TW201526708A - 一種應用於保護直接式發光二極體驅動器在低電壓狀態下運作的裝置 - Google Patents

一種應用於保護直接式發光二極體驅動器在低電壓狀態下運作的裝置 Download PDF

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Abstract

一種應用於保護直接式發光二極體驅動器在低電壓狀態下運作的裝置，其包括有一整流階，將一交流輸入電壓轉換為一直流脈衝電壓；一主要燈串，具有一上端以連接整流階；一次要燈串，係連接於低電壓直接式發光二極體驅動器和一整合設置於低電壓直接式發光二極體驅動器內部的電流源；一高壓通道場效應電晶體，其汲極係連接於主要燈串的一下端，源極則連接於次要燈串的一上端。提升電阻係；一提升電阻，係連接於高壓NFET的閘極和主要燈串的一上端之間；及一下落單元，其第一端係連接於高壓NFET的閘極和提升電阻，而第二端則連接於電流源。

Description

一種應用於保護直接式發光二極體驅動器在低電壓狀態下運作的裝置
本發明係關於一種保護電路，特別係關於一種用於保護一低電壓直接式LED驅動器避免其發生過電壓狀況的保護電路。
LED燈管的直接式驅動器因為價格低廉、較少電磁干擾以及具有高工作效率而廣受歡迎，在使用這類低電壓直接式驅動器的基本操作原則便是直接式驅動器可以重新分配一LED燈串中的LED單元整體出光數量，在適當的設計下，獲得供電的LED單元數量，會是考量輸入電壓、LED溫度、LED電流和LED正向電壓便易等因素的最適狀況。
然而，一旦操作環境是位於戶外，舉例來說，用戶將120伏特的LED燈管接上220V的插座，LED內部的電或便很有可能因為輸入電壓的過電壓而產生損壞現象。所以有必要開發出可以保護產品和使用者在非常規操作環境下仍能安全使用產品的防護機制。
本發明提供一種應用於保護直接式發光二極體驅動器在低電壓狀態下運作的裝置，其包括：一整流階，將一交流輸入電壓轉換為一直流脈衝電壓；一主要燈串，具有一上端以連接整流階；一次要燈串，係連接於低電壓直接式發光二極體驅動器和一整合設置於低電壓直接式發光二極體驅動器內部的電流源；一高壓通道場效應電晶體，具有一閘極、一 汲極和一源極，其中，高壓NFET的汲極係連接於主要燈串的一下端，源極則連接於次要燈串的一上端。提升電阻係；一提升電阻，係連接於高壓NFET的閘極和主要燈串的一上端之間；及一下落單元，其具有一第一端和一第二端，其中，第一端係連接於高壓NFET的閘極和提升電阻，而第二端則連接於低電壓直接式發光二極體驅動器的電流源。
10‧‧‧整流階
11‧‧‧主要燈串
12‧‧‧次要燈串
13‧‧‧高壓通道場效應電晶體(NFET)
14‧‧‧提升電阻(Pull-up resistor)
15‧‧‧下落單元(avalanche unit)
16‧‧‧低電壓直接式發光二極體驅動器
17‧‧‧電流源
2‧‧‧回饋模組
20‧‧‧反轉曾納二極體(turning zener diode)
21‧‧‧第一回饋電阻
22‧‧‧第二回饋電阻
30‧‧‧反轉點
31‧‧‧斜率
40‧‧‧固定電流源
41‧‧‧比較器
42‧‧‧電阻分壓器
43‧‧‧電流鏡(current mirror)
50‧‧‧低壓曾納二極體
51‧‧‧電阻分壓器
511‧‧‧第一電阻分壓器
512‧‧‧第二電阻分壓器
M2‧‧‧輸出電晶體
M3‧‧‧通道電晶體
M4‧‧‧第一鏡電晶體
M5‧‧‧第二鏡電晶體
M6‧‧‧第一切換電晶體
M7‧‧‧第二切換電晶體
VR1‧‧‧參考電壓
圖1係說明本發明一種應用於保護一低電壓直接式發光二極體驅動器過電壓之裝置的一實施例結構示意圖。
圖2係說明本發明一種應用於保護一低電壓直接式發光二極體驅動器過電壓之裝置的另一實施例結構示意圖。
圖3係LED燈串電流與高壓NFET功率和高壓NFET汲極電壓之間的關係圖。
圖4係說明本發明一種應用於保護一低電壓直接式發光二極體驅動器過電壓之裝置的又一實施例結構示意圖。
圖5係說明本發明一種應用於保護一低電壓直接式發光二極體驅動器過電壓之裝置的再一實施例結構示意圖。
請參見圖1所示，圖1係說明本發明一種應用於保護一低電壓直接式發光二極體驅動器16過電壓之裝置的一實施例結構示意圖。在本實施例中，此裝置包括有一整流階10、一主要燈串11、一次要燈串12、一高壓通道場效應電晶體(NFET)13、一提升電阻(Pull-up resistor)14和一下落單 元(avalanche unit)15。整流階10會將一交流輸入電壓轉換為一直流脈衝電壓。主要燈串11具有一上端以連接整流階10。次要燈串12係連接於低電壓直接式發光二極體驅動器16和一整合設置於低電壓直接式發光二極體驅動器16內部的電流源17。高壓NFET 13具有一閘極、一汲極和一源極，其中，高壓NFET 13的汲極係連接於主要燈串11的一下端，源極則連接於次要燈串12的一上端。提升電阻14係連接於高壓NFET 13的閘極和主要燈串11的一上端之間。下落單元15具有一第一端和一第二端，其中，第一端係連接於高壓NFET 13的閘極和提升電阻14，而第二端則連接於低電壓直接式發光二極體驅動器16的電流源17。在本實施例中，下落單元15是一曾納二極體(Zener Diode)。
圖1的實施例對於低電壓直接式發光二極體驅動器16提供了一種絕佳的保護，其中高壓NFET 13係串聯連接於LED燈串(亦即主要燈串11和次要燈串12)，並高於低電壓直接式發光二極體驅動器16的一側，以致於高壓NFET 13的源極電壓不會超過一安全操作電壓。而一個具有600伏特崩潰電壓(breakdown voltage)的高壓NFET 13也十分容易以合理的價格取得。
雖然高壓NFET 13對於過電壓提供了絕佳的保護。但是當LED燈串電流維持穩定而輸入電壓升高時，則會凸顯了電量消耗和發熱的問題。高壓NFET 13的發熱可能會對元件本身或鄰接的電路板產生破壞，而最簡單的解決方法便是減少過電壓狀態下流向LED燈串的電流量，如此可能會造成LED燈串出光變得較為弱，但是也因出光的為弱可以警示使用者 前述的元件問題。
因此，圖1實施例的低電壓直接式發光二極體驅動器16可以更包括有一熱感應元件(圖中未示)，此熱感應元件係用於感測低電壓直接式發光二極體驅動器16的一操作溫度。低電壓直接式發光二極體驅動器16因此可以根據一預設規則，以感測到的操作溫度為基礎，進而調整流入LED燈串的電流。舉例來說，當熱感應元件感測到的操作溫度高於一臨界值時，低電壓直接式發光二極體驅動器16可以調控流向LED燈串的電流降低為零。
進一步請參考圖2所示，圖2係說明本發明一種應用於保護一低電壓直接式發光二極體驅動器16過電壓之裝置的另一實施例結構示意圖。本實施例係以圖1為基礎，本實施例與前一實施例的差別在於，本實施例更包括有一回饋模組2，此回饋模組2係將一回饋電流傳送回電源流17。回饋電流的功能即等同於高壓NFET 13中汲極的功能。如圖2所示，回饋模組2包括有一反轉曾納二極體(turning zener diode)20、一第一回饋電阻21和一第二回饋電阻22。第一回饋電阻21係連接於高壓NFET 13源極和電流源17之間。反轉曾納二極體20則具有一陰極和一陽極，其中，陰極係連接於高壓NFET 13的汲極。第二回饋電阻22係連接於電流源17。
當跨過次要燈串12的電壓上升時，會使得由第一回饋電阻21流向至電流源17的回饋電流增加，並進一步使得LED燈串的電流減少。反轉曾納二極體20和第二回饋電阻22也會將回饋電流送回電流源17，因為回饋電流的功能和高壓NFET 13中汲極的功能相同，所以反轉曾納二極體20的一 崩潰電壓可以在高壓NFET 13電流開始下降時，決定汲極電壓，而第二回饋電阻22的電阻值則決定高壓NFET 13汲極電壓上升和LED燈串電流下降的關係。
請參見圖3所示，圖3係說明LED燈串電流與高壓NFET 13功率和高壓NFET 13汲極電壓之間的關係。如圖3所示，隨著高壓NFET 13汲極電壓的上升，反轉曾納二極體20的崩潰電壓會決定反轉點30的發生。LED燈串電流的斜率31則由第二回饋電極22的電阻值決定。此外，高壓NFET 13的功率則與LED燈串的斜率31有相關性。
請參考圖1和圖4所示，圖4係說明本發明一種應用於保護一低電壓直接式發光二極體驅動器過電壓之裝置的又一實施例結構示意圖。在本實施例中，圖1的下落單元15係與低電壓直接式發光二極體驅動器16整合，而提升電阻14並非連接於整流階10，而是連接於高壓NFET 13汲極上方間隔2個LED單元處之一連接點，一第一回饋電阻21和一固定電流源40。第一回饋電阻21係連接於高壓NFET 13的一源極和電流源17之間，提升電阻14在本實施例的熱散失會比圖1的實施例還要少。固定電流源40係下落單元15將一電流導向電流源17以降低LED電流的臨界點。
下落單元15係連接於固定電流源40，並且包括有一電阻分壓器42、一比較器41、一參考電壓VR1、一輸出電晶體M2、一通道電晶體M3和一電流鏡(current mirror)43。電阻分壓器42係連接於電流鏡43之一上端和比較器41的一正輸入端，係用於感測次要燈串12上端的電壓。參考電壓VR1連接於比較器41的一負輸入端。輸出電晶體M2係連接高壓NFET 13。通道 電晶體M3係連接輸出電晶體M2。電流鏡43係連接於通道電晶體M3和固定電流源40之間，並且包括有一第一鏡電晶體M4和一第二鏡電晶體M5。第一鏡電晶體M4連接於通道電晶體M3。第二鏡電晶體M5連接於固定電流源40。而固定電流源40則與電流源17相連。
當次要燈串12上端的電壓高過參考電壓VR1(由電阻分壓器42進行感測)，比較器41會開啟輸出電晶體M2並且提高高壓NFET 13閘極的電壓，因此，會對高壓NFET 13源極的最大電壓產生限制。
流入提升電阻14的電流和流入輸出電晶體M2的電流是相同的電流，且等同流入通道電晶體M3和第一鏡電晶體M4的電流。因為電流鏡43是由第一鏡電晶體M4和第二鏡電晶體M5所形成，所以，第二鏡電晶體M5的電流會與第一鏡電晶體M4的電流相符。
據此，對於高壓NFET 13汲極的電壓來說，流過提升電阻14的電流會和高壓NFET 13的VDVG互為比例。因為高壓NFET 13閘極的電壓大致維持一常數值，所以流過第二鏡電晶體M5的電流會和高壓NFET 13汲極的電壓成比例。當高壓NFET 13汲極的電壓上升使第二鏡電晶體M5的電流增加並超過固定電流源40的電流時，過多的電流會被導流入電流源17以降低LED的電流。
請參考圖4和圖5所示，圖5係說明本發明一種應用於保護一低電壓直接式發光二極體驅動器過電壓之裝置的再一實施例結構示意圖。本實施例係將一低壓曾納二極體整合於下落單元15中，以取代參考電壓VR1 和其他所需元件。整合的下落單元15如圖5所示，係連接於固定電流源40，並包括有一低壓曾納二極體50、一電阻分壓器51、一第一切換電晶體M6和一第二切換電晶體M7。第一切換電晶體M6具有一汲極、一閘極和一源極，其中汲極係連接於高壓NFET 13的閘極和提升電阻14的下端。閘極連接次要燈串12得上端，而源極連接於低壓曾納二極體50的一陰極。電阻分壓器51連接於第一切換電晶體M6的閘極，並包括有相互串接的一第一電阻分壓器511和一第二電阻分壓器512，其中，第一電阻分壓器511連接於第一切換電晶體M6的閘極和次要燈串12的上端。
第二切換電晶體M7具有一汲極、一閘極和一源極，其中閘極連接於第一電阻分壓器511和第二電阻分壓器512的交界處，汲極連接於固定電流源40和電流源17，源極則連接於低壓曾納二極體50的一陽極。
當跨過第一電阻分壓器511的電壓超過第一切換電晶體M6和第二切換電晶體M7臨界電壓值、以及低壓曾納二極體50崩潰電壓值的總合值時，電流通過低壓曾納二極體50開始流向第一切換電晶體M6和第二切換電晶體M7，這個電流會使得高壓NFET 1閘極的電壓開始升高，以透過第一電阻分壓器511和第二電阻分壓器512的比例，調節次要燈串12上端的電壓。
10‧‧‧整流階
11‧‧‧主要燈串
12‧‧‧次要燈串
13‧‧‧高壓通道場效應電晶體(NFET)
14‧‧‧提升電阻
15‧‧‧下落單元
16‧‧‧低電壓直接式發光二極體驅動器
17‧‧‧電流源

Claims (6)

  1. 一種應用於保護直接式發光二極體驅動器在低電壓狀態下運作的裝置，其包括：一整流階，將一交流輸入電壓轉換為一直流脈衝電壓；一主要燈串，具有一上端以連接整流階；一次要燈串，係連接於低電壓直接式發光二極體驅動器和一整合設置於低電壓直接式發光二極體驅動器內部的電流源；一高壓通道場效應電晶體(NFET)，具有一閘極、一汲極和一源極，其中，高壓NFET的汲極係連接於主要燈串的一下端，源極則連接於次要燈串的一上端；一提升電阻(Pull-up resistor)，係連接於高壓NFET的閘極和主要燈串的一上端之間；及一下落單元(avalanche unit)，其具有一第一端和一第二端，其中，第一端係連接於高壓NFET的閘極和提升電阻，而第二端則連接於低電壓直接式發光二極體驅動器的電流源。
  2. 如請求項1所述的裝置，另包括一熱感應元件，用於偵測該直接式發光二極體驅動器的溫度，該直接式發光二極體驅動器根據所量測的溫度調變該主要燈串與該次要燈串的電流值。
  3. 如請求項1所述的裝置，另包括一回饋模組，該回饋模組包括：一反轉曾納二極體(turning zener diode)，具有一陰極和一陽極，其中， 陰極係連接於高壓NFET的汲極；一第一回饋電阻係連接於高壓NFET源極和電流源之間；及一第二回饋電阻，係連接於電流源。
  4. 如請求項1所述的裝置，其中該下落單元係連接於固定電流源，並且包括有：一比較器；一參考電壓，連接於比較器的一負輸入端；一輸出電晶體係連接高壓NFET；一通道電晶體係連接輸出電晶體；一電流鏡係連接於通道電晶體和固定電流源之間，並且包括有一第一鏡電晶體和一第二鏡電晶體，該第一鏡電晶體連接於通道電晶體，該第二鏡電晶體連接於該固定電流源，該固定電流源則與電流源連接；及一電阻分壓器，係連接於電流鏡之一上端和比較器的一正輸入端，係用於感測次要燈串上端的電壓。
  5. 如請求項4所述的裝置，其中該提升電阻連接於高壓NFET汲極上方間隔2個LED單元處之一連接點。
  6. 如請求項1所述的裝置，其中該下落單元係連接於該電流源，並包括：一低壓曾納二極體；一第一切換電晶體，具有一汲極、一閘極和一源極，其中汲極係連接於 高壓NFET的閘極和提升電阻的下端，閘極連接次要燈串得上端，而源極連接於低壓曾納二極體的一陰極；一電阻分壓器，連接於第一切換電晶體的閘極，並包括有相互串接的一第一電阻分壓器和一第二電阻分壓器，該一電阻分壓器連接於該第一切換電晶體的閘極和次要燈串的上端；及一第二切換電晶體，具有一汲極、一閘極和一源極，其中閘極連接於第一電阻分壓器和第二電阻分壓器的交界處，汲極連接於固定電流源和電流源，源極則連接於低壓曾納二極體的一陽極。
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