CN103475204A - 通过调整元件承受热应力实现led电源故障规避的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种通过调整元件承受热应力实现LED电源故障规避的方法，通过温度传感器组获得电源工作温度，若电源工作温度超过电源工作极限温度值，则直接执行关机保护；若电源出现故障趋势，则启动故障规避流程，如故障规避仍无法消除当前出现的故障，则直接执行关机保护，等待进一步的检查和维修。本发明在电源工作温度接近临界值，即进入故障高发区的最低值时，通过调整运行参数，使得电源自身发热量下降，工作温度回归正常，从而避免故障的发生，通过电源***的热应力调整实现故障规避的新型保护方法，可以提高LED电源的可靠性，降低故障率，该方法已经在“大功率LED集中供电电源”等产品中应用，效果显著。

Description

通过调整元件承受热应力实现LED电源故障规避的方法

技术领域

本发明涉及一种LED电源，尤其是LED电源的故障规避方法。

背景技术

根据以往针对LED灯故障的统计学分析，其超过半数以上是由于其内部电源的故障造成的，致使其推广使用受到影响；故电源的可靠性应该受到高度的关注。

目前，对于电源的保护措施主要采取硬件保护方法和基于软、硬件结合的保护方法等，其保护机理是：当故障出现时，选择最佳的关机方案，使得被供电***及电源本身可能造成的损失最小。通过保护的方法最大的缺陷是必须停机，从而导致因停电而引发的连带损失。

作为产品“供血***”的内部电源，其可靠性直接影响着该产品的寿命。因之，该技术领域的研究动态备受国内外学者的高度关注。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明利用LED发光二极管对电源电压变化范围适应性宽的特点，发明了一种基于电源“状态预测”的“故障在线规避”的方法，可通过降低器件的电压/电流负载减少其发热量，进而降低器件所承受的热应力，拟实现由于热应力引起的渐变性故障在线规避技术，降低其运行过程的故障率，解决LED电源使用寿命短的问题。

本发明涉及的针对元件温度应力超标而引起电源故障的“故障规避”方法，是一种全新的保护方法。该方法能在故障即将出现之前，通过调整运行参数，使得已经超标的温度应力趋于正常，从而避免故障的发生。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

步骤1：通过温度传感器组获得t(k)时刻电源工作温度T(k)，对电源工作温度进行在线监测,k是计数值；

步骤2：对电源状态进行计算:计算温度上升速率δT(k)、元件热应力系数δR(k)、预测下一检测时刻的电源工作温度

其中温度上升速率为：

δT(k)＝[T(k)-T(k-1)]/[t(k)-t(k-1)]

其中T(k)表示在t(k)时刻的电源工作温度，T(k-1)表示在t(k-1)时刻的电源工作温度；

元件热应力系数为：

δR(k)＝[T(k)-T(l)]/T(l)

其中T(l)为电源工作临界温度值，根据一般电源正常工作范围,将该值设定为65℃，当δR(k)＜0表明***工作在安全运行状态；

下一检测时刻的预测电源工作温度为：

$\hat{T}(k+1)=2T\left(k\right)-T(k-1)$

步骤3：判断电源状态的未来走势，并对可能发生的故障紧迫性进行认定：

若当前电源工作温度T(k)超过电源工作极限温度值T(H)，T(H)设定为95℃，则认为***出现严重故障，直接执行关机保护；

若电源出现故障趋势，则进入步骤4，启动故障规避流程；

出现故障趋势的判断条件为步骤2中计算得到的电源状态满足如下三个条件之一即可：

①若连续3次检测到T(k)＞T(k-1)，且温度上升速率δT(k)超过设定值δ_T，设定值δ_T为2℃/分钟，即***有持续升高趋势；

②若元件热应力系数δR(k)≥0，即电源工作温度达到或超过电源工作临界温度值T(l)；

③若下一检测时刻的电源工作预测温度

即电源工作预测温度将超过电源工作临界温度值；

步骤4：启动故障规避流程：

（1）在故障规避流程中，利用已获得的电源工作温度T(k)、温度上升速率δT(k)、原件元件热应力系数δR(k)，确定电源***的功率向下调整的速率，即计算下调脉冲宽度Δ(PWM)：

Δ(PWM)＝K[0.85×(最大脉宽)/5]

其中，最大脉宽为100%脉宽减去防止功率器件直通而设计的“死区”宽度，K的取值为1、2、3、4或5，分别表示五档不同的脉宽控制速度，根据电源工作温度T(k)、电源工作预测温度

温度上升速率δT(k)和热应力系数δR(k)共同作用生成，在实际使用时可通过查表的方式调用K值，详见表1、表2和表3：

表1：当T(k)＜T(l)，且

时的K值表

表2：当T(k)＜T(l)，但时的K值表

表3：当T(k)≥T(l)，且

时的K值表

（2）计算单位时间内脉冲宽度下调速率其中：T为设定的功率调整限时，一般可取T＝10～20；

（3）按单位时间内脉冲宽度下调速率

下调PWM输出值，即下调电源输出功率；

（4）在功率调整限时T内，随着电源输出功率的下调，不断检测电源工作温度T(k)，若同时满足如下三个条件：①温度上升速率δT(k)＜δ_T，②元件热应力系数δR(k)＜0，③

则本次故障被消除，***退出故障规避流程，继续正常工作；若不能同时满足如上三个条件，即无法消除当前出现的故障，则直接执行关机保护，等待进一步的检查和维修。

本发明的有益效果在电源工作温度接近临界值，即进入故障高发区的最低值时，通过调整运行参数，使得电源自身发热量下降，工作温度回归正常，从而避免故障的发生。通过电源***的热应力调整实现故障规避的新型保护方法，通过该方法的实施，可以提高LED电源的可靠性，降低故障率，该方法已经在“大功率LED集中供电电源”等产品中应用，效果显著。

附图说明

图1是发明实施过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

电源内部关键元件分为有源器件和无源器件，这些元件的使用寿命受温度影响极大。例如，电解电容器的温度每上升10℃，其寿命将缩短一半；磁性元件，例如开关电源变压器、滤波电感等的温升接近其居里点时，可使得电源***瞬间崩溃；有源器件在高温状态会引起恶性循环，从而出现损坏,对于因热应力渐变导致电源故障可以采用这种保护方法，通过应力调整实现工作状态回归，避免故障发生。

基于LED电源的过热故障在线预先规避方法，其特征在于，通过调整电源***关键元件的电流值而使其发热量降低，使其承受的热应力下降，使元件恢复正常工作状态，消除故障隐患，实现故障规避。其具体实施方式如下：

步骤1：通过温度传感器组获得t(k)时刻电源工作温度T(k)，对电源工作温度进行在线监测,k是计数值；通过设定的温度检测点（开关电源变压器、有源功率器件散热器、机壳内壁）不断测试当前温度T(k)，判断T(k)是否过临界温度门限T(l)、关机门限T(H)；

步骤2：对电源状态进行计算:计算温度上升速率δT(k)、元件热应力系数δR(k)、预测下一检测时刻的电源工作温度

其中温度上升速率为：

δT(k)＝[T(k)-T(k-1)]/[t(k)-t(k-1)]

其中T(k)表示在t(k)时刻的电源工作温度，T(k-1)表示在t(k-1)时刻的电源工作温度；

元件热应力系数为：

δR(k)＝[T(k)-T(l)]/T(l)

其中T(l)为电源工作临界温度值，根据一般电源正常工作范围,将该值设定为65℃，当δR(k)＜0表明***工作在安全运行状态；

下一检测时刻的预测电源工作温度为：

$\hat{T}(k+1)=2T\left(k\right)-T(k-1)$

步骤3：判断电源状态的未来走势，并对可能发生的故障紧迫性进行认定：

若当前电源工作温度T(k)超过电源工作极限温度值T(H)，T(H)设定为95℃，则认为***出现严重故障，直接执行关机保护；

若电源出现故障趋势，则进入步骤4，启动故障规避流程；

出现故障趋势的判断条件为步骤2中计算得到的电源状态满足如下三个条件之一即可：

①若连续3次检测到T(k)＞T(k-1)，且温度上升速率δT(k)超过设定值δ_T，设定值δ_T为2℃/分钟，即***有持续升高趋势；

②若元件热应力系数δR(k)≥0，即电源工作温度达到或超过电源工作临界温度值T(l)；

③若下一检测时刻的电源工作预测温度

即电源工作预测温度将超过电源工作临界温度值；

步骤4：启动故障规避流程：

（1）在故障规避流程中，利用已获得的电源工作温度T(k)、温度上升速率δT(k)、原件元件热应力系数δR(k)，确定电源***的功率向下调整的速率，即计算下调脉冲宽度Δ(PWM)：

Δ(PWM)＝K[0.85×(最大脉宽)/5]

其中，最大脉宽为100%脉宽减去防止功率器件直通而设计的“死区”宽度，K的取值为1、2、3、4或5，分别表示五档不同的脉宽控制速度，根据电源工作温度T(k)、电源工作预测温度温度上升速率δT(k)和热应力系数δR(k)共同作用生成，在实际使用时可通过查表的方式调用K值，详见表1、表2和表3：

表1：当T(k)＜T(l)，且

时的K值表

表2：当T(k)＜T(l)，但

时的K值表

表3：当T(k)≥T(l)，且

时的K值表

（2）计算单位时间内脉冲宽度下调速率

其中：T为设定的功率调整限时，一般可取T＝10～20；

（3）按单位时间内脉冲宽度下调速率

下调PWM输出值，即下调电源输出功率；

（4）在功率调整限时T内，随着电源输出功率的下调，不断检测电源工作温度T(k)，若同时满足如下三个条件：①温度上升速率δT(k)＜δ_T，②元件热应力系数δR(k)＜0，③

则本次故障被消除，***退出故障规避流程，继续正常工作；若不能同时满足如上三个条件，即无法消除当前出现的故障，则直接执行关机保护，等待进一步的检查和维修。

对于典型的开关电源，功率的下调可通过脉冲宽度调整(PWM)来实现。此时，开关电源的脉宽(PWM)逐步变窄，输出电压下降，LED灯消耗的功率随之下降，使得有源器件、LED二极管、电解电容器等重要器件承受的热应力亦下降。使得该电源在规定的规避时间内趋于正常。

在故障规避状态，首先利用已获得的T(k)、温度上升速率、热应力系数等参数，通过查表的方法确定电源***的功率向下调整的速率(即选择合适的Δ(PWM)值)，以便确定在单位时间内脉宽PWM下降速率(ΔPWMΔt)，并依据此速率，自动下调脉冲宽度(PWM)。

受参数K的控制，对应于当前电源温度、温度上升速率以及热应力系数等三因素共同控制。当Δ(PWM)的值给定后，电源***会工作在一个新的温度点上，并通过PID调节使其稳定。

在该程序中，功率调整的速度取决于电源温度上升率、当前温度等因素；这些因素的提取来自电源自建的传感器组合；根据温升速率等因素，选择合适调整速度，通过电源的自适应调整，抑制温度的上升。

随着主要元件热应力的下降，故障规避软件会在规定的时间内建立一个新的温度平衡状态，并通过PID调节使其稳定；此时，电源***工作温度稳定，温度上升速率为零或出现稍负值，热应力系数为零或出现稍负值，表现为***工作在安全区，且其波动趋于平稳，从而避免因温度超标而出现故障状态。

由故障规避过程形成的PWM确定的电源***状态值为该电源当前环境下最佳工作值，由此，一种由于温度应力升高可能导致的故障被消除。

如果在规定的调整时间内，故障规避软件无法使得热应力恢复正常，且T(k)已经超过门限T(l)、迫近T(H)，证明通过故障规避无法消除当前可能出现的故障，则关机。

Claims (1)

1.一种通过调整元件承受热应力实现LED电源故障规避的方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤1：通过温度传感器组获得t(k)时刻电源工作温度T(k)，对电源工作温度进行在线监测,k是计数值；

步骤2：对电源状态进行计算:计算温度上升速率δT(k)、元件热应力系数δR(k)、预测下一检测时刻的电源工作温度

其中温度上升速率为：

δT(k)＝[T(k)-T(k-1)]/[t(k)-t(k-1)]

其中T(k)表示在t(k)时刻的电源工作温度，T(k-1)表示在t(k-1)时刻的电源工作温度；

元件热应力系数为：

δR(k)＝[T(k)-T(l)]/T(l)

其中T(l)为电源工作临界温度值，根据一般电源正常工作范围,将该值设定为65℃，当δR(k)＜0表明***工作在安全运行状态；

下一检测时刻的预测电源工作温度为：

$\hat{T}(k+1)=2T\left(k\right)-T(k-1)$

步骤3：判断电源状态的未来走势，并对可能发生的故障紧迫性进行认定：

若当前电源工作温度T(k)超过电源工作极限温度值T(H)，T(H)设定为95℃，则认为***出现严重故障，直接执行关机保护；

若电源出现故障趋势，则进入步骤4，启动故障规避流程；

出现故障趋势的判断条件为步骤2中计算得到的电源状态满足如下三个条件之一即可：

①若连续3次检测到T(k)＞T(k-1)，且温度上升速率δT(k)超过设定值δ_T，设定值δ_T为2℃/分钟，即***有持续升高趋势；

②若元件热应力系数δR(k)≥0，即电源工作温度达到或超过电源工作临界温度值T(l)；

③若下一检测时刻的电源工作预测温度即电源工作预测温度将超过电源工作临界温度值；

步骤4：启动故障规避流程：

（1）在故障规避流程中，利用已获得的电源工作温度T(k)、温度上升速率δT(k)、原件元件热应力系数δR(k)，确定电源***的功率向下调整的速率，即计算下调脉冲宽度Δ(PWM)：

Δ(PWM)＝K[0.85×(最大脉宽)/5]

其中，最大脉宽为100%脉宽减去防止功率器件直通而设计的“死区”宽度，K的取值为1、2、3、4或5，分别表示五档不同的脉宽控制速度，根据电源工作温度T(k)、电源工作预测温度

温度上升速率δT(k)和热应力系数δR(k)共同作用生成，在实际使用时可通过查表的方式调用K值，详见表1、表2和表3：

表1：当T(k)＜T(l)，且

时的K值表

表2：当T(k)＜T(l)，但

时的K值表

表3：当T(k)≥T(l)，且

时的K值表

（2）计算单位时间内脉冲宽度下调速率

其中：T为设定的功率调整限时，一般可取T＝10～20；

（3）按单位时间内脉冲宽度下调速率下调PWM输出值，即下调电源输出功率；

（4）在功率调整限时T内，随着电源输出功率的下调，不断检测电源工作温度T(k)，若同时满足如下三个条件：①温度上升速率δT(k)＜δ_T，②元件热应力系数δR(k)＜0，③

则本次故障被消除，***退出故障规避流程，继续正常工作；若不能同时满足如上三个条件，即无法消除当前出现的故障，则直接执行关机保护，等待进一步的检查和维修。

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