CN115474314B - 一种耐高压防反接led调光接口保护电路 - Google Patents

Abstract

一种耐高压防反接LED调光接口保护电路，包含如下，防反接模组包括MOS管M2，MOS管M2连接有电阻R6；压控恒流源模组包括电阻R1以及电阻R2，电阻R2与MOS管M1连接，MOS管M1与外部控制接口连接，MOS管M1通过电阻R3与电阻R2连接，MOS管M1与三极管Q1连接，三极管Q1与电阻R1连接，三极管Q1与B极之间有电阻R4，三极管Q1通过二极管DZ2以及电阻R5与MOS管M1连接。

Description

一种耐高压防反接LED调光接口保护电路

技术领域

本发明属于嵌入式数字通讯和电源技术领域，主要解决LED驱动电源调光兼数字通讯接口保护，让具有外接通讯接口的产品性能更完善的同时，提高产品在各种恶劣环境下的适应性。

背景技术

随着照明技术的不断进步，物联网技术不断推进，不具备调光控制的LED驱动电源已经满足不了照明领域的多元化需求，很多产品就进化出来具备外部调光和控制的功能接口，这类接口极大的丰富了驱动电源的控制模式，拓展了同类灯具产成品的运用场景。在需要灌胶密封的产品里，调光接口多数以两条引出线为产品形态。在实际使用环境下，不少客户接线不谨慎，经常会把它接到220V交流线路上，或者接到输出高线DC输出线上，引发产品故障。同时所述两条控制线不能接错，不能接反，会让产品使用在客户体验中极不友好。端子线抗ESD和抗浪涌能力也比较差。

目前的常用保护措施是用压敏、热敏、TVS瞬态放电二极管、自恢复保险丝等元件组成的端口线路保护。接入高压时通过热敏电阻或自恢复保险丝发热把高压降解在热敏电阻或自恢复保险丝上，因而体积比较大，成本也比较高，不容易集成到产品内部去。

综上所述，可见对应领域需要一种简化、高集成度和高通用性的接口保护解决方案。

除了上述需求，LED照明行业常用的多功能调光接口，还具有下列功能需求：

(1)兼容0-10V、PWM、外接电阻三种调光模式，三种外接信号需要无损到达产品内部电路，其中个别产品拓宽到0-24V模拟电压和PWM输入，也需要完全兼容。

(2)兼容数字信号传送、用于完成通过数字通讯方式调光、上传下发产品配置文件、固件更新升级等功能。

(3)兼容离线编程，在产品输入端不对产品供电的情况下，由编程工具通过端口向产品内部输送10-50毫安的编程电流，用以完成离线编程。

发明内容

本发明解决的核心问题是对LED驱动电源的调光接口和其他通讯接口进行耐高压，防反接以及耐浪涌防护。目的是提高产品的耐受性，让最容易损伤的接口不再脆弱，提高产品的品质，让产品适用于更苛刻的使用环境。

为实现上述目的，本技术方案如下：

一种耐高压防反接LED调光接口保护电路，包括与LED灯具电源内部调光接口连接的防反接模组，以及与外部控制接口连接的压控恒流源模组，所述防反接模组与所述压控恒流源模组连接；

所述防反接模组包括与LED灯具电源内部调光接口连接的MOS管M2，所述MOS管M2的S极连接有电阻R6，所述电阻R6的另一端与所述MOS管M2的G极连接；

所述压控恒流源模组包括与所述电阻R6连接的电阻R1以及电阻R2，所述电阻R2与MOS管M1的S极连接，所述MOS管M1的D极与外部控制接口连接，所述MOS管M1的G极通过电阻R3与所述电阻R2连接，所述MOS管M1的G极还与三极管Q1的C极连接，所述三极管Q1的E极与所述电阻R1连接，所述三极管Q1的E极与B极之间连接有电阻R4，所述三极管Q1的B极通过二极管DZ2以及电阻R5与所述MOS管M1的D极连接。

进一步的说，还包括过零检测模块，其包括光耦U1，所述光耦U1的A极与所述电阻R1连接，K极与所述电阻R4连接，C极用于接收电压并发送给MCU，E极接地。

进一步的说，所述电阻R6连接在LED灯具电源内部调光接口的接地端上，所述电阻R6与所述MOS管M2的S极连接，D极与外部控制接口的接地端连接，G极通过二极管DZ3与所述电阻R6连接，还通过电阻R8与LED灯具电源内部调光接口的正极端连接。

本申请有益效果为：

本电路能让对应接口耐受接入高达600V电压，并且搭配简易的压敏元件组成抗浪涌电路，可满足高达6KV的浪涌要求。电路能允许0-24V调光信号无损通过，兼容行业内最常用的三合一调光信号。以及在5-30V输入电压下，支持从外部控制接口向LED电源和灯具提供10-60mA的编程电流，用以满足LED电源和灯具输入端无供电也能编程的需求。本电路还具有反接保护功能，长时间反接高达600V的直流甚至是交流电压到电路输入口，电路也不会损坏。本电路还兼容通讯功能，双向通讯功能都不受影响。本发明方案有别于常规能量消耗和钳位阻拦的保护模式，采用柔化的限流和引导的低功耗模式，更有利于集成化和微型化处理。相比传统的同等功能的接口保护电路，体积显得十分小巧，在应用中极易集成到产品中，在不增加产品尺寸前提下提升产品品质。方案也可以运用到单片机输入输出引脚保护上，让原本脆弱易损的单片机输入输出引脚耐受能力提升到600V的等级，极大拓宽单片机的运用场景。

本申请利用耗尽型MOS管0栅压导通特性，实现对LED调光产品和类似产品的外接接口线路的保护，所述电路的加入能让产品的调光接口实现高达600V的正反向电压耐受能力，同时还具备如下兼容性：

(1)兼容0-10V、PWM、外接电阻三种调光模式，三种外接信号需要无损到达产品内部，其中个别产品拓宽到0-24V模拟电压和PWM输入，也能完全兼容。

(2)兼容数字信号传送、用于完成通过数字通讯方式调光、上传下发产品配置文件、固件更新升级等功能。

(3)兼容离线编程，在产品输入端不对产品供电的情况下，由编程工具通过端口向产品内部输送10-50毫安的编程电流，用以完成离线编程过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明实施例的方框结构示意图；

图2是本发明实施例的实施例一示意图；

图3是本发明实施例的实施例二示意图；

图4是本发明实施例的实施例三示意图；

图5是本发明实施例的过零检测应用示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参照图1-5所示，一种耐高压防反接LED调光接口保护电路，包括与LED灯具电源内部调光接口连接的防反接模组，以及与外部控制接口连接的压控恒流源模组，所述防反接模组与所述压控恒流源模组连接；

所述防反接模组包括与LED灯具电源内部调光接口连接的MOS管M2，所述MOS管M2的S极连接有电阻R6，所述电阻R6的另一端与所述MOS管M2的G极连接；

所述压控恒流源模组包括与所述电阻R6连接的电阻R1以及电阻R2，所述电阻R2与MOS管M1的S极连接，所述MOS管M1的D极与外部控制接口连接，所述MOS管M1的G极通过电阻R3与所述电阻R2连接，所述MOS管M1的G极还与三极管Q1的C极连接，所述三极管Q1的E极与所述电阻R1连接，所述三极管Q1的E极与B极之间连接有电阻R4，所述三极管Q1的B极通过二极管DZ2以及电阻R5与所述MOS管M1的D极连接。

本电路的技术方案核心是组建压控可变恒流值的恒流源，恒流源在外部施加的电压不超过预定值之前，接口允许通过比较大的电流，而当端口施加的电压超过预定值之后，接口允许通过的电流大幅度降低，以维持在端口加载高电压的时候，恒流源模组不至于过热损坏。我们拟定这个电压阈值为5-30V之间的某个值，例如为12V。所述恒流源两端电压低于此阈值时，恒流源恒流在某个比较大的电流值,例如20毫安。而当恒流源两端电压超过此阈值时，所述电路的恒流源将恒流工作在另一个更低的电流值，比如1毫安。那么当端口加载12-600V电压时，整个回路最大功耗也才0.6W，长时间工作也不会过热。所述压控可变恒流值的恒流源模组类似功能也许已有一种或多种专利方案，但是一般的方案使用了带导通阈值的元件，那么就会阻碍0V附近1V以内的部分调光信号通过，所以无法满足LED调光应用场景。

本发明采用了耗尽型MOS管来组建电路，耗尽型MOS管具有0栅极电压导通，负栅极电压关断的特性。所以当低电压的调光信号经过时，电路体现出纯电阻的特性，没有三极管和二极管以及增强型MOS管的阈值特点，因而兼容了0-1V段的低电压幅度调光。而普通的二极管三极管以及增强型MOS管最低要0.5V的驱动电压才能导通，因而阻断了0-0.5V段的调光信号。耗尽型MOS管在0栅极驱动电压下，呈现纯电阻特性，调光信号是电压型信号，只需要传递很小的信号电流，在导通沟道电阻上产生极小的压降，因而所述电路让全范围调光信号基本是无损通过。

本电路还包括防反接模组，该防反接模组也采用了耗尽型MOS搭建，反接输入的时候，它处于低电流恒流模式，只允许通过极小电流，长时间反接都不会损坏，从而达到防反接效果。同时防反接模组有别于其他防反接电路，它具有纯电阻导通特性，不需要信号电压幅度超过某阈值才能通过。

本电路能让对应接口接入高达600V电压都不损坏，并且搭配简易的压敏元件组成的电路，可满足高达6KV的浪涌要求。电路能允许0-24V调光信号无损通过，兼容行业内最常用的三合一调光信号。以及在5-30V输入电压下，支持从外设向LED驱动电源提供10-60mA的编程电流，以满足驱动电源输入端无供电也能编程的需求。本电路还具有反接保护功能，长时间反接高达600V的直流甚至是交流电压到电路输入口，电路也不会损坏。本电路还兼容通讯功能，双向通讯功能都不受影响。同时本电路采用微型化方案，用比较小的元件封装,相比传统的同等功能的接口保护电路，体积显得十分小巧，节省了难能可贵的产品内部空间。

如图1所示，电路由两个核心模组组成，分别为防反接模组和压控恒流源模组。所述电路还包括LED灯具电源内部调光接口和外部控制接口。LED灯具电源内部调光接口负责连接LED灯具驱动电源内部的调光控制芯片或内嵌的MCU电路。外部控制接口负责连接外部的调光控制器或编程器。

图1展示本发明电路内部的示意性框图，由LED灯具电源内部调光接口、防反接模组、压控恒流源模组、外部控制接口单元组成。调光或编程信号从外部控制接口接入，经过压控恒流源模组、防反接模组然后到达LED灯具内部调光接口。

其中压控恒流源模组分两段工作状态，当模组两端加载电压低于设定的阈值，它会恒流工作在比较大的电流值上。用于通过外部编程器对灯具电源提供编程电流。而当压控恒流源模组两端电压大于设定阈值的时候，该模组工作在比较低的恒流值，因此限制了高压状态下的流通电流，也就限制了发热量，保证模组电路安全的同时也保护了LED电源和灯具。

而防反接模组的特点是虽然反向电流允许流过，但是做了限流处理，只允许通过比较小的电流，因而反接时电路是安全的。其最重要的特征是，正向接入电压时它对调光信号呈现纯电阻特性，没有导通阈值，因此对小幅度调光信号特别友好。

如图2所示，本图为实施例一，由两个核心模组和辅助接口电路组成。虚线框2内的电路组成防反接核心模组 ，虚线框3内的电路组成另一核心模组 压控恒流源模组。虚线框1的辅助接口电路连接到LED灯具驱动的产品内部控制芯片，虚线框4组成的接口负责连接外部控制电路。

所述核心模组电路的工作原理如下：

虚线框2组成的模组具有防反接功能，当外部接口接入正向电压时，该模组通过耗尽型沟道特性，给小幅度0-1V信号电压提供完全电阻性的通道，不会产生导通阈值阻碍小幅度信号通行。当外部控制接口接入反向电压时，电流方向从M2的D级流向S极，从R6流出，此时电路并不完全阻止反向电流流通，而是处于小电流恒流模式。当R6上产生的左正右负电压幅度达到M2的栅极夹断电压Vth时，M2的漏源沟道会被夹断，所示实际上，电路允许反向流过的电流为：

Imax<Vgth/R6;

其中Vgth为耗尽型MOS管M2的栅极夹断电压值。

此时较小的电流让模组的发热得到有效控制，同时较小的电流也被内部端口的DZ1吸收掉，不会产生不良情况。

虚线框3组成的模组具有压控功能的恒流源，在不同的外部电压下，呈现不同的恒流特性：当外部电压低于DZ2稳压值和Q1发射结正向电压之和时，Q1组成的开关不导通，M1工作在比较高的恒流值上。其值为：

Imax<Vgth/R2.

其中Vgth为耗尽型MOS管M1的栅极夹断电压。

此时比较高的恒流值保证了灯具产品输入端不接入市电时，也能从调光接口流入足够的电流让产品内部的单片机正常工作完成编程功能。

当外部电压高于DZ2稳压值和Q1发射结正向电压之和时，Q1组成的开关管导通，M1的栅极G被连接至电位更负的R1左端，此时恒流源M1工作在比较低的恒流值上，其值为：

Imin<Vgth/(R1+R2).

其中Vgth为耗尽型MOS管M1的栅极夹断电压值。

此时比较低的导通电流让模组加载高压时，发热量得到有效控制，保障了保护电路自身的安全，也避免高电压和电流从外部控制接涌入LED灯具中，保证了产品的安全。

图2展示本发明电路的内部原理，虚线框2展示的是防反接模组，由耗尽型MOS管M2和电阻R6组成。当外部控制接口接入正向电压时，M2初始从0栅压也即R6上的电压导通，如果是弱控制信号，信号电流主要走M2的沟道电阻通过，此时R6上产生的电压会施加给M2的栅极形成正栅压，正栅压会进一步让沟道导通电阻变小，允许更大电流通过。如果外部控制接口接入正向强冲击电压，电流也会走M2的体二极管。而当外部控制接口接入反向电压时，M2承受的是左正右负的电压，初始时M2的栅源电压为0，形成导电沟道，当电流进一步上升，在R6上产生左正右负的电压，此电压会加载到M2的D-S极，该电压幅度达到M2的夹断控制电压时，M2就倾向于关断。最终，在外部控制接口接入反相电压时，M2会限制通过的电流，其值Imax < Vgth/R6;公式中Vgth为M2的夹断阈值，它产生于R6上，加载到M2的G-S极之间作用于M2的沟道电阻。因而限制了反接时的电流，也就控制了回路的发热量，因而保护了整个回路。较低的电流会流经DZ1旁路掉，不会进入LED电源和灯具引发别的故障。

虚线框2模组组成的防反接模组的最大特征是利用反接时的限流特性来完成反接保护，同时有别于其他反接保护，它利用耗尽型MOS的0栅压导通，让小幅度的控制信号无损通过。而常规的防反接电路，用了带导通阈值的二极管或MOS，0-0.5V电压信号基本无法通过。

请参阅图2的虚线框3，虚线框3部分组成压控恒流源模组，由R1、R2、M1、R3、Q1、R4、DZ2、R5组成，R1的一端于Q1的E极连接，还与R4连接，另一端与R2、R3连接。所述R2的另一端与M1的S极连接，所述R3的另一端与M1的G极连接，还连接到Q1的C极。所述的M1的D极连接到R5,还连接到外部控制端口的DIM+IN引脚。所述的R5另一端与DZ2连接，所述DZ2的另一端与Q1的B极连接，同时连接到所述R4的另一端。所述的压控恒流源模组电路，它具备一个电压阈值和两个电流恒流值。电压阈值等于DZ2的稳压值加上Q1的发射结电压VBE。所述两个电流恒流值分别为Imin=Vgth/(R1+R2),Imax=Vgth/R1;式中Vgth为耗尽型MOS管M1的夹断电压。当外部施加电压低于电压阈值时，恒流源允许通过比较大的电流Imax,当外部施加电压高于电压阈值时，恒流源允许通过比较小的电流小于Imin.当施加比较低电压时，恒流源允许通过的电流高达10-50mA,能完成离线编程的功能。当施加电压比较高时，恒流源只允许通过1mA以下电流，让发热量得到控制，因而电路能承受高达600V的电压。

请参考图3，实施例二，所述电阻R6连接在LED灯具电源内部调光接口的接地端上，所述电阻R6与所述MOS管M2的S极连接，D极与外部控制接口的接地端连接，G极通过二极管DZ3与所述电阻R6连接，还通过电阻R8与LED灯具电源内部调光接口的正极端连接。

本实施例利用了LED灯具内部端口阻抗RL来代替图2实施例中的R2，因为RL的阻抗值相对比较大，所以限流值Imin可以设计成很小，进一步降低了外部控制接口接入高压时的功耗。同时R2没有串联在原来位置上，会让通讯和离线编程供电更顺畅。反接保护部分一样利用了RL+R6取代原来R6的功能，因为前者阻抗值相对比较大，反接时允许流通的电流值就更低。同时R6可以换阻值更低的电阻，这样对编程和通讯影响就更小。具体工作原理与图2同理。

请参阅图4，图4是本发明用于LED电源调光接口的一种简化应用。虚线框内是主体电路，简化到只用6个元件。压控恒流源反过来由虚线框左侧的端口电压控制，当该电压超过D1正向压降+DZ1的稳压值时，负压加载到M1的栅源上，让M1受控恒流于极低的电流值上，从而实现接入高电压保护。防反接保护通过增加的D1和内置的D2,D3阻断，此时虽然还有R4和R6的导通路径，所述R4和R6的阻值高达数百KΩ，承受反接电压高达400-600V也不会过热。因而反接时电路也是安全的。

请参考图5，还包括过零检测模块，其包括光耦U1，所述光耦U1的A极与所述电阻R1连接，K极与所述电阻R4连接，C极用于接收电压并发送给MCU，E极接地。图5就是采用了本方案的压控恒流源模组来解决能耗过高的问题。通过压控恒流源模组选择性地控制光耦电流，我们让市电过零点附近的时候，光耦得到数毫安电流充分导通，而市电电压随正弦波规律升高到一定阈值，转而用极低电流来驱动光耦，从而达到降低功耗的目的。

本申请结合附图可以轻而易举得到本方案用于单片机输入输出引脚的运用图，此处不再列举。运用在单片机输入输出引脚上时，让原本脆弱易损的单片机输入输出引脚耐受能力提升到600V的等级，极大拓宽单片机的运用场景。

本电路通过反接时限流工作来达到保护效果，并且它有别于其他防反接电路，它对小幅度信号友好，让信号无损通过。还包含一个压控恒流源模组，该模组有一个特征电压阈值，外部加载电压低于此阈值时，电路工作在电流值比较大的恒流模式，外部加载电压高于此阈值，电路工作在电流值比较小的恒流模式。该模组通过可变恒流来达到承受600V端口电压的效果。同时该模组一样具有对小幅度信号友好的特征，让小幅度信号无损通过。

压控可变恒流源在加载低压时通过电流大，而加载高压时通过电流小。模组由R1、R2、M1、R3、Q1、R4、DZ2、R5组成，R1的一端于Q1的E极连接，还与R4连接，另一端与R2、R3连接。所述R2的另一端与M1的S极连接，所述R3的另一端与M1的G极连接，还连接到Q1的C极。所述的M1的D极连接到R5,还连接到外部控制端口的DIM+IN引脚。所述的R5另一端与DZ2连接，所述DZ2的另一端与Q1的B极连接，同时连接到所述R4的另一端。所述的压控恒流源模组电路，它具备一个电压阈值和两个电流恒流值。电压阈值等于DZ2的稳压值加上Q1的发射结电压VBE。所述两个电流恒流值分别为Imin=Vgth/(R1+R2),Imax=Vgth/R1;式中Vgth为耗尽型MOS管M1的夹断电压。当外部施加电压低于电压阈值时，恒流源允许通过比较大的电流Imax,当外部施加电压高于电压阈值时，恒流源允许通过比较小的电流小于Imin.当施加比较低电压时，恒流源允许通过的电流高达10-50mA,能完成离线编程的功能。当施加电压比较高时，恒流源只允许通过1mA以下电流，让发热量得到控制，因而电路能承受高达600V的电压。

所述防反接模组内部特征为：由耗尽型MOS管M2和电阻R6组成。当外部控制接口接入正向电压时，M2初始栅源电压等于R6上的电压为0，会控制M2导通，如果是弱控制信号，信号电流主要走M2的沟道电阻通过，此时R6上产生的电压会施加给M2的栅极形成正栅压，正栅压会进一步让沟道导通电阻变小，允许更大电流通过。如果外部控制接口接入正向强冲击电压，电流也会走M2的体二极管。而当外部控制接口接入反向电压时，M2承受的是左正右负的电压，初始时M2的栅源电压为0，形成导电沟道，当电流进一步上升，在R6上产生左正右负的电压，该电压会加载到M2的G-S极，幅度达到M2的夹断控制电压时，M2就倾向于关断。最终，在外部控制接口接入反相电压时，M2会限制通过的电流，其值Imax < Vgth/R6;公式中Vgth为M2的夹断阈值，它产生于R6上，加载到M2的G-S极之间作用于M2的沟道电阻。因而限制了反接时的电流，也就控制了回路的发热量，因而保护了整个回路。较低的电流会流经DZ1旁路掉，不会进入LED灯具引发别的故障。所述防反接模组的最大特征是利用反接时的限流特性来完成反接保护，同时有别于其他反接保护，它利用耗尽型MOS的0栅压导通，让小幅度的控制信号无损通过。而常规的防反接电路，用了带导通阈值的二极管或MOS，0-0.5V电压信号基本无法通过。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请实施的范围，其他凡其原理和基本结构与本申请相同或近似的，均在本申请的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种耐高压防反接LED调光接口保护电路，其特征在于，包括与LED灯具电源内部调光接口连接的防反接模组，以及与外部控制接口连接的压控恒流源模组，所述防反接模组与所述压控恒流源模组连接；

所述防反接模组包括与LED灯具电源内部调光接口连接的MOS管M2，所述MOS管M2的S极连接有电阻R6，所述电阻R6的另一端与所述MOS管M2的G极连接；

所述压控恒流源模组包括与所述电阻R6连接的电阻R1以及电阻R2，所述电阻R2与MOS管M1的S极连接，所述MOS管M1的D极与外部控制接口连接，所述MOS管M1的G极通过电阻R3与所述电阻R2连接，所述MOS管M1的G极还与三极管Q1的C极连接，所述三极管Q1的E极与所述电阻R1连接，所述三极管Q1的E极与B极之间连接有电阻R4，所述三极管Q1的B极通过二极管DZ2以及电阻R5与所述MOS管M1的D极连接。

2.根据权利要求1所述的一种耐高压防反接LED调光接口保护电路，其特征在于：还包括过零检测模块，其包括光耦U1，所述光耦U1的A极与所述电阻R1连接，K极与所述电阻R4连接，C极用于接收电压并发送给MCU，E极接地。

3.根据权利要求1所述的一种耐高压防反接LED调光接口保护电路，其特征在于：所述电阻R6连接在LED灯具电源内部调光接口的接地端上，所述电阻R6与所述MOS管M2的S极连接，D极与外部控制接口的接地端连接，G极通过二极管DZ3与所述电阻R6连接，还通过电阻R8与LED灯具电源内部调光接口的正极端连接。

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