LED驱动器及使用LED驱动器的照明系统的制作方法

led驱动器及使用led驱动器的照明系统
技术领域
1.本发明涉及led驱动器。


背景技术：

2.可控led驱动器可以被用来改变提供给led装置形式的负载的电压和/或电流供应。对这种led驱动器的控制例如基于反馈回路，该反馈回路反馈led装置处的电流或电压。本发明具体涉及利用电流反馈信号的led驱动器，该电流反馈信号表示流过led装置的电流。
3.图1a以示意形式示出了led驱动器，其包括功率转换器10，功率转换器10接收电源vsup并向负载递送功率，负载为led装置12的形式。为简单起见，led装置被示为单个二极管。
4.流过led装置12的电流由电流感测电路13感测。表示电流流动的电压被生成，并且该电压作为反馈信号被提供给控制器14。控制器14控制功率转换器10以将目标电流递送给led装置12。功率转换器10和控制器14可以一起被认为是“驱动器单元”。
5.控制器14可以被实现为控制ic、由分立组件或数字微处理器组成的控制电路或者它们的组合。
6.通常，出于成本和简单性的原因，电流感测电路13是与led串串联的电阻器，优选地位于led串与参考电位gnd之间。通常，多个小电阻器串联连接或并联连接以分散感测损耗并使得能够使用廉价组件。与一个大组件相比，利用多个小组件的布局有时更容易。
7.在不同的市场中，led驱动器必须遵守不同的规则，诸如美国的保险商实验室(ul)规则。这些包括单个故障安全要求，这意味着在单个组件发生故障(开路或短路)的情况下，驱动器仍然是安全的。
8.短路的电流感测电阻器会导致led驱动器失控，因为表示电流幅度的感测电压不再与电流成正比，而是始终为零。因此，如果没有进一步的保护，那么led驱动器将递送非常高的电流。该电流很容易超过限定的极限值。
9.已知通过在参考电位gnd与负电源轨之间添加另一电阻器来检测故障感测电阻器。这给出了连接到gnd电位的正侧和负侧的两个低侧电流感测电路。以这种方式，通过led装置的led的电流被感测两次。这允许通过比较两个信号来检测一个电流感测电阻器的短路。
10.这种方法的缺点是led电流流过两个感测电阻器组合，并且假设两个感测电阻器组合具有相同的值，则损耗因此会加倍。其中一个感测信号关于gnd为负，并且因此需要额外的努力来处理信号。
11.因此，需要一种检测个体组件故障的改进的电流感测装置。


技术实现要素：

12.本发明由权利要求来限定。
13.根据本发明的一个方面的示例，提供了一种led驱动器，包括：
14.驱动器单元，用于向led装置递送电流；以及
15.电阻器装置，用于感测被递送的电流并且向驱动器单元提供反馈信号，其中反馈信号包括电阻器装置两端的电压，
16.其中电阻器装置包括：
17.第一电流感测支路，包括连接在第一感测节点处的至少两个串联电阻器；以及
18.第二电流感测支路，与第一电流感测支路并联，包括连接在第二感测节点处的至少两个串联电阻器，
19.其中led驱动器还包括故障检测单元，用于处理第一感测节点和第二感测节点处的电压以确定组件故障。
20.该led驱动器使用具有并联的两个电流感测支路的电阻器布置(用作电流感测电路)。每个支路都具有输出节点(感测节点)，在输出节点处递送表示电流流动的电压。通过监测两个支路，可以通过比较两个电压来检测电流感测电阻器故障(开路或短路)。两个感测节点电压之间的电压差只有在组件发生故障的情况下才会很大(即高于阈值)。在正常操作中，电压差很小(取决于组件公差，总会有小的偏差)。两个并联支路的总电阻可以与单个电阻的总电阻相同(如果它们都具有相同的值)，并且因此与具有单个感测电阻器的解决方案相比，不会增加损耗。
21.整个电阻器装置(即两个支路的组合)两端的电压被用作电流感测反馈信号，用于在没有组件故障时进行电流调节。
22.故障检测单元例如包括运算放大器电路。这是一种低成本和低功耗的解决方案。
23.运算放大器电路例如包括比较器电路。因此，感测节点电压中的差被处理，以便能够指示故障。
24.运算放大器电路例如包括具有反相输入和非相输入的放大器，反相输入和非相输入分别通过输入电阻器而连接到第一感测节点和第二感测节点。
25.运算放大器电路例如包括负反馈电阻器(到反相输入)以及连接到非反相输入用于提供正电压偏置的偏置装置。负反馈电阻器(与反相输入电阻器相结合)提供适当的增益用于差的放大，以生成故障检测信号。
26.故障检测单元例如还包括窗口比较器，运算放大器电路的输出被提供给窗口比较器。因此，可以简单地通过确定运算放大器电路的输出信号是落在信号范围之内还是落在信号范围之外来检测组件故障。窗口比较器可以被实现为晶体管电路。
27.可以替代地提供处理器，运算放大器电路的输出被提供给该处理器。处理器和运算放大器电路可以例如集成到控制器ic中。
28.led驱动器优选地适于在组件故障被检测到时进入安全模式。例如，这涉及停止向led装置供应电流。
29.本发明还提供一种照明电路，包括：
30.如上所限定的led驱动器；以及
31.led装置(例如led串)，连接到led驱动器的输出的。
32.本发明还提供一种控制led驱动器的方法，包括：
33.向led装置递送电流；
34.使用电阻器装置感测被递送的电流并且提供包括电阻器装置两端的电压的反馈信号；
35.处理电阻器装置的第一感测节点和第二感测节点处的电压以确定组件故障，其中第一感测节点是第一电流感测支路的至少两个串联电阻器之间的连接部，并且第二感测节点是并联的第二电流感测支路的至少两个串联电阻器之间的连接部；以及
36.当组件故障被检测到时，将led驱动器设置为安全模式。
37.安全模式涉及led驱动器停止向led装置递送电流以防止进一步损坏驱动器并且例如排除火灾风险。如果led驱动器是已连接的系统的一部分，则故障条件也可以被报告给更高级别的控制系统。
38.本发明的这些和其他方面将从下文描述的(多个)实施例中变得明显并且参考下文中描述的实施例来阐明。
附图说明
39.现在将参考附图详细描述本发明的实施例，其中：
40.图1a示出了已知的led驱动器的示例性现有技术拓扑；
41.图1b示出了根据本发明的led驱动器的示例；
42.图2示出了电流感测电阻器的基本配置；
43.图3示出了通过在参考电位与负电源轨之间添加第二电阻器来检测故障感测电阻器是已知的；
44.图4示出了根据本发明的电流感测电路的示例；以及
45.图5示出了用于处理电流感测电路的输出的比较器单元的示例。
具体实施方式
46.将参考附图描述本发明。
47.应当理解，详细描述和具体示例虽然指示装置、系统和方法的示例性实施例，但仅旨在用于说明的目的而不旨在限制本发明的范围。本发明的装置、系统和方法的这些和其他特征、方面和优点将从以下描述、所附权利要求和附图中得到更好的理解。应该理解，附图仅仅是示意性的并且没有按比例绘制。还应该理解，在所有附图中使用相同的参考标号来指示相同或相似的部分。
48.本发明提供了一种具有电流感测电阻器装置的led驱动器，该电流感测电阻器装置具有两个并联电流感测支路(branch)，每个电流感测支路包括连接在相应的感测节点处的至少两个串联电阻器。两个感测节点处的电压被处理以检测组件故障。正常电流控制基于整个电阻器装置两端的电压。
49.图1b示出了根据本发明的led驱动器的示例。电流感测电路13向故障检测单元15提供信号，该故障检测单元15随后使得故障检测信号“故障(fault)”能够被生成。该信号指示电流感测电路的电阻器中的故障。
50.图2示出了用于电流感测电阻器的基本已知配置。在该示例中，电流传感器电阻器包括并联的四个电阻器的组30，其中该组与led装置32串联。电阻器组两端的电压被提供给控制器14的电流感测(“cs”)输入，并且电阻器组连接在电流感测输入cs与接地gnd之间。
vcc是控制器14的低电压供应，诸如5v或3.3v，并且gnd是接地，尽管可以使用任何参考电位。
51.电阻器组的使用分散了感测损耗，并且使得能够使用低成本组件。如上面所提及，控制器14可以被实现为控制ic、由分立元件或数字微处理器组成的控制电路或者它们的组合。
52.如图3中所示，已知通过在参考电位gnd与负电源vsup-之间添加第二电阻器(在该示例中为第二电阻器组30b)来检测故障感测电阻器(在电阻器组30a内)。然后存在连接到gnd电位的正侧和负侧的两个低侧电流感测电路30a、30b。在这种布置中，通过led装置的led的电流被感测两次。第一电流感测信号被提供给正电流感测输入cs，并且第二电流感测信号被提供给负电流感测输入ncs。这允许通过比较两个信号来检测一个电流感测电阻器的短路。
53.这种方法的缺点首先是led电流流过两个感测电阻器组合(如图所示)，并且因此损耗加倍(假设电阻值相同)。其次，ncs信号关于接地(或所使用的其他参考)为负，这需要额外的努力来处理信号。
54.图4示出了根据本发明的电流感测电路42和故障检测单元15的示例。故障检测单元15包括放大电路44和比较器单元45。
55.如上面所解释的，电流感测电路用于在led驱动器内使用，其中功率转换器将电流递送到led装置32。led装置可以是多个led的任何(串联和并联)组合。为了简化，仅示出了单个led。控制器14用于控制功率转换器10，并且控制器14和功率转换器可以被认为是驱动单元。电阻器装置42感测所递送的电流并向驱动器单元特别是控制器14提供反馈信号cs。该反馈信号cs基于整个电阻器装置两端的电压。
56.电阻器装置的第一电流感测支路包括连接在第一感测节点x处的两个串联电阻器r1、r2。第二电流感测支路与第一电流感测支路并联，并且包括连接在第二感测节点y处的两个串联电阻器r3、r4。两个支路一起形成电阻器装置42。故障检测单元15处理第一感测节点和第二感测节点x、y处的电压以检测组件故障。
57.图4的装置中的电流感测电路42因此使用四个电阻器，两个串联并且这些串联连接中的两个并联。通过这种布置，总电阻等于单个电阻器的值，诸如50mω。因此，生成与单个电流感测电阻器相同的电流感测反馈信号cs，并且具有相同的损耗。
58.然而，可以有四个以上的电阻器，因为每个支路可能具有两个以上的串联电阻器，或者每个支路内可以有并联的子支路。
59.如上面所解释的，led驱动器中用于电流控制的感测电压是整个电流感测电路两端的电压，即到电流感测节点cs的电压。
60.故障检测单元15的放大器单元44放大感测节点x与y之间的电压差以检测电阻值中的一个电阻值是否大大偏离其期望值(在极端情况下为开路或短路)。感测电阻器的组件容差也将会导致小的电压差，但与故障状况所导致的差相比，这种差很小。
61.如果所有的电阻器r1至r4的值都相似(并且比放大器单元44中使用的电阻器的值小得多)，则感测节点x与y之间的电压差非常小。特别地，放大器单元44几乎不汲取电流(相对于通过电阻器r1至r4的led电流)，并且因此对感测节点x和y处的电压的影响可以忽略不计。
62.如果电阻器中的一个电阻器因开路或短路而故障，则感测节点x与y之间的电压差会变大。这被用来检测组件故障，并且可以切断led驱动器以进入安全操作模式，而不会超过电流和/或电压限制或没有火灾风险。
63.在图4中，感测节点x和y连接到简单运算放大器电路形式的放大器单元44。这是有利的，因为(在cs处测量的)总的电流感测电压很小(例如100mv)，并且在单个故障组件(开路或短路)情况下的最大电压差甚至更小(诸如感测电压的一半，并且因此最大约50mv)。
64.图4中所示的运算放大器电路包括运算放大器46，该运算放大器46具有分别通过输入电阻器r5、r6而连接到第一感测节点和第二感测节点x、y的反相输入和非反相输入。负反馈电阻器r7设置运算放大器电路的增益。特别地，运算放大器电路具有例如在20至100范围内的增益。合适的增益取决于感测电阻器的设计以及流过led(和感测电阻器)的电流。感测电阻器的容差也起作用。例如，假设2a led电流和2％容许的50mω感测电阻器，x可能是49mv，并且y可能是51mv(这是最坏情况下的差)。将这2mv的差放大100倍增益，将导致在z点处200mv的变化。故障状况将导致50mv被放大100倍，即5v。因此，可以很容易地将故障状况与电路中的容差变化区分开来。
65.偏置装置r8、r9连接到运算放大器46的非反相输入，用于提供正电压偏置。偏置装置包括控制器(低电压)供应vcc与接地gnd之间的电阻分压器。它将输出电压提升例如vcc/2，以避免对双电源解决方案(随之而来的额外成本和组件)的需要。
66.然后可以将放大的输出z提供给窗口比较器，形成故障检测单元15的比较器单元45。一旦放大的电压离开vcc/2(偏移电压)附近的预定义允许电压窗口，则窗口比较器中的比较器触发led驱动器进入安全状态。
67.在替代装置中，放大器输出z可以与低压电源轨(vcc和gnd)进行比较，以触发led驱动器进入安全状态。
68.图5示出了基于用于实现窗口比较器的晶体管电路的比较器单元45的示例。
69.来自故障检测单元15的放大器单元44的输出z被提供给晶体管电路，该晶体管电路用作简单的窗口比较器。
70.第一电路部分50被用来在信号z上升到高于窗口上限时生成高输出“故障”，并且第二电路部分60被用来在信号z下降到低于窗口下限时生成高输出“故障”。当信号z在窗口内时，输出“故障”被下拉电阻器r13拉低。
71.存在两种故障状况，取决于哪个感测电阻器发生故障以及它是因短路还是开路而发生故障。在一种故障状况下，x与y之间的电压差较大且为正，或者x与y之间的电压差较大且为负。第一种情况导致z处的大的负电压(反相运算放大器46例如将饱和并且其输出几乎为gnd)，第二种情况导致z处的大的正电压(反相运算放大器46例如将饱和并且其输出几乎为vcc)。
72.如果z处的电压接近vcc(大于t2的基极发射极电压)，则t2停止导通，并且不再有基极电流通过rb3流向晶体管t3。r12和d2的组合将输出“故障”拉高，指示故障状况。在这种情况下，t1保持导通，并且没有电流流过d1。
73.同样，如果z处的电压接近gnd电平(低于t1的基极发射极电压)，则t1停止导通，并且电流可以流过r10和d1，将输出“故障”拉高。在这种情况下，t2和t3保持导通，并且没有电流流过d2。
74.在正常操作中，x与y之间的电压差异很小，并且因此故障检测单元15的放大器单元44的输出z也等于偏移(vcc/2)加上小的放大的差电压。然后晶体管t2和t1都保持导通，并且故障输出由输出处的下拉电阻器r13保持为低。
75.该电路因此可以使用低成本晶体管来实现，形成晶体管窗口比较器电路。可以选择放大器单元44的增益以在感测节点x与y之间的适当电压差处触发上拉和下拉晶体管电路。
76.在另一个示例中，输出z可以连接到微处理器的模拟输入。然后微处理器基于实际放大的差分电压值来用软件决定将驱动器置于安全操作模式。
77.在另一个示例中，故障检测单元15(即放大器单元44和比较器单元45)被嵌入在led驱动器的ic控制器中。这大大降低了成本、组件数和电路板空间，并且提高了稳健性。只需要两个额外的引脚即可连接到x和y感测节点信号。电流感测电阻器也可以位于ic控制器内部。
78.本发明可以被应用于任何采用电流感测以便提供反馈控制的驱动器架构。驱动器可以使用开关模式功率转换器。例如，驱动器然后具有开关级(诸如双晶体管反相器级)并且切换占空比和/或频率取决于反馈信号来进行控制。功率转换器可以是降压转换器或升压转换器或反激式转换器。本发明可以被应用于谐振转换器或非谐振转换器。本发明可以被应用于隔离或非隔离驱动器。此外，本发明可以被应用于不采用高频切换的线性驱动器。
79.因此，本发明可适用于使用电阻式电流感测电路的各种驱动器。
80.通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践要求保护的本发明时可以理解和实现对所公开实施例的其他变化。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除复数。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施这一事实并不表明这些措施的组合不能有利地使用。权利要求中的任何参考符号不应被解释为限制范围。