负载开路检测电路与具有该负载开路检测电路的LED驱动器的制作方法

负载开路检测电路与具有该负载开路检测电路的led驱动器
技术领域
1.本发明是关于电子电路的技术领域，尤指用以应用在具有pwm调光功能的led驱动器中的一种负载开路检测电路。


背景技术：

2.众所周知，发光二极管(light-emitting diode,led)为目前广泛应用的固态发光组件，其因具有体积小、节能以及使用寿命长等优点，故而已经被广泛地应用在人们日常生活之中的各种照明装置的制作。随着led照明装置的快速发展及应用，市售的led照明装置也进一步地具有可调光功能。
3.dali，英文全名为digital addressable lighting interface，中文全名为数字可寻址照明接口，为应用于led照明装置的一种国际通用的调光信号协议，具有高效节能、结构灵活、易于维护、功能强大等优点。因此，利用dali协议进行调光控制的led照明装置具有很好的可扩展性。为了让调光控制器与led照明装置的各种led驱动器都能够兼容，dali协议的制定标准组织要求使用dali协议进行调光控制的led驱动器都必须符合dali规范的测试标准。至今，dali的规范标准已经从1.0版本进化到2.0版本，其中的测试规范还增加了led驱动器的负载开路检测。
4.在设计led照明装置或系统时，必须考虑作为负载的led组件的连接方式而选用适合的led驱动器，才能够保证led照明装置或系统的稳定工作。因此，熟悉led驱动器的设计与制作的工程师都知道，led驱动器分为恒流(constant current,cc)led驱动器和恒压(constant voltage,cv)led驱动器。值得说明的是，恒流led驱动器很容易进行负载开路检测，原因在于负载开路时led驱动器的输出电压会变得很大，因此侦测这个变大的输出电压便可完成负载开路检测。
5.另一方面，图1显示现有的恒压led驱动器的方块图。如图1所示，现有的恒压led驱动器1a的耦接一led灯2a(即，负载单元)，且其进一步包括一调光信号转换单元11a、一电流采样电阻12a、一电流侦测单元13a、以及一功率开关组件14a。图2显示负载率相对于输出电压的曲线图。在理想的情况下，无论恒压led驱动器1a的输出端的负载率(即，led灯2a的亮度)如何变化，其都能够维持恒定的输出电压。更详细地说明，对于恒压led驱动器1a而言，欲利用dali信号对led灯2a进行调光控制，必须先以调光信号转换单元11a将输入的dali信号转换成一pwm信号。图3即显示pwm信号的工作时序图。进一步地，将该pwm信号传送至该功率开关组件14a的一控制端(即，功率型mos晶体管的闸极端之后，即可利用所述pwm信号控制该功率开关组件14a周期性地导通及关断，从而将流过led灯2a的电流(即，输出电流)切换成pwm形态的电流。故此，通过调变pwm信号的占空比(duty cycle)可以整整控制led灯2a的亮度大小。图3即显示输出电流的工作时序图。
6.实务经验显示，适用于恒流led驱动器的负载开路检测方案并不适合应用在恒压led驱动器1a。主要原因在于，对于恒流led驱动器而言，其空载操作的输出电压必然高于其带载操作的输出电压，因此利用输出电压侦测及比对的方式便可以轻易地完成恒流led驱
动器的负载开路检测(即，空载检测)。然而，由图2可知，恒压led驱动器1a操作在空载时的输出电压与其操作在带载(甚至满载)时的输出电压是几乎没有差异的，即使因上下变动误差而有所差异，该差异也是非常的小。基于这个理由，适用于恒流led驱动器的负载开路检测方案并不适合应用在恒压led驱动器1a。
7.实务经验还指出，通过侦测输出电流判断负载是否开路的方式，也不适用于恒压led驱动器1a。如图3与图4所示，在所述pwm信号控制该功率开关组件14a周期性地导通及关断的情况下，流经led灯2a的电流(即，输出电流)会被切换成pwm形态的电流。因此，就输出电压为24v且输出功率为120瓦的恒压led驱动器1a而言，若采用平均电流的方式评估负载是否开路，当利用pwm信号调控所述led灯2a的亮度为1％(接近空载)的情况下(即，led灯2a工作在低亮度模式)，所侦测到的输出电流仅有50ma。相对的，在以pwm信号调控所述led灯2a的亮度为100％(满载)的情况下(即，led灯2a工作在高亮度模式)，所侦测到的输出电流有500ma。图5即显示负载率相对于平均电流的曲线图。
8.承上述说明，若图1所示的电流采样电阻12a的电阻值为50mω，则在满载和接近空载时所侦测到的输出电压分别为250mv和2.5mv。换句话说，满载的输出电压与接近空载的输出电压之间的差值仅有247.5mv。这么低的电压差值要实现准确侦测、比对，后端的比较器及/或微控制器的芯片成本势必高昂。图6即显示负载率相对于侦测的输出电压曲线图。
9.若只取pwm信号为on之时的输出电流进行检测，则其量测曲线图记录于图7。如图7所示，在同一个负载条件下，例如100％亮度或5％亮度，则采样得到的输出电流的值都是相同的。因此，当利用占空比为10％的pwm信号调控所述led灯2a的亮度时，流过led灯2a的平均电流为10a
×
10％＝1a，然而实际情况只是将10a的电流切换成了最大值依然为10a但占空比变成了10％的形式而已(即，pwm形式的电流)。故此，在对同一负载单元(即，led灯2a)进行调光时，无论该负载单元的负载条件为何，电流侦测单元13a所检测到的pwm信号为on之时的输出电流都是一样。基于此一原因，只取pwm信号为on之时的输出电流的方法仍旧不适用于作为恒压led驱动器1a的负载开路检测。
10.补充说明的是，前述的只取pwm信号为on之时的输出电流的方法还会出现电流采样电阻12a功耗过大的问题。就输出电压为12v且输出功率为120瓦的恒压led驱动器1a而言，在电流采样电阻12a的电阻值为50mω、负载单元(即，led灯2a)所消耗的功率为120瓦且取pwm信号为on之时的输出电流为10a的情况下，跨在电流采样电阻12a两端的压降为500mv，造成电流采样电阻12a消耗了5瓦功率。另一方面，在负载单元(即，led灯2a)所消耗的功率为12瓦且取pwm信号为on之时的输出电流为1a的情况下，跨在电流采样电阻12a两端的压降则仅有50mv，造成电流采样电阻12a消耗了50毫瓦功率。由前述说明可知，考虑到电流采样电阻12a的功耗问题，电流采样电阻12a的电阻值的选择无法使在单一机型规格的恒压led驱动器1a在大瓦特数负载与小瓦特数负载同时兼顾，否则会因为电流采样电阻12a的功耗而导致负载检测误判。
11.由上述说明可知，现阶段仍缺少适用于恒压led驱动器的负载开路检测方案。有鉴于此，本发明的发明人系极力加以研究创作，而终于研发完成本发明的一种负载开路检测电路与具有该负载开路检测电路的一种led驱动器。


技术实现要素：

12.本发明的主要目的在于提供一种负载开路检测电路，应用于对一恒压led驱动器执行一负载开路检测，其中该恒压led驱动器包含一功率型mos晶体管且与一led灯耦接。本发明的负载开路检测电路的基本组成包括：一微控制器以及一检测电路单元。其中，该检测电路单元耦接该功率型mos晶体管的一汲极端以及该微控制器。在所述led灯的亮度大于0％且小于100％的情况下，该检测电路单元接收由该微控制器所传送的一检测信号，且同时接收由该功率型mos晶体管的该汲极端所传送的一组件输出信号，从而依据该检测信号与该组件输出信号而产生一采样信号。在接收该采样信号之后，该微控制器对该采样信号执行至少一信号处理，从而依据所述信号处理的结果而判断该恒压led驱动器是否负载开路。
13.为达成上述目的，本发明提出所述负载开路检测电路的一实施例，用于对包含一第一mos晶体管以及耦接一led灯的一恒压led驱动器执行一负载开路检测，且包括：
14.一微控制器，耦接一dali信号，用以依据该dali信号而产生一第一pwm信号，从而将该第一pwm信号传送至该第一mos晶体管的一闸极端；以及
15.一检测电路单元，具有耦接该微控制器的一第一电性端、耦接该第一mos晶体管的一汲极端的一第二电性端、以及耦接该微控制器的一第三电性端；
16.其中，在该第一mos晶体管依据该第一pwm信号的控制而驱动所述led灯使其亮度大于0％且小于100％的情况下，该检测电路单元接收由该微控制器所传送的一检测信号，且同时接收由该第一mos晶体管的该汲极端所传送的一组件输出信号，从而依据该检测信号与该组件输出信号而产生一采样信号；
17.其中，在接收由该检测电路单元所传送的该采样信号之后，该微控制器对该采样信号执行至少一信号处理，从而依据所述信号处理的结果而判断该恒压led驱动器是否负载开路。
18.在一实施例中，在该第一mos晶体管依据所述第一pwm信号的控制而驱动所述led灯使其亮度大于0％且小于100％的情况下，所述采样信号为一采样pwm信号，且所述采样pwm信号的相位与所述第一pwm信号的同相位。
19.在一实施例中，该微控制器具有一调光信号转换单元，用以将该dali信号转换为所述第一pwm信号，使所述第一pwm信号具有范围介于0％至100％之间的一占空比。
20.在一实施例中，该检测电路单元包括：
21.一二极管，其一阳极端耦接该第一mos晶体管的该汲极端；
22.一第一电阻，其一第一端耦接该二极管的一阴极端；
23.一第二mos晶体管，其一闸极端耦接该第一电阻的一第二端；
24.一第二电阻，其一第一端耦接至该第二mos晶体管的该闸极端和该第一电阻的该第二端之间的一共接点，且其一第二端耦接该第二mos晶体管的一源极端；
25.一第三电阻，其一第一端耦接该第二mos晶体管的一汲极端，且其一第二端耦接一工作电压；
26.一第三mos晶体管，其一汲极端耦接至该第二mos晶体管的该源极端和该第二电阻的该第二端之间的一共接点，其一源极端耦接一接地端；
27.一第四电阻，其一第一端耦接该第三mos晶体管的一闸极端，且其一第二端耦接该
接地端；
28.一第五电阻，其一第一端耦接至该第三mos晶体管的该闸极端和该第四电阻的该第一端之间的一共接点，且其一第二端耦接该微控制器；
29.其中，该第五电阻的该第二端作为该检测电路单元的该第一电性端以接收所述检测信号，该二极管的该阳极端作为该检测电路单元的该第二电性端以接收所述组件输出信号，且该第二mos晶体管的该汲极端作为该检测电路单元的该第三电性端以输出所述采样信号。
30.在另一实施例中，在该第一mos晶体管依据所述第一pwm信号的控制而驱动所述led灯使其亮度等于0％的情况下，该第三mos晶体管依据所述检测信号的控制而关断。
31.在另一实施例中，在该第一mos晶体管依据所述第一pwm信号的控制而驱动所述led灯使其亮度等于100％的情况下，该微控制器每隔一段时间以一第二pwm信号取代所述第一pwm信号，从而利于该检测电路单元完成所述采样信号的采集和输出。其中，所述第二pwm信号的一占空比(duty cycle)为99％。
附图说明
32.图1为现有的恒压led驱动器的方块图；
33.图2为负载率相对于输出电压的曲线图；
34.图3为pwm调光信号的工作时序图；
35.图4为输出电流的工作时序图；
36.图5为负载率相对于平均电流的曲线图；
37.图6为负载率相对于侦测的输出电压的曲线图；
38.图7为占空比相对于pwm信号为on之时的输出电流的曲线图；
39.图8为本发明的一种负载开路检测电路的方块图；
40.图9为pwm调光信号的工作时序图；
41.图10为pwm调光信号、组件输出信号和采样信号的工作时序图；以及
42.图11为本发明的负载开路检测电路的电路拓朴结构图。
43.图中主要符号说明：
44.1:负载开路检测电路
45.11:微控制器
46.12:检测电路单元
47.2:恒压led驱动器
48.3:led灯
49.q1:第一mos晶体管
50.q2:第二mos晶体管
51.q3:第三mos晶体管
52.d1:二极管
53.r1:第一电阻
54.r2:第二电阻
55.r3:第三电阻
56.r4:第四电阻
57.r5:第五电阻
58.r6:第六电阻
59.r7:第七电阻
60.1a:恒压led驱动器
61.11a:调光信号转换单元
62.12a:电流采样电阻
63.13a:电流侦测单元
64.14a:功率开关组件
65.2a:led灯
具体实施方式
66.为了能够更清楚地描述本发明所提出的一种负载开路检测电路与具有该负载开路检测电路的一种led驱动器，以下将配合图式，详尽说明本发明的较佳实施例。
67.请参阅图8，其显示本发明的一种负载开路检测电路的方块图。如图8所示，本发明提供一种负载开路检测电路1，应用于对包含一第一mos晶体管q1以及耦接一led灯3的一恒压led驱动器2执行一负载开路检测，且其基本组成包括：一微控制器11以及一检测电路单元12，其中该微控制器11耦接一dali信号，用以依据该dali信号而产生一第一pwm信号。请同时参阅图9，其显示pwm调光信号的工作时序图。依据本发明的设计，微控制器11具有一调光信号转换单元，用以将dali信号转换为所述第一pwm信号，从而以所述第一pwm信号作为一pwm调光信号而传送至该第一mos晶体管q1的一闸极端。长期涉及led驱动器的设计与制作的电子工程师必然知道，随着pwm调光信号的占空比于0％至100％之间调变，该第一mos晶体管q1对应地驱动所述led灯3使其亮度调变于0％至100％之间。
68.更详细地说明，该检测电路单元12具有耦接该微控制器11的一第一电性端、耦接该第一mos晶体管q1的一汲极端的一第二电性端、以及耦接该微控制器11的一第三电性端。如此设置，在该第一mos晶体管q1依据所述第一pwm信号(即，pwm调光信号)的控制而驱动所述led灯3使其亮度大于0％且小于100％的情况下，该微控制器11发送一检测信号至该检测电路单元12，以此侦测该恒压led驱动器2是否负载开路。同时，该检测电路单元12还接收由该第一mos晶体管q1的该汲极端所传送的一组件输出信号，从而依据该检测信号与该组件输出信号而产生一采样信号。
69.图10显示pwm调光信号、组件输出信号和采样信号的工作时序图。在一实施例中，如图10所示，由该检测电路单元12所输出的采样信号为一采样pwm信号，且所述采样pwm信号的相位与所述第一pwm信号(即，pwm调光信号)的同相位。因此，在接收由该检测电路单元12所传送的该采样信号之后，微控制器11接着对所述采样信号进行至少一信号处理，包括：对所述采样信号执行一计数处理以取得一计数值。之后，微控制器11只要将该计数值与一参考计数值进行比对，只要比对结果显示该计数值与所述参考计数值之间的一差值落在一个合理范围内，便可以依此判断该恒压led驱动器2并无发生负载开路现象。相反地，当所述差值超出合理范围时，便表示该恒压led驱动器2发生了负载开路。
70.图11显示本发明的负载开路检测电路的电路拓朴结构图。如图8与图11所示，该检
测电路单元12包括：一二极管d1、一第一电阻r1、一第二mos晶体管q2、一第二电阻r2、一第三电阻r3、一第三mos晶体管q3、一第四电阻r4、以及一第五电阻r5。其中，该二极管d1的阳极端耦接该第一mos晶体管q1的汲极端，该第一电阻r1的第一端耦接该二极管d1的一阴极端，且该第二mos晶体管q2的闸极端耦接该第一电阻r1的第二端。更详细地说明，该第二电阻r2的第一端耦接至该第二mos晶体管q2的该闸极端和该第一电阻r1的该第二端之间的一共接点，且其第二端耦接该第二mos晶体管q2的源极端。
71.承上述说明，该第三电阻r3的第一端耦接该第二mos晶体管q2的汲极端，且其第二端耦接一工作电压vcc。并且，该第三mos晶体管q3的汲极端耦接至该第二mos晶体管q2的该源极端和该第二电阻r1的该第二端之间的一共接点，其源极端耦接一接地端。该第四电阻r4的两端分别耦接该第三mos晶体管q3的一闸极端和该接地端。再者，该第五电阻r5的地一端耦接至该第三mos晶体管q3的该闸极端和该第四电阻r4的该第一端之间的一共接点，且其第二端耦接该微控制器11。
72.依据本发明的设计，如图8与图11所示，该第五电阻r5的第二端作为该检测电路单元12的第一电性端以接收所述检测信号，该二极管d1的阳极端作为该检测电路单元12的第二电性端以接收所述组件输出信号，且该第二mos晶体管q2的汲极端作为该检测电路单元12的第三电性端以输出所述采样信号。
73.更详细地说明，如图10与图11所示，在该第一mos晶体管q1依据所述pwm调光信号(即，第一pwm信号)的控制而驱动所述led灯3使其亮度大于0％且小于100％的情况下，微控制器11输出高电平的检测信号至该第三mos晶体管q3的闸极端，进而控制该第三mos晶体管q3导通。此时，由于第一mos晶体管q1的闸极端受控于所述pwm调光信号，因此，在所述pwm调光信号的pwm-on期间，第一mos晶体管q1会导通而第二mos晶体管q2会关断。相反地，在所述pwm调光信号的pwm-off期间，第一mos晶体管q1会关断而第二mos晶体管q2会导通。故而，如图10与图11所示，自第一mos晶体管q1的汲极端输出的该组件输出信号的相位与所述pwm调光信号的相位相差90o，而自第二mos晶体管q2的汲极端输出的该采样信号与所述pwm调光信号则同相位。因此，在接收由该检测电路单元12所传送的该采样信号之后，微控制器11接着对所述采样信号进行至少一信号处理，包括：对所述采样信号执行一计数处理以取得一计数值。之后，微控制器11只要将该计数值与一参考计数值进行比对，只要比对结果显示该计数值与所述参考计数值之间的一差值落在一个合理范围内，便可以依此判断该恒压led驱动器2并无发生负载开路现象。相反地，当所述差值超出合理范围时，便表示该恒压led驱动器2发生了负载开路。
74.补充说明的是，在该第一mos晶体管q1依据所述第一pwm信号的控制而驱动所述led灯3使其亮度等于0％的情况下，微控制器11输出低电平的检测信号至该第三mos晶体管q3的闸极端，进而控制该第三mos晶体管q3关断。由图9可知，令所述第一pwm信号(即，pwm调光信号)为一低电平信号可使得led灯3的亮度为0％。在此情况下，第二mos晶体管q2与第三mos晶体管q3同时处于关断状态，因此不会有漏电流流经led灯3，确保led灯3不会发出微弱灯光。严格来说，在led灯3的亮度为0％的情况下，对所述恒压led驱动器2执行负载开路检测显得没有意义。
75.进一步补充说明的是，在该第一mos晶体管q1依据所述第一pwm信号的控制而驱动所述led灯3使其亮度等于100％的情况下，由图8可知所述pwm调光信号为一高电平信号，从
而使第一mos晶体管q1维持在导通状态，且使第二mos晶体管q2维持在关断状态。应可理解，此时自第二mos晶体管q2的汲端所输出的该采样信号持续高电平，故而微控制器11无法对此持续高电平的采样信号执行所谓的计数处理，自然也就无法完成所述恒压led驱动器2的负载开路检测。基于前述理由，在此情况下，本发明特别设计令该微控制器11每隔一段时间以一第二pwm信号取代所述第一pwm信号以作为所述pwm调光信号，使得自第二mos晶体管q2的汲端所输出的该采样信号与所述第二pwm信号具有相同波形且同相位，从而利于该微控制器11完成所述恒压led驱动器2的负载开路检测。在一实施例中，该第二pwm信号具有99％的占空比，如果所述恒压led驱动器2处于负载开路状态，则第二mos晶体管q2的汲极不会输出具有99％占空比的采样pwm信号。
76.补充说明的是，图11还绘示本发明的负载开路检测电路1进一步包含一第六电阻r6与一第七电阻r7。其中，该第六电阻r6的第一端耦接至该第一mos晶体管q1的一源极端与该接地端之间的一共接点，且其第二端耦接该第一mos晶体管q1的该闸极端。并且，该第七电阻r7的第一端耦接至该第一mos晶体管q1的一闸极端与该第六电阻r6的该第二端之间的一共接点，且其第二端耦接该微控制器11。
77.如此，上述已完整且清楚地说明本发明所提供的一种负载开路检测电路1。特别说明的是，本发明的负载开路检测电路1具有以下特征及优点：
78.(1)于现有技术相比(如图1所示)，本发明的负载开路检测电路1仅具有一微控制器11(具有调光信号转换功能)和一检测电路单元12，并无包含会产生显著功耗的电流采样电阻。因此，在对恒压led驱动器2执行负载开路检测的过程中，不会有电流采样电阻产生显著功耗而影响负载开路的检测及判断。
79.(2)本发明的负载开路检测电路1仅具有一微控制器11和一检测电路单元12，其中该微控制器11同时具有调光信号转换功能，因此本发明的负载开路检测电路1可以直接应用在现有的恒压led驱动器2之中，不会产生额外的芯片购置成本。
80.(3)如图9与图11所示，在第一mos晶体管q1依据pwm调光信号的控制而驱动所述led灯3使其亮度等于0％的情况下，本发明利用微控制器11输出低电平的检测信号至第三mos晶体管q3的闸极端，进而控制该第三mos晶体管q3关断。在此情况下，由于第二mos晶体管q2与第三mos晶体管q3同时处于关断状态，因此不会有漏电流流经led灯3，确保led灯3不会发出微弱灯光。
81.(4)如图9与图11所示，在第一mos晶体管q1依据pwm调光信号的控制而驱动所述led灯3使其亮度等于100％的情况下，由于第一mos晶体管q1维持在导通状态且第二mos晶体管q2维持在关断状态，因此自第二mos晶体管q2的汲端所输出的采样信号为一低电平信号，故而微控制器11无法依此低电平信号完成所述恒压led驱动器2的负载开路检测。在此情况下，本发明特别设计令该微控制器11每隔一段时间发出具有99％的占空比的一第二pwm信号以作为所述pwm调光信号，使得自第二mos晶体管q2的汲端所输出的该采样信号与所述第二pwm信号具有相同波形且同相位，从而利于该微控制器11完成所述恒压led驱动器2的负载开路检测。
82.必须加以强调的是，上述的详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，但该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。