CN112333888B - 多恒定电流驱动的led和ld开路故障检测电路及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多恒定电流驱动的LED和LD开路故障检测电路及检测方法，该检测电路包括：前端电流信号提取电路、基准电压产生电路、电压比较电路、脉冲信号采集与处理电路、开路故障报警电路。本发明的多恒定电流驱动的LED和LD开路故障检测电路及检测方法，不依赖某种具体的驱动电源拓扑形式，能适用于各种LED/LD恒流驱动拓扑形式，且既适用于单个LED/LD，也适用于单LED/LD串列和多LED/LD串列(只要各串列的驱动电源地共地)，既适用于多恒定电流驱动的LED/LD，也适用于单一恒定电流驱动的LED/LD，具有极好的通用性；采用了数字可编程器件，极大提高了整体电路的灵活性、可配置性和功能可扩展性。

Description

多恒定电流驱动的LED和LD开路故障检测电路及检测方法
技术领域
本发明属于电路技术领域，具体涉及一种多恒定电流驱动的LED和LD开路故障检测电路及检测方法。
背景技术
LED由于具有高亮度、高发光效率、长寿命等突出优点，已在越来越多的领域取代传统的照明装置。在机场助航、铁路信号灯、道路交通灯等以LED为照明或指示光源的户外场所，由于其需要LED在无人值守的条件下较可靠地运行，所以在具体应用时要求能实时检测LED(或其串列)是否处于正常的恒定电流工作状态或者是开路故障状态。此外，在激光二极管抽运的固体激光器、激光炫目器等同样需要恒流驱动的场合，由于要求激光二极管具备密封工艺和环境，也要求能通过电气方法实时检测LD(或其单串列/多串列)是否处于正常的恒定电流驱动状态或者开路状态。
直流电源供电下的LED调光方式，多采用频率固定的PWM调光；而对于LD抽运的固体激光器，一般采用频率可变、脉宽固定的脉冲方式驱动；也有采用连续恒定电流直接驱动LD，以发射炫目或目标指示用激光的工作方式。但无论采用哪种工作方式，或无论是使用LED还是LD，都可能根据实际需求对恒定驱动电流进行调整，以改变LED的发光强度或LD的发射能量。
中国发明专利CN104507243B中公开了一种发光二极管和激光二极管开路故障检测电路，提出了一种通用的LED/LD开路故障检测电路，解决了采用Buck拓扑恒流驱动、线性恒流驱动等不便于通过电路输出端电压异常的方式来检测开路故障的问题。然而在驱动LED/LD的恒定电流发生变化时，由于差动放大器一般不具备增益可调功能，所以该电路无法调整差动放大器的输出电压至异或门输入端所需的高/低电平电压值，即该电路不具备多恒定电流驱动条件下的LED/LD开路故障检测功能。另外，若该电路一旦捕捉到一次开路故障事件发生，则会一直输出故障报警动作，哪怕是LED/LD驱动电路已经恢复正常，由此会影响对故障报警真实性的判断。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种多恒定电流驱动的LED和LD开路故障检测电路及检测方法，解决多恒定电流驱动条件下的LED/LD开路故障检测问题。
本发明提供一种多恒定电流驱动的LED和LD开路故障检测电路，包括：
前端电流信号提取电路，包括采样电阻和差动放大器；采样电阻与LED/LD串联；差动放大器的两输入端连接采样电阻的两端，差动放大器的输出端输出与采样电阻两端的电压成比例的电压；
基准电压产生电路，包括数字可编程器件、总线隔离器和数模转换器；数字可编程器件用于获取LED/LD的恒定电流驱动信息，其通过总线接口与总线隔离器连接，总线隔离器与数模转换器连接，数模转换器的输出端输出幅值可变的模拟电压；
电压比较电路，包括电压比较器；电压比较器的两输入端分别与差动放大器的输出端和数模转换器的输出端连接，电压比较器的输出端输出高或低电平电压；
脉冲信号采集与处理电路，包括数字可编程器件；数字可编程器件用于对LED的调光PWM信号或LD的脉冲驱动信号的跳变沿进行延时处理，在延时的跳变沿时刻之后对电压比较器输出的电压进行判读，并根据判读结果决定是否报警；
开路故障报警电路，用于输出报警信号和信息。
进一步地，LED的调光PWM信号或LD的脉冲驱动信号的跳变沿延时量大于恒定驱动电路的延时量、差动放大器处理差分电压信号的延时量、电压比较电路处理模拟信号的延时量三者之和。
进一步地，数字可编程器件能够获取到LED/LD所需的驱动电流大小信息，并据此通过总线隔离器调整模数转换器的输出电压值。
进一步地，电压比较电路还包括第一电阻和第二电阻，第一电阻连接差动放大器的输出端和电压比较器的同相输入端，第二电阻连接电压比较器的输出端和电压比较器的同相输入端，从而构成具有滞回比较功能的电路，使电压比较电路具有一定的抗干扰能力，而得以在一定电磁干扰环境下输出不易翻转的高低电平。
进一步地，滞回电压比较电路的高、低输入电压阈值均小于无开路故障发生情形下差动放大器输出的电压幅值。
进一步地，差动放大器输出的电压与采样电阻两端的电压降呈同相比例或反相比例关系。
进一步地，脉冲信号采集与处理电路还包括第一电平隔离器，LED的调光PWM信号或LD的脉冲驱动信号通过第一电平隔离器传递给数字可编程器件。
进一步地，电压比较电路还包括第二电平隔离器，第二电平隔离器连接电压比较电路的输出端和数字可编程器件。
进一步地，开路故障报警电路包括本地报警装置，本地报警装置为报警灯或蜂鸣器。
进一步地，开路故障报警电路包括远程上传电路，远程上传电路通过数字可编程器件的串行通讯接口和外部总线将报警信息上传给远程设备。
本发明还提供一种多恒定电流驱动的LED和LD开路故障检测方法，包括以下步骤：
将采样电阻与LED/LD串联，利用差动放大器采集采样电阻两端的电压，并输出与该电压成比例的电压；
数字可编程器件根据驱动LED/LD的恒定电流大小信息，利用数模转换器输出幅值可变的模拟电压；
利用电压比较器比较差动放大器输出的电压和数模转换器输出的模拟电压，并输出比较电压；
数字可编程器件获取LED的调光PWM信号或LD的脉冲驱动信号，并进行跳变沿延时处理；
数字可编程器件在延时的跳变沿时刻之后判读电压比较器输出的比较电压，并根据判读结果决定是否报警。
本发明的有益效果是：本发明的多恒定电流驱动的LED和LD开路故障检测电路及检测方法，不依赖某种具体的驱动电源拓扑形式，能适用于各种LED/LD恒流驱动拓扑形式，且既适用于单个LED/LD，也适用于单LED/LD串列和多LED/LD串列(只要各串列的驱动电源地共地)，既适用于多恒定电流驱动的LED/LD，也适用于单一恒定电流驱动的LED/LD，具有极好的通用性；采用了数字可编程器件，极大提高了整体电路的灵活性、可配置性和功能可扩展性。且当LED/LD驱动电路恢复正常时，会停止报警，从而不影响对故障报警真实性的判断。
附图说明
图1是本发明的多恒定电流驱动的LED和LD开路故障检测电路的原理框图；
图2A和图2B是本发明的一种优选实施例的电路图；其中图2A为脉冲信号采集与处理电路和开路故障报警电路图，图2B为前端电流信号提取电路、基准电压产生电路和电压比较电路图；
图3是本发明实施例中微控制器所采用的程序流程图；
图4是本发明实施例中某些关键信号的时序图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的说明：
本发明在采用任何拓扑形式的电源且以多恒定电流驱动(自然也包含单恒定电流驱动)LED/LD的条件下，提出了一种能实时检测LED/LD开路故障的电路及检测方法。本发明是以示例的方式应用于LED/LD的开路故障检测电路，但应当认识到，使用本发明可构建诸如直流调速电机电流异常检测等电路，所以本发明具有更广阔的应用范围。
本发明实施例的多恒定电流驱动的LED和LD开路故障检测电路，包括：
前端电流信号提取电路，包括采样电阻和差动放大器；采样电阻与LED/LD串联；差动放大器的两输入端连接采样电阻的两端，差动放大器的输出端输出提取电压。前端电流信号提取电路，被配置为可承受足够共模输入电压、具有一定差模信号处理速度的差动放大器DOPA以提取电流采集电阻两端的电位差，此电位差经过此差动放大器输出为具有一定带负载能力的电压信号或脉冲电压信号，以该信号表示有无恒定电流通过LED/LD。其中，电流采样电阻是与LED/LD及其使能开关是串联关系，即能够实时采集到LED/LD的电流，故此电阻不是固定于电路中的某个特定位置。差动放大器输出的提取电压与采样电阻两端的电压降呈同相比例或反相比例关系，即差动放大器的输入极性既可以与电流方向一致，又可以相反，而其参考点位既可以选择地，也可以选择外部电压基准。
基准电压产生电路，包括数字可编程器件、总线隔离器和数模转换器；数字可编程器件用于获取LED/LD的恒定电流驱动信息，其通过总线接口与总线隔离器连接，总线隔离器与数模转换器连接，数模转换器的输出端输出幅值可变的模拟电压。总线隔离器能够正确收发相应总线上的信号，且具备一定等级的电压隔离功能。基准电压产生电路，被配置为以数字可编程器件获取当前驱动LED/LD应具有的恒定电流强度信息或恒流切换消息，以据此设置、调整数模转换器的输出电压。数字可编程器件，例如DPD，可通过其片上的元件级总线接口OCDI及总线隔离器BISO向数模转换器DAC发送指令，从而驱使数模转换器DAC输出幅值可变的模拟电压，用于后续比较。
电压比较电路，包括电压比较器；电压比较器的两输入端分别与差动放大器的输出端和数模转换器的输出端连接，电压比较器的输出端输出比较电压。电压比较电路，被配置为将上述差动放大器DOPA的输出电压和数模转换器DAC的输出电压输入至电压比较器VCMP，从而在电压比较器的输出端得到高电平或低电平。
脉冲信号采集与处理电路，包括数字可编程器件；数字可编程器件用于对LED的调光PWM信号或LD的脉冲驱动信号的跳变沿进行延时处理，在延时的跳变沿时刻之后对电压比较器的输出进行判读，并根据判读结果决定是否报警。脉冲信号采集与处理电路，被配置为将驱动LED/LD的PWM调光信号或驱动信号经第一电平隔离器DISO1输入至DPD的通用数字端口GPIOa，再由DPD对该脉冲进行跳变沿的延时处理，从而在延时的跳变沿之后判读电压比较电路经第二电平隔离器DISO2输出给数字端口XINT的高低电平信号。
当数字可编程器件接收到调光PWM信号或脉冲驱动信号后，会通过片内程序对脉冲跳变沿做出一定的延时，并以延时的上升沿与未延时的下降沿为时间边界，从而根据XINT在此时间段内接收到的高低电平信号判断LED/LD是否发生了开路故障。主要读取夹在已延时的脉冲上升沿和未延时的脉冲下降沿之间的由电压比较电路输出、经第二电平隔离器隔离后的电平信息。进一步地，LED的调光PWM信号或LD的脉冲驱动信号的跳变沿延时量大于恒流驱动电路的延时量、差动放大器处理差分电压信号的延时量、电压比较电路处理模拟信号的延时量三者之和。
PWM调光信号或LD的脉冲驱动信号是使能LED/LD导通的信号，即当PWM调光信号或LD的脉冲驱动信号为高(低)电平时，若相关恒流驱动电路工作正常且无开路故障发生，就存在通过LED/LD的正常电流，且该电流之上升(下降)沿相对于PWM调光信号或脉冲驱动信号的上升(下降)沿的延时足够短。PWM调光信号/脉冲驱动信号既被传输给恒流驱动电路作为LED/LD驱动使能信号，又被数字可编程器件的通用数字端口接收并经过延时，以便于在这些延时的脉冲信号上升沿和未延时的下降沿之间通过读取滞回电压比较电路输出的高低电平判别是否发生了开路故障。
开路故障报警电路，用于报警。开路故障报警电路，被配置为DPD根据判读XINT所接收到的电平状态，通过GPIOb驱使本地告警装置以声/光/电等形式直观指示开路故障，其中本地报警装置为报警灯或蜂鸣器等；开路故障报警电路也可以包括远程上传电路，如通过DPD利用串行通讯接口SCI和外部总线向上位机发送报警信息，以将开路故障消息传递给远程设备。
进一步地，电压比较电路还包括第一电阻和第二电阻，第一电阻连接差动放大器的输出端和电压比较器的同相输入端，第二电阻连接电压比较器的输出端和电压比较器的同相输入端。第一电阻和第二电阻构成的具有滞回比较功能的***电路，使电压比较电路具有滞回电压比较功能，使电路具有一定的抗干扰能力：电压比较器得以在一定电磁干扰环境下，接收差动放大器输出电压时不至于使其输出电平发生误翻转；且当LED/LD由无驱动电流到通入正常的恒定驱动电流时，能够实现输出高低电压翻转，并通过电平隔离器传输给数字可编程器件的数字输入端口。滞回电压比较电路的高、低输入电压阈值均小于无开路故障发生情形下差动放大器输出的电压幅值。
进一步地，脉冲信号采集与处理电路还包括第一电平隔离器，LED的调光PWM信号或LD的脉冲驱动信号通过第一电平隔离器传递给数字可编程器件。电压比较电路还包括第二电平隔离器，第二电平隔离器连接电压比较电路的输出端和数字可编程器件。数字可编程器件可通过第二电平隔离器接收到电压比较电路输出的高、低电平信号。相应的电平隔离器可以将驱动电源地一侧的高低电压信号转换成数字地一侧的高低电平信号，且具备一定等级的电压隔离功能。
本发明还提供多恒定电流驱动的LED和LD开路故障检测电路的一种优选实施例，如图1所示，包括：前端恒流信号提取电路100、数字可编程电路200、数模转换电路300、滞回电压比较电路400、本地与远程故障报警电路500。
前端恒流信号提取电路100包含一个差动放大器和一个串联在LED/LD恒流驱动电路中的电流采样电阻。其中差动放大器能在较高的共模电压环境下提取电流采样电阻两端的电位差，并进行一定程度的放大。由于差动放大器的输入极性既可以与电流方向一致，又可以相反，而其参考点位既可以选择地，也可以选择外部电压基准，所以前端电压信号提取与处理电路100中的部件可以以多种形式、不同的器件来实现。在图2B所示的实施例中，差动放大器AD8418A在其参考电位接地的前提下，其放大后的输出电压信号sgn1与电流采样电阻RS(两个0.62Ω电阻的并联)的电压降同相且呈20倍比例。
数字可编程电路200按照对外的信号流方向，包含三组输入信号/信息和三组输出信号/信息。三组输入信号/信息分别是：
①通过数字电平隔离器DISO1引至通用数字端口GPIOa的调光PWM信号/脉冲信号sgn2；
②通过数字电平隔离器DISO2传输到数字输入端口XINT的滞回电压比较电路所输出信号sgn4；
③LED/LD恒定驱动电流切换信息(信号)。
三组输出信号/信息分别是：
①依据LED/LD目前应该具有的恒定驱动电流信息(信号)，通过元件级总线及其隔离器BISO向数模转换器DAC发出输出模拟电压sgn3调整的指令；
②通过判读收到的sgn4信号，向本地告警装置LWU发出是否驱动相关声光电报警信号；
③通过外部总线向远程上位机发出相关开路故障信息或运行正常信息。
在图2B所示的实施例中，由于LED恒流驱动电路在Rs上形成的脉冲电流信号相对于调光PWM信号有一定的延时作用，而差动放大器AD8418A和电压比较器TLV3201处理模拟信号亦有延时作用，所以信号sgn2的上升沿需要经过微控制器C8051F330的延时处理，以使该微控制器只处理介于延时后上升沿与未延时的下降沿之间的、送至数字输入端口XINT(即P0.0脚)的信号，从而让C8051F330在时机上能正确判断是否存在LED/LD发生开路故障。
数模转换电路300包含一个数模转换器DAC和能隔离且收发芯片级总线信息的隔离器BISO。一方面，通过芯片级总线及其隔离器，数字可编程器件DPD依据其获得的LED/LD当前应有的驱动恒定电流信息，向DAC发出调整模拟电压sgn3的指令，从而设定了电压比较器的一个输入端。另一方面，前端恒流信号提取电路100所输出信号sgn1设定了电压比较器的另一个输入端。在图2A所示的实施例中，当C8051F330的通用数字端口GPIOc(即P1.4脚)得到高电平信号时，表示目前的LED串列的驱动电流应为350mA，从而通过SPI总线及其隔离器ADuM1411向AD5683R发出设定其模拟电压输出至1.7727V的指令；而当C8051F330的通用数字端口GPIOc得到低电平信号时，表示目前的LED串列的驱动电流应为700mA，从而通过SPI总线及其隔离器ADuM1411向AD5683R发出设置其模拟电压输出至3.7727V的指令。
滞回电压比较电路400，包括一个电压比较器以及可构成滞回比较功能的***电路。在滞回比较电路的作用下，电压比较器得以在一定电磁干扰环境下输出不易误翻转的高低电平。在图2B所示的实施例中，电压比较器TLV3201(+5V供电)***设置了两个电阻R7(30kΩ)和R8(300kΩ)，从而使其具备了0.5V的同相滞回电压比较能力。当LED串列的驱动电流应为350mA时，其高低输入阈值电压分别为1.950V和1.450V；当LED串列的驱动电流应为700mA时，其高低输入阈值电压分别为4.150V和3.650V。因此，如果LED串列正常地通过了350mA或700mA的驱动电流时，AD8418A将分别输出4.34V或2.17V，从而使得TLV3201输出高电平(略低于+5V)；而当LED串列没有电流通过或发生开路故障时，则使得TLV3201输出低电平(略高于0V)。当C8051F330将sgn2的上升沿作出一定延时后，如图3所示，应开启外部中断XINT(被片内程序配置为下降沿触发)；而当sgn2的下降沿到来时，则禁用外部中断XINT。即该微控制器片内的程序完全可以区分是由于LED串列发生开路故障而导致XINT端口为低电平，还是因为处于调光PWM信号的低电平时段而导致XINT端口为低电平。
本地与远程故障报警电路500，包含一个本地故障报警电路和一个通过外部总线联系上位机的远程故障报警电路。在图2A所示的实施例中，若DPD判读处于延时的sgn2上升沿和未延时的sgn2下降沿之间的sgn4信号出现了低电平，则可由GPIOb(即P1.5脚)输出驱动蜂鸣器的电流，且同时调用DPD片内的UART单元，经RS422总线向上位机发出故障信息。
图4为本发明一实施例中某些关键信号的时序图，图中：注1表示在PCA0中断服务程序中对脉冲信号上升沿延时的时间段；注2表示700mA驱动电流时设置的滞回比较电路高阈值电压；注3表示700mA驱动电流时设置的DAC输出电压；注4表示700mA驱动电流时设置的滞回比较电路低阈值电压；注5表示350mA驱动电流时设置的滞回比较电路高阈值电压；注6表示350mA驱动电流时设置的DAC输出电压；注7表示350mA驱动电流时设置的滞回比较电路低阈值电压。
本发明还提供一种利用上述电路进行多恒定电流驱动的LED和LD开路故障检测方法，包括以下步骤：
将采样电阻与LED/LD串联，利用差动放大器采集采样电阻两端的电压；
根据LED/LD的恒定电流驱动信息，利用数模转换器输出幅值可变的模拟电压；
利用电压比较器比较采样电阻两端的电压和模拟电压，并输出比较电压；
获取LED的调光PWM信号或LD的脉冲驱动信号，并进行跳变沿延时处理；
在延时的跳变沿时刻之后对电压比较器输出的电压进行判读，并根据判读结果决定是否报警。
综上所述，本发明的电路不依赖某种具体的驱动电源拓扑形式，只要其能够恒流驱动LED/LD即可适用；本电路中采用的滞回电压比较电路具备一定的抗干扰能力，能在开关电源驱动的LED/LD恒流源等复杂电磁环境条件下工作；能在较高的共模电压环境下实时检测LED/LD的工作情况，而且数字地与LED/LD的驱动电路地隔离，具有较好的电磁兼容性能和人机安全性；本电路的数字可编程器件具有功能可扩展、可灵活配置的特点，即该器件不仅可用于开路故障检测，还可充分挖掘，使其具备电源管理、实时监测各种环境参数等能力；若采用MCU作为数字可编程器件，还具有低功耗和低成本、产品开发速度快的优势。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多恒定电流驱动的LED和LD开路故障检测电路，其特征在于，包括：
前端电流信号提取电路，包括采样电阻和差动放大器；采样电阻与LED/LD串联；差动放大器的两输入端连接采样电阻的两端，差动放大器的输出端输出与采样电阻两端的电压成比例的电压；
基准电压产生电路，包括数字可编程器件、总线隔离器和数模转换器；数字可编程器件用于获取LED/LD所需恒定驱动电流信息，其通过总线接口与总线隔离器连接，总线隔离器与数模转换器连接，数模转换器的输出端输出幅值可变的模拟电压；
电压比较电路，包括电压比较器；电压比较器的两输入端分别与差动放大器的输出端和数模转换器的输出端连接，电压比较器的输出端输出高或低电平电压；
脉冲信号采集与处理电路，包括数字可编程器件；数字可编程器件用于对LED的调光PWM信号或LD的脉冲驱动信号的跳变沿进行延时处理，在延时的跳变沿时刻之后对电压比较器输出的电压进行判读，并根据判读结果决定是否报警；其中，LED的调光PWM信号或LD的脉冲驱动信号的跳变沿延时量大于恒定驱动电路的延时量、差动放大器处理差分电压信号的延时量、电压比较电路处理模拟信号的延时量三者之和；
开路故障报警电路，用于输出报警信号和信息。
2.根据权利要求1所述的多恒定电流驱动的LED和LD开路故障检测电路，其特征在于，电压比较电路还包括第一电阻和第二电阻，第一电阻连接差动放大器的输出端和电压比较器的同相输入端，第二电阻连接电压比较器的输出端和电压比较器的同相输入端，构成滞回电压比较电路。
3.根据权利要求2所述的多恒定电流驱动的LED和LD开路故障检测电路，其特征在于，滞回电压比较电路的高、低输入电压阈值均小于无开路故障发生情形下差动放大器输出的电压幅值。
4.根据权利要求1所述的多恒定电流驱动的LED和LD开路故障检测电路，其特征在于，差动放大器输出的电压与采样电阻两端的电压降呈同相比例或反相比例关系。
5.根据权利要求1所述的多恒定电流驱动的LED和LD开路故障检测电路，其特征在于，脉冲信号采集与处理电路还包括第一电平隔离器，LED的调光PWM信号或LD的脉冲驱动信号通过第一电平隔离器传递给数字可编程器件。
6.根据权利要求1所述的多恒定电流驱动的LED和LD开路故障检测电路，其特征在于，电压比较电路还包括第二电平隔离器，第二电平隔离器连接电压比较电路的输出端和数字可编程器件。
7.根据权利要求1所述的多恒定电流驱动的LED和LD开路故障检测电路，其特征在于，开路故障报警电路包括本地报警装置，本地报警装置为报警灯或蜂鸣器。
8.根据权利要求1所述的多恒定电流驱动的LED和LD开路故障检测电路，其特征在于，开路故障报警电路包括远程上传电路，远程上传电路通过数字可编程器件的串行通讯接口和外部总线将报警信息上传给远程设备。
9.一种多恒定电流驱动的LED和LD开路故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
将采样电阻与LED/LD串联，利用差动放大器采集采样电阻两端的电压，并输出与该电压成比例的电压；
数字可编程器件根据驱动LED/LD的恒定电流大小信息，利用数模转换器输出幅值可变的模拟电压；
利用电压比较器比较差动放大器输出的电压和数模转换器输出的模拟电压，并输出比较电压；
数字可编程器件获取LED的调光PWM信号或LD的脉冲驱动信号，并进行跳变沿延时处理；
数字可编程器件在延时的跳变沿时刻之后判读电压比较器输出的比较电压，并根据判读结果决定是否报警。
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