TW201306418A - 串聯裝置的分流保護模組及其分流保護方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係一種串聯裝置的分流保護模組及其分流保護方法，係使用複數個分流半導體及一控制單元，各分流半導體對應連接一目標裝置，且各分流半導體具有一觸發端並具有觸發端取得電壓越高則其上跨壓越低的特性，該控制單元連接該些分流半導體的觸發端，當該控制單元偵測到有目標裝置無法正常導通時，即輸出一與至少二個相鄰之目標裝置上跨壓相當的觸發電壓至對應無法正常導通之目標裝置的分流半導體的觸發端，使對應無法正常導通之目標裝置的分流半導體導通並具有電壓準位較低的跨壓，如此可減少分流半導體運作時的功耗。

Description

串聯裝置的分流保護模組及其分流保護方法
本發明係關於一種串聯裝置的分流保護模組，尤指一種功率消耗低，可減少功率損耗之串聯裝置的分流保護模組。
為確保串聯連接的裝置，例如發光二極體(LED)燈串，於其中一裝置毀損時，與其串聯連接的其他正常裝置仍能繼續獲得電力而運作，因而有了所謂分流保護裝置或電路的研發。
以美國第7,564,666號專利(後稱前案)為例，如圖7所示，其揭露一種分流保護電路，每個分流保護電路係對應連接一LED，該分流保護電路包括一第一連接端51、一第二連接端52、一金屬氧化物半導體(metal oxide semiconductor,MOS)閘控(gated)矽控整流器(Silicon Controlled Rectifier,SCR)53、兩二極體54、55及一電阻56，其中該第一連接端51係連接對應之LED的陽極，該第二連接端52係連接對應之LED的陰極，該MOS gated SCR 53的汲極係連接該第一連接端51，源極係連接該第二連接端52，該兩二極體54、55係呈背靠背方式，以陽極互相連接，其中一二極體54的陰極係連接該第一連接端51，另一二極體55的陰極係連接該MOS gated SCR 53的閘極，而該電阻56則是一端連接該MOS gated SCR 53的閘極，另一端連接該第二連接端52。
使用上述分流保護電路時，當與該分流保護電路連接的LED正常運作時，電流幾乎不通過該分流保護電路；然而當該LED毀損而致LED的串聯迴路開路時，該MOS gated SCR 53將導通而重新構成迴路讓電流流過，如此即可讓LED燈串繼續正常運作。
又如圖8所示是該前案揭露的另一例子，在此例中，係以一齊納二極體57作為分流保護電路，以該齊納二極體57的陰極連接該第一連接端51，陽極連接該第二連接端52；當LED正常運作時，電流不通過該分流保護電路；然而當該LED毀損而致LED的串聯迴路開路時，該齊納二極體57將導通而重新構成迴路讓電流流過，如此即可讓LED燈串繼續正常運作。
惟由於上述兩例中的MOS gated SCR 53或齊納二極體57工作導通時，根據該前案說明書第6欄所揭示，若流過LED的電流約350毫安培，LED上跨壓大約是3.5伏特，則LED所消耗的功率約1.2瓦特，而該MOS gated SCR 53載該齊納二極體57工作時所消耗的功率最高不超過LED所消耗功率的四分之一(也就是0.3瓦特)；然而從圖7可知，該MOS gated SCR 53的汲、源極跨壓絕不會低於閘、源極跨壓，故就如該前案說明書所述，雖該MOS gated SCR 53或該齊納二極體57工作時所消耗的功率最好是能夠達到LED所消耗功率的十分之一，但實際上並不易達成，原因就在於MOS gated SCR 53的汲、源極跨壓已不能更低。
因此，要如何減少分流保護裝置的功率消耗，仍有待進一步的檢討，並謀求可行的解決方案。
為改進既有分流保護裝置功率消耗大的缺點，本發明之主要目的在提供一種串聯裝置的分流保護模組及其分流保護方法，該分流保護模組之功率消耗低，而可減少功率損耗。
前述串聯裝置的分流保護模組係供連接複數個相鄰連接的目標裝置，其中各目標裝置具有一輸入端及一輸出端，各目標裝置並與相鄰的目標裝置串聯連接於一連接結點；又該分流保護模組係包括：複數個分流半導體，係分別對應該複數個目標裝置，且各分流半導體具有一觸發端及二分流端，各分流半導體的二分流端係分別連接對應之目標裝置的輸入端和輸出端，又該複數個分流半導體皆具有觸發端取得電壓越高則其二分流端之跨壓越低的特性；一控制單元，係連接該複數個分流半導體的觸發端，並偵測該複數個目標裝置是否仍正常運作，當該控制單元偵測到有目標裝置無法正常導通時，該控制單元係輸出一觸發電壓至對應該無法正常導通之目標裝置的分流半導體的觸發端，使對應該無法正常導通之目標裝置的分流半導體導通分流，其中該觸發電壓係等於至少二個相鄰之目標裝置的輸入端與輸出端之間的跨壓。
又為達成前述目的所採取之另一主要技術手段係令前述串聯裝置的分流保護方法由一控制單元執行下列步驟：透過至少二分流半導體連接至少二串聯的目標裝置，其中該至少二分流半導體係分別對應該至少二目標裝置，並與其對應的目標裝置並聯連接，又各分流半導體係具有觸發電壓越高則其跨壓越低的特性；偵測是否有任一目標裝置無法正常導通；若偵知任一目標裝置無法正常導通，則以至少二個相鄰目標裝置上的跨壓作為一觸發電壓輸入對應該無法正常導通之目標裝置的分流半導體而使之導通分流。
利用上述技術手段，本發明之分流保護模組及方法主要係於其中一目標裝置毀損而致形成開路時，藉由輸出與至少二個相鄰目標裝置上的跨壓相當的觸發電壓，使毀損之目標裝置的對應分流半導體導通，再加上本發明係使用具觸發電壓越高跨壓越低特性的分流半導體，所以可大幅減少該分流半導體在導通時所造成的功耗，本發明並無一般分流元件導通時最低跨壓之限制所導致功耗無法降低的問題。
本發明串聯裝置的分流保護模組係供連接複數個目標裝置，並包括複數個分流半導體及一控制單元。
請參閱圖1所示，本發明之分流保護模組10的一較佳實施例，係應用但不限於一發光二極體(LED)燈串上；又每個分流保護模組10可連接複數個目標裝置，於本實施例中每個分流保護模組10係連接但不限於僅連接該LED燈串中的其中二個相鄰的LED 20、30(以下以第一LED 20及第二LED 30稱之)，其中該第二LED 30的陽極與第一LED 20的陰極係連接於一連接結點40。
於本實施例中，因該分流保護模組10係連接LED燈串中的其中二個相鄰的LED 20、30，所以請進一步參閱圖2所示，本發明之分流保護模組10係使用兩個分流半導體，包括一第一分流半導體11、一第二分流半導體12及一控制單元13。當然，如果該分流保護模組10係連接LED燈串中的其中三個或四個相鄰的LED，則該本發明之分流保護模組10就應使用與所連接LED數量相同的分流半導體。
上述第一分流半導體11係對應該第一LED 20，且具有一觸發端111及二分流端112、113，該二分流端112、113係分別連接該第一LED 20的陽極與該第一、第二LED 20、30的連接結點40，故可稱該第一分流半導體11係與該第一LED 20並聯連接，又該第一分流半導體11具有觸發端111取得電壓越高則其二分流端112、113之跨壓越低的特性；舉例而言，於本實施例中，該第一分流半導體11係為一金屬氧化物半導體(metal oxide semiconductor,MOS)，而其閘極即為該觸發端111，而汲極和源極即是該二分流端112、113。
上述第二分流半導體12係對應該第二LED 30，且亦具有一觸發端121及二分流端122、123，該第二分流半導體15的二分流端122、123係分別連接該第一、第二LED 20、30的連接結點40及該第二LED 30的陰極，故可稱該第二分流半導體12係與該第二LED 30並聯連接，又該第二分流半導體12亦具有觸發端121取得電壓越高則其二分流端122、123之跨壓越低的特性；於本實施例中，該第二分流半導體12亦是採用MOS，其閘極即為該觸發端121，而汲極和源極即是該二分流端122、123。
上述控制單元13係連接該第一、第二分流半導體11、12的觸發端111、121，並可偵測該第一及第二LED 20、30是否仍正常運作，又該控制單元13還可輸出與該第一LED 20之陽極、第二LED 30之陰極之間跨壓相當的觸發電壓，該觸發電壓係供輸出至該第一、第二分流半導體11、12的觸發端，作為觸發該第一、第二分流半導體11、12之用；如圖2所示，於本實施例中，該控制單元13係包括：一目標裝置偵測器131，係偵測該第一及第二LED 20、30是否仍正常運作；一觸發電壓產生器132，係連接該目標裝置偵測器131及該第一、第二分流半導體11、12的觸發端，並可輸出一等同於該第一LED 20之陽極、第二LED 30之陰極之間跨壓的觸發電壓，該觸發電壓產生器132係於該目標裝置偵測器131偵測到有LED無法正常導通時，例如第一LED 20無法正常導通而於該第一LED 20的陽、陰極之間形成開路時，即輸出該觸發電壓至該第一分流半導體11的觸發端111，使該第一分流半導體11導通，進而令該第一分流半導體11的分流端112、113之間構成一分流迴路，供電流流過並再流至該第二LED 30，使整個LED燈串仍能維持正常運作。
請參閱圖3所示，該控制單元13係執行下列步驟：取得所有目標裝置的工作狀態301，此步驟係由該目標裝置偵測器161加以偵測取得；判斷是否有任一目標裝置無法正常導通302；若偵知任一目標裝置無法正常導通，則進行輸出觸發電壓至對應該無法正常導通之目標裝置的分流半導體而使之導通分流303步驟，係由該觸發電壓產生器132加以執行，其中該觸發電壓係等於至少二個相鄰目標裝置上的跨壓，於圖1、2的實施例中，即該第一LED 20之陽極、第二LED 30之陰極之間的跨壓；若偵知所有目標裝置皆正常導通，則繼續取得所有目標裝置的工作狀態301。
本發明之具體工作流程說明如下：配合圖4所示，當該控制單元13偵測到所有LED皆正常導通時，電流係直接流經該第一、第二LED 20、30，而該控制單元13不向該第一、第二分流半導體11、12的觸發端111、121輸出觸發電壓。
配合圖5所示，當該控制單元13偵測其中一LED無法正常導通時，例如若第一LED 20無法正常導通時，該控制單元13即會偵知，並將取得的觸發電壓輸出至該第一分流半導體11使之導通，由於當第一LED 20剛毀損時，該第一LED 20之陽極和第二LED 30之陰極之間的跨壓會先瞬間拉高，所以該控制單元13所輸出的觸發電壓也會對應拉高，故此時直接輸出至該第一分流半導體11觸發端111的觸發電壓必然大於MOS的臨界電壓，而使該第一分流半導體11工作於飽和區，進而讓該第一分流半導體11的二分流端112、113之間呈通路。
配合圖6所示，在該第一分流半導體11導通後，原流經第一LED 20的電流將沿該第一分流半導體11的其中一分流端112、第一分流半導體11、第一分流半導體11的另一分流端113，經由該連接結點40流入該第二LED 30，藉由流經該第一分流半導體11的分流路徑，使整個LED燈串上的LED能繼續運作、發光。
由於第一分流半導體11導通時，依MOS的特性，當工作於飽和區時，其汲極和源極之間的壓降很低，以流過的電流為100毫安培為例，汲極和源極之間的壓降約為0.1伏特；又第二LED 30運作時，其順向電壓約為3至3.5伏特，因此該控制單元13所輸出的觸發電壓也必然是3至3.5伏特，而維持在該第一分流半導體11的臨界電壓以上，確保該第一分流半導體11維持導通狀態；在此情況下，如前所述該第一半導體11之二分流端112、113間的壓降在電流為100毫安培時約為0.1伏特，故該第一半導體11在工作時所消耗的功率，僅約為0.01瓦特。
由上述可知，本發明之分流保護模組及方法係藉由連接該第一、第二LED 20、30，而藉此於其中一LED(上述舉例為第一LED 20)毀損而致不能正常運作時，由該控制單元13輸出與該第一LED 20之陽極和該第二LED 30之陰極之間的跨壓相同準位的觸發電壓(當第一LED 20毀損時即等於該第二LED 30上的跨壓)至與該第一LED 20對應的第一分流半導體11，使該第一分流半導體11導通，如此即可確保在此較高的觸發電壓下，該第一分流半導體11上的跨壓維持低準位，進而減少該第一分流半導體11在導通時所造成的功耗。
惟本發明雖已於前述實施例中所揭露，但並不僅限於前述實施例中所提及之內容，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，例如於本發明之分流保護模組中進一步增加分流半導體的數量，以與更多數量的目標裝置連接，均屬於本發明之保護範圍。
綜上所述，本發明已具備顯著功效增進，並符合發明專利要件，爰依法提起申請。
10．．．分流保護模組
11．．．第一分流半導體
111．．．觸發端
112、113．．．分流端
12．．．第二分流半導體
121．．．觸發端
122、123．．．分流端
13．．．控制單元
20．．．第一發光二極體
30．．．第二發光二極體
40．．．連接結點
51．．．第一連接端
52．．．第二連接端
53．．．金屬氧化物半導體閘控矽控整流器
54、55．．．二極體
56．．．電阻
57．．．齊納二極體
圖1：係本發明一較佳實施例與一發光二極體燈串中其中二個發光二極體連接的功能方塊圖。
圖2：係本發明一較佳實施例之功能方塊圖。
圖3：係圖2中一控制單元工作時的流程圖。
圖4：係圖2中發光二極體正常運作時之電流路徑示意圖。
圖5：係圖2中其中一發光二極體毀損瞬間之電流路徑示意圖。
圖6：係圖2中其中一發光二極體毀損後本發明中對應之分流半導體導通後的電流路徑示意圖。
圖7：係一既有分流保護電路之電路圖。
圖8：係另一既有分流保護電路之電路圖。
10．．．分流保護模組
20．．．第一發光二極體
30．．．第二發光二極體
40．．．連接結點

Claims (7)

  1. 一種串聯裝置的分流保護模組，係供連接複數個相鄰連接的目標裝置，其中各目標裝置具有一輸入端及一輸出端，各目標裝置並與相鄰的目標裝置串聯連接於一連接結點；又該分流保護模組係包括：複數個分流半導體，係分別對應該複數個目標裝置，且各分流半導體具有一觸發端及二分流端，各分流半導體的二分流端係分別連接對應之目標裝置的輸入端和輸出端，又該複數個分流半導體皆具有觸發端取得電壓越高則其二分流端之跨壓越低的特性；一控制單元，係連接該複數個分流半導體的觸發端，並偵測該複數個目標裝置是否仍正常運作，當該控制單元偵測到有目標裝置無法正常導通時，該控制單元輸出一觸發電壓至對應該無法正常導通之目標裝置的分流半導體的觸發端，使對應該無法正常導通之目標裝置的分流半導體導通分流，其中該觸發電壓係等於至少二個相鄰之目標裝置的輸入端與輸出端之間的跨壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述串聯裝置的分流保護模組，該控制單元係包括：一目標裝置偵測器，係偵測該複數個目標裝置是否仍正常運作；一觸發電壓產生器，係連接該目標裝置偵測器及該複數個分流半導體的觸發端，並可輸出該觸發電壓，該觸發電壓產生器係於該目標裝置偵測器偵測到有目標裝置無法正常導通時，即輸出該觸發電壓至對應該無法正常導通之目標裝置的分流半導體的觸發端。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述串聯裝置的分流保護模組，係供連接一第一目標裝置和一第二目標裝置，該第一、第二目標裝置皆具有一輸入端和一輸出端，且該第二目標裝置的輸入端與該第一目標裝置的輸出端係連接於一連接結點；又該分流保護模組係包括一第一分流半導體、一第二分流半導體和該控制單元，其中：該第一分流半導體係具有一觸發端及二分流端，且該第一分流半導體具有觸發端取得電壓越高則其二分流端之跨壓越低的特性，又該二分流端係分別連接該第一目標裝置的輸入端及該連接結點；該第二分流半導體係具有一觸發端及二分流端，且該第二分流半導體具有觸發端取得電壓越高則其二分流端之跨壓越低的特性，又該二分流端係分別連接該連接結點及該第二目標裝置的輸出端；該控制單元係連接該第一、第二分流半導體的觸發端，並可偵測該第一、第二目標裝置是否仍正常運作，又該觸發電壓係等於該第一目標裝置之輸入端、第二目標裝置之輸出端之間的跨壓。
  4. 如申請專利範圍第1或2項所述串聯裝置的分流保護模組，各分流半導體係採用金屬氧化物半導體(metal oxide semiconductor,MOS)，其閘極即為分流半導體的觸發端，而汲極和源極即分別是分流半導體的二分流端。
  5. 如申請專利範圍第3項所述串聯裝置的分流保護模組，各分流半導體係採用MOS，其閘極即為分流半導體的觸發端，而汲極和源極即分別是分流半導體的二分流端。
  6. 一種串聯裝置的分流保護方法，係由一控制單元執行，並包括下列步驟：透過至少二分流半導體連接至少二串聯的目標裝置，其中該至少二分流半導體係分別對應該至少二目標裝置，並與其對應的目標裝置並聯連接，又各分流半導體係具有觸發電壓越高則其跨壓越低的特性；偵測是否有任一目標裝置無法正常導通；若偵知任一目標裝置無法正常導通，則以至少二個相鄰目標裝置上的跨壓作為一觸發電壓輸入對應該無法正常導通之目標裝置的分流半導體而使之導通分流。
  7. 如申請專利範圍第6項所述串聯裝置的分流保護方法，若偵知所有目標裝置皆正常導通，則繼續取得所有目標裝置的工作狀態。
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