TW201330689A - 發光二極體驅動器保護電路 - Google Patents

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Abstract

一種例示性發光二極體(LED)驅動器電路係基於使用返馳拓撲之過渡模式功率因數校正積體電路。此LED驅動器電路以通用輸入電路為特徵，該通用輸入電路具有各種故障及突波保護、輸出電路開路負載及短路保護、以及主變壓器超溫保護。

Description

發光二極體驅動器保護電路 相關申请案之交互參照
本申請案係2011年12月1日申請的名為LED Driver Protection Circuit之美國臨時專利申請案61/565,507之非臨時申請案，該美國臨時專利申請案以引用方式全部併入本文中。
發明領域
本發明係關於用於發光二極體(LED)照明之驅動器電路，且尤其係關於用於LED照明之驅動器電路之保護態樣。
用於LED照明之一個類型之驅動器電路利用功率因數校正(power factor correction；PFC)控制器及返馳式轉換器，該功率因數校正控制器例如為以過渡模式操作的電流模式PFC控制器，而該返馳式轉換器給多個LED提供隔離的電源。
希望為利用PFC控制器的LED驅動器電路提供各種電路保護特徵，而不必增添昂貴的電路元件或複雜性，否則會增加實施由先前技術揭示之典型電路保護方案之成本。
本發明可包含隨附申請專利範圍中所敘述之特徵中之一或多者，及/或以下特徵中之一或多者，及其組合。
一種例示性LED驅動器電路係基於使用返馳拓撲之過渡模式功率因數校正控制器(power factor correction controller；PFC)積體電路。該LED驅動器電路以通用輸入電路為特徵，該通用輸入電路具有各種故障及突波保護、輸出電路開路負載及短路保護、以及主變壓器超溫保護。
在考慮以下對例示性實施例之詳細描述之後，本發明之額外特徵對於熟習此項技術者而言將變得顯而易見。
C12‧‧‧電容器/電解輸出電容器
C24、C32、C6‧‧‧電容器
D1a~D1d‧‧‧整流器電橋二極體/二極體
D3‧‧‧二極體
D5‧‧‧輸出整流器二極體
F1‧‧‧保險絲
L1‧‧‧EMI濾波電感器
V1‧‧‧可變電阻器
R2‧‧‧湧流限制裝置/NTC熱敏電阻器
R1、R2a、R2b、R3、R32、R34、R5、R7、R8、R9、R20a、R20b、R25b1、R25b2、R100‧‧‧電阻器
R4、R4b‧‧‧電阻器/PTC熱敏電阻器
R20、R21‧‧‧電阻器/電壓分配器電阻器
R25‧‧‧電阻器/電流感測電阻器
R26b‧‧‧NTC熱敏電阻器/電阻器
U1‧‧‧過渡模式PFC控制器IC
U2‧‧‧光耦合器
U2a‧‧‧輸入側
U2b‧‧‧輸出側/光耦合器輸入
U4‧‧‧恆定電壓、恆定電流次級控制器積體電路
Q1‧‧‧MOSFET
T1‧‧‧升壓式變壓器/變壓器/主變壓器
Np‧‧‧一次繞組
Na‧‧‧輔助繞組
Na2‧‧‧變壓器輸出
Ns‧‧‧二次繞組
1~3、5~6‧‧‧接腳
LED+、LED-‧‧‧驅動器電路輸出
詳細描述特定參照隨附圖式，圖式中：圖1A及圖1B為根據本發明之LED驅動器電路之示意圖，圖1A圖示輸入電路且圖2B圖示隔離的輸出電路；圖2為圖1A及圖1B之LED驅動器電路之電力線輸入及EMI部分之示意圖；圖3為圖1A及圖1B之LED驅動器電路之IC U4之說明性接腳佈局圖；圖4為圖1A及圖1B之IC U4之說明性電壓調整及電流調整控制曲線之圖表；圖5為圖1A及圖1B之LED驅動器電路之輸出電路部分之第一實施例的示意圖；以及圖6為圖1A及圖1B之LED驅動器電路之輸出電路部分的第二實施例之示意圖，該輸出電路部分具有超溫保護。
為了促進及理解本發明之原理，現將參照圖式中所圖示之一或多個說明性實施例，且將使用特定語言來描述該一或多個說明性實施例。
具有返馳變壓器之LED驅動器概述
參照圖1A及圖1B，示出用於LED照明之驅動器電路之說明性實施例的示意圖。圖1A中所示之驅動器電路之PFC輸入電路部分係基於過渡模式PFC控制器IC U1，例如L656x系列IC，例如L6562A，可購自德州Coppell市及瑞士日內瓦市之STMicroelectronics公司。驅動器電路使用返馳式轉換器拓撲且適應120 Vac至277 Vac之電力線輸入電壓。
參照圖1A，升壓式轉換器連接至整流器電橋二極體D1a、D1b、D1c及D1d之輸出。返馳開關包含MOSFET Q1且係由IC U1驅動。升壓式變壓器T1提供介於一次繞組Np與二次繞組Ns(圖1B)之間的耦合。二極體D3及R32/C32電路在Q1斷開時箝制峰值漏電感電壓尖波。
在啟動之後，IC U1係跨越電容器C6由電路電壓供應VCC供電，該電容器C6係經由電阻器R1、R2a及R2b由線整流DC電壓VDC充電。變壓器T1之輔助繞組Na及相關元件可用來在正常操作期間為IC U1產生15V的VCC。
電阻器R3亦連接至輔助繞組Na以將變壓器信號提供至IC U1之L656x電流感測(ZCD)接腳，從而在每切換週期接通MOSFET Q1。電阻器R34感測流入至變壓器一次側之電流。一旦電流感測接腳ZCD處之信號已達到由L656x 之內部乘法器所規劃之位準，則MOSFET Q1斷開。由電阻器R7/R8/R9及R5形成之電壓分配器(voltage divider)給IC U1之乘法器(multiplier；MULT)接腳提供瞬時電壓資訊，該瞬時電壓資訊用來調變流入至變壓器T1一次側之電流。IC U2a/b為光耦合器。輸入側U2a位於電路之PFC/輸入電路部分中(圖1A)，且輸出側U2b位於LED驅動器電路之輸出電路部分中(圖1B)。光耦合器U2將控制信號自LED驅動器電路之輸出電路部分傳輸至LED驅動器電路之PFC/輸入電路部分，例如傳輸至INV接腳，即IC U1之誤差放大器之反相輸入，該INV接腳亦兼做接通/斷開控制輸入。
返馳LED驅動器控制電路概述
參照圖1B，耦合至升壓式變壓器T1之二次繞組Ns之輸出整流器二極體D5係快速復原型二極體。電容器C24係跨越輸出而耦合以濾除高頻漣波。輸出電壓漣波頻率為輸入之兩倍，量測為120 HZ。所得電壓漣波在LED燈處小於3.0%，且穿過LED燈之電流漣波約為20%。
至PFC IC U1之輸出電壓及電流反饋係由光耦合器U2a/b提供。光耦合器輸入U2b係由IC U4之控制輸出亦即OUT接腳5(圖3)所驅動，該IC U4係恆定電壓、恆定電流次級控制器積體電路U4，例如可購自德州Coppell市及瑞士日內瓦市之STMicroelectronics公司的SEA05。IC U4包含雙重控制迴路以執行電流控制及電壓控制(CC及CV)調節。IC U4整合了電壓基準、兩個運算放大器及低側電流感測電路。控制輸出(OUT接腳5)為兩個內部運算放大器之共同開 路汲極輸出，且Vcc接腳6為IC U4之電壓供應。
使用電阻器R21及R20/R20b來提供輸出電壓感測，該等電阻器R21及R20/R20b形成電壓分配器電路，該電壓分配器電路之中點耦合至IC U4的Vctrl輸入(SEA05之接腳3)以感測可用來驅動LED燈之輸出電壓。Vctrl為IC U4之電壓迴路運算放大器之反相輸入。使用電阻器網路R25、R25b1、R25b2來提供輸出電流感測，該電阻器網路R25、R25b1、R25b2耦合至IC U4的Ictrl輸入(SEA05之接腳4)，以用於低側電流感測。Isense(IC U4之接腳1)為電流迴路運算放大器之反相輸入。GND(IC U4之接腳2)為接地，裝置之偏壓電流之返回，且GND為所有電壓提供0 V基準。
電路輸入保護特徵
參照圖2，圖示LED驅動器電路之電力線輸入及EMI部分。電力輸入電路包含保險絲F1、EMI濾波電感器L1及相關的電容器、可變電阻器V1、湧流限制裝置R2，以及使用二極體D1a、D1b、D1c及D1d之整流器電橋。
輸入電路提供各種故障保護及突波保護。保險絲F1係與輸入電力線串聯而提供，且因此防止驅動器電路內之短路故障造成輸入電力線短路。可變電阻器V1電耦合於電力線輸入與中性輸入之間，且保護電路免於電壓突波。為支援通用電力線輸入特徵，可使用額定電壓為320 V之可變電阻器。
湧流限制裝置R2可為負溫度係數(Negative Temperature Coefficient；NTC)熱敏電阻器。例如，在將電 力供應至驅動器電路之前，NTC熱敏電阻器R2之溫度約為室溫，且NTC熱敏電阻器具有高電阻值；因此，當首次供應電力且驅動器電路起動時，NTC熱敏電阻器限制電力線電流。在啟動之後，NTC熱敏電阻器R2之溫度上升且其電阻值減少；因此，由NTC熱敏電阻器R2引起之電力損失減少。當驅動器電路首次起動時，NTC熱敏電阻器R2可因此減少電力線湧流電流。
電路輸出保護特徵
參照圖5，圖示LED驅動器電路之輸出部分之第一說明性實施例，輸出電壓及電流反饋被提供至光耦合器U2之輸入，該光耦合器U2由IC U4之OUT接腳5驅動。IC U4之電壓調節功能用來在開路情況下限制輸出電壓。且IC U4之電流調節功能用來將恆定電流提供至LED燈，該等LED燈連接至驅動器電路。當等效負載電阻增加至特定值以上時，自驅動器電路至LED燈之電流將減少。圖4圖示在正常狀況下IC U4之恆定電流CC及恆定電壓CV控制曲線。
在LED驅動器電路負載(輸出LED+及LED-)為開路之情況下，為了安全，可將輸出電壓限制於預定值。例如，在圖5中所示之說明性實施例中，典型LED燈係額定為36 V及720 mA。將電阻器R20與電阻器R21之間的接合點提供至IC U4之Vctrl，用來感測輸出電壓，且因此由驅動器電路提供之輸出電壓取決於包括電阻器R20及R21之電壓分配器電路。基於正常LED燈額定，電阻器R20及R21之值可經選擇以在輸出為開路且因此不提供負載時提供45 Vdc之 最高輸出電壓。
圖5中所示之驅動器電路之輸出部分亦將受控恆定電流提供至LED燈。電流感測電阻器R25與供應至LED燈之負輸出LED-串聯。在說明性實施例中，電阻器R25之值為0.10歐姆(1%)。為了對驅動器輸出進行精確的電流感測，分配器電路經選擇以提供所要的輸出電流，該分配器電路具有與電流感測電阻器R25並聯地耦合的電阻器R25b1及R25b2。
說明性IC U4使用50mV來進行電流感測。720 mA燈之額定燈電流之感測電阻器因此被判定為50 mV/0.72 A=69.4毫歐姆。由於難以找到此低值及精確的感測電阻器，與電流感測電阻器R25並聯之兩個電阻器R25b1及R25b2經選擇以提供所要的電阻，該所要的電阻在流過電阻器R25之電流為720 mA時提供50 mV。例如，電阻器R25b1+R25b2之總值可為電阻器R25之值的約100倍。
輸出短路保護亦由IC U4提供。當可使LED負載短路時，關於驅動器電路有兩個不同時間：在驅動器電路已起動之前使輸出短路，及在驅動器電路已起動之後使輸出短路。雖然為15歐姆的電阻器R100對IC U4提供一些保護，但是需要更多的短路保護。
若在LED驅動器電路已起動之前使驅動器電路輸出(LED+及LED-)上之負載短路，在圖5之輸出電路中，則將不供應電力至IC U4的VCC接腳以用於其正常工作。為解決此問題，可將額外或替代的電力源提供至IC U4的VCC 接腳，如在圖1B之下部分中所圖示。詳言之，當在其他情況下無法自圖1A中所示之輸入電路獲得電力時，變壓器輸出Na2及相關元件將DC電力提供至IC U4的VCC，以便IC U4在輸入電路起動時可操作，因此在LED驅動器電路啟動時提供輸出短路保護。
若在驅動器電路已起動之後使驅動器電路輸出(LED+及LED-)上之負載短路，則電容器C12之快速放電及所得過高電流成為風險。圖5中所示NTC熱敏電阻器R26b之增添，提供保護以免於此風險。為獲得在驅動器電路已起動之後的穩定狀態操作，通常將電解輸出電容器C12(1000 uF，50V)充電至約36 Vdc。
若輸出短路在驅動器電路已正常起動之後產生，則接收來自電容器C12之電荷之總正常電路電阻約為0.2歐姆，因此，初始短路電流可約為180 A。此過高電流值可能造成電弧(arcing)。增添與輸出LED+串聯之NTC熱敏電阻器R26b大體上降低電弧電流。例如，在1歐姆NTC熱敏電阻器R26b之情況下，初始短路電流減少至36V/1.2歐姆=30A，約為初始值之17%。對於正常驅動器電路操作，在電路啟動及繼續操作之後，NTC熱敏電阻器R26b之溫度增加，且由熱敏電阻器R26b引起之電力損失大體上減少。
圖6為第二說明性輸出電路之示意圖，該第二說明性輸出電路併入超溫保護(over temperature protection；OTP)，該超溫保護係由對變壓器T1之溫度之增加作出回應的元件促成。電壓分配器電阻器R21、R20，以及電阻器R20a 及R20b以及PTC熱敏電阻器R4及R4b提供OTP功能。在沒有提供OTP之熱敏電阻器之情況下，輸出電路等效於跨越電阻器R20b之短路。如以上所論述，電阻器R20及R21提供電壓反饋分配器，且經選擇以提供45 Vdc之最高輸出電壓。
熱敏電阻器R4及R4b可與變壓器T1熱耦合。在超溫情形下，當變壓器T1之溫度上升時，跨越熱敏電阻器R4及R4b之電阻值增加。在正常(室內)操作溫度下，熱敏電阻器R4及R4b之電阻在幾百歐姆之範圍內，或更小。當熱敏電阻器溫度升高時，熱敏電阻器R4及R4b之電阻可上升為幾百千歐姆。
假定電阻器R20a=0歐姆，且電阻器R20b斷開，PTC熱敏電阻器R4及R4b在低溫下提供電流分配器電路，且PTC熱敏電阻器R4及R4b之電阻在低溫下足夠低以便不影響分配器電路。在此低溫/正常溫度狀況下，電路之電壓輸出因此被限制於45Vdc；然而，當溫度上升且達到特定等級時，R20+R4之電阻增加，引起LED輸出電壓之減少，且因此，電流及電力輸出亦減少。隨著至LED燈之輸出電力減少，LED燈及驅動器電路兩者將經歷溫度下降。
例如，熱敏電阻器R4可為通孔型且安裝在主變壓器T1附近，且熱敏電阻器R4b可為SMD型且安裝在主變壓器T1下方之PCB上。熱敏電阻器R4及R4b在驅動器電路中提供冗餘以避免可能的故障模式。
有利的是，因為熱敏電阻器R4及R4b可為離散值，所以電阻器網絡(R20、R20a、R20b、R4及R4b)之電阻 將提供如下優點：單元間的變化較小，以利於大量生產時之熱效能。
雖然已在前述圖式及描述中說明且詳細描述了本發明，但是應將其視為說明性而非限制性的，將理解，本文僅圖示且描述了本發明之說明性實施例，且希望保護屬於如本文中所定義之本發明之精神及範疇內的此項技術中已知之所有等效物及所有變化以及修改。
C12‧‧‧電容器/電解輸出電容器
C24‧‧‧電容器
D5‧‧‧輸出整流器二極體
R4‧‧‧電阻器/PTC熱敏電阻器
R4b‧‧‧PTC熱敏電阻器/電阻器
R20‧‧‧電阻器/電壓分配器電阻器
R20a、R20b、R25b2‧‧‧電阻器
R21‧‧‧電阻器/電壓分配器電阻器
R25‧‧‧電阻器/電流感測電阻器
R26b‧‧‧NTC熱敏電阻器/電阻器
T1‧‧‧升壓式變壓器/變壓器/主變壓器
Na2‧‧‧變壓器輸出
Ns‧‧‧二次繞組
1~3、5~6‧‧‧接腳
LED+、LED-‧‧‧驅動器電路輸出
R25b1、R25b2‧‧‧電阻器
R100‧‧‧電阻器
U2b‧‧‧輸出側/光耦合器輸入
U4‧‧‧恆定電壓、恆定電流次級控制器積體電路

Claims (12)

  1. 一種發光二極體(LED)驅動器電路，其包含：一返馳式轉換器，其具有一輸入電路及一輸出電路；一功率因數校正(power factor correction；PFC)控制器，其與該輸入電路相關聯且具有一控制輸入；以及一恆定電壓及恆定電流次級控制器，其與該輸出電路相關聯，且該次級控制器之一輸出將一控制信號提供至該PFC控制器之該控制輸入；其中對該輸出電路之一輸出之電流控制及電壓控制調節係由該PFC控制器及該次級控制器之操作提供。
  2. 如請求項1之LED驅動器電路，其更包含一光耦合器，該光耦合器耦合該次級控制器之該輸出與該PFC控制器之該控制輸入，藉以在該輸入電路與該輸出電路之間提供隔離。
  3. 如請求項2之LED驅動器電路，其中該次級控制器更在跨越該輸出電路之一輸出之開路的情況下提供跨越該輸出之一選定最高輸出電壓。
  4. 如請求項3之LED驅動器電路，其更包含一電阻性電壓分配器，該電阻性電壓分配器跨越該輸出電路之該輸出而耦合，該電阻性電壓分配器之中點節點係耦合至該次級控制器之一電壓控制輸入，為該電阻性電壓分配器選擇之值提供該選定最高輸出電壓。
  5. 如請求項2之LED驅動器電路，其中該次級控制器在一 超溫狀況下進一步提供該輸出電路之輸出電力的減少。
  6. 如請求項5之LED驅動器電路，其更包含至少一個正溫度係數熱敏電阻器，該至少一個正溫度係數熱敏電阻器耦合於該電阻性電壓分配器與一接地點之間；且其中溫度之一升高增加電阻且增加由該次級控制器感測之在該電壓分配器上之電壓，藉以掌控該輸出電壓之一下降及輸出電力之減少。
  7. 如請求項6之LED驅動器電路，其中該返馳式轉換器更包括一變壓器，且該至少一個正溫度係數熱敏電阻器與該變壓器熱耦合。
  8. 如請求項6之LED驅動器電路，其中該至少一個正溫度係數熱敏電阻器包括並聯耦合之至少兩個正溫度係數熱敏電阻器，藉以提供冗餘的超溫保護。
  9. 如請求項2之LED驅動器電路，其中：該輸出電路更包含一電壓供應電路，該電壓供應電路將電力提供至該次級控制器；且該次級控制器經供電且在該驅動器電路之輸入部分啟動之前及啟動期間提供輸出電流限制短路保護。
  10. 如請求項9之LED驅動器電路，其更包含一負溫度係數熱敏電阻器，該負溫度係數熱敏電阻器與該輸出電路之一輸出串聯耦合，該熱敏電阻器在跨越該輸出電路之該輸出之短路的情況下提供新增電阻以限制電流輸出。
  11. 如請求項2之LED驅動器電路，其中該功率因數校正控制器使用電流模式控制。
  12. 如請求項2之LED驅動器電路，其中該輸入電路更包括短路保護、突波保護及啟動湧流電流限制保護。
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