CN203840581U - 具有冗余功能的led灯具驱动电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及LED照明领域，特别涉及到一种LED灯具光源照明的冗余驱动电源。它包括一个主驱动LED驱动电源还至少包括一个冗余LED驱动电源，交流电源经磁保持继电器送入到主驱动LED驱动电源和冗余LED驱动电源的输入端；磁保持继电器的定触点与主驱动LED驱动电源的输出端相连，磁保持继电器的定触点与冗余LED驱动电源的输出端相连；控制单元通过电量传感器采集输出电流信号发出控制指令驱动磁保持继电器开启或关闭相应通道来实现主驱动电源和冗余驱动电源之间的切换，使电路正常时各驱动电源完全脱离整个系统处于真正的备用状态之中减少了功率损耗和能源浪费。采用锂电池给耗电极低的磁保持继电器和控制单元提供工作电源，这就极大提高了整个系统的工作可靠性。

Description

具有冗余功能的LED灯具驱动电源

技术领域

本发明涉及LED照明领域，特别涉及到一种LED灯具光源照明的冗余驱动电源。

背景技术

大功率LED灯节电、环保、寿命长，LED技术正日新月异的在进步，它的发光效率正在取得惊人的突破，价格也在不断的降低。一个LED进入家庭的时代正在迅速到来，它将成为21世纪最主要的照明方式，世界各国均投入巨大的人力和财力开发各类LED照明灯具。

由于LED灯需要电源驱动，当前的LED光源是低电压、大电流工作的半导体器件，必须提供合适的直流恒定电流才能正常发光。LED驱动电源是把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电源转换器，由于我们日常照明使用的电源是高压交流电（AC100-220V)，所以必须使用降压的技术来获得较低的电压，常用的是采用开关电源降压方法，即将交流电先整流变成直流电，再由驱动电路变换成直流恒流源来驱动LED光源发光，因此直流驱动LED光源的系统应用方案一般采用开关电源十恒流源。

目前LED灯的使用寿命己达到10万小时以上，按光衰7%，实际只有约50000小时。按光衰3%，实际运用可以达到80000小时。是传统钨丝灯的50倍以上。但与之配套的LED驱动电源的连续使用寿命都远远低于LED灯的使用寿命，超过90%的灭灯故障原因都是LED驱动电源的损坏，因此严重制约了LED灯的推广应用。所以LED灯寿命的关键问题就是LED驱动电源的质量。LED驱动电源质量与可靠性取决于其电路设计，生产工艺艺，及器件的质量只有系统解决以上问题，提高LED驱动器的寿命，消除质量的短板，使整个产品各部件的寿命均衡是一个非常重要的问题，只有解决了此问题LED驱动电源才能真正发挥LED灯的长寿。

为了解决LED驱动电源可靠性，提高LED光源的使用寿命，现有技术己经采用了一种简单的技术—冗余技术，即在传统LED驱动电源的基础上设置了一个后备LED驱动电源，当正常工作的LED主驱动电源因多种原因(电子元器件故障、输入电压突变、雷击等)造成了LED驱动电源发生故障，这时电路会自动地切换到冗余的LED驱动电源上，以保证LED灯具正常的工作，提高了在高可靠性场合灯具正常的使用，减少了维修的成本，但是即使是这样，由于传统的冗余备份方案还是存在着以下问题：

1.    传统的冗余备份方案有专门的检测和切换电路，而这些检测和切换的电路的本身存在着可靠性的问题，很可能在出现故障时却无法切换到备份的LED驱动电源上。

2.    传统的冗余备份方案往往采用晶体管作为切换开关，但是晶体管的耐受冲击的能力较差，特别是在对大电流的情况下更是如此。

3.    传统的冗余备份方案使用的冗余驱动器考虑到在线切换时间的问题，主驱动电源处于工作状态，而作为备份的LED驱动电源实际上仍然处于工作状态，只是没有带负载而言，这样同样会消耗功率造成整个电源产品效率的降低和能源的浪费，也会导致元件的使用寿命降低。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种具有冗余容错功能的LED光源驱动器，该LED光源驱动器简化了原有的冗余电路设计，同时使备份的LED驱动电源并完全的脱离整个系统处在真正的备用状态，降低了成本，也大大提高了LED光源的使用寿命。

本发明的技术方案如下:

为了解决上述技术问题，本发明的具有冗余功能的LED灯具驱动电源，其特征在于：它包括一个主驱动LED驱动电源1，还至少包括一个冗余LED驱动电源2，交流电源220V经磁保持继电器8和磁保持继电器15送入到主驱动LED驱动电源1和冗余LED驱动电源2的输入端；磁保持继电器6的定触点与主驱动LED驱动电源1的输出端相连，磁保持继电器7的定触点与冗余LED驱动电源2的输出端相连；控制单元通过电量传感器采集输出电流信号发出控制指令驱动磁保持继电器开启或关闭相应通道来实现主驱动电源和冗余驱动电源之间的切换。

更进一步的技术方案：在主驱动LED驱动电源1的输出端接有电量传感器3，冗余LED驱动电源2的输出端接有电量传感器4。控制单元5接收来自电量传感器3和电量传感器4的电量信号，控制单元5输出控制信号给继电器驱动单元10，磁保持继电器驱动单元11，磁保持继电器驱动单元14及磁保持继电器驱动单元15。

更进一步的技术方案：磁保持继电器驱动单元10控制磁保持继电器6的动作；磁保持继电器驱动单元11控制磁保持继电器7的动作；磁保持继电器驱动单元14控制磁保持继电器8的动作；磁保持继电器驱动单元16控制磁保持继电器9的动作。

更进一步的技术方案：锂电池13输出的直流电压为控制单元5、磁保持继电器驱动单元10、磁保持继电器驱动单元11、磁保持继电器驱动单元14、磁保持继电器驱动单元16和磁保持继电器6、磁保持继电器7、磁保持继电器8及磁保持继电器9提供工作直流电源。

更进一步的技术方案：充电单元12输入端与磁保持继电器6、磁保持继电器7的输出端相连，充电单元12的输出端与锂电池13相连为锂电池提供充电电源。

与现有技术相比，本发明的有益效果是:

1.      直接采用磁保持继电器进行主驱动电源和冗余驱动电源之间的切换，避免了采用晶体管作为电子开关难受大电流冲击能力差的特点。因磁保持继电器的显著特点是，只需在线圈中通过一定方向和大小的脉冲电流，就可以实现工作状态的转换，即采用脉冲来驱动，并且在线圈断电(脉冲消失)后可自保持。采用脉冲驱动的主要优点为:节约电能，线圈不需要连续通电，使线圈发热降到最低程度;停电时，仍保持原有状态，即具有“记忆”功能;可采用过激励，因而具有更快的动作速度。磁保持继电器具有输出电流大，静态功耗小的特点，工作电压在5-16V静态功耗电流<1OnA。

2.      一般的冗余驱动电源系统在主驱动电源工作时冗余驱动电源也处于待机工作状态，这样也会消耗功率造成整体产品效率的降低和能源的浪费。本发明采用磁保持继电器触点对主驱动电源和冗余驱动电源的输入及输出端同时进行开启和关闭，使电路正常时各驱动电源完全的脱离整个系统处于真正的备用状态之中减少了功率损耗和能源浪费。

3.      一般的冗余驱动电源系统都有控制单元，而控制单元的工作电源取自冗余驱动电源系统的电源，当冗余驱动电源系统出现故障时将影响到控制单元的正常工作，从而出现需要该切换时却没有办法切换的问题。本发明采用锂电池作为控制单元的工作电源，锂电池具有很高的储存能量密度、充电效率高寿命长、自放电率低、输出电压高、绿色环保。锂电池给耗电极低的磁保持继电器和控制单元提供工作电源，与冗余驱动电源系统的电源完全独立，这就极大提高了整个系统的工作可靠性。

附图说明

图1：总体框图

图2：磁保持继电器控制

图3：充电

图4：电量检测

图5：主驱动电源工作状态图

图6：冗余驱动电源工作状态图。

具体实施方式

下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步详细说明：一种具有冗余功能的LED灯具驱动电源，它包括一个主驱动LED驱动电源1，还至少包括一个冗余LED驱动电源2，交流电源220V经磁保持继电器8和磁保持继电器15送入到主驱动LED驱动电源1和冗余LED驱动电源2的输入端；继电器6的定触点与主驱动LED驱动电源1的输出端相连，继电器7的定触点与冗余LED驱动电源2的输出端相连。这样交流电源220V经磁保持继电器8、主驱动LED驱动电源1、磁保持继电器6送入LED模组16，同样交流电源220V经磁保持继电器9、冗余驱动LED驱动电源2、磁保持继电器7送入LED模组16。

在默认状态下控制单元输出控制信号给磁保持继电器驱动单元14和磁保持继电器驱动单元10，受其控制的磁保持继电器8开启，220V交流送入主驱动电源1，受其控制的磁保持继电器6开启，主驱动电源1输出的直流电压送入LED模组16。

在默认状态下控制单元无输出控制信号给磁保持继电器驱动单元15和磁保持继电器驱动单元11，磁保持继电器9和磁保持继电器7处于关断状态，冗余驱动电源2既无输入交流电压也无输出直流电压处于闲置之中。

电量传感器3接在主驱动电源的输出回路上，检测主驱动电源1的输出电流，并将检测信号送往控制单元5，当主驱动电源1的输出电流出现电流增大、减小到设定值或无输出时，控制单元5会及时发出控制指令给磁保持驱动单元10和磁保持驱动单元14，让磁保持继电器8和磁保持继电器6从开启状态迅速切换为关断状态，其结果是将主驱动电源1的输入端交流电压和输出端直流电压关断，使得主驱动电源1处于休眠状态；同时控制单元5会及时发出控制指令给磁保持驱动单元15和磁保持驱动单元11，让磁保持继电器9和磁保持继电器7从关断状态迅速切换为开启状态，其结果是将冗余驱动电源2的输入端交流电压和输出端直流电压开启，使得冗余驱动电源2处于工作状态；LED模组继续工作。

电量传感器4接在冗余驱动电源的输出回路上，其工作过程如同上述。

锂电池13输出的直流电压为控制单元5、继电器驱动单元10、继电器驱动单元11、继电器驱动单元14、继电器驱动单元16和磁保持继电器6、磁保持继电器7、磁保持继电器8及磁保持继电器9提供工作直流电源。

充电单元12输入端与磁保持继电器6、磁保持继电器7的输出端相连，充电单元12的输出端与锂电池13相连为锂电池提供充电电源。

图2是磁保持继电器控制原理图，本发明采用BL8023双向继电器驱动集成电路，用于控制磁保持继电器的工作，它具有输出电流大，静态功耗小的特点。工作电压在5-16V静态功耗电流<1OnA，输入高低转换电平在2V左右，与各种微处理器兼容，工作温度适用范围:-40℃一80℃。

在图2中有四个磁保持继电器和四块磁保持驱动芯片及相应外围电子器件组成，在图中IC1/IC2/IC3及IC4是四块磁保持驱动芯片BL8023，它们的输入A(3P)和输入B(7P)外接电阻2R1/2R2---2R7/2R8到地，保持低电平。这样需要继电器工作就可以在A端加高电平，反之在B端加高电平，按功能表状态工作。BL8023双向继电器驱动集成电路管脚功能如下：

（1）    输入A.接触发脉冲，也可接电平触发。

（2）    输入B.接触发脉冲，也可接电平触发。

（3）    2脚、6脚是空脚。

（4）    输出QA接继电器的线包一端。

（5）    输入QB接继电器的线包另一端。

（6）    Vdd加继电器工作电压正端。

（7）    V ss加继电器工作电压负端。

在图中可以看到控制单元输出经二极管2D1/2D2---2D7/2D8送入IC1-IC4双向继电器驱动集成电路BL8023的3脚输入A和7脚输入B,控制磁保持继电器J1-J4的动作开启或关闭。

磁保持继电器状态工作功能表

输入端A	输入端B	输出端QA	输出端QB
				1	0	1	0
0	1	0	1
				0	0	高阻	高阻
1	1	高阻	高阻

图3是充电单元电路图，锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作,是现代高性能电池的代表。锂电池主要优点：能量比较高是铅酸电池的约6-7倍；使用寿命长，使用寿命可达到6年以上;额定电压高（单体工作电压为3.7V或3.2V），约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压，便于组成电池电源组；具备高功率承受力；自放电率很低，这是该电池最突出的优越性之一，一般可做到1%/月以下，不到镍氢电池的1/20；重量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的1/6-1/5；7．高低温适应性强，可以在-20℃--60℃的环境下使用；本发明采用4节方型3.2v锂电池串并联组成，采用恒流/恒压充电的充电器电路芯片CN3703对锂离子电池进行充电管理。该芯片是PWM降压模式锂离子充电管理集成电路，可独立对锂离子电池充电进行全面自动管理，具有封装外形小，外围元器件少和使用简单等优点。电路接在输出到LED模组的直流电压回路上，直流电压经电容3C1后加到IC5芯片15脚，IC5芯片1脚内部电压调制器输出,为内部驱动电路提供电源，在1管脚和15管脚之间接一个100nF的电容3C2；IC5芯片4脚外接电阻3R2和发光二极管LEDB,充电时发光二极管LEDB亮，IC5芯片5脚外接电阻3R11和发光二极管LEDA,充电结束时发光二极管LEDA亮；IC5芯片6脚电池温度监测输入端，在此管脚到地之间连接一个负温度系数的热敏电阻3R3,如果电池温度超出正常范围，充电过程将被暂停，直到电池温度回复到正常温度范围内；IC5芯片13脚充电电流检测正输入端,此管脚和14管脚测量充电电流检测电阻3R6两端的电压，并将此电压信号反馈给芯片进行电流调制; IC5芯片16脚驱动片外P沟道MOS场效应晶体管的栅极，当控制信号为高电平时，Q1导通，16脚为低电平禁止充电;当控制信号为低电平时，Q1关断，16脚的电压由负温度系数的热敏电阻3R3电阻值决定，进行正常的电池温度监测。

图4是主驱动电源和冗余驱动电源输出电量传感器检测电路，输出电量传感器检测电路的主要功能是采用传感器采集主驱动电源和冗余驱动电源输出电流的大小，当输出电流高于或低于设置值或无输出时迅速发出动作指令给磁保持继电器驱动单元，关闭有问题的驱动电源，开启能正常工作的驱动电源。电路中传感器采用VBL-105电流传感器,传感器1的初级通过限流电阻4R1并接在主驱动电源输出的正负端口上，传感器1的次级通过并联电阻Rfz变换成电压送入到运算放大器K1经整形放大后输入到控制单元的A1口；传感器2的初级通过限流电阻4R2并接在冗余驱动电源输出的正负端口上，传感器2的次级通过并联电阻Rfz变换成电压送入到运算放大器K2经整形放大后输入到控制单元的A2口。

图5是主驱动电源工作状态图

图6是冗余驱动电源供电状态图

在冗余电源系统设计中一般会出现以下两种情况，第一种情况：主驱动电源工作并输出电源给负载，冗余驱动电源无输出但它仍然处于休眠工作状态，它的控制电路仍处于长期工作之中。这种情况下可造成能源的浪费和影响冗余驱动电源部分元器件的使用寿命。

第二种情况是主驱动电源工作并输出电源给负载， 冗余驱动电源无输出完全处于静止状态。这种情况下由于空气中的水蒸气使元器件及PCB板表面氧化，电解电容器内部电解液干枯，造成电解电容失效，所以对电子产品来说要经常使用，使其处于工作状态让它产生热量防潮，同时对电解电容器而言在工作状态下的充放电会使得内部电解液不易干枯。

本发明对主驱动电源和冗余驱动电源采用定时轮换工作方式，当主驱动电源工作一个周期后，控制单元将关闭主驱动电源打开冗余驱动电源，当冗余驱动电源工作一个周期后，控制单元将关闭冗余驱动电源打开主驱动电源，让两个电源都轮换工作，以提高整个驱动电源系统的可靠性。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域技术人员公知的现有技术，虽然本发明己通过有关的实施案例进行了图示和描述，但是，本专业技术人员应当了解，在权利要求书的范围内，可作形式和细节上的各种各样变化，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。

Claims (5)

1.一种具有冗余功能的LED灯具驱动电源，其特征在于：它包括一个主驱动LED驱动电源（1），还至少包括一个冗余LED驱动电源（2），交流电源220V经磁保持继电器（8）和磁保持继电器（15）送入到主驱动LED驱动电源（1）和冗余LED驱动电源（2）的输入端；磁保持继电器（6）的定触点与主驱动LED驱动电源（1）的输出端相连，磁保持继电器（7）的定触点与冗余LED驱动电源（2）的输出端相连，控制单元通过电量传感器采集输出电流信号发出控制指令驱动磁保持继电器开启或关闭相应通道来实现主驱动电源和冗余驱动电源之间的切换。

2.根据权利要求1所述一种具有冗余功能的LED灯具驱动电源，其特征还在于：在主驱动LED驱动电源（1）的输出端接有电量传感器（3），冗余LED驱动电源（2）的输出端接有电量传感器（4），它们分别检测主驱动LED驱动电源（1）和冗余LED驱动电源（2）的输出电流是否在正常范围之中。

3.根据权利要求1所述一种具有冗余功能的LED灯具驱动电源，其特征还在于：控制单元（5）接收来自电量传感器（3）和电量传感器（4）的电量信号，控制单元（5）输出控制信号给继电器驱动单元（10）、磁保持继电器驱动单元（11），磁保持继电器驱动单元（14）及磁保持继电器驱动单元（15）；磁保持继电器驱动单元（10）控制磁保持继电器（6）的动作；磁保持继电器驱动单元（11）控制磁保持继电器（7）的动作；磁保持继电器驱动单元（14）控制磁保持继电器（8）的动作；磁保持继电器驱动单元（16）控制磁保持继电器(9)的动作。

4.锂电池（13）输出的直流电压为控制单元（5）、磁保持继电器驱动单元（10）、磁保持继电器驱动单元（11）、磁保持继电器驱动单元（14）、磁保持继电器驱动单元（16）和磁保持继电器（6）、磁保持继电器（7）、磁保持继电器（8）及磁保持继电器（9）提供工作直流电源。

5.充电单元（12）输入端与磁保持继电器（6）、磁保持继电器（7）的输出端相连，充电单元（12）的输出端与锂电池（13）相连，为锂电池提供充电电源。