元的参考电压接近于零，那么流过负载的电流也接近于零，因此输出电压也就不会上升。 

更加优选的是，在负载的正负极之间连接有第二齐纳二极管，其中，第二齐纳二极管的负极连接至负载的正极，第二齐纳二极管的正极连接至负载的负极。在将第一MOSFET管的漏极连接至作为控制单元的输入端的参考电压管脚的情况下，在控制单元上每个周期都会出现前沿消隐时间(LEB)。在负载的正负极之间连接的第二齐纳二极管用于吸收在前沿消隐时间期间的能量。 

本实用新型的另一个目的通过一种LED驱动器由此实现，该LED驱动器具有上述类型的过压保护模块以及功率输出模块，功率输出模块向负载输出功率。根据本实用新型的LED驱动器可以设计成降压型驱动器或者升降压型驱动器。 

附图说明

附图构成本说明书的一部分，用于帮助进一步理解本实用新型。这些附图图解了本实用新型的实施例，并与说明书一起用来说明本实用新型的原理。在附图中相同的部件用相同的标号表示。图中示出： 

图1是根据现有技术的过压保护电路的电路图； 

图2是另一根据现有技术的过压保护电路的电路图； 

图3是又一根据现有技术的过压保护电路的电路图； 

图4是根据实用新型的过压识别模块的电压采集单元的第一实施例的电路图； 

图5是根据实用新型的过压识别模块的电压采集单元的第二实施例的电路图； 

图6是根据实用新型的过压保护模块的第一实施例的电路图； 

图7是根据实用新型的过压保护模块的第二实施例的电路图； 

图8是根据本实用新型的降压型LED驱动器的第一实施例的示意图； 

图9是根据本实用新型的降压型LED驱动器的第二实施例的示意图； 

图10是根据本实用新型的升降压型LED驱动器的第一实施例的示意图； 

图11是根据本实用新型的升降压型LED驱动器的第二实施例的示意图。 

具体实施方式

图4示出了根据实用新型的过压识别模块的电压采集单元的第一实施例的电路图。从图中可见，过压识别模块具有电压采集单元2，该电压采集单元2包括在负载4的正负极之间彼此串联的第一齐纳二极管D1和 设计成PNP型三极管的晶体管Q1，其中晶体管Q1的发射极e连接至第一齐纳二极管D1的正极，第一齐纳二极管D1的负极通过第一电阻R1与负载4的正极连接，并且晶体管Q1的集电极c连接至信号输出单元3(参见图6和图7)，晶体管Q1的基极b连接至负载4的负极。在实际的运行状态下，当作为负载的LED断开时，在负载的正负极之间的输出电压V_led迅速上升，当输出电压V_led超过齐纳电压V_z时，第一齐纳二极管D1被反向击穿，从而使第一齐纳二极管D1导通，并进而在晶体管Q1的集电极c上输出一个与输出电压V_led近似线性相关的集电极电流I_c。 

图5示出了根据实用新型的过压识别模块的电压采集单元的第二实施例的电路图，其与图4中示出的第一实施例的唯一区别在于，第晶体管Q1的基极b通过第一电阻R1与负载4的负极连接。 

图6示出了根据实用新型的过压保护模块的第一实施例的电路图，从图中可见，过压保护模块还具有信号输出单元3，该信号输出单元3包括一个第二电阻R2和第一电容C2，其中，第一电容C2与第二电阻R2并联连接在晶体管Q1的集电极c和地GND之间，来自集电极得电流I_c流过第二电阻R2，从而在集电极c和地GND之间输出第一电压V_R2。该第一电压V_R2可作为过压保护信号并且用于控制脉宽调制芯片或者其他控制电路，以实现过压保护。 

图7是根据实用新型的过压保护模块的第二实施例的电路图，其余图6中示出的第一实施例的区别仅仅在于电压采集单元2，在第一实施例中，电压采集单元2的第一电阻R1连接在第一齐纳二极管D1的负极和负载4的正极之间，而在第二实施例中，电压采集单元2的第一电阻R1连接在晶体管Q1的基极b和负载4的负极之间。 

图8示出了根据本实用新型的降压型LED驱动器的第一实施例的示意图，在本实施例中，控制单元5是LM3444型脉宽调制控制器，并且过压识别模块1通过第一MOSFET管(Q2)的漏极连接至作为控制单元(5) 的输入端的参考电压管脚，而第一MOSFET管Q2的栅极连接至晶体管Q1的集电极c和第二电阻R2之间，并且第一MOSFET管Q2的源极接入地GND。在将第一MOSFET管Q2的漏极连接至作为控制单元5的输入端的参考电压管脚的情况下，在控制单元5上每个周期都会出现前沿消隐时间LEB。因此，在负载的正负极之间还连接有一个第二齐纳二极管D2，用于吸收在前沿消隐时间期间的能量。在图8中示出的是降压型LED驱动器，这种类型的驱动器电路的布局已经为本领域技术人员所熟知，因此再次不再进一步描述。 

图9示出了根据本实用新型的降压型LED驱动器的第二实施例的示意图，其与图8示出的第一实施例的区别仅仅在于电压采集单元2。在第一实施例中，电压采集单元2的第一电阻R1连接在第一齐纳二极管D1的负极和负载4的正极之间，而在第二实施例中，电压采集单元2的第一电阻R1连接在晶体管Q1的基极b和负载4的负极之间。 

图10和11分别示出了根据本实用新型的升降压型LED驱动器的第一和第二实施例的示意图，该升降压型LED驱动器同样采用了图8和图9中示出的过压保护电路。此外，除了根据本实用新型的过压保护电路之外，这种类型的驱动器电路的布局也已经为本领域技术人员所熟知，因此再次不再进一步描述。此外，图10和11的区别也仅仅在于电压采集单元2中的第一电阻R1的连接位置。 

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

参考标号 

1     过压识别模块 

2     电压采集单元 

3     信号输出单元 

4     负载 

5     控制单元 

D1    第一齐纳二极管 

D2    第二齐纳二极管 

Q1    晶体管 

e     发射极 

b     基极 

c     集电极 

R1    第一电阻 

R2    第二电阻 

C2    第一电容 

Q2    第一MOSFET管 

GND    地 

V_R2    第一电压 

I_c     晶体管的集电极的电流 

I_b     晶体管的基极的电流 

V_led   输出电压 

V_eb    晶体管的发射极和基极之间的压差 

V_z     齐纳电压 

B      晶体管的放大系数 

Claims (12)

1.一种过压识别模块，其特征在于，所述过压识别模块(1)包括：电压采集单元(2)和信号输出单元(3)，其中，所述电压采集单元(2)包括在负载(4)的正负极之间彼此串联的至少一个第一齐纳二极管(D1)和晶体管(Q1)，其中所述晶体管(Q1)的发射极(e)连接至所述第一齐纳二极管(D1)的正极，所述第一齐纳二极管(D1)的负极连接至所述负载(4)的正极，并且所述晶体管(Q1)的集电极(c)连接至所述信号输出单元(3)，所述晶体管(Q1)的基极(b)连接至所述负载(4)的负极，所述信号输出单元(3)根据所述晶体管(Q1)的输出来产生作为过压保护信号(OVP)的第一电压(V_R2)。

2.根据权利要求1所述的过压识别模块，其特征在于，所述第一齐纳二极管(D1)的负极通过至少一个第一电阻(R1)与所述负载(4)的正极连接。

3.根据权利要求1所述的过压识别模块，其特征在于，所述晶体管(Q1)的基极(b)通过至少一个第一电阻(R1)与所述负载(4)的负极连接。

4.根据权利要求1所述的过压识别模块，其特征在于，所述信号输出单元(3)包括至少一个第二电阻(R2)和第一电容(C2)，其中，所述第一电容(C2)与所述第二电阻(R2)并联连接在所述晶体管(Q1)的集电极(c)和地(GND)之间，并且在所述集电极(c)和地(GND)之间输出所述第一电压(V_R2)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的过压识别模块，其特征在于，所述晶体管(Q1)是PNP型晶体管。 

6.一种过压保护电路，其特征在于，所述过压保护电路具有根据权利要求1至5中任一项所述的过压识别模块(1)以及连接至所述过压识别模块(1)的控制单元(5)。

7.根据权利要求6所述的过压保护电路，其特征在于，所述过压识别模块(1)通过第一MOSFET管(Q2)连接至所述控制单元(5)。

8.根据权利要求7所述的过压保护电路，其特征在于，所述第一MOSFET管(Q2)的漏极连接至所述控制单元(5)的输入端，所述第一MOSFET管(Q2)的栅极连接至所述晶体管(Q1)的集电极(c)和所述第二电阻(R2)之间，并且所述第一MOSFET管(Q2)的源极接入地(GND)。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的过压保护电路，其特征在于，所述控制单元(5)是LM3444型脉宽调制控制器。

10.根据权利要求9所述的过压保护电路，其特征在于，所述第一MOSFET管(Q2)的漏极连接至作为所述控制单元(5)的所述输入端的参考电压管脚。

11.根据权利要求8所述的过压保护电路，其特征在于，在所述负载(4)的正负极之间连接有第二齐纳二极管(D2)，其中，所述第二齐纳二极管(D2)的负极连接至所述负载(4)的正极，所述第二齐纳二极管(D2)的正极连接至所述负载(4)的负极。

12.一种LED驱动器，其特征在于，所述LED驱动器具有权利要求6至11中任一项所述的过压保护模块以及功率输出模块，所述功率输出模块向所述负载(4)输出功率。 

Images